Способ оценки своевременности и точности волевой двигательных реакций на раздражители Vibrotactile
Summary
В данной статье описывается методика применения vibrotactile стимулов к бедру человеческого участника и измерения точности и времени реакции волевого ответа участника для различных комбинаций расположения стимуляции и частоты.
Abstract
Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments. Effective design of these ASF systems requires an in-depth understanding of how the parameters of specific feedback mechanism affect user perception and reaction to stimuli. This article presents a method for applying vibrotactile stimuli to human participants and measuring their response. Rotating mass vibratory motors are placed at pre-defined locations on the participant’s thigh, and controlled through custom hardware and software. The speed and accuracy of participants’ volitional responses to vibrotactile stimuli are measured for researcher-specified combinations of motor placement and vibration frequency. While the protocol described here uses push-buttons to collect a simple binary response to the vibrotactile stimuli, the technique can be extended to other response mechanisms using inertial measurement units or pressure sensors to measure joint angle and weight bearing ratios, respectively. Similarly, the application of vibrotactile stimuli can be explored for body segments other than the thigh.
Introduction
Искусственное сенсорная обратная связь (ASF) может быть определен как практика предоставления в режиме реального времени биологической информации для отдельных лиц, часто компенсируя скомпрометированы проприоцептивные или других сенсорных механизма. ASF уже давно используется в сфере реабилитации инвалидов или травмированных лиц для оказания помощи в восстановлении аспектов физической функции и движения 1 – 3, что позволяет людям контролировать физические процессы , которые были когда – то невольная реакция вегетативной нервной системы 4. Подкатегорию ASF, биомеханической БОС, использует внешние датчики для измерения параметров, связанных с баланса или походка кинематики, и передавать эту информацию индивидуума через какое-то прикладной стимул. Все более популярным подходом к биомеханической обратной связи использует небольшие вибрирующие моторы, или контакторов, расположенные в разных частях тела, чтобы обеспечить пространственное, а также временную обратную связь. Предыдущая литература показала рromising результаты , подтверждающие использование vibrotactile обратной связи в приложениях для людей с ампутации нижних конечностей, вестибулярных нарушений, а также связанные со старением потери равновесия 5 – 9.
Глубокое понимание механизмов, контролирующих восприятие индивидуума и ответ на специфические стимулы необходимы для информирования эффективной реализации ASF систем для различных областей применения. Для vibrotactile обратной связи, главным из этих механизмов являются проприоцепция и ответ сенсомоторной, в частности, чувствительность пользователя к прикладной вибрации и время, необходимое для выполнения желаемой реакции. Любая сенсорная информация передается через вибрации раздражители должны быть закодированы в виде специфических комбинаций частоты колебаний, амплитуды, местоположения и последовательности. Таким образом, проектирование систем ASF vibrotactile следует выбирать комбинации параметров для максимального восприятия пользователя и интерпретации стимулов, как иа также своевременность и точность полученного ответа двигателя. Целью данного протокола является предоставление платформы, из которой для оценки времени отклика и точность реагирования на различные колебательные раздражители информировать проектирование систем ASF для использования с различными сенсорными нарушениями населения.
Методы , описанные здесь , основывается на предыдущих исследованиях изучают человеческое восприятие тактильной и vibrotactile обратной связи 3,5,6, и был разработан для использования в двух предыдущих исследованиях 10,11. Последние два исследования использовали этот протокол для изучения влияния частоты вибрации и расположение на точность и своевременность ответов пользователя в ампутированы нижние конечности, показывая, что оба параметра существенно влияют на показатели исходов, а также о том, что высокая степень точности отклика может быть достигнуты. Эти результаты могут быть использованы для информирования идеального размещения контакторов в будущих исследованиях и клинических применений систем vibrotactile ASF. Другая недавняя работаCrea и др. 12 исследовали чувствительность пользователя к изменениям в структуре вибрации , приложенных к бедру при ходьбе, с использованием словесных ответов для обозначения воспринимаемые изменения в вибраций еще , а не двигательную реакцию. В то время как эти словесные ответы могут быть использованы для измерения точности обнаружения, они не учитывают наличие ошибок и задержек, которые могут присутствовать в процессе управления двигателем.
Первичная установка для следующих экспериментов состоит из ряда вибрационных двигателей, соединенных с широтно-импульсной модуляцией для выходных выводов микроконтроллера платы. Совет, в свою очередь, управляется через соединение универсальной последовательной шины (USB) на компьютере под управлением коммерчески доступного программного обеспечения для проектирования системы. Двигатели требуют дополнительной усилительной схемы, чтобы обеспечить достаточное напряжение и ток подается в широком диапазоне частот колебаний. Схема пример усилителя показана на рисунке 1. Биполярного плоскостного транзистора (BJR) На рисунке может быть заменен меньшим металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET) для более эффективной работы и меньшего размера. Аналогичным образом, вся усилительной схемы может быть заменен выпускаемый промышленностью тактильной привода двигателя, чтобы обеспечить дополнительный контроль и уменьшенный размер. Каждый двигатель требует свою собственную схему, и с использованием оборудования, перечисленных в этой статье, до десяти двигателей можно управлять с помощью одного микроконтроллера платы.
Рисунок 1. Схема подключения двигателя. (A) Схема усиления для одного вибрационного двигателя показан. Каждый двигатель требует отдельного контура и должен быть подключен к уникальным ШИМ-выходом порта на микроконтроллере. V DD здесь представляет мощность 3,3 В комплект поставки микроконтроллером платы, а резистор R2 служит понижающим резистор , чтобы обеспечить переключатель транзистор остается открытым , когда нулевое напряжение приложениелгал. (В) Пример физической разводки двух двигателей. Несмотря на то, восемь отдельных схем амплификации показаны только два подключены к вибрации двигателей. В этом протоколе R1 = 4,7 кОм и R2 = 100 кОм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Protocol
Representative Results
Discussion
Целью данного протокола является обеспечение основы для оценки параметров стимуляции в vibrotactile приложений ASF. В частности, он рассматривает влияние частоты колебаний, амплитуды, местоположения и последовательности на ответ пользователя сенсомоторной. Эта структура может быть построе…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This protocol was developed for research supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (grant RGPIN 401963).
Materials
| Vibrating Pager Motors | Precision Microdrives | Model 310-101 | Coin eccentric rotating mass motors. As many as necessary to test all locations and interactions of interest |
| Tri-axis Accelerometer | Dimension Engineering | ADXL 335 | Advanced analog accelerometer. 500Hz bandwidth, 3.5-15V input. Designed for motion, tilt, and slope measurement, as well as vibration and shock sensing |
| Arduino Uno | Arduino | DEV-11021 | Microcontroller board for communicating with the tri-axis accelerometer |
| Arduion Mega 2560 | Arduino | DEV-11061 | Microcontroller board for interfacing with the vibration motors. |
| LabVIEW | National Instruments | Data acquisition software used to control motors and display accelerometer signals | |
| Arduino IDE Software | Arduino | v. 1.6.5 | |
| Push-Button | Bridges | Buddy Button | Wired switch featuring a 2.5in/6.35cm activation surface that provides an auditory click and tactile feedback. |
| Optional: | |||
| Dedicated haptic motor driver | Texas Instruments | DRV2605L | Can be used to replace the entire amplification circuit described in Step 1. |
| Flexible wearable goniometer | Biometrics Ltd. | SG110 | Twin axis flexible goniometers to measure angles in up to two planes of movement that can be used in lieu of the push button to measure joint movement in response to stimuli. www.biometricsltd.com/gonio.htm |
References
- Tate, J. J., Milner, C. E. Real-time kinematic, temporospatial, and kinetic biofeedback during gait retraining in patients: a systematic review. Phys. Ther. 90 (8), 1123-1134 (2010).
- Onate, J. A., Guskiewicz, K. M., Sullivan, R. J. Augmented feedback reduces jump landing forces. J. Orthop. Sports Phys. Ther. 31 (9), 511-517 (2001).
- Cholewiak, R. W. The perception of tactile distance: Influences of body site, space, and time. Perception. 28 (7), 851-875 (1999).
- Zhang, Z., Wu, H., Wang, W., Wang, B. A smartphone based respiratory biofeedback system. Proc. 2010 3rd Int. Conf. Biomed. Eng. Informatics. 2, 717-720 (2010).
- Wentink, E. C., Mulder, A., Rietman, J. S., Veltink, P. H. Vibrotactile stimulation of the upper leg: Effects of location, stimulation method and habituation. Proc. Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. , 1668-1671 (2011).
- Rusaw, D., Hagberg, K., Nolan, L., Ramstrand, N. Can vibratory feedback be used to improve postural stability in persons with transtibial limb loss?. J. Rehabil. Res. Dev. 49 (8), 1239-1254 (2012).
- Goodworth, A. D., Wall, C., Peterka, R. J. Influence of feedback parameters on performance of a vibrotactile balance prosthesis. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 17 (4), 397-408 (2009).
- Asseman, F., Bronstein, A. M., Gresty, M. A. Using vibrotactile feedback of instability to trigger a forward compensatory stepping response. J. Neurol. 254 (11), 1555-1561 (2007).
- Fan, R. E., Culjat, M. O., et al. A haptic feedback system for lower-limb prostheses. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 16 (3), 270-277 (2008).
- Sharma, A., Torres-moreno, R., Zabjek, K., Andrysek, J. Toward an artificial sensory feedback system for prosthetic mobility rehabilitation: Examination of sensorimotor responses. J. Rehabil. Res. Dev. 51 (6), 416-425 (2014).
- Sharma, A., Leineweber, M. J., Andrysek, J. The effects of cognitive load and prosthetic liner on volitional response times to vibrotactile feedback. J. Rehabil. Res. Dev. , (2016).
- Crea, S., Cipriani, C., Donati, M., Carrozza, M. C., Vitiello, N. Providing Time-Discrete Gait Information by Wearable Feedback Apparatus for Lower-Limb Amputees: Usability and Functional Validation. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 23 (2), 250-257 (2015).
- Bolanowski, S. J., Gescheider, G. A., Verrillo, R. T., Checkosky, C. M. Four channels mediate the mechanical aspects of touch. J. Acoust. Soc. Am. 84 (5), 1680-1694 (1988).
- Giggins, O. M., Persson, U. M., Caulfield, B. Biofeedback in rehabilitation. J. Neuroeng. Rehabil. 10 (1), 60 (2013).
- Shull, P. B., Jirattigalachote, W., Hunt, M. A., Cutkosky, M. R., Delp, S. L. Quantified self and human movement: A review on the clinical impact of wearable sensing and feedback for gait analysis and intervention. Gait Posture. 40 (1), 11-19 (2014).
- Goodworth, A. D., Peterka, R. J. Sensorimotor integration for multisegmental frontal plane balance control in humans. J. Neurophysiol. 107 (1), 12-28 (2012).
