Un metodo per la valutazione tempestività e l'accuratezza delle risposte volitivo motore a vibrotattili stimoli

Summary

Questo articolo descrive una tecnica per applicare stimoli vibrotattili alla coscia di un partecipante umana, e misurando il tempo accuratezza e la reazione della risposta volitional del partecipante per varie combinazioni di posizione stimolazione e frequenza.

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

feedback sensoriale artificiale (ASF) può essere definita come la pratica di fornire in tempo reale informazioni biologiche di individui, spesso compensare proprioception compromesso o altro meccanismo sensoriale. ASF è stato a lungo utilizzato nel campo della riabilitazione di feriti o disabili, per aiutare nel recupero di aspetti della funzione fisica e di movimento ^1-3, consentendo ai singoli di controllare i processi fisici che un tempo erano una risposta involontaria del sistema nervoso autonomo ^4. Una sottocategoria di ASF, biofeedback biomeccanico, utilizza sensori esterni per misurare i parametri relativi al pareggio o andatura cinematica, e comunica tali informazioni alla persona attraverso una sorta di stimolo applicato. Un approccio sempre più popolare al feedback biomeccanico impiega motori piccoli vibranti o contattori, collocati a diverse parti del corpo per fornire spaziale e temporale risposte. la letteratura precedente ha mostrato promising risultati supportano l'uso del feedback vibro-tattile nelle applicazioni per le persone con amputazioni degli arti inferiori, disturbi vestibolari, e l'invecchiamento relative perdita di equilibrio ^5-9.

Una conoscenza approfondita dei meccanismi che controllano la percezione e la risposta di un individuo a stimoli specifici è necessaria per informare l'effettiva attuazione di sistemi ASF per diverse applicazioni. Per feedback vibrotattile, primo fra questi meccanismi sono propriocettiva e la risposta motoria, in particolare la sensibilità utente alle vibrazioni applicate e il tempo necessario per eseguire la reazione desiderata. Tutte le informazioni sensoriali comunicati attraverso stimoli di vibrazione deve essere codificato come specifiche combinazioni di frequenza di vibrazione, l'ampiezza, la posizione e la sequenza. Pertanto, progettazione di sistemi ASF vibrotattili dovrebbe selezionare combinazioni di parametri per ottimizzare la percezione dell'utente e l'interpretazione degli stimoli, comenonché la tempestività e l'accuratezza della risposta motoria risultante. L'obiettivo di questo protocollo è quello di fornire una piattaforma da cui partire per valutare i tempi di risposta e precisione di risposta a vari stimoli vibrazionali per informare la progettazione di sistemi ASF per l'uso con diverse popolazioni sensoriali ridotta.

I metodi descritti qui si basa su ricerche prima di esplorare la percezione umana di tattile e vibro-tattile di feedback ^3,5,6, e 'stato sviluppato per l'uso in due studi precedenti ^10,11. Gli ultimi due studi impiegate questo protocollo per esaminare gli effetti della frequenza di vibrazione e posizione sulla precisione e la tempestività delle risposte degli utenti in amputati degli arti inferiori, dimostrando che entrambi i parametri influenzano in modo significativo le misure di esito, e che un alto grado di precisione di risposta possono essere raggiunto. Questi risultati possono essere utilizzati per informare la collocazione ideale di contattori in studi futuri e le applicazioni cliniche dei sistemi vibro-tattile ASF. Altri lavori recenteCrea et al. ¹² esaminato sensibilità all'utente di cambiamenti nei modelli di vibrazione applicate alla coscia durante la deambulazione, con risposte verbali per indicare cambiamenti percepiti ai modelli di vibrazione, piuttosto che una risposta motoria. Mentre queste risposte verbali possono essere utilizzati per misurare la precisione di rilevamento, non rappresentano errori e ritardi che possono essere presenti nel processo di controllo del motore.

La configurazione principale per i seguenti esperimenti consiste di un numero di motori vibranti collegati a impulsi a larghezza modulata pin di uscita di un microcontrollore. La scheda è, a sua volta, controllato attraverso una connessione Universal Serial Bus (USB) a un computer che esegue il software di progettazione di sistema disponibile in commercio. I motori richiedono un circuito amplificatore aggiuntivo per assicurare una tensione sufficiente e la corrente viene fornita in un ampio intervallo di frequenze di vibrazione. Un circuito amplificatore esempio è mostrato in Figura 1. Il transistor bipolare a giunzione (BJR) In figura può essere sostituito con transistor a effetto di campo più piccolo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) per un funzionamento più efficiente e più piccolo formato. Allo stesso modo, l'intero circuito amplificatore può essere sostituito da un driver del motore aptico off-the-shelf per fornire un controllo supplementare e dimensioni ridotte. Ogni motore richiede un proprio circuito, e utilizzando le attrezzature elencate in questo documento, fino a dieci motori può essere controllato da un singolo microcontrollore.

È mostrato Figura 1. Il motore elettrico. (A) Il circuito di amplificazione di un singolo motore di vibrazione. Ogni motore richiede un circuito separato e deve essere collegato ad una porta di uscita PWM unico sul microcontrollore. Il V _DD qui rappresenta la potenza 3,3 V fornita dalla scheda microcontrollore, e la resistenza R2 serve come un oppositore di pull-down per garantire l'interruttore a transistor rimane aperto quando la tensione zero è appmentito. (B) Un esempio di cablaggio fisico di due motori. Sebbene otto circuiti di amplificazione individuali sono mostrati solo due sono collegati a motori a vibrazione. In questo protocollo R1 = 4,7 kΩ e R2 = 100 k. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Protocol

Il seguente protocollo è stato approvato dal Comitato Etico di ricerca presso Olanda Bloorview bambini Rehabilitation Hospital. 1. La calibrazione del motore Collegare la scheda microcontrollore al computer tramite una porta USB. Utilizzando il software microcontrollore originale, caricare lo script personalizzato, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" per la scheda utilizzando la connessione USB facendo clic sull'icona "Carica", indicata con la freccia a destra c…

Representative Results

La figura 4 illustra le curve di calibrazione che identificano il valore di PWM per una frequenza di vibrazione 180 Hz di un unico motore. A partire da un duty cycle del 50%, i valori PWM sono iterate fino al picco di frequenza primaria avviene a 180 Hz. le prove di calibrazione di successo dovrebbero mostrare un netto picco alla frequenza di vibrazione primaria. Scarsa fissaggio dell'accelerometro al motore, o del motore ad una superficie di supporto può risultare in un FFT più diffuso senza un p…

Discussion

Lo scopo di questo protocollo è quello di fornire il quadro per la valutazione dei parametri di stimolazione in applicazioni ASF vibrotattili. In particolare, esamina gli effetti della frequenza di vibrazione, l'ampiezza, l'ubicazione, e la sequenza di risposta degli utenti sensomotoria. Questo quadro può essere costruito su e ampliato per incorporare tipi aggiuntivi o alternativi di risposta degli utenti che possono essere più clinicamente rilevanti, come ad esempio la piegatura di un comune o spostando il p…

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