En Vibrotactile Feedback enhed for siddende Balance vurdering og træning
Summary
En siddende platform er udviklet og samlet som passivt destabiliserer siddestilling hos mennesker. Under brugerens stabiliserende opgave, en inertial måleenhed registrerer enhedens bevægelse og vibrerende elementer levere performance-baserede feedback til sædet. Den bærbare, alsidige enhed kan bruges i rehabilitering, vurdering og uddannelse paradigmer.
Abstract
Postural perturbationer, bevægelsessporing og sensoriske feedback er moderne teknikker, der anvendes til at udfordre, vurdere og træne opretstående sidder, henholdsvis. Målet med den udviklede protokol er at opføre og drive en siddende platform, der kan være passivt destabiliseret, mens en inertial måleenhed kvantificerer officio og vibrerende elementer levere taktik tilbagemelding til brugeren. Udskiftelige sæde vedhæftede filer ændre niveauet stabilitet til enheden for at sikkert udfordring siddende balance. En indbygget mikrokontroller giver mulighed for finjustering af parametrene feedback til at forøge sensorisk funktion. Posturographic foranstaltninger, typisk saldoen vurdering protokoller, opsummere bevægelse signaler erhvervet under timet balance forsøg. Ingen dynamiske møde protokol til dato giver variabel udfordring, kvantificering og sensoriske feedback gratis laboratorium begrænsninger. Vores resultater viser, at ikke-handicappede brugere af enhed udviser betydelige ændringer i posturographic foranstaltninger når balance besvær ændres eller vibrationelle feedback leveres. Den bærbare, alsidige enhed har potentielle anvendelsesmuligheder i rehabilitering (efter skelet, muskulær eller Neurologiske skader), uddannelse (for sport eller rumlige bevidsthed), underholdning (via virtuelle eller augmented reality) og forskning (af mødet-relaterede lidelser).
Introduction
Opretstående mødet er en forudsætning for andre menneskelige sensorimotor funktioner, herunder faglærte bevægelser (f.eks., at skrive) og desorienterede balance opgaver (f.eks., ridning på toget). For at rehabilitere og forbedre sidde- og relaterede funktioner, moderne balance uddannelse teknikker er brugt: ustabil overflader forurolige møde1,2 og bevægelsessporing kvantificerer balance færdigheder3,4 . Balance træning resultater forbedre når vibrationer er leveret til kroppen ved hjælp af mønstre, der passer til performance5. Sådanne sensoriske feedback er åbenbart effektiv som en rehabilitering og træningsmetode; endnu, nuværende sensoriske feedback metoder er gearet til stående balance og kræver laboratorium-baseret udstyr6,7.
Formålet med den præsenteres her er at bygge en bærbar enhed, der kan være sad på og passivt destabiliseret til forskellige grader mens indbygget instrumenter optage sin position og levere vibrationelle feedback til mødet overflade. Denne kombination af funktioner integrerer tidligere arbejde på wobble stole2,4 og vibrationelle feedback5,6,7, at fordelene ved disse værktøjer, mere kraftfulde og tilgængelig. Også præsenteret er en procedure til at træne opretstående sidder og en analyse af de kvantitative resultater, efter den etablerede litteratur om posturographic foranstaltninger8. Disse metoder er hensigtsmæssige for at studere virkningerne af siddende balance træning med en ustabil overfladen når de kombineres med vibrationelle feedback. Forventede anvendelser omfatter Sport uddannelse, generel forbedring af motor koordinering, vurdering af balance færdigheder og rehabilitering efter skelet, muskulær eller Neurologiske skader.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoder til at konstruere en bærbar, instrumenterede, siddende enhed er præsenteret. Enheden er transportabel og slidstærk, bygning på tidligere undersøgelser af wobble stole2,4 og vibrationelle feedback5,6,7 for at gøre fordelene ved disse værktøjer, mere kraftfulde og tilgængelige . Følg forsamling protokollen i omvendt rækkefølge for at forberede enheden t…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkende bachelorstuderende normas Singh Kumawat, Kshitij Agarwal, Quinn Boser, Benjamin Cheung, Caroline Collins, Sarah Lojczyc, Derek Schlenker, Katherine Schoepp og Arthur Zielinski design indsats. Denne undersøgelse var delvist finansieret gennem en opdagelse tilskud fra naturvidenskab og Engineering Research Council of Canada (RGPIN-2014-04666).
Materials
| Chassis | McMaster-Carr | 8657K421 | Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1-1/2" Thick, 24" X 24" |
| Lid | McMaster-Carr | 8657K414 | Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1/4" Thick, 24" X 24" |
| Base | McMaster-Carr | 8657K414 | Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1/4" Thick, 24" X 24" |
| Grip-Tape | McMaster-Carr | 6243T471 | Nonabrasive Antislip Tape, Textured, 6" Wide Strip, 2' Long, Black |
| Base Nut | McMaster-Carr | 90596A039 | Steel Round-Base Weld Nut, 5/8"-11 Thread Size |
| Weld Plate | McMaster-Carr | 1388K142 | Low-Carbon Steel Sheet 1/16" Thick, 3" X 3", Ground Finish |
| Threaded Rod | McMaster-Carr | 90322A170 | 3" 5/16"-18 Medium-Strength Alloy Steel Threaded Stud |
| Sleeve | McMaster-Carr | 8745K19 | Chemical-Resistant PVC (Type I) Rod 1-1/4" Diameter |
| Square Flange | McMaster-Carr | 8910K395 | Low Carbon Steel Bar, 1/8" Thick, 1" Wide |
| Hitch | McMaster-Carr | 4931T123 | Bolt-Together Framing Heavy-Duty Steel, 1-1/2" Square |
| Curved Base | McMaster-Carr | 8745K48 | PVC Rod, 6" Diameter |
| Hitch Insert | McMaster-Carr | 6535K313 | Bolt-Together Framing Heavy-Duty Steel, 1" Square |
| Extrusion | McMaster-Carr | 6545K7 | 1045 Cold Drawn Steel Square Bar Stock, 1' X 1" Wide, Unpolished |
| Clamp | Vlier | TH103A | Adjustable Torque Knob |
| Footrest | McMaster-Carr | 6582K431 | 4130 Steel Tubing, 1" X 1" Wide, 0.065" Wall Thickness, Unpolished Mill Finish |
| Counterwieght | McMaster-Carr | 8910K67 | Low-Carbon Steel Rectangular Bar 1-1/8" Thick, 4" Width |
| Clevis Pin | McMaster-Carr | 97245A616 | Zinc-Plated Steel Clevis Pin with Hairpin Cotter Pin, 3/16" Diameter, 1-9/16" Usable Length |
| Microprocessor | Arduino | MEGA 2560 | Microcontroller board with 54 digital I/O pins and USB connection |
| Inertial Measurement Unit | x-io Technologies Ltd. | x-IMU | Inertial Measurement Unit and Attitude Heading Reference System with enclosure |
| Vibrating Tactor | Precision Microdrives | DEV-11008 | Lilypad Vibe Board, available from SparkFun Electronics |
References
- Behm, D. G., Muehlbauer, T., Kibele, A., Granacher, U. Effects of Strength Training Using Unstable Surfaces on Strength, Power and Balance Performance Across the Lifespan: A Systematic Review and Meta-analysis. Sports Medicine. 45, 1645-1669 (2015).
- Larivière, C., Mecheri, H., Shahvarpour, A., Gagnon, D., Shirazi-Adl, A. Criterion validity and between-day reliability of an inertial-sensor-based trunk postural stability test during unstable sitting. Journal of Electromyography and Kinesiology. 23, 899-907 (2013).
- Paillard, T., Noé, F. Techniques and Methods for Testing the Postural Function in Healthy and Pathological Subjects. BioMed Research International. 2015, (2015).
- Williams, J., Bentman, S. An investigation into the reliability and variability of wobble board performance in a healthy population using the SMARTwobble instrumented wobble board. Physical Therapy in Sport. 25, 108 (2017).
- Wall, C., Kentala, E. Effect of displacement, velocity, and combined vibrotactile tilt feedback on postural control of vestibulopathic subjects. Journal of Vestibular Research. 20, 61-69 (2010).
- Alahakone, A. U., Arosha Senanayake, ., N, S. M. Vibrotactile feedback systems: Current trends in rehabilitation, sports and information display. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. , 1148-1153 (2009).
- Shull, P. B., Damian, D. D. Haptic wearables as sensory replacement, sensory augmentation and trainer – a review. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 12, 12-59 (2015).
- Prieto, T. E., Myklebust, J. B., Hoffmann, R. G., Lovett, E. G., Myklebust, B. M. Measures of postural steadiness: Differences between healthy young and elderly adults. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 43, 956-966 (1996).
- Ribot-Ciscar, E., Vedel, J. P., Roll, J. P. Vibration sensitivity of slowly and rapidly adapting cutaneous mechanoreceptors in the human foot and leg. Neuroscience Letters. , 130-135 (1989).
- Churchill, E., McConville, J. T. . Sampling and Data Gathering Strategies for Future USAF Anthropometry. , (1976).
- Lee, H., Granata, K. P. Process stationarity and reliability of trunk postural stability. Clinical Biomechanics. 23, 735-742 (2008).
- Silfies, S. P., Cholewicki, J., Radebold, A. The effects of visual input on postural control of the lumbar spine in unstable sitting. Human Movement Science. 22, 237-252 (2003).
- Loughlin, P., Mahboobin, A., Furman, J. Designing vibrotactile balance feedback for desired body sway reductions. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 1310-1313 (2011).
- Goodworth, A. D., Wall, C., Peterka, R. J. Influence of feedback parameters on performance of a vibrotactile balance prosthesis. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17, 397-408 (2009).
- Marchal-Crespo, L., Reinkensmeyer, D. J. Review of control strategies for robotic movement training after neurologic injury. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 6, 20-35 (2009).
- Lee, B., Kim, J., Chen, S., Sienko, K. H. Cell phone based balance trainer. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 9, 1-14 (2012).
- Sienko, K. H., Balkwill, M. D., Wall, C. Biofeedback improves postural control recovery from multi-axis discrete perturbations. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 9, 53-64 (2012).
- Williams, A., et al. Design and Evaluation of an Instrumented Wobble Board for Assessing and Training Dynamic Seated Balance. Journal of Biomechanical Engineering. 140, 1-10 (2017).
- van Dieën, J. H., Koppes, L. L. J., Twisk, J. W. R. Postural sway parameters in seated balancing; their reliability and relationship with balancing performance. Gait Posture. 31, 42-46 (2010).
- Sigrist, R., Rauter, G., Riener, R., Wolf, P. Augmented visual, auditory, haptic, and multimodal feedback in motor learning: A review. Psychonomic Bulletin and Review. 20, 21-53 (2013).
