Bioengineering

振動触覚刺激に随意運動反応の適時性と精度の評価方法

Published: August 2, 2016 doi: 10.3791/54223

Matthew J. Leineweber¹, Sam Shi², Jan Andrysek^1,2

¹Bloorview Research Institute, Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital, ²Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering, University of Toronto

Summary

この記事では、人間の参加者の大腿部に振動触覚刺激を適用し、刺激の位置と周波数のさまざまな組み合わせのための参加者の意志の応答の精度と反応時間を測定するための技術が記載されています。

Introduction

人工感覚フィードバック（ASF）は、しばしば妥協固有受容または他の感覚機構を補償する、個人にリアルタイムの生体情報を提供するの実践として定義することができます。個人が一度自律神経系⁴の無意識の反応であった物理過程を制御することを可能にする^、3 ^- ASFは長い身体機能と運動¹の側面の回復を支援するために負傷したまたは障害者のリハビリテーションの分野で使用されてきました。 ASF、生体力学的バイオフィードバックのサブカテゴリは、運動のバランスをとるか、歩行に関連するパラメータを測定し、印加された刺激のいくつかの並べ替えを介して個別にこの情報を通信するために外部センサを使用しています。生体力学的フィードバックにますます人気アプローチは、空間だけでなく、時間的なフィードバックを提供するために、身体のさまざまな部分に配置された、小さな振動モータ、またはtactorsを採用しています。前の文献は、pを示しています⁹ ^-下肢切断術、前庭障害、およびバランス⁵の老化関連の損失で個人への用途における振動触覚フィードバックの使用を支持するromising結果。

特定の刺激に個々の認識と応答を制御するメカニズムの完全な理解は、異なるアプリケーションのためのASFシステムの効果的な実施を通知するために必要です。振動触覚フィードバックのために、これらの機構のうち主に固有感覚及び感覚応答、特に適用される振動に対するユーザの感度および所望の反応を実行するのに必要な時間です。振動刺激を介して通信どれ感覚情報は、振動周波数、振幅、位置、および配列の特定の組合せとしてエンコードする必要があります。したがって、振動触覚ASFシステムの設計は、ユーザの知覚と刺激の解釈を最大化するためのパラメータの組み合わせを選択する必要がありますよく、得られた運動反応の適時性や正確性など。このプロトコルの目的は、異なる感覚障害集団で使用するためのASFシステムの設計を知らせるために、様々な振動刺激に対する応答時間と応答の精度を評価するためのプラットフォームを提供することです。

ここで説明する方法は、触覚や振動触覚フィードバック^3,5,6の人間の知覚を探索前に研究に基づいて構築され、前の2つの研究^10,11で使用するために開発されました。後者の二つの研究では、両方のパラメータが有意にアウトカム指標に影響を与えることを示し、下肢切断者の精度およびユーザ応答の適時上の振動数と位置の効果を調べるために、このプロトコルを採用し、応答を高精度であることができること達成しました。これらの結果は、今後の研究および振動触覚ASFシステムの臨床応用にtactorsの理想的な配置を通知するために使用することができます。による他の最近の研究クレアら ^12は、知覚^される振動パターンに変化はなく、モータの応答を意味する言葉の応答を用いて、歩行時に大腿部に適用される振動パターンの変化に対するユーザの感度を調べました。これらの言葉の応答が検出精度を測定するために使用することができるが、それらは、モータ制御処理中に存在し得るエラーや遅延を考慮していません。

以下の実験のための主要なセットアップは、パルス幅変調するためのマイクロコントローラボードの出力端子を接続し、振動モータの数で構成されています。基板は、次に、市販のシステム設計ソフトウェアを実行するコンピュータにユニバーサルシリアルバス（USB）接続を介して制御されます。モータは、十分な電圧を確保するために、追加の増幅回路を必要とし、現在の振動周波数の広い範囲にわたって供給されます。例えば増幅回路は、図1に示されている。バイポーラ接合トランジスタ（BJR）図に、より効率的な動作、より小さなサイズに小さい金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）で置き換えることができます。同様に、全体の増幅回路は、追加の制御及び小型化を提供するために、既製のハプティックモータドライバに置き換えることができます。各モータには、専用の回路を必要とし、10モータまで、この論文に記載されている機器を使用することは、単一のマイクロコントローラ・ボードによって制御することができます。

図1モータ配線（A）単一振動モータ用の増幅回路が示されています。各モータは別個の回路を必要とし、マイクロコントローラ上で一意のPWM出力ポートに接続する必要があります。ここで、V _DDは、マイクロコントローラ・ボードから供給された3.3 V電源を表し、ゼロ電圧がアプリのときにトランジスタスイッチを確保するために、プルダウン抵抗が開いているように、抵抗R2が提供しています嘘をつきました。 （B）は、2つのモータの物理的な配線の例を示します。 8つの個別の増幅回路が示されているが、2つだけは、振動モータに接続されています。このプロトコルR1 = 4.7kΩのとR2 = 100kΩのでは。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Protocol

以下のプロトコルは、オランダBloorviewキッズリハビリテーション病院で研究倫理委員会によって承認されました。

1.モーター校正

USBポートを使用してコンピュータにマイコンボードを接続します。
オリジナルのマイクロコントローラ・ソフトウェアを使用して、丸で囲んだ右矢印で示される「アップロード」アイコンをクリックして、USB接続を使用してボードにカスタムスクリプト、「Motor_and_AccelerometerTest.ino」をアップロードします。
1. 振動レベルが「analogWrite」コマンドを使用して、オフの位置にモーターを置くためにゼロに設定されていることを確認。「analogWrite（vibe1,0を）;」のコードを読んでください。
2. マイクロコントローラのコードでは、「vibe1」変数を初期化することにより、関心のモータに対応するパルス幅変調（PWM）出力端子を指定します。
  注：PWM信号はマイクロコントローラによって生成されたデジタル信号から近似アナログ出力を生成します。ピンはlabeleあります物理的なマイコンボード上の数値日間。モータをPWM出力端子 'から3'に接続されている場合、次にことを確認し「INT vibe1 = 3;」コード内で指定されています。
マイコンボードのアナログ入力ポートのいずれかに3軸加速度計のz軸の出力を接続し、正を接続して、地面には、それぞれ、マイコンボードの5Vとグランド（GND）のポートに加速度計からつながります。
図2に示すように、そのz軸は、モータの平面に直交することを保証し、振動モータに加速度計を取り付けて、ハード面にモーターを配置。
データ収集ソフトに「Motor_Calibration.vi」ファイルを開き、USBポートを介してコンピュータにマイクロコントローラを接続します。
表示されたフィールドを使用して、ドロップダウンメニューだけでなく、サンプリングレートを使用して、マイクロコントローラ入力用のシリアルポートを指定し、numは収集するサンプルのBER。注：500 Hzのサンプリングレートは、これらの実験は、加速度データのエイリアシングを防止するための標準であり、1000のサンプルは、一般に記録されています。
「Motor_and_Accelerometer.ino」コードを使用すると、振動モータに供給されるPWMパルスの所望のデューティサイクルを指定して、もう一度「analogWrite」コマンドを使用して、モータを制御するマイコンボードにプログラムを再ダウンロードする（ステップ1.1を参照してください。）。例えば、100パルス数を設定するには、コードを読み取る必要があります」analogWrite（vibe1,100）; "。表1のPWM値とそれに対応するデューティ・サイクル。
「MotorCalibration.vi「インターフェイス上で高速フーリエ変換（FFT）ディスプレイを使用して、最大のピークを特定し、（横軸）から対応する振動周波数値を記録します。
反復は、各PWM周波数パイ記録、所望の周波数に到達するまでのPWMレベルを調整する、1.7〜1.8手順rを。最大ピークは、横軸に100 Hzのマークの上に発生するまで、例えば、100 Hzの周波数をターゲット場合は、ステップ1.7から1.8を実行します。
注：このプロトコルで使用される振動モータの場合、対象となる振動がより良い文献^5,10,13に記載された皮膚中の機械の応答周波数を一致させるために60から400 Hzの範囲であるべきです。
手動でスプレッドシートや鉛筆と紙と各モータのPWM周波数の関係を記録し、各モータのために1.8〜ステップ1.2.2を繰り返します。
「Experiment_1.vi "ファイルを開きます。各モータの場合は、ドロップダウン周波数メニューを右クリックして「プロパティ」を選択します。「アイテムの編集」タブの下で、ステップ1.8から1.9に決定される所望の周波数と対応するPWMレベルを入力するためにテーブルを使用しています。終了するには「OK」を選択します。
システム設計ソフトウェアの各仮想インタフェース（VI）ファイルを繰り返し、ステップ1.11がテスト中に使用される（ 例えば、 "Experiment_2.vi "、" Experiment_3.vi」など）。

モータに取り付けられた 図2の 加速度計。三軸加速度計（緑）は、キャリブレーション用のモータの平面に、そのZ軸と直交してコインモータに取り付けられています。各モータは、異なるデューティサイクルを用いて活性化し、対応する振動周波数は、加速度計によって記録した。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

2.モーターを配置します

すべてのモーターが（セクション2）を校正されたら、太ももにそれらをマウントします。
1. この原稿に記載された結果を達成するために、ほぼ中間である、前方、後方、内側、及び大腿部の側面のそれぞれに一つのモータを配置大転子と外側大腿顆（または膝上切断者のために手足の先端を）トゥイーン。
  注：各モータの特定の位置は、関心のある研究課題や地域によって異なります、そして、皮膚中の機械の種類や空間分布などの解剖学的および生理的要因によって影響を受けることができます。
両面テープを使用して皮膚に直接モータを取り付けます。
注：各モータの周囲の領域を剃ることは必要ではないが、皮膚（ 図3）への接着性を向上させることができます。衣類、補綴ライナー、またはユーザの知覚上のいくつかの他の材料の効果が注目されているアプリケーションの場合、むしろ皮膚に対するよりも、前記材料の上にモータを配置します。

実験図3.テストプラットフォーム。カスタムテストプラットフォームはハウストンに建てられました彼はボードやプッシュボタンをマイクロコントローラ。モーターは、（示されるように）皮膚に直接取り付け、またはモータと皮膚との間補綴ライナーを有することができる。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

3.実験1：刺激を適用し、反応時間を記録します

"と" Motor_and_Accelerometer_Test.ino」を置き換えるコントローラの付属のソフトウェアパッケージで「LVIFA_Base.pde」ファイルを開き、ステップ1.1を繰り返すことによって、データ集録ソフトウェアを介してボードの制御を可能にするファームウェアで再フラッシュマイコンボード、 LVIFA_Base.pde "スクリプト。
シリアル - USBコネクタを使用してコンピュータのUSBポートに直接プッシュボタンを接続します。必要なすべてのドライバがインストールされていることを確認してください。
「Experiment_1.vi」インターフェースを開きます。
シリアルを指定しますそれぞれ、「モーターの入力」と「グリーンボタン」と表示されたドロップダウンメニューから該当するシリアルポートの識別番号を選択することにより、モータに接続されたマイクロコントローラボードのポート、およびプッシュボタン。コンピュータのオペレーティングシステムのデバイスマネージャユーティリティを使用して、シリアルポートの識別番号を特定します。
結果を記録し、プログラムを起動するファイルを選択します。
「Experiment_1.vi "インターフェイスで各モータのドロップダウンメニューから選択することによって活性化されるモータと周波数を選択します。参加者プレスに振動が感じられるときにフィードバックが適用された脚部とのプッシュボタンがあります。ボタンが押された後、クロックがカウントを停止していることに注目することにより、データ収集ソフトウェアインターフェイスで応答を確認し、ドロップダウンメニューから周波数の新しいセットを選択することによって、次の試行のためのモーターをリセットします。
実験が終了したら、DRを使用opdownメニューがゼロ位置に全てのモータの周波数を返し、モータ制御ボードへの接続を終了するために「停止プログラム」ボタンを選択します。

4.実験2：刺激の区別

注記：この実験は、単一のモータまたは複数のモータを使用することができ、実験1から完全に独立して行うことができます。モータの特定の位置は、用途および研究の質問に応じて変えることができます。

シリアルUSBコネクタを使用して、別のUSBポートに第2のプッシュボタンを接続します。
「Experiment_2.vi「データ取得インタフェースを開きます。
特定の研究アプリケーションに必要な場所と構成でモータを配置します。例えば、前方、後方、横方向のそれぞれに、途中大転子と外側大腿顆（または切断者のために手足の先端部）との間で、大腿部に単一のモータを配置し、太ももの内側表面は、電子します脚部^10,11のこれらの部分のそれぞれの周波数感度をxamine。
ステップ3.4と同じ手順を使用して、マイクロコントローラボードのシリアルポートとの両方のプッシュボタンを指定します。各ポートに割り当てられているプッシュボタンに注意してください。
ソフトウェアインターフェースで「モーター」のアイコンをクリックすることでアクティブにできるのは、特定のモータと周波数の所望の配列を選択します。例えば、3つの周波数は、140ヘルツ、180ヘルツ、220ヘルツのように、試験されていると仮定します。一連のテストは、140ヘルツが続く（1）180ヘルツ、140ヘルツが続く（2）220ヘルツ、220ヘルツに続いて（3）180 Hzのかもしれません。
入力遅延開始時間と刺激の持続時間。 1.5秒の遅延と刺激時間の両方に典型的です。
プログラムを起動します。
注：ステップ4.6で指定した遅延の後、プログラムは、ステップ4.5で選択したペアリング周波数の配列を有するモーター（複数可）をアクティブにします。たとえば、180 Hzの対220ヘルツがseだった場合ステップ4.5で択、対応するモータは、最初の220 Hzに切り替える前に、指定された期間のために180 Hzで振動します。
第二の知覚される周波数が最初よりも高いか低いだったかどうかを選択するには、2つのプッシュボタンの参加者プレス1を持っています。応答は、プログラムによって自動的に記録されます。

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Representative Results

図4は、単一のモータ180 Hzの振動周波数に対するPWM値を特定の較正曲線を示します。一次周波数スパイクは、180 Hzで発生するまで、50％のデューティサイクルで開始、PWM値が繰り返されます。成功したキャリブレーション試験は次振動周波数で明確なスパイクを表示する必要があります。モータへの、または支持体表面へのモータの加速度計の悪い固定は、明確なスパイクなしでより拡散FFTになることがあります。マウントは、より良い接続を保証するように調整された後にこのような状況では、キャリブレーション試験は繰り返されるべきです。

図5Aは、10健常者と3切断者¹⁰のために太ももの前面に適用される3振動周波数、140ヘルツ、180ヘルツ、220ヘルツ、のために実験1のために記録刺激とプッシュボタンの応答との間の反応時間を示しています。反復測定分散分析（ANOVA）およびボンフェローニ補正を用いてチューキー事後分析は、それぞれの周波数の特定の効果を同定するために使用しました。これらのデータは、健常集団の各周波数のデータの比較的タイトなスプレッド、および重要な周波数効果を示します。振動周波数の対の間を区別するための反応時間は、 図5Bに示されており、単一の周波数試験と同様の手順を用いて分析することができます。同様の分析は、モータの配置、応答メカニズム（ 例えば 、手や足でプッシュボタンを押す）、または他の試験条件の効果を同定するために実施することができます。

図4の典型的な較正曲線。高速フーリエ変換の結果は、加速度データの変換は、単一のモータ受け較正のために示されています。 4件の試験は、PWMレベルcorresponを識別するために行きました180 Hzの振動に丁（青の実線）。振動は、異なる周波数間で変化することに注意してください。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

個々の周波数図5.反応時間代表的な結果。（A）応答時間が示されています。個々のデータポイントがtransfemoral切断術と3人を表しているラインに接続されたデータは、健常者（平均±SD）のデータを示しています。反応時間は大幅に周波数を減少させました。両方の有意性はp <0.05で、180 Hzの周波数との差を「*」140 Hzの反応時間の有意な差を示し、 '＃'。 （B）の対の間を区別するための応答時間を周波数のsが健常人とtransfemoral切断術とのそれらの両方のためにプロットされています。多くの変数の結果を示し、各対のデータの広がりは、単一周波数のデータに比べてはるかに大きいことに留意されたいです。この図は、もともとシャルマらによって公表されたデータから変更されている^。10。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

PWM値（パルス）	64	127	191	255
デューティ・サイクル（％）	25	50	75	100

表1のPWM値と対応するデューティサイクル。サンプルPWMレベルとそれに対応するデューティサイクルが示されています。 T彼は、PWM値の0〜255の範囲は、信号がオンになっている（255可能性のうちの）各パルスのバイト数を指定します。

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Discussion

このプロトコルの目的は、振動触覚ASFアプリケーションで刺激パラメータを評価するための枠組みを提供することです。具体的には、ユーザの感覚応答の振動数、振幅、位置、および配列の効果を調べます。このフレームワークは、上に構築され、より臨床的に関連する、そのような関節を曲げたり別の脚から体重をシフトするなどしてもよいユーザ応答の追加または代替タイプを組み込むように拡張することができます。変更これらのタイプの、すなわちこのような慣性測定ユニット（のIMU）または圧力センサなどのデバイスとのプッシュボタンの交換、ならびに仮想インタフェースに付随変更をわずかに異なるハードウェア構成を必要とするであろう。同様に、ここで紹介するプロトコルは、わずかなハードウェアの変更は、遷移は、立ってバランスやウォルマートなど、より臨床的に関連する姿勢にすることが必要であろうが、着座位置にあることが参加者を必要とするが王試験。

両方の実験において、押しボタン（複数可）は、特定の研究の質問および所望の応答に応じて、手、脚、足で押され、またはいくつかの他の手段によってもよいです。また、この基本的なプロトコルを用いたさらなる研究が、新規または既存のプロテーゼに異なるフィードバック符号化戦略、位置、および組み込みの影響を調査するために使用することができます。下肢の義肢に振動触覚フィードバックを実装する場合たとえば、刺激に対するユーザの感受性に補綴ソケットとライナーの影響を調べることは興味深いかもしれません。この原稿で詳述したプロトコルは、振動モータ（インタフェースを介して）の半手動の活性化を必要とするが、彼らは簡単に外部センサからの動力学的または運動学的測定に応じて、モータ起動を可能にするように変更することができます。プッシュボタンの代わりに、等のIMU、ゴニオメータ、圧力センサなどの測定装置を用いて、実験は、Cであることができます提供振動触覚フィードバックにより生理学的に関連するユーザーの応答時間と精度を調べるためにonducted。研究のこのタイプは、実験1及び2で説明したものと同様のプロトコルを使用するであろう、しかしとインターフェースするためのデータ収集ソフトウェアの変更だけでなく、振動モータに送られる命令にセンサ入力を変換するために追加の制御システムを必要とします新しいハードウェアの変更。

生理的に適切な応答を実現する一例は、膝角度の変化を測定するゴニオメータとプッシュボタンを交換することです。実験のこのタイプの場合、ゴニオメータは、膝関節の側面に搭載される、むしろ、プッシュボタンを押すよりも、参加者は、事前定義された膝角度（ 例えば、90度）への膝を曲げるように指示される時モータ振動の知覚。ユーザの反応時間は、その後、適用された刺激と共同ANとの間の経過時間として定義されGLEが所望の値にまたはその近くに落ち着く（ 例えば、90°±10°）。動きの精度は、標的と達成角度の間のパーセント誤差を計算することにより評価することができます。

過去10年間で、多くの研究は、歩行とバランス^14,15を向上^させるため^のトレーニングツールとしての有効性を含む、生体力学、様々な用途で振動触覚フィードバックの使用を検討しています。振動触覚フィードバックが適用されるとき、これらの研究の大部分は、特定の運動または運動学的パラメータの変更を検討、バイオフィードバックの臨床的意義に焦点を当てています。このように、ほとんどのプロトコルは、いくつかの振動場所、振幅、またはパターンにユーザー感度を調べることで、刺激パラメータのセットを1つ選択します。ここで紹介するプロトコルは、特定のCLIN上でこれらの刺激の効果を評価する前に行われるべき刺激を振動触覚ために理解ユーザーの知覚に向けた最初のステップとして働きますiCalの条件。追加の振動刺激に感覚情報を翻訳するための様々な符号化戦略を検討し、このようなGoodworth らによるそのような作業^{、。7,16、}およびクレアら ^12、振動パターンの変化に対するユーザの感度を評価し、提供するために、これらの実験を補完します特定の生体力学アプリケーション用の振動触覚フィードバックを最適化する方法のより完全な理解。

この実験系の基本的な制限は、文献^5,6に報告され、他のシステムと同様に、振動モータ、カップルの振動周波数と大きさであることに留意すべきです。つまり、振動数の増加または減少は、振幅の比例変化を伴っている、です。これら2つのパラメータの分離はより洗練されたモーターに電力を供給するために、このようなリニア共振アクチュエータとしてのモータの異なるタイプの、だけでなく、より高度なモータドライバを必要とします。 ADDIT既存のインターフェイスへのionalの更新は、新しいハードウェアや追加の振幅パラメータに対応するために必要とされるであろう。

較正手順は、これらの実験の実行が成功するために重要であり、その後の実験で使用される各モータのために独立して行われるべきです。デューティサイクル周波数の関係は、同一モータの名目上は同じタイプである必要がありますが、モータの構造のわずかな違いが生じた周波数に非自明な変化をもたらす可能性があります。この手順を開発しながら、例えば、180 Hzの目標周波数が異なるモータに103から143までの範囲のPWM値を使用して達成されました。

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Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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. 500 Hz bandwidth, 3.5-15 V 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 2.5 in/6.35 cm 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