一种意志的运动反应的及时性和准确性，以振动触觉刺激评价方法

Summary

本文介绍用于施加振动触觉刺激对人参与者的大腿，并测量参与者的用于刺激的位置和频率的不同组合意志响应的精度和反应时间的技术。

Abstract

人工感觉反馈 （ASF） 系统可用于补偿下肢损伤个体丧失的本体感觉。 这些 ASF 系统的有效设计需要深入了解特定反馈机制的参数如何影响用户对刺激的感知和反应。本文介绍了一种对人类参与者施加振动触觉刺激并测量他们的反应的方法。 旋转质量振动电机放置在参与者大腿上的预定义位置，并通过定制的硬件和软件进行控制。 参与者对振动触觉刺激的意志反应的速度和准确性是根据研究人员指定的运动位置和振动频率的组合来测量的。 虽然此处描述的协议使用按钮来收集对振动触觉刺激的简单二进制响应，但该技术可以扩展到使用惯性测量单元或压力传感器的其他响应机制，以分别测量关节角度和负重比。 同样，可以探索振动触觉刺激的应用用于大腿以外的身体部位。

Introduction

人工感觉反馈（ASF）可以被定义为提供实时生物信息对个人，往往补偿受损本体或其他感官机构的做法。 ASF已经受伤或残疾人康复领域长期被用来帮助身体机能和运动¹方面恢复^{- 3，}允许个人控制曾经是自主神经系统⁴的无意识反应的物理过程。 ASF，生物力学生物反馈的子类，用外部传感器来测量与平衡或步态运动学参数，并通过某种应用的刺激传达这一信息到个人。一种日益流行的方法的生物力学反馈采用小振动马达，或病理因素，放置在身体的不同部位，以提供空间以及时间上的反馈。以前的文献已经呈现promising结果支持的应用程序与下肢截肢，前庭障碍的人使用振动触觉反馈，和老化有关的平衡⁵的损失^{- 9。}

控制一个人的感知和响应特定的刺激机制的深入理解是必要的通知有效实施针对不同的应用ASF系统。为振动触觉的反馈，这些机制之间主要是本体和感觉运动响应，特别是对施加振动用户的灵敏度和执行所需的反应所需的时间。通过振动刺激传达任何感觉信息必须被编码为振动频率的特定组合，幅度，位置和序列。因此，震动触觉ASF系统的设计应该选择的参数组合，以最大限度地刺激用户的感知和解释，如还有的及时性和所得到的马达响应的准确性。该协议的目的是提供一种从其中计算的响应时间和响应精度的各种振动刺激通知ASF系统设计为具有不同的感官受损人群使用的平台。

Protocol

下面的协议在荷兰Bloorview儿童康复医院是经研究伦理委员会。

1.电机校准

1. 单片机电路板连接到使用USB端口的计算机。
2. 使用原装单片机软件，上传自定义脚本，"Motor_and_AccelerometerTest.ino"使用通过点击"上传"图标，在盘旋右箭头表示USB连接的电路板。
   1. 确保该振动电平被设置为零，以把使用"analogWrite"命令，在关闭位置的马达。该代码应改为"analogWrite（vibe1,0）;"。
   2. 在微控制器的代码，指定脉冲宽度调制（PWM）输出引脚相应于通过初始化"vibe1"可变兴趣电机。
      注意:PWM信号生成从由微控制器产生的数字信号近似模拟输出。该引脚labeleÐ数字上的物理单片机电路板。例如，如果电机被连接到PWM输出引脚"3"，则确保了"INT vibe1 = 3;"在代码被指定。
3. 三轴加速计的z轴输出连接到微控制器板的模拟输入端口之一，以及连接正极和分别地从加速度计到5V和接地（GND）端口的微控制器板的引线。
4. 安装加速度计到振动电机，确保其z轴是垂直于马达的平表面， 如图2中 ，并放置在电机上的硬表面。
5. 打开在数据采集软件的"Motor_Calibration.vi"文件，并通过USB端口连接微控制器的计算机。
6. 使用提供的字段中，指定用于微控制器输....

Results

图4示出的校准曲线识别为单个马达的180赫兹的振动频率的PWM值。以50％的占空比开始时，PWM值被重复，直到主频率尖峰发生在180赫兹。成功校准，试验应显示在主振动频率明显的尖峰。加速度计到电机，或者电机的支撑表面的差固定，可能会导致不明确的尖峰更弥漫的FFT。在这种情况下，支架已经调整后，以确保更好的连接的校准试验应该重复。

图5A示出记录实验1三个的振动频率，140赫兹，180赫兹，220赫兹，施加到大腿的前表面十身强力壮参与者和三个被截肢者¹⁰刺激和按钮响应之间的反应时间。重复测量的方差分析（ANOVA）和使用Bonferroni校正图基事后分析被用来确定各频率的具体效果。这些数据显示的数据在身强力壮的人口每个频率相对紧张的蔓延，以及显著频率的影响。用于对振动频率的区分反应时间示于图5B中 ，并且可以使用相同的步骤，在单一频率的测试来分析。类似的分析可以进行，以确定电动机的位置，反应机制的影响（ 例如 ，按下按钮以手或脚），或其它.......

Discussion

该协议的目的是提供一种用于在振动触觉的ASF应用评估刺激参数提供框架。具体地讲，它检查振动的频率，振幅，位置和序列的用户感觉运动响应的影响。这个框架可以在建立和扩展，其中包含另外的或可选择的类型可能更临床相关，如弯曲的联合，或从一条腿移重量到另一个用户应答。这些类型的变化将需要稍微不同的硬件配置，即置换设备的按钮的如惯性测量单元（IMU产品）或压力传感器，以及伴随的变化的虚拟接口。类似地，尽管这里介绍的协议要求参与者处于就座位置，只有小的硬件修改是必要的，以使过渡更临床相关的姿势，如站立平衡或沃尔王试验。

在这两个实验中，按钮（多个）可以与手，腿，脚被压，或通过一些其它手段，这取决于具体的研究问题和所希望的响应。此外，采用该基本协议额外的研究可用于探索不同的反馈编码策略，位置和掺入的影响到新的或现有的假肢。例如，实施震动触觉反馈到下肢假肢时，它可能是有趣的检查假肢插座和衬垫上的刺激使用者敏感度的影响。虽然在本手稿详述的协议所需要的振动电机（通过接口）的半手动激活，它们可以很容易地修改，以便使马达的激活以响应来自外部传感器动力学或运动的测量。使用的测量设备，例如惯性平台，角度计，压力.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
振动寻呼机电机精密	微型驱动器	型号310-101	偏心旋转质量电机。根据需要测试所有感兴趣的位置和相互作用
三轴加速度计	Dimension Engineering	ADXL 335	高级模拟加速度计。500 Hz 带宽，3.5-15 V 输入。设计用于运动、倾斜和斜率测量，以及振动和冲击传感。
Arduino Uno	Arduino	DEV-11021	微控制器板，用于与三轴加速度计通信
Arduion Mega 2560	Arduino	DEV-11061	微控制器板，用于与振动电机连接。
LabVIEW	National Instruments		用于控制电机和显示加速度计信号的数据采集软件
Arduino IDE 软件	Arduino	v. 1.6.5
按钮	桥	Buddy Button	有线开关，具有 2.5 in/6.35 CM 激活表面，提供听觉咔嗒声和触觉反馈。
可选：
专用触觉电机驱动器	Texas Instruments	DRV2605L	可用于替换步骤 1 中描述的整个放大电路。
柔性可穿戴测角仪	Biometrics Ltd.	SG110	双轴柔性测角仪，可测量多达两个运动平面的角度，可代替按钮来测量响应刺激的关节运动> www.biometricsltd.com/gonio.htm<。