一种评估自主运动反应对振动触觉刺激及时性与准确性的方法

摘要

本文介绍了一种向人类受试者大腿施加振动触觉刺激的技术，并测量受试者针对不同刺激位置和频率组合的自主反应的准确性和反应时间。

摘要

人工感觉反馈（ASF）系统可用于补偿下肢功能障碍个体失去的本体感觉。有效设计这些 ASF 系统需要深入理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。本文介绍了一种向人类受试者施加振动触觉刺激并测量其反应的方法。将旋转质量振动电机放置在受试者大腿的预定义位置，并通过定制的硬件和软件进行控制。针对研究者指定的电机位置与振动频率组合，测量受试者对振动触觉刺激的自主反应的速度和准确性。尽管本文所述方案使用按钮采集对振动触觉刺激的简单二元反应，但该技术可扩展至其他反应机制，例如使用惯性测量单元或压力传感器分别测量关节角度和负重比例。类似地，振动触觉刺激的应用也可探索用于大腿以外的身体节段。

引言

人工感觉反馈（ASF）是指向个体提供实时生物学信息的方法，通常用于补偿受损的本体感觉或其他感觉机制。ASF 长期应用于伤残人士的康复领域，以协助恢复部分身体功能和运动能力^1-3，使个体能够控制原本由自主神经系统无意识调节的生理过程⁴。ASF 的一个子类别——生物力学生物反馈，利用外部传感器测量与平衡或步态运动学相关的参数，并通过某种施加的刺激将这些信息传递给个体。一种日益流行的生物力学反馈方法是在身体不同部位放置小型振动电机（即触觉致动器），以提供空间和时间上的反馈信息。已有文献表明，振动触觉反馈在下肢截肢、前庭功能障碍以及与年龄相关的平衡能力下降等人群中的应用具有良好的前景^5-9。

要为不同应用有效实施 ASF 系统，必须充分理解控制个体对特定刺激的感知与反应机制。对于振动触觉反馈而言，其中最重要的机制包括本体感觉和感觉运动反应，特别是用户对施加振动的敏感性以及执行预期反应所需的时间。通过振动刺激传递的任何感觉信息都必须编码为振动频率、振幅、位置和序列的特定组合。因此，振动触觉 ASF 系统的设计应选择合适的参数组合，以最大化用户对刺激的感知与解读能力，同时提高相应运动反应的及时性和准确性。本方案的目标是提供一个评估平台，用于测量个体对不同类型振动刺激的反应时间与反应准确度，从而为面向不同感觉障碍人群的 ASF 系统设计提....

方案

以下方案已获得霍兰布卢尔维儿童康复医院研究伦理委员会的批准。

1. 电机校准

1. 使用 USB 端口将微控制器板连接到计算机。
2. 使用原始的微控制器软件，通过点击标有圆圈右箭头的“上传”图标，经由USB连接将自定义脚本“Motor_and_AccelerometerTest.ino”上传至开发板。
   1. 确保将振动级别设置为零，以使用“analogWrite”命令使电机处于关闭位置。代码应为“analogWrite(vibe1,0);”。
   2. 在微控制器代码中，通过初始化“vibe1”变量，指定与目标电机对应的脉宽调制（PWM）输出引脚。
      注意：PWM 信号通过微控制器生成的数字信号来产生近似的模拟输出。引脚在物理微控制器板上以数字标示。例如，如果电机连接至 PWM 输出引脚“3”，则需确保在代码中声明“int vibe1 = 3;”。
3. 将三轴加速度计的z轴输出连接到微控制器板的一个模拟输入端口，并将加速度计的正极和接地引线分别连接到微控制器板的5V和接地（GND）端口。
4. 将加速度计安装到振动电机上，确保其 z 轴与电机的平面垂直，如图所示 图2并将电机放置在坚硬的表面上。
5. 在数据采集软件中打开“Motor_Calibration.vi”文件，并通过USB端口将微控制器连接到计算机。
....

结果

图4展示了用于确定单个电机在180 Hz振动频率下PWM值的校准曲线。从50%的占空比开始，逐步调整PWM值，直至主频峰值出现在180 Hz处。成功的校准实验应在主振动频率处显示出明显的峰值。若加速度计与电机之间或电机与支撑表面之间的固定不牢，可能导致快速傅里叶变换（FFT）结果较为弥散，缺乏清晰的峰值。此时，应在调整安装部件以确保连接更稳固后，重新进行校准实验。

图5A展示了在十名健康受试者和三名截肢者的大腿前表面施加三种振动频率（140 Hz、180 Hz 和 220 Hz）时，实验1中记录的刺激与按键反应之间的时间¹⁰。采用重复测量方差分析（ANOVA）及使用Bonferroni校正的Tukey事后检验，以识别每种频率的特定效应。这些数据显示，在健康人群中，每种频率下的数据分布相对集中，且频率效应显著。区分成对振动频率的反应时间如图5B所示，可采用与单频率测试相同的分析方法进行分析。类似的方法也可用于分析电机位置、响应机制（例如，用手或.......

讨论

本实验方案的目的是为评估振动触觉ASF应用中的刺激参数提供一个框架。具体而言，该框架考察了振动频率、振幅、位置和序列对用户感觉运动反应的影响。此框架可进一步扩展，以纳入其他可能更具临床相关性的用户反应类型，例如屈曲关节或从一条腿向另一条腿转移体重。此类改变需要略微调整硬件配置，主要是将按钮替换为惯性测量单元（IMUs）或压力传感器等设备，并相应地修改虚拟界面。类似地，尽管本方案要求受试者处于坐姿状态，但只需对硬件进行少量修改，即可过渡到更具临床相关性的姿势，例如站立平衡或行走试验。

在两个实验中，受试者可根据具体的研究问题和预期反应，用手、腿、脚或其他方式按压按钮。此外，采用该基本方案的进一步研究可用于探索不同反馈编码策略、反馈位置以及将其整合到新型或现有假肢中的效果。例如，在将振动触觉反馈应用于下肢假肢时，可考察假肢接受腔和衬垫对使用者感知刺激敏感性的影响。尽管本文所述方案需要通过界面进行振动电机的半手动激活，但可轻松修改以实现电机对来自外部传感器的运动学或动力学测量信号的响应性启动。使用诸如惯性测量单元（IMUs）、角度计、压力传感器等测量设备， 等等。，可开.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
振动寻呼电机	Precision Microdrives	Model 310-101	硬币型偏心旋转质量电机。  可根据需要准备足够数量，以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	高性能模拟加速度计，带宽为 500 Hz，输入电压范围为 3.5–15 V。适用于运动、倾斜和坡度测量，以及振动和冲击感知。
Arduino Uno	Arduino	DEV-11021	用于与三轴加速度计通信的微控制器板
Arduino Mega 2560	Arduino	DEV-11061	用于与振动电机接口的微控制器板。
LabVIEW	National Instruments		数据采集软件，用于控制电机并显示加速度计信号
Arduino IDE 软件	Arduino	v. 1.6.5
按钮开关	Bridges	Buddy Button	有线开关，具有 2.5 英寸/6.35 厘米的触发表面，提供听觉提示音和触觉反馈。
可选：
专用触觉电机驱动器	Texas Instruments	DRV2605L	可用于替代步骤 1 中描述的整个放大电路。
柔性可穿戴角度计	Biometrics Ltd.	SG110	双轴柔性角度计，可测量最多两个运动平面内的角度，可用于替代按钮开关，以测量关节对刺激的运动响应。 www.biometricsltd.com/gonio.htm