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

本实验方案的总体目标是评估个体对特定类型振动触觉刺激的反应速度和准确性。该方法有助于回答康复工程领域的一些关键问题，例如哪些类型的感觉信息可以通过振动触觉反馈进行传递，以及通过振动触觉信号表达感觉信息的最佳方式是什么。该技术的主要优势在于其在不同生物反馈应用中具有很高的灵活性，并且可以轻松地适配多种生物传感器使用，例如用于测量反作用力的压力传感器，或用于测量关节角度的测角仪。

尽管该方法有助于了解人体对施加于大腿特定区域振动的反应，但也可扩展应用于身体其他部位。通过测试不同的触觉配置，我们可以更深入地理解哪些类型的信息能够通过生物反馈进行传递。本实验操作将由本实验室的研究生 Sam Shi 进行演示。

通过 USB 端口将大型微控制器板连接到计算机，开始电机校准。在原始微控制器软件中，单击带圆圈的右箭头表示的上传图标，通过 USB 连接将自定义脚本 motor_test.ino 上传至控制板。

然后将三轴加速度计的Z轴输出连接到较小的微控制器板的一个模拟输入端口。将加速度计的正极和接地引线分别连接到微控制器板的电源端口和接地端口。接下来，将加速度计安装到振动电机上，确保其Z轴与电机的平面表面垂直，然后将电机放置在坚硬的表面上。

在数据采集软件中打开 motor_calibration.vi 文件，并通过 USB 端口将用于加速度计的小型微控制器连接到计算机。然后，在提供的字段中，指定微控制器输入的串行端口，以及 500 赫兹的采样率和 1000 个待采集样本。

在 motor_calibration.vi 界面上使用快速 48 变换显示功能，识别最大峰值并记录相应的振动频率值。重复迄今为止的所有步骤，并为每个电机手动记录脉冲与调制频率或 PWM 频率之间的关系。

接下来，为每个电机打开 experiment1.vi 文件。右键单击下拉频率菜单，然后选择属性。

在“编辑项目”选项卡中，使用表格输入所需的频率及对应的 PWM 级别。选择“确定”退出。最后，在所有电机完成校准后，使用双面胶将每个电机固定在大腿上。

将一个电机分别精确放置在大腿的前侧、后侧、内侧和外侧表面，位置大约位于大转子与股骨外侧髁之间的中点处。开始第一个实验时，使用串口转USB连接线将按钮直接连接到计算机的USB端口，并确保已安装所有必要的驱动程序。然后打开实验1。

vi 界面并选择用于记录结果的文件。接下来，使用软件界面中的下拉菜单选择按钮输入端口和电机频率。启动程序。

当受试者感觉到振动时，应使用施加反馈的腿部按下按钮。按下按钮后，通过观察数据采集软件界面中的时钟停止计数来确认受试者的响应。最后，从下拉菜单中选择新的一组频率，以重置电机，准备进行下一次试验。

通过串行USB连接器将第二个按钮开关连接到另一个USB端口，以开始第二个实验。然后打开实验2.vi数据采集界面。

为了检测腿部不同区域对频率的敏感性，需在每条腿的股骨大转子与股骨外侧髁中点处，于前侧、后侧、外侧和内侧表面各放置一个电机。接着，在软件界面中点击电机图标，选择需要激活的特定电机以及设定所需的频率序列。为测试使用者对频率的敏感性，在140赫兹、180赫兹和220赫兹下，首先选择一种单一组合进行测试。

例如，180 赫兹后接 140 赫兹。输入等待时间与电机运行时间，然后启动程序。

为了测试其他频率组合，选择一组新的测试频率，例如 220 赫兹，随后为 180 赫兹，并重新运行程序。最后，让受试者按下两个按钮开关中的一个，以判断所感知的第二个频率是高于还是低于第一个频率，同时观察程序自动记录的反应结果。此处显示的是对单个电机在标定过程中加速度数据进行快速 48 变换后的结果。

进行了四次试验，以确定与180赫兹振动相对应的PWM水平。在比较健常个体与三名股骨截肢个体时，健常个体的反应时间随着频率从140赫兹增加到220赫兹而显著缩短，而截肢个体的反应时间则未出现显著变化。

一旦掌握，该方案可在30分钟至1小时内完成，具体时间取决于所测试的频率位置组合数量。在实施该操作过程中，重要的是确保追踪器在整个实验期间与大腿保持良好接触。每次试验前均应仔细确认追踪器已固定稳妥。

尽管本方案中采用按钮来记录用户的反应，但该方法也可扩展至其他更具生理相关性的反应方式，例如屈膝动作。该方法建立后，为康复工程领域的研究人员探索通过振动触觉反馈向健全个体以及下肢截肢者传递来自多种来源的感官信息的不同策略奠定了基础。观看本视频后，您应能够充分理解如何评估用户对不同频率和位置的振动触觉刺激组合的反应速度与准确性。