Ein Verfahren zur Bewertung der Rechtzeitigkeit und Genauigkeit der Volitionale Motor Responses to vibrotaktilen Stimuli

Zusammenfassung

Dieser Artikel beschreibt eine Technik zum vibrotaktile Stimuli zum Oberschenkel eines menschlichen Teilnehmers Anwendung und Messen der Genauigkeit und der Reaktionszeit der willentlichen Antwort des Teilnehmers für verschiedene Kombinationen von Stimulations Lage und Frequenz.

Zusammenfassung

Künstliches sensorisches Feedback (ASF) Systeme können verwendet werden, um den Verlust der Propriozeption bei Personen mit Beeinträchtigungen der unteren Gliedmaßen zu kompensieren. Ein effektives Design dieser ASF-Systeme erfordert ein tiefgreifendes Verständnis dafür, wie sich die Parameter spezifischer Feedback-Mechanismen auf die Wahrnehmung und Reaktion der Benutzer auf Reize auswirken. In diesem Artikel wird eine Methode vorgestellt, mit der vibrotaktile Stimuli auf menschliche Teilnehmer angewendet und ihre Reaktion gemessen werden kann. Rotierende Massenvibrationsmotoren werden an vordefinierten Stellen am Oberschenkel des Teilnehmers platziert und durch spezielle Hard- und Software gesteuert. Die Geschwindigkeit und Genauigkeit der willentlichen Reaktionen der Teilnehmer auf vibrotaktile Reize werden für die von Forschern spezifizierten Kombinationen von motorischer Platzierung und Vibrationsfrequenz gemessen. Während das hier beschriebene Protokoll Druckknöpfe verwendet, um eine einfache binäre Reaktion auf die vibrotaktilen Reize zu erfassen, kann die Technik auf andere Reaktionsmechanismen erweitert werden, indem Inertialmesseinheiten oder Drucksensoren verwendet werden, um den Gelenkwinkel bzw. die Gewichtstragverhältnisse zu messen. In ähnlicher Weise kann die Anwendung von vibrotaktilen Reizen für andere Körpersegmente als den Oberschenkel erforscht werden.

Einleitung

Artificial sensorische Rückmeldung (ASF) kann als die Praxis der Bereitstellung von Echtzeit-biologische Information an Einzelpersonen definiert werden, die oft für kompromittiert Propriozeption oder andere sensorische Mechanismus kompensiert. ^3, damit der Einzelne zur Beherrschung der physikalischen Prozesse , die einst eine unwillkürliche Reaktion des autonomen Nervensystems ^{4 -} ASF wurde im Bereich der Rehabilitation von verletzten oder behinderten Menschen zu helfen bei der Wiederherstellung von Aspekten der körperlichen Funktion und Bewegung ¹ lange verwendet. Eine Unterkategorie von ASF, biomechanische Biofeedback, verwendet externe Sensoren Parameter zur Messung bezüglich Kinematik zum Ausgleich oder Gang, und kommunizieren diese Informationen an die einzelnen durch eine Art angewandte Reiz. Eine zunehmend beliebte Ansatz zur biomechanischen Feedback beschäftigt kleinen Vibrationsmotoren oder Schütze, an verschiedenen Stellen des Körpers platziert räumliche sowie zeitliche Feedback zu geben. Zurück Literatur p zeigteromising Ergebnisse die Verwendung von vibrotaktilen Feedback in Anwendungen für Menschen mit unteren Extremitäten Amputationen, vestibulären Beeinträchtigungen und alterungsbedingte Verlust der Balance ⁵ Unterstützung ^{- 9.}

Ein gründliches Verständnis der Mechanismen, die individuelle Wahrnehmung und der Reaktion auf spezifische Reize Steuerung ist notwendig für die wirksame Umsetzung der ASF-Systeme für verschiedene Anwendungen zu informieren. Für vibrotaktilen Feedback, Leiter unter diesen Mechanismen sind Propriozeption und die sensomotorische Antwort, insbesondere die Benutzer Empfindlichkeit auf die angelegten Schwingungen und die Zeit, um die gewünschte Reaktion auszuführen erforderlich. Jede sensorische Informationen durch Schwingungsanregungen kommuniziert müssen spezifische Kombinationen von Schwingungsfrequenz, Amplitude, Position und Sequenz codiert werden. Daher Gestaltung von vibrotaktilen ASF-Systeme sollten Kombinationen von Parametern wählen Benutzer die Wahrnehmung und Interpretation der Reize zu maximieren, wieauch die Aktualität und Genauigkeit der resultierenden Reaktion des Motors. Das Ziel des Protokolls ist es, eine Plattform bereitzustellen, aus der Reaktionszeiten und Reaktionsgenauigkeit auf verschiedene Schwingungs Stimuli zu bewerten die Gestaltung von ASF-Systeme für die Verwendung mit verschiedenen Sinneshörigen Populationen zu informieren.

Die beschriebenen Verfahren baut hier auf dem Stand der Forschung die menschliche Wahrnehmung von taktilen und vibrotaktilen Feedback zu erkunden ^3,5,6 und wurde ^10,11 in zwei früheren Studien für den Einsatz entwickelt. Die letzteren beiden Studien, die dieses Protokoll verwendet, um die Auswirkungen der Schwingungsfrequenz und Lage auf die Richtigkeit und Aktualität der Benutzerantworten in der unteren Gliedmaßen Amputierte zu untersuchen, die zeigen, dass beide Parameter signifikant die Ergebnisse Maßnahmen beeinflussen, und dass ein hohes Maß an Reaktionsgenauigkeit kann sein erreicht. Diese Ergebnisse können verwendet werden, um die ideale Platzierung der Schütze in zukünftigen Studien und klinische Anwendungen von vibrotaktile ASF Systeme zu informieren. Andere neuere Arbeiten vonCrea et al. ¹² user Empfindlichkeit gegenüber Änderungen in Vibrationsmuster untersucht beim Gehen auf den Oberschenkel angelegt, verbale Antworten unter Verwendung wahrgenommen Änderungen der Schwingungsmuster zu bezeichnen, eher als eine Motorreaktion. Während diese verbal Reaktionen verwendet werden können, die Erfassungsgenauigkeit zu messen, sie berücksichtigen nicht für Fehler und Verzögerungen, die in der Motorsteuerprozesses vorhanden sein können.

Der primäre Einrichtung für die folgenden Versuche besteht aus einer Reihe von Vibrationsmotoren mit pulsweitenmodulierten Ausgangsstifte eines Mikrocontrollers Platine. Die Platine ist, die wiederum über einen Universal Serial Bus (USB) Verbindung zu einem Computer gesteuert kommerziell erhältlichen System-Design-Software ausgeführt wird. Die Motoren benötigen eine zusätzliche Verstärkungsschaltung eine ausreichende Spannung, um sicherzustellen, und Strom wird über einen weiten Bereich von Schwingungsfrequenzen geliefert. Ein Beispiel Verstärkerschaltung ist in Figur 1 gezeigt. Der bipolare Flächentransistor (BJR) In der Figur können mit kleineren Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) zur effizienteren Betrieb und kleinere Größe ersetzt werden. In ähnlicher Weise kann die gesamte Verstärkungsschaltung durch eine off-the-shelf haptische Motortreiber ersetzt werden, um zusätzliche Steuerung bereitzustellen und reduzierter Größe. Jeder Motor benötigt eine eigene Schaltung und der Verwendung des Geräts in diesem Dokument enthalten sind, bis zu zehn Motoren können durch einen einzigen Mikrocontroller-Board gesteuert werden.

Abbildung 1. Motorkabel. (A) Die Verstärkerschaltung für einen einzigen Vibrationsmotor gezeigt. Jeder Motor erfordert eine separate Schaltung und muss auf dem Mikrocontroller zu einem einzigartigen PWM Ausgangsanschluss verbunden sein. Die V _DD hier stellt die 3,3 - V - Strom durch den Mikrocontroller - Board geliefert wird , und der Widerstand R2 als Pull-Down - Widerstand dient der Transistor - Schalter , um sicherzustellen , bleibt offen , wenn Nullspannung Applog. (B) Ein Beispiel der physischen Verdrahtung von zwei Motoren. Obwohl acht einzelne Verstärkungsschaltungen dargestellt sind, sind nur zwei Vibrationsmotoren verbunden. In diesem Protokoll R1 = 4,7 kOhm und R2 = 100 kOhm. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Protokoll

Das folgende Protokoll wurde von der Forschungs Ethikrat in Holland Bloorview Kinder Rehabilitation Hospital genehmigt.

1. Motorkalibrierung

1. Schließen Sie den Mikrocontroller-Board mit dem Computer über einen USB-Anschluss.
2. Mit dem Original-Mikrocontroller-Software, laden Sie das benutzerdefinierte Skript "Motor_and_AccelerometerTest.ino" an den Vorstand über die USB-Verbindung, indem Sie auf den "Upload" -Symbol, durch die eingekreisten Pfeil nach rechts bezeichnet.
   1. Stellen Sie sicher, dass der Schwingungspegel auf Null gesetzt wird, um den Motor in der Off-Position zu bringen, mit dem "analogWrite" -Befehl. Der Code sollte "analogWrite (vibe1,0)," lesen.
   2. Im Mikrocontroller-Code, geben die pulsbreitenmodulierte (PWM) Ausgangsstift an den Motor von Interesse entspricht, die durch die "vibe1" -Variable initialisiert.
      Hinweis: PWM-Signale erzeugen approximate analoge Ausgangssignale aus den digitalen Signalen von dem Mikrocontroller erzeugt wird. Die Stifte sind labeled numerisch auf dem physischen Mikrocontroller-Board. Wenn beispielsweise der Motor mit PWM-Ausgangspin '3' verbunden ist, dann sicherzustellen, dass der "int vibe1 = 3;" wird in dem Code angegeben.
3. Verbinden Sie die z-Achse Ausgang des Tri-Achsen-Beschleunigungssensor an einem der analogen Eingänge des Mikrocontroller-Board, und verbinden Sie die positive und Boden führt von dem Beschleunigungsmesser an den 5V und Masse (GND) Ports des Mikrocontrollers Bord sind.
4. Montieren des Beschleunigungsmessers an dem Vibrationsmotor, um sicherzustellen , dass seine z-Achse zu der flachen Oberfläche des Motors orthogonal ist, wie in 2 gezeigt ist , und stellen den Motor auf eine harte Oberfläche.
5. Öffnen Sie die "Motor_Calibration.vi" Datei in der Datenerfassungssoftware und verbinden den Mikrocontroller mit dem Computer über einen USB-Anschluss.
6. Mit den vorgesehenen Felder ein, geben Sie die serielle Schnittstelle für den Mikrocontroller-Eingang, das Drop-Down-Menü sowie die Abtastrate und number der Proben zu sammeln. Hinweis: 500 Hz Abtastrate Standard für diese Experimente aliasing der Beschleunigungsdaten zu verhindern, und 1.000 Proben werden häufig aufgezeichnet.
7. die "Motor_and_Accelerometer.ino" Code verwenden, um das gewünschte Tastverhältnis der PWM-Impulse an den Vibrationsmotor angeben geliefert, noch einmal die "analogWrite" Befehl, und das Programm in die Mikrocontroller-Board erneut herunterladen Steuerung der Motoren (siehe Schritt 1.1 ). Beispielsweise der Anzahl der Pulse auf 100 einzustellen, sollte der Code gelesen "analogWrite (vibe1,100);". Tabelle 1 führt die PWM - Werte und ihre entsprechenden Tastverhältnissen.
8. Mit der Fast-Fourier-Transformation (FFT) Anzeige auf der "MotorCalibration.vi" Schnittstelle, identifizieren Sie die größte Spitze und notieren Wert des entsprechenden Schwingungsfrequenz (von der horizontalen Achse).
9. Wiederholen Sie die Schritte 1,7-1,8, die PWM-Stufen eingestellt, bis die gewünschte Frequenz erreicht ist, von denen jeder PWM-Frequenz pai Aufnahmer. Wenn beispielsweise eine Frequenz von 100 Hz Targeting, führen Sie die Schritte 1,7-1,8, bis die größte Spitze der 100-Hz-Markierung auf der horizontalen Achse erfolgt über.
   Hinweis: Für die Vibrationsmotoren in diesem Protokoll verwendet, sollten die gezielte Schwingungen liegen in der 60-400 Hz - Bereich , um besser die Antwortfrequenzen der Mechanorezeptoren in der in der Literatur beschriebenen ^5,10,13 Haut entsprechen.
10. Wiederholen Sie die Schritte 1.2.2 bis 1.8 für jeden Motor, manuell die PWM-Frequenz-Beziehung für jeden Motor der Aufnahme mit einer Kalkulationstabelle oder Bleistift und Papier.
11. Öffnen Sie die "Experiment_1.vi" Datei. Für jeden Motor der rechten Maustaste auf das Frequenzmenü Dropdown und wählen Sie "Eigenschaften". Unter dem "Edit Items" Registerkarte, verwenden Sie die Tabelle mit den gewünschten Frequenzen und entsprechende PWM-Stufen in Schritten von 1,8 bis 1,9 festgelegt wird. Wählen Sie "OK" zu beenden.
12. Wiederholen Sie Schritt 1,11 für jede virtuelle Schnittstelle (VI) Datei der Systemdesignsoftware während des Tests (zB verwendet werden "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi ", etc.).

Abbildung 2. Beschleunigungssensor Motor montiert ist . Die tri-Achsen - Beschleunigungsmesser (grün) mit seiner z-Achse senkrecht zu der flachen Oberfläche des Motors für die Kalibrierung der Münze Motor montiert. Jeder Motor wurde verschiedene Arbeitszyklen aktiviert verwenden, und die entsprechenden Schwingungsfrequenzen wurden durch den Beschleunigungssensor erfasst. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Die Platzierung der Motoren

1. Sobald alle Motoren sind kalibriert worden ist (Abschnitt 2), montieren Sie sie an den Oberschenkel.
   1. Um die Ergebnisse zu erreichen, in diesem Manuskript beschrieben ist, stellen die einen Motor an jeder der vorderen, posterior, medial, und Seitenflächen der Oberschenkel, etwa in der Mitte sein,schen den Trochanter major und lateralen Femurkondylus (oder distalen Ende des Schenkels für Oberschenkelamputierte).
      Anmerkung: Die spezifischen Positionen jedes Motors variieren kann, abhängig von den Forschungsfragen und Regionen von Interesse und kann durch anatomische und physiologische Faktoren, wie der Art und der räumlichen Verteilung der Mechanorezeptoren in der Haut beeinflußt werden.
2. Befestigen Motoren direkt auf die Haut unter Verwendung von doppelseitigem Klebeband.
   Hinweis: Rasieren die Region um jeden Motor nicht erforderlich ist, kann aber ihre Haftung auf der Haut (3) zu verbessern. Für Anwendungen, in denen die Wirkung von Kleidung, eine prothetische liner, oder einem anderen Material auf Benutzer Wahrnehmung von Interesse sind, legen Sie die Motoren auf der Oberseite des Materials, anstatt auf der Haut.

Abbildung 3. Testplattform für Experimente. Eine benutzerdefinierte Testplattform wurde zu Haus t gebauter Mikrocontroller-Boards und Drucktasten. Die Motoren können direkt auf der Haut angebracht werden (wie abgebildet), oder mit einer prothetischen Auskleidung zwischen dem Motor und der Haut. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

3. Versuch 1: Anwendung von Stimuli und Recording-Reaktionszeit

1. Re-flash die Mikrocontroller-Board mit dem Firmware-Kontrolle über das Board durch die Datenerfassungssoftware zu ermöglichen, indem die "LVIFA_Base.pde" Datei mit der Steuerung der zugehörigen Software-Paket zu öffnen und zu wiederholen Schritt 1.1, ersetzt "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" mit dem " LVIFA_Base.pde "Skript.
2. Schließen Sie den Druckknopf direkt an einen der USB-Ports des Computers ein Seriell-zu-USB-Anschluss. Stellen Sie sicher, dass alle erforderlichen Treiber installiert sind.
3. Öffnen Sie die "Experiment_1.vi" Schnittstelle.
4. Geben Sie die SerienPorts für die Mikrocontroller-Board mit den Motoren verbunden ist, und Druckknopf, indem Sie die entsprechenden seriellen Port-Identifikationsnummern aus den Drop-Down-Menüs mit "Motor Eingang" und "Green Button" bzw. auswählen. Identifizieren Sie die serielle Schnittstelle Identifikationsnummern mit dem Betriebssystem Geräte-Manager-Dienstprogramm des Computers.
5. Wählen Sie die Datei, um die Ergebnisse zu erfassen und das Programm starten.
6. Wählen Sie die Motoren und Frequenzen aktiviert werden, indem in der "Experiment_1.vi" Schnittstelle für jeden Motor aus den Drop-Down-Menüs auswählen. Lassen Sie die Teilnehmer drücken Sie den Druckknopf mit dem Bein, auf dem das Feedback wird angewendet, wenn eine Vibration zu spüren ist. Nachdem die Taste gedrückt wurde, bestätigen Sie die Antwort in der Schnittstelle Datenerfassungs-Software mit der Feststellung, dass die Uhr Zählen aufgehört hat, und die Motoren für den nächsten Versuch zurück, indem Sie den neuen Satz von Frequenzen aus den Drop-Down-Menüs auswählen.
7. Sobald das Experiment abgeschlossen ist, verwenden Sie die dropdown Menüs alle Motorfrequenzen in die Nullstellung zurück und die "Stop-Programm" Taste wählen Sie die Verbindung zur Motorsteuerung zu beenden.

4. Versuch 2: Die Unterscheidung zwischen Stimuli

Hinweis: Dieses Experiment kann 1. Ein einzelner Motor oder mehrere Motoren von Experiment völlig unabhängig durchgeführt werden, können verwendet werden. Die spezifischen Orte der Motoren können je nach Anwendung und Forschungsfragen variieren.

1. Schließen Sie einen zweiten Druckknopf an einen anderen USB-Port einen seriellen-USB-Anschluss.
2. Öffnen Sie die "Experiment_2.vi" Datenerfassungsschnittstelle.
3. Legen Sie die Motoren an den Standorten und Konfigurationen für die spezifischen Forschungs Anwendung erforderlich ist. Zum Beispiel stellen einzelne Motoren auf den Oberschenkel, auf halbem Weg zwischen dem Trochanter major und lateralen Femurkondyle (oder dem distalen Ende des Gliedes für Amputierte) auf jeder der vorderen, hinteren, lateralen und medialen Oberflächen des Oberschenkels bis eXamine die Frequenzempfindlichkeit an jedem dieser Abschnitte des Schenkels ^10,11.
4. Geben Sie die seriellen Schnittstellen für die Mikrocontroller-Board und den beiden Drucktasten das gleiche Verfahren wie Schritt 3.4 verwendet wird. Achten Sie darauf, zu beachten, welche Druckknopf an jedem Port zugeordnet ist.
5. Wählen Sie die spezifischen Motoren aktiviert werden und die gewünschte Folge von Frequenzen, die durch in der Software-Schnittstelle auf den "Motor" Icons klicken. Angenommen, drei Frequenzen getestet werden, beispielsweise 140 Hz, 180 Hz und 220 Hz. Eine Reihe von Tests könnte (1) 180 Hz um 140 Hz, (2) 220 Hz gefolgt von 140 Hz, und (3) 180 Hz gefolgt von 220 Hz folgen.
6. Geben Sie die verzögerte Startzeit und Stimulationsdauer. 1,5 s ist typisch sowohl für die Verzögerung und Stimulationszeiten.
7. Starten Sie das Programm.
   Hinweis: Die nach der Verzögerung festgelegt in Schritt 4.6, wird das Programm den Motor aktivieren (n) mit der Sequenz von gepaarte Frequenzen gewählt, die in Schritt 4.5. Wenn beispielsweise 180 Hz vs. 220 Hz war sewählten in Schritt 4.5, wird der entsprechende Motor bei 180 Hz für die angegebene Zeitdauer vibriert, bevor auf 220 Hz umgeschaltet wird.
8. Haben die Teilnehmer und drücken Sie eine der beiden Tasten, ob die zweite wahrgenommen Frequenz zu wählen, war höher oder niedriger als die erste. Antworten werden vom Programm automatisch aufgezeichnet werden.

Ergebnisse

Figur 4 zeigt die Eichkurven der PWM - Wert für eine 180 Hz Schwingungsfrequenz eines einzigen Motors zu identifizieren. Beginnend bei einem Tastverhältnis von 50% werden die PWM-Werte iteriert, bis die Primärfrequenzspitze bei 180 Hz auftritt. Erfolgreiche Kalibrierung Versuche sollte eine klare Spitze bei der primären Schwingungsfrequenz zeigen. Schlechte Fixierung des Beschleunigungsmessers an den Motor oder des Motors an einer Trägerfläche in einer diffuseren FFT ohne eine klare Spitze führen kann. ...

Diskussion

Der Zweck dieses Protokolls ist es, den Rahmen für die Bewertung der Stimulationsparameter in vibrotaktile ASF Anwendungen bereitzustellen. Insbesondere prüft sie die Auswirkungen von Vibrationen Frequenz, Amplitude, Position und Sequenz auf Benutzer sensomotorischen Antwort. Dieser Rahmen kann aufgebaut werden und erweitert, um zusätzliche oder alternative Arten von Benutzerantwort enthalten, die klinisch relevant sein können, wie beispielsweise ein gemeinsames Biegen oder von einem Bein zum anderen verlagert Gewicht. ...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Vibrierende Pager-Motoren	Präzisions-Mikroantriebe	Modell 310-101	Münz-Exzenter-Rotations-Massenmotoren. So viele wie nötig, um alle Orte und Wechselwirkungen von Interesse zu testen
Dreiachsiger Beschleunigungssensor	Dimension Engineering	ADXL 335	Fortschrittlicher analoger Beschleunigungsmesser. 500  Hz-Bandbreite, 3,5-15  V-Eingang. Entwickelt für die Messung von Bewegungen, Neigungen und Neigungen sowie für die Vibrations- und Schockerkennung.
Arduino Uno	Arduino	DEV-11021	Mikrocontroller-Board für die Kommunikation mit dem dreiachsigen Beschleunigungssensor
Arduion Mega 2560	Arduino	DEV-11061	Mikrocontroller-Board für die Verbindung mit den Vibrationsmotoren.
LabVIEW	National Instruments		Datenerfassungssoftware zur Steuerung von Motoren und zur Anzeige von Beschleunigungsmessersignalen
Arduino IDE Software	Arduino	v. 1.6.5
Drucktastenbrücken	Buddy Button		Kabelgebundener Schalter mit 2,5 Zoll in/6.35  CM-Aktivierungsfläche, die ein auditives Klicken und taktiles Feedback bietet.
Optional:
Dedizierter haptischer Motortreiber	Texas Instruments	DRV2605L	Kann verwendet werden, um die gesamte in Schritt 1 beschriebene Verstärkungsschaltung zu ersetzen.
Flexibles tragbares Goniometer	Biometrics Ltd.	SG110	Zweiachsige flexible Goniometer zur Messung von Winkeln in bis zu zwei Bewegungsebenen, die anstelle des Druckknopfes verwendet werden können, um die Gelenkbewegung als Reaktion auf Reize zu messen. www.biometricsltd.com/gonio.htm