Methodenartikel

Ein Vibrotactile Feedback-Gerät für sitzende Balance Assessment und Training

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DOI:

10.3791/58611

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20. Januar 2019

 , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Alberta, 2Department of Mechanical Engineering, University of Alberta, 3Glenrose Rehabilitation Hospital, Alberta Health Services

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Eine Sitzung Plattform entwickelt und montiert wurde, die passiv destabilisiert Sitzhaltung beim Menschen. Während des Benutzers stabilisierende Aufgabe eine inertiale Messeinheit zeichnet das Gerät Bewegung und schwingende Elementen liefern Performance orientiertes Feedback zum Sitz. Das tragbare, vielseitige Gerät kann in der Rehabilitation, Beurteilung und Ausbildung Paradigmen verwendet werden.

Zusammenfassung

Posturale Störungen, Motion-tracking und sensorisches Feedback sind moderne Techniken verwendet, um herauszufordern, zu bewerten und aufrecht sitzen, bzw. zu trainieren. Das Ziel des entwickelten Protokolls ist zum Bau und Betrieb einer Sitzung-Plattform, die passiv destabilisiert werden kann, während eine inertiale Messeinheit seine Bewegung quantifiziert und schwingende Elementen taktilen Rückmeldung für den Benutzer liefern. Austauschbare Sitz Anhänge ändern Stabilitätsstufe des Gerätes sicher Herausforderung Gleichgewicht sitzen. Ein integrierten Mikrocontroller ermöglicht die Feinabstimmung der Feedback-Parameter, die sensorische Funktion erweitern. Posturographische Maßnahmen, typisch für Gleichgewicht Bewertung Protokolle, fassen die Bewegung Signale während der zeitgesteuerten Gleichgewicht Studien erworben. Kein dynamisches Sitzen Protokoll bietet Variable Herausforderung, Quantifizierung und frei von Zwängen Labor sensorisches Feedback. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Nichtbehinderten Benutzer das Gerät Exponat wesentlicher Änderungen im posturographische Maßnahmen wenn Gleichgewicht Schwierigkeitsgrad geändert wird oder Schwingungs Feedback zur Verfügung gestellt. Das tragbare, vielseitige Gerät hat potenzielle Anwendungen in der Rehabilitation (nach Skelett-, Muskel- oder neurologische Verletzungen), Ausbildung (für Sport oder räumliches Vorstellungsvermögen), Unterhaltung (über virtuelle und erweiterte Realität) und Forschung (der sitzen-Erkrankungen).

Einleitung

Aufrecht sitzend ist eine Voraussetzung für andere menschliche sensomotorischen Funktionen, einschließlich qualifizierte Bewegungen (z.B.schreiben) und Gleichgewicht Aufgaben (z.B., Reiten auf einem Zug) gestört. Zur Sanierung und Verbesserung Sitz- und verwandte Funktionen, moderne Balance Trainingstechniken werden verwendet: labilen Untergründen Radardetektoren sitzen1,2 und Motion-tracking quantifiziert Gleichgewicht Proficiency3,4 . Balance-Training-Ergebnisse verbessern, wenn Vibrationen geliefert wird, um den Körper mit Mustern, die Leistung5entsprechen. Solchen sensorisches Feedback wirkt offenbar als Rehabilitation und Training-Methode; Doch aktuelle sensorisches Feedback-Methoden sind darauf ausgerichtet, ständigen Gleichgewicht und Labor-basierte Geräte6,7erfordern.

Der hier vorgestellten Arbeit soll ein tragbares Gerät zu bauen, das setzte sich auf und passiv in unterschiedlichem Maße destabilisiert, während integrierte Instrumente seine Stellung aufnehmen und liefern Schwingungs Feedback an die Sitzfläche werden können. Diese Kombination von Tools integriert Vorarbeiten am wackeln Stühle2,4 und Schwingungs Feedback5,6,7, machen die Vorteile dieser Werkzeuge, leistungsfähiger und zugänglich. Werden Sie auch vorgestellt, ein Verfahren, um aufrecht sitzen und eine Analyse der quantitativen Ergebnisse, nach den etablierten Literatur über posturographische Maßnahmen8trainieren. Diese Methoden eignen sich für die Auswirkungen der Balance Übung mit einer instabilen Oberfläche in Kombination mit Schwingungs-Feedback zu sitzen. Erwartete Anwendungen gehören Sporttraining, allgemeine Verbesserung der motorischen Koordination, Bewertung der Bilanz Kenntnisse und Rehabilitation nach Skelett, muskuläre oder neurologische Verletzungen.

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Protokoll

Alle hier beschriebene Methoden wurden von der Health Research Ethics Board von der University of Alberta genehmigt.

1. Aufbau und Montage von Bauteilen

  1. Eine Anlage-Schnittstelle für austauschbare halbkugelförmigen Basen zu konstruieren: eine Basis Nuss zu einer Platte aus Stahl Schweißen Schweißen.
  2. Verwenden Sie einen Computer numerisch gesteuert (CNC) Fräsmaschine zu einem zylindrischen Gehäuse konstruieren Deckel und Boden aus Polyethylen, wie in Abbildung 1dargestellt. Schrauben Sie die Grundplatte auf die Basis und der Ausgangspunkt, um das Chassis.
    Hinweis: Die Mühle Features zur Befestigung von Bolzen und anderen Teilen sind entsprechend der Zeichnungsdateien und 3D Volumenmodell Dateien zur Verfügung gestellt (siehe ergänzende Dateien 1 und 2). Alle Bauteile haben ein entsprechendes solides Modell und Zeichnung, die stehen zum Download bereit und kann verwendet werden, um den Bauprozess zu replizieren.
  3. Verwenden Sie eine Fräsmaschine, um eine zylindrische Polyvinylchlorid-Hülse, die auf einer Gewindestange passt zu konstruieren, wie in Abbildung 1dargestellt. Machen Sie die Hülse 37 mm lang, mit einem Außendurchmesser von 32 mm.
  4. Schweißen Sie Stahlflansche an jeder Seite der Stahl Haken, wie in Abbildung 1dargestellt. Schrauben Sie die Kupplung an der Vorderseite des Sockels.
  5. Verwenden einer CNC-Drehmaschine, um 5 identische Zylinder aus Polyethylen, jeweils mit einer Höhe von 63 mm und einem Durchmesser von 152 mm zu konstruieren. In der Mitte der oberen Fläche des Zylinders, schneiden ein Loch 32 mm bis zu einer Tiefe von 38 mm, so dass es die zylindrische Hülse passt (Siehe Schritt 1.3. oben) mit einigen Störungen.
  6. Verwenden Sie auf der unteren Fläche des Zylinders eine CNC Drehmaschine um eine gleichmäßig gebogene Basis mit einer einzigartigen Krümmungsradius für jede der 5 Zylinder, Aufrechterhaltung der Gesamthöhe von 63 mm, wie in Abbildung 2gezeigt schneiden.
    Hinweis: Der Radius von Biegung und Höhe des Sockels bestimmen die Stabilität des Gerätes. Die vorgeschlagenen Krümmungsradien für diese Höhe sind zwischen 110 mm (instabil) und 250 mm (etwas instabil), wie in Tabelle 1dargestellt.
  7. Konstrukt eine Bein-Unterstützung-Anlage wie in Abbildung 3dargestellt, durch das erste Schweißen einen 70 mm Stahl hitch einfügen senkrecht an einem Ende eine 575 mm Stahl-Extrusion. Am anderen Ende Klemmen Sie eine 300 mm zylindrisch Stahl Fußstütze für die Extrusion.
    Hinweis: Detaillierte Teil Abmessungen siehe ergänzende Datei 1 (Zeichnungen) und ergänzende Datei 2 (3D Volumenmodelle).
  8. Verwenden Sie eine Bandsäge, um einen rechteckigen Stahlbarren (29 mm x 100 mm) auf eine Länge von ca. 160 mm geschnitten, so dass es 3,6 kg wiegt. Legen Sie die Stahlstange auf der Rückseite des Gehäuses, die Anlage mit dem Bein Unterstützung auszugleichen, wie in Abbildung 1dargestellt.
  9. Montieren Sie das Gerät, wie in Abbildung 4dargestellt. Schließen Sie die Beinstütze durch Einfügen von Gabel Stifte durch die Kupplung und problemlos einfügen. Ändern Sie die Position der Zange auf die gewünschte Höhe der Rest. Fädeln Sie die Rute in der Basis Stud so dass ca. 35 mm des Stabes aus der Basis ragt.  Legen Sie die überstehende Stab in die gewünschte gekrümmte Basis.
  10. Griptape oder eine andere geeignete Polsterung auf den Deckel anwenden. Den Deckel aufsetzen.

2. instrumentieren das Gerät

  1. Einen Mikrocontroller zu erwerben (siehe die Tabelle der Materialien), eine inertiale Messeinheit und acht vibrierenden Tactors. Der inertialen Messung Einheit und vibrierenden Tactors an den Mikrocontroller zu verbinden.
  2. Programm der Mikrocontroller anhand der Neigungswinkel so, dass es Antero-posterioren (AP liest) und Medio-Lateral (ML) Neigung Winkel aus den Inertialsensors und den vibrierenden Tactors schaltet ein oder aus. Siehe zusätzliche Datei 3 (beispielhafte Mikrocontroller Skript) und Schritt 2.2.1.
    Hinweis: Inertiale Messeinheiten, die Beschleunigungssensoren und Gyroskope nutzen sind anfällig für Fehler. Führen Sie eine positionelle Kalibrierung der Sensoren: das Gerät auf einer ebenen Fläche ruhen und nutzen Sie diese Position als Grundlage für alle folgenden Messungen. Verwenden Sie ein Motion-Capture-System oder ähnlichen Ansatz der Tilt-Winkel-Messungen zu überprüfen und sicherstellen, dass sie ausreichend genau über den gesamten erwarteten Nutzung (räumliche und zeitliche) sind. Sicherstellen Sie, dass die vibrierende Tactors mit einer Frequenz von nicht mehr als 200 Hz, um eine 1: 1-Antwort von sensorischen Rezeptoren im menschlichen Haut oder Muskel9induzieren betreiben.
    1. Laden Sie das Mikrocontroller-Skript, das erzeugt Vibrotactile Queues basierend auf eine Rückmeldung der Kontrolle, die eine gewichtete Summe der AP (oder ML) Neigungswinkel und Geschwindigkeit darstellt.
      Hinweis: Der Computer aktiviert drei Tactors am nächsten nach links, rechts, vorne, oder hinten die Oberfläche, wenn das Steuersignal in diese Richtung eine Schwelle überschreitet; oder fünf Tactors wird gleichzeitig eine AP und ML-Schwelle überschritten werden; keiner von den Tactors sind aktiv, wenn das Steuersignal unterhalb der Schwelle in beide Richtungen (d. h. in der keine-Feedback-Zone wird).
  3. Sichern Sie die Inertialsensors in der Mitte des Chassis. Ordnen Sie die vibrierende Tactors auf ein regelmäßiges Achteck mit einem Radius von 10 cm, 8 cm von der Mitte des Chassis anterior zentriert, so dass sie unter dem Sitz eine mittlere Person10liegen werden. Ein Foto von einem möglichen Anordnung ist in Abbildung 4dargestellt.
    Hinweis: Wenn die vibrierenden Tactors nicht stark genug sind, um Vibrieren des Benutzers, die Schnittstelle zwischen Tactor und Haut zu verbessern, indem Sie Löcher in den Deckel schneiden und fixieren die Vibratoren Ruhelagerung mit die Oberfläche spülen. Wenn die Methode verwendet, um die Vibratoren an Ort sichern Dämpfung der Vibration verursacht, erwägen Sie, eine zweiteilige Montage Gehäuse mit einer locker geschnittene Passstift, wie in Abbildung 5dargestellt.
  4. Herstellen des Mikrocontrollers ein Laptop oder Desktop-Computer über einen universellen seriellen Bus (USB) oder andere geeignete Kommunikations-Methode. Öffnen Sie die Benutzeroberfläche in Abbildung 6dargestellt.
    Hinweis: Alternativ den Mikrocontroller an eine Batterie oder andere Stromquelle anschließen. Dies verbessert die Mobilität des Gerätes, sondern schließt eine Benutzeroberfläche.

3. beispielhafte Bewertung und Trainingsprotokoll

  1. Rekrut zustimmenden Teilnehmer, die frei von neurologischen oder Muskel-Skelett-Erkrankungen und akuten oder chronischen Rückenschmerzen sind. Alter, Gewicht und Höhe jeder Teilnehmer aufnehmen. Danach für jeden Teilnehmer, führen Sie das folgende Verfahren.
  2. Öffnen Sie die Benutzeroberfläche (Abbildung 6). Der Kompass Diagramm Neigungswinkel des Geräts plus halbe Geschwindigkeit seiner Neigung in der AP (vertikale Achse) und ML Richtung (horizontale Achse).
  3. Vor jeder Studie Gleichgewicht weisen Sie die Teilnehmer, Noise-cancelling Kopfhörer, don Falten seine oder ihre Arme über der Brust, eine aufrechte Körperhaltung so weit wie möglich zu erhalten, und verbal cue den Experimentator des Seins bereit.
  4. Führen Sie 20 30 Sekunden sitzen Gleichgewicht Versuche in Serie11, Pausen, als gerechtfertigt, um Müdigkeit, jederzeit zu stoppen, wenn nötig zu vermeiden.
    1. Reihenfolge der Prüfungen wie folgt (nur Beispiel): nach dem Zufallsprinzip wählen Sie eine der zwei "base Stabilität Ebene/Augenerkrankung" Kombinationen, nachfolgend genannt Gleichgewicht Bedingungen (schwieriger Basis und Augen offen; oder weniger schwierig Base und geschlossenen Augen)12. Führen Sie vier Studien der ersten Gleichgewicht Voraussetzung den Teilnehmer mit der Aufgabe vertraut zu machen und entsprechende Ansteuerung Signal Schwellenwerte für die vibrierende Tactors auf dem Sitz (Siehe Schritt 3.4.5 unten) zu identifizieren.
      Hinweis: Es ist schwieriger, auf einem Sockel mit einer kleinen Krümmungsradius als auf einem Sockel mit großem Radius der Krümmung Gleichgewicht (Tabelle 1 zeigt die relative Stabilität der alle fünf austauschbare Basen). Vier Studien wurden gefunden, um ausreichen, um eine stabile Leistung der Saldo Aufgabe2zu erreichen.
    2. Drei der folgenden sechs Prüfungen zur Kontrolle Prüfungen werden nach dem Zufallsprinzip auszuwählen: die vibrierende Tactors für die Dauer dieser Studien ausschalten. Um das Schwingungs Feedback aktivieren oder deaktivieren, schalten Sie den Feedback -Regler, um die gewünschte Einstellung in der Benutzeroberfläche. Wiederholen Sie diese Abfolge von zehn Studien für die zweite Bedingung Gleichgewicht.
    3. Beschriften Sie die aktuellen Schwierigkeiten und Auge Zustand durch Auswahl aus der Drop-Down-Menüs im Bereich Prozess-Parameter der Benutzeroberfläche. Klicken Sie auf Datensatz um den Versuch zu starten.
      Hinweis: Die Teilnehmer Sicherheit ist oberstes Gebot. Der Experimentator sollten alle Balance-Aktivitäten überwachen und bereit sein, im Falle des Verlustes des Gleichgewichts zu unterstützen. Bereich der möglichen Gefahren zu löschen und der lokalen Notfall Protokolle bewusst sein.
    4. Weisen Sie für Versuche mit offenen Augen die Teilnehmer auf einen festen Punkt geradeaus zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zu konzentrieren. Verwenden Sie für Versuche mit geschlossenen Augen eine Augenbinde, um sicherzustellen, dass der Teilnehmer des visuellen Feedbacks vollständig entzogen wird.
      Hinweis: Für Gleichgewicht Paradigmen, wo die Bewegung der Füße beschränkt sein sollte, legen Sie die Fußstütze und stecken Sie das Gegengewicht unter dem Deckel.
    5. Ein Algorithmus berechnet die AP und ML Feedback Schwellen zu verwenden und zeigt sie in der Q3 -Spalte der Benutzeroberfläche. Kopieren Sie nach vier Einarbeitung versuchen die Werte in der Spalte schreiben in der Q3 -Spalte angezeigt, und klicken Sie dann auf Aktualisieren , um die Feedback-Schwellenwerte gezeigt auf dem Kompass Graphen (rosa) aktualisieren basierend auf der vierten Einarbeitung Studie.
      Hinweis: Die berechnete Schwellenwerte in der Q3 -Spalte der Schnittstelle angezeigt entsprechen den dritten Quartil für jede Neigung Richtung (AP, ML) während der vorherigen Studie. Dieses Feedback-System basiert auf der Vorstellung, dass Balance-Funktion verbessert wird, wenn Feedback für jeden einzelnen13,14, optimiert ist, während zu viel Rückmeldungen kann Lasten15lernen. Sobald die beiden Grenzwerte für ein bestimmtes Individuum ausgewählt wurden, können sie für das Individuum zu Verbesserungen im Laufe der Zeit oder mit einer Intervention zu beurteilen können konstant gehalten werden.
  5. Als die AP und ML Neigungswinkel automatisch gespeichert sind, in Echtzeit, in einer Textdatei für die Analyse, analysieren die AP und ML Signale sitzen Leistung für jede der Versuchsbedingungen zu charakterisieren.
    1. Im Zeitbereich, berechnen Sie die folgenden posturographische Maßnahmen aus jeder Zeit Serie8: Root-Mean-Square (ein Maß für die Abweichung der Bewegung) und die mittlere Geschwindigkeit (ein Maß für die durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit der Bewegung).
    2. Im Frequenzbereich, berechnen Sie die folgenden posturographische Maßnahmen aus jeder Zeit Serie8: centroidal Frequenz (ein Maß für die Bewegung insgesamt Frequenz) und Frequenz Dispersion (ein Maß für die Abweichung in der Bewegung Frequenz)8 .
  6. Verwenden Sie ein lineares gemischtes Modell zu schätzen und zu charakterisieren, die Auswirkungen der zwei feste Effekte Faktoren, (1) das Gleichgewicht Zustand (Stabilität Ebene und Auge Zustand kombiniert) und (2) Vibrotactile Feedback, auf jeder posturographische Maßnahme (abhängige Variablen), unter Berücksichtigung der Korrelation von wiederholten Messungen von jedem Teilnehmer16 (ein Zufallseffekte Faktor).
    1. Test für die Bedeutung der feste Effekte durch das Verhältnis der Abweichung zwischen der Gruppe Mittel, um die Varianz der Residuen computing und vergleichen das Ergebnis einer F-Verteilung.

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Ergebnisse

Tabelle 2 zeigt für jede experimentelle Bedingung, die posturographische Maßnahmen abgeleitet aus der Beobachtung der AP und ML Unterstützung Oberfläche kippt, gemittelt über 144 Gleichgewicht Studien von 12 Teilnehmer (2 x 2 x 3 Versuche pro Teilnehmer) durchgeführt.

Wirkung der Änderung des Balance-Zustand: Die Basiskondition wurde gewählt, um die Augenerkrankung abhängig sein (d. h.,...

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Diskussion

Methoden für den Bau einer tragbaren, instrumentierte, sitzen-Gerät werden vorgestellt. Das Gerät ist tragbar und langlebig, bauen auf früheren Studien der wobble Stühle2,4 und Schwingungs Feedback5,6,7 um die Vorteile dieser Werkzeuge leistungsfähiger und zugänglich zu machen . Befolgen Sie das Protokoll der Versammlung in umgekehrter Reihenfolge, um das Gerät für den T...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

Die Autoren erkennen die Gestaltung Bemühungen von den nichtgraduierten Studenten Animesh Singh Kumawat, Kshitij Agarwal, Quinn Boser, Benjamin Cheung, Caroline Collins, Sarah Lojczyc, Derek Schlenker, Katherine Schoepp und Arthur Zielinski. Diese Studie wurde teilweise durch einen Zuschuss der Entdeckung aus den Naturwissenschaften und Engineering Research Council of Canada (RGPIN-2014-04666) finanziert.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
ChassisMcMaster-Carr8657K421Feuchtigkeitsbeständige LDPE-Polyethylenplatte 1-1/2" dick, 24" x 24"
LidMcMaster-Carr8657K414Feuchtigkeitsbeständige LDPE-Polyethylenplatte 1/4" dick, 24" x 24"
Base McMaster-Carr8657K414Feuchtigkeitsbeständige LDPE-Polyethylenplatte 1/4" dick, 24" x 24"
Grip-TapeMcMaster-Carr6243T471Nicht scheuerndes Antirutschband, strukturiert, 6" breiter Streifen, 2' lang, schwarz
GrundmutterMcMaster-Carr90596A039Stahl-Schweißmutter mit runder Basis, 5/8"-11 Gewindegröße
SchweißplatteMcMaster-Carr1388K142kohlenstoffarmes Stahlblech 1/16" dick, 3" x 3", geschliffen
GewindestangeMcMaster-Carr90322A1703" 5/16"-18 mittelfester Gewindebolzen
aus legiertem StahlSleeveMcMaster-Carr8745K19chemikalienbeständige PVC-Stange (Typ I) 1-1/4" Durchmesser
VierkantflanschMcMaster-Carr8910K395Stange aus kohlenstoffarmem Stahl, 1/8" dick, 1" breit
KupplungMcMaster-Carr4931T123Verschraubbarer Rahmen Heavy-Duty Steel, 1-1/2" Vierkant
<>Gebogene BasisMcMaster-Carr8745K48PVC-Stange, 6" Durchmesser
KupplungseinsatzMcMaster-Carr6535K313Verschraubbarer Rahmen aus Hochleistungsstahl, 1" Vierkant
ExtrusionMcMaster-Carr6545K71045 Kaltgezogener Stahl Vierkantstahl, 1' x 1" breit, unpoliert
KlemmeVlierTH103Aeinstellbarer Drehmomentknopf
FußstützeMcMaster-Carr6582K4314130 Stahlrohr, 1" x 1" breit, 0,065" Wandstärke, unpoliertes Mill Finish
GegengewichtMcMaster-Carr8910K67Rechteckiger Stab aus kohlenstoffarmem Stahl 1-1/8" dick, 4" Breite
Gabelkopf StiftMcMaster-Carr97245A616Gabelbolzen aus verzinktem Stahl mit Haarnadel-Splint, 3/16" Durchmesser, 1-9/16" nutzbare Länge
MikroprozessorArduinoMEGA 2560Mikrocontroller-Platine mit 54 digitalen E/A-Pins und USB-Anschluss
Inertial Measurement Unitx-io Technologies Ltd.x-IMUInertial Measurement Unit und Attitude Heading Reference System mit Gehäuse
Vibrating TactorPrecision MicrodrivesDEV-11008Lilypad Vibe Board, erhältlich bei SparkFun Electronics

Referenzen

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