Un método para evaluar puntualidad y la exactitud de las respuestas Volitiva Motorizados para vibrotáctil Estímulos

Summary

En este artículo se describe una técnica para la aplicación de estímulos vibrotáctiles en el muslo de un participante humano, y midiendo el tiempo la precisión y la reacción de la respuesta volitivo del participante para diversas combinaciones de ubicación estimulación y frecuencia.

Abstract

Los sistemas de retroalimentación sensorial artificial (ASF) se pueden utilizar para compensar la pérdida de propiocepción en individuos con discapacidades de las extremidades inferiores. El diseño efectivo de estos sistemas ASF requiere una comprensión profunda de cómo los parámetros de un mecanismo de retroalimentación específico afectan la percepción y la reacción del usuario a los estímulos. Este artículo presenta un método para aplicar estímulos vibrotáctiles a participantes humanos y medir su respuesta. Los motores vibratorios de masa giratoria se colocan en ubicaciones predefinidas en el muslo del participante y se controlan a través de hardware y software personalizados. La velocidad y la precisión de las respuestas volitivas de los participantes a los estímulos vibrotáctiles se miden para las combinaciones especificadas por el investigador de la ubicación del motor y la frecuencia de vibración. Mientras que el protocolo descrito aquí utiliza pulsadores para recoger una respuesta binaria simple a los estímulos vibrotáctiles, la técnica puede extenderse a otros mecanismos de respuesta utilizando unidades de medición inercial o sensores de presión para medir el ángulo de la unión y las relaciones de soporte de peso, respectivamente. Del mismo modo, se puede explorar la aplicación de estímulos vibrotáctiles para segmentos corporales distintos del muslo.

Introduction

retroalimentación sensorial Artificial (ASF) se puede definir como la práctica de proporcionar información biológica en tiempo real a los individuos, a menudo la compensación de la propiocepción comprometida u otro mecanismo sensorial. ASF se ha utilizado durante mucho tiempo en el ámbito de la rehabilitación de las personas heridas o discapacitadas para ayudar en la recuperación de los aspectos de la función física y el movimiento ^{de 1 - 3,} lo que permite a las personas controlar los procesos físicos que una vez fueron una respuesta involuntaria del sistema nervioso autónomo ^4. Una subcategoría de peste porcina africana, la biorretroalimentación biomecánico, utiliza sensores externos para medir parámetros relativos al equilibrio o de la marcha cinemática, y comunicar esta información a la persona a través de algún tipo de estímulo aplicado. Un enfoque cada vez más popular a la retroalimentación biomecánico emplea pequeños motores de vibración, o contactores, colocados en diferentes partes del cuerpo para proporcionar espacial, así como la retroalimentación temporal. La literatura previa ha mostrado promising resultados apoyan el uso de la retroalimentación vibrotáctil en las aplicaciones a las personas con amputaciones de miembros inferiores, alteraciones vestibulares, y el envejecimiento relacionada con la pérdida de equilibrio ^{5 - 9.}

es necesario para informar a la aplicación efectiva de los sistemas de ASF para diferentes aplicaciones Una comprensión profunda de los mecanismos que controlan la percepción y la respuesta de un individuo a estímulos específicos. Para comentarios vibrotáctil, el principal de estos mecanismos son la propiocepción y la respuesta sensoriomotor, específicamente la sensibilidad del usuario a las vibraciones aplicadas y el tiempo necesario para ejecutar la reacción deseada. Cualquier información sensorial comunicada a través de estímulos de vibración debe ser codificada como combinaciones específicas de frecuencia de vibración, la amplitud, la ubicación y secuencia. Por lo tanto, el diseño de los sistemas de ASF vibrotactile debe seleccionar combinaciones de parámetros para maximizar la percepción del usuario y la interpretación de los estímulos, comoasí como la puntualidad y la exactitud de la respuesta motora resultante. El objetivo de este protocolo es proporcionar una plataforma desde la cual evaluar los tiempos de respuesta y la precisión de la respuesta a diversos estímulos vibratorios para informar el diseño de los sistemas de ASF para su uso con diferentes poblaciones con discapacidad sensorial.

Los métodos descritos aquí se basa en investigaciones antes de explorar la percepción humana de retroalimentación táctil y vibrotáctil ^3,5,6, y fue desarrollado para uso en dos estudios previos ^10,11. Los últimos dos estudios emplean este protocolo para examinar los efectos de la frecuencia de vibración y la ubicación en la precisión y puntualidad de las respuestas del usuario en amputados de miembros inferiores, lo que demuestra que ambos parámetros afectan de manera significativa las medidas de resultado, y que un alto grado de precisión de respuesta pueden ser alcanzado. Estos resultados se pueden utilizar para informar a la colocación ideal de contactores en futuros estudios clínicos y aplicaciones de los sistemas vibrotáctil ASF. Otros trabajos recientes deCrea et al. ¹² examinó la sensibilidad del usuario a los cambios en los patrones de vibración aplicada en el muslo durante la marcha, usando respuestas verbales para indicar cambios percibidos a los patrones de vibración, en lugar de una respuesta motor. Aunque estas respuestas verbales pueden ser utilizados para medir la precisión de detección, que no tienen en cuenta errores y retrasos que pueden estar presentes en el proceso de control del motor.

La configuración primaria para los siguientes experimentos se compone de una serie de motores de vibración conectados a por ancho de pulso modulado pines de salida de una placa electronica. El tablero está, a su vez, controla a través de una conexión de bus serie universal (USB) a un equipo que ejecuta el software de diseño de sistemas disponibles en el mercado. Los motores requieren un circuito amplificador adicional para asegurar la suficiente tensión y la corriente se suministra a través de una amplia gama de frecuencias de vibración. Un circuito amplificador de ejemplo se muestra en la Figura 1. El transistor de unión bipolar (BJR) En la figura puede ser reemplazado con más pequeña de metal-óxido-semiconductor de efecto de campo transistor (MOSFET) para un funcionamiento más eficiente y el tamaño más pequeño. Del mismo modo, todo el circuito de amplificación puede ser sustituido por un controlador de motor háptica off-the-shelf para proporcionar un control adicional y la reducción de tamaño. Cada motor requiere su propio circuito, y el uso de los equipos mencionados en este documento, hasta diez motores puede ser controlado por una sola placa electronica.

Figura 1. Motor de cableado. (A) El circuito de amplificación para un solo motor de vibración se muestra. Cada motor requiere un circuito separado y debe estar conectado a un puerto de salida PWM único en el microcontrolador. El V _DD aquí representa la potencia de 3,3 V suministrada por la placa de desarrollo, y la resistencia R2 sirve como un resistente desplegable para garantizar el conmutador de transistor permanece abierto cuando el voltaje es cero aplicaciónmintió. (B) Un ejemplo del cableado físico de dos motores. Aunque se muestran ocho circuitos de amplificación individuales, sólo dos están conectados a motores de vibración. En este protocolo R1 = 4,7 kW y R2 = 100 kW. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

El siguiente protocolo fue aprobado por el Consejo de Ética de Investigación en Holanda Bloorview hospital de la rehabilitación de los niños.

1. Motor de calibración

1. Conectar la placa microcontrolador al ordenador mediante un puerto USB.
2. Usando el software microcontrolador original, cargar el script personalizado, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" a la placa mediante la conexión USB haciendo clic en el icono "Subir", denotado por la flecha hacia la derecha con un círculo.
   1. Asegúrese de que el nivel de vibración se pone a cero para poner el motor en la posición de apagado mediante el comando "analogWrite". El código debe decir "analogWrite (vibe1,0);".
   2. En el código de microcontrolador, especificar el ancho de pulso modulado pin (PWM) de salida correspondiente al motor de interés inicializando el "vibe1" variable.
      Nota: Las señales PWM generan salidas analógicas aproximadas de las señales digitales generadas por el microcontrolador. Los pasadores son labeled numéricamente en la placa de desarrollo físico. Por ejemplo, si el motor está conectado a la salida de PWM pin '3', a continuación, asegurar que la "int vibe1 = 3;" se especifica en el código.
3. Conectar la salida del eje z del acelerómetro de tres ejes, a uno de los puertos de entrada analógicas de la placa de desarrollo, y conecte el positivo y de tierra conduce desde el acelerómetro para los 5V y los puertos de tierra (GND) de la placa de desarrollo, respectivamente.
4. Montar el acelerómetro para el motor de vibración, asegurando que su eje z es ortogonal a la superficie plana del motor, como se muestra en la Figura 2, y colocar el motor en una superficie dura.
5. Abra el archivo "Motor_Calibration.vi" en el software de adquisición de datos y conectar el microcontrolador a la computadora a través de un puerto USB.
6. El uso de los campos correspondientes, especifique el puerto serie para la entrada de microcontrolador, usando el menú desplegable, así como la frecuencia de muestreo, y nummero de muestras para recoger. Nota: La tasa de muestreo de 500 Hz es estándar para estos experimentos para evitar el aliasing de los datos de aceleración, y 1.000 muestras comúnmente se registró.
7. Utilizando el código "Motor_and_Accelerometer.ino", especifica el ciclo de trabajo deseado de los pulsos PWM suministrada al motor vibratorio, una vez más con el comando "analogWrite", y volver a cargar el programa en la placa electrónica que controla los motores (véase el paso 1.1 ). Por ejemplo, para establecer el número de pulsos a 100, el código debe decir "analogWrite (vibe1,100);". La tabla 1 recoge los valores de PWM y sus ciclos de trabajo correspondientes.
8. Uso de la Transformada Rápida de Fourier-display (FFT) en la interfaz "MotorCalibration.vi", identificar el pico más grande y registrar el valor de la frecuencia de vibración correspondiente (desde el eje horizontal).
9. Repetir los pasos 1.7 a 1.8, el ajuste de los niveles de PWM hasta que se alcanza la frecuencia deseada, la grabación de cada pai PWM frecuenciar. Por ejemplo, si la orientación una frecuencia de 100 Hz, realice los pasos 1.7 a 1.8 hasta que el pico más grande se produce sobre la marca de 100 Hz en el eje horizontal.
   Nota: Para los motores vibratorios usados ​​en este protocolo, las vibraciones específicas deben estar en el rango de 60-400 Hz para adaptarse mejor a las frecuencias de respuesta de los receptores mecánicos en la piel se describe en la literatura ^5,10,13.
10. Repita los pasos 1.2.2 a 1.8 para cada motor, la grabación manualmente la relación de PWM-frecuencia para cada motor con una hoja de cálculo o un lápiz y papel.
11. Abra el archivo "Experiment_1.vi". Para cada motor, haga clic en el menú desplegable y seleccione la frecuencia "Propiedad". En la pestaña "Editar elementos", utilice la tabla para introducir las frecuencias deseadas y niveles PWM correspondientes determinados en los pasos 1,8-1,9. Seleccione "OK" para salir.
12. Repita el paso para cada archivo 1.11 de interfaz virtual (VI) del software de diseño del sistema para ser utilizado durante las pruebas (por ejemplo, "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi ", etc.).

Figura 2. acelerómetro montado a Motor. El acelerómetro de tres ejes (verde) está montado en el motor de la moneda con su eje Z ortogonal a la superficie plana del motor para la calibración. Cada motor se activó utilizando diferentes ciclos de trabajo, y las frecuencias de vibración correspondientes fueron registrados por el acelerómetro. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. La colocación de los motores

1. Una vez que todos los motores han sido calibrados (sección 2), montarlos en el muslo.
   1. Para lograr los resultados descritos en este manuscrito, colocar el motor en cada una de la anterior, posterior, medial, y las superficies laterales del muslo, aproximadamente a mitad de caminointerpolar el trocánter mayor y el cóndilo femoral lateral (o extremo distal de la extremidad para amputados por encima de la rodilla).
      Nota: Las ubicaciones específicas de cada motor puede variar, dependiendo de las preguntas de investigación y las regiones de interés, y pueden ser afectados por factores anatómicos y fisiológicos, tales como el tipo y la distribución espacial de los mecanorreceptores en la piel.
2. Adjuntar motores directamente a la piel con cinta adhesiva de doble cara.
   Nota: El afeitar la región alrededor de cada motor no es necesario, pero puede mejorar su adhesión a la piel (Figura 3). Para aplicaciones en las que los efectos de la ropa, un revestimiento de prótesis, o algún otro material sobre la percepción del usuario son de interés, colocar los motores en la parte superior de dicho material, en lugar de contra la piel.

Figura 3. Plataforma de prueba para experimentos. Una plataforma de prueba personalizada fue construida a la casa tmicrocontrolador que las juntas y botones. Los motores pueden ser conectados directamente a la piel (como se muestra), o con un revestimiento de prótesis entre el motor y la piel. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Experimento 1: La aplicación de estímulos y Reacción Tiempo de grabación

1. Re-flash de la placa de desarrollo con el firmware para permitir el control de la junta a través del software de adquisición de datos abriendo el archivo "LVIFA_Base.pde" con el paquete de software que acompaña al controlador, y repitiendo el paso 1.1, en sustitución de "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" con el " "El guión LVIFA_Base.pde.
2. Conectar el pulsador directamente a uno de los puertos USB del ordenador mediante un conector de serie a USB. Asegúrese de que se hayan instalado todos los controladores necesarios.
3. Abra la interfaz "Experiment_1.vi".
4. Especificar la seriepuertos para la placa microcontrolador conectado a los motores, y pulsar un botón mediante la selección de los números de identificación de puerto serie correspondientes en los menús desplegables etiquetados "Entrada del motor" y "enlace", respectivamente. Identificar los números de identificación de puerto serie que utilizan el sistema operativo utilidad administrador de dispositivos del ordenador.
5. Seleccione el archivo para registrar los resultados e iniciar el programa.
6. Seleccionar los motores y las frecuencias que pueden activar seleccionando en los menús desplegables para cada motor en la interfaz "Experiment_1.vi". Tener el participante pulse el pulsador con la pierna sobre la que se aplica la retroalimentación cuando se sienta una vibración. Después de que el botón ha sido presionado, confirmar la respuesta de la interfaz de software de adquisición de datos señalando que el reloj se ha parado el conteo, y restablecer los motores para la siguiente prueba seleccionando el nuevo conjunto de frecuencias en los menús desplegables.
7. Una vez concluido el experimento, utilice el dropdown menús para volver todas las frecuencias de motor a la posición cero y seleccionar el botón "Programa Stop" para terminar la conexión a la tarjeta de control del motor.

4. Experimento 2: Distinguir entre los estímulos

Nota: Este experimento se puede realizar de forma totalmente independiente del Experimento 1. Un único motor o motores múltiples pueden ser utilizados. Las ubicaciones específicas de los motores pueden variar en función de las preguntas de la solicitud y de investigación.

1. Conectar un segundo pulsador a otro puerto USB mediante un conector serie-USB.
2. Abrir la interfaz de adquisición de datos "Experiment_2.vi".
3. Colocar los motores en las ubicaciones y las configuraciones necesarias para la aplicación de la investigación específica. Por ejemplo, colocar los motores individuales en el muslo, a medio camino entre el trocánter mayor y el cóndilo femoral lateral (o el extremo distal de la extremidad para los amputados), en cada una de la anterior, posterior, lateral y superficies medial del muslo a correoXAMINE la sensibilidad de frecuencia en cada una de estas porciones de la pierna ^10,11.
4. Especificar los puertos serie para la placa microcontrolador y dos pulsadores utilizando el mismo procedimiento que en el Paso 3.4. Asegúrese de anotar el cual pulsador se asigna a cada puerto.
5. Seleccione los motores específicos para ser activadas y la secuencia deseada de frecuencias haciendo clic en los iconos de "motor" en la interfaz de software. Por ejemplo, supongamos tres frecuencias están siendo probados, como por ejemplo 140 Hz, 180 Hz, 220 Hz y. Una serie de pruebas podría ser (1) 180 Hz, seguido de 140 Hz, (2) 220 Hz, seguido de 140 Hz, y (3) 180 Hz, seguido de 220 Hz.
6. Introduzca el retraso en la hora de inicio y la duración de la estimulación. 1.5 sec es típico tanto para el retardo y los tiempos de estimulación.
7. Iniciar el programa.
   Nota: El después del retardo especificado en el paso 4.6, el programa activará el motor (s) con la secuencia de pares de frecuencias elegidas en el paso 4.5. Por ejemplo, si 180 Hz vs. 220 Hz era seseleccionada en el paso 4.5, el motor correspondiente primera vibrar a 180 Hz para la duración especificada antes de cambiar a 220 Hz.
8. Tiene el participante de prensa uno de los dos pulsadores de elegir si la segunda frecuencia percibida era mayor o menor que el primero. Las respuestas serán automáticamente registrados por el programa.

Results

La figura 4 ilustra las curvas de calibración que identifican el valor de PWM para una frecuencia de vibración 180 Hz de un solo motor. A partir de un ciclo de trabajo del 50%, los valores de PWM son iterados hasta que el pico de frecuencia primaria se produce a 180 Hz. ensayos de calibración exitosas deben mostrar un pico claro en la frecuencia de vibración primaria. Mala fijación del acelerómetro al motor, o del motor a una superficie de soporte puede resultar en una FFT más difusa sin un pico claro. ...

Discussion

El objetivo de este protocolo es proporcionar el marco para evaluar los parámetros de estimulación en aplicaciones ASF vibrotactile. En concreto, se examinan los efectos de la frecuencia de vibración, la amplitud, la ubicación y la secuencia en respuesta sensomotora usuario. Este marco se puede construir y ampliado para incorporar tipos adicionales o alternativos de respuesta del usuario que puede ser más clínicamente relevante, como doblar una articulación o cambiar el peso de una pierna a otra. Estos tipos de cambios ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Motores de localizadores vibratorios	microaccionamientos de precisión	modelo 310-101	motores de masa rotativa excéntrica de monedas. Tantas como sea necesario para probar todas las ubicaciones e interacciones de interés
Acelerómetro de tres ejes	Dimension Engineering	ADXL 335	Acelerómetro analógico avanzado. 500  Ancho de banda Hz, 3.5-15  Entrada V. Diseñado para la medición de movimiento, inclinación y pendiente, así como para la detección de vibraciones y golpes.
Arduino Uno	Arduino	DEV-11021 Placa de	microcontrolador para comunicarse con el acelerómetro de tres ejes
Arduion Mega 2560	Arduino	DEV-11061	Placa de microcontrolador para interactuar con los motores de vibración.
LabVIEW	National Instruments		Software de adquisición de datos utilizado para controlar motores y mostrar señales de acelerómetro
Arduino IDE Software	Arduino	v. 1.6.5
Push-Button		Bridges Buddy Button	Interruptor cableado con un 2.5  pulgadas/6.35  Superficie de activación CM que proporciona un clic auditivo y retroalimentación táctil.
Opcional:
Controlador de motor háptico dedicado	Texas Instruments	DRV2605L	Se puede utilizar para reemplazar todo el circuito de amplificación descrito en el Paso 1.
Goniómetro portátil flexible	Biometrics Ltd.	SG110	Goniómetros flexibles de doble eje para medir ángulos en hasta dos planos de movimiento que se pueden utilizar en lugar del botón pulsador para medir el movimiento de las articulaciones en respuesta a estímulos. www.biometricsltd.com/gonio.htm