שיטה להערכת עתוי דיוק של תגובות מוטוריות רצוניות כדי Vibrotactile גירויים
August 2nd, 2016
מאמר זה מתאר טכניקה ליישום גירויי vibrotactile לירך של משתתף אדם, ומדידת זמן הדיוק ותגובה של התגובה הרצונית של המשתתף עבור שילובים שונים של מיקום גירוי ותדיר.
המטרה הכוללת של פרוטוקול ניסיוני זה היא להעריך באיזו מהירות ודיוק אדם יכול להגיב לסוגים ספציפיים של גירויים רטטים. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום הנדסת השיקום כגון איזה סוג של מידע חושי ניתן להעביר באמצעות משוב רטט ומהי הדרך הטובה ביותר לייצג מידע חושי באמצעות אותות רטט. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא גמישה מאוד ליישומי ביו פידבק שונים וניתנת להתאמה בקלות לשימוש עם מגוון חיישנים ביולוגיים כגון חיישני לחץ למדידת כוח תגובה, או גוניומטרים למדידת זוויות מפרקים.
למרות ששיטה זו מספקת תובנה לגבי האופן שבו אנשים מגיבים לרטטים החלים על אזורים ספציפיים בירך, ניתן להרחיב אותה גם לאזורים אחרים בגוף. על ידי בדיקת תצורות מישוש שונות, אנו יכולים להבין טוב יותר אילו סוגי מידע ניתן להעביר באמצעות משוב ביולוגי. מי שידגים את ההליך הזה יהיה סם שי, סטודנט לתואר שני במעבדה שלנו.
התחל את כיול המנוע על ידי חיבור לוח המיקרו-בקר הגדול למחשב באמצעות יציאת USB. בתוך תוכנת המיקרו-בקר המקורית, לחץ על סמל ההעלאה המסומן על ידי החץ ימינה המוקף בעיגול כדי להעלות את הסקריפט המותאם אישית motor_test. ino ללוח באמצעות חיבור ה-USB.
לאחר מכן חבר את יציאת ציר Z של מד התאוצה התלת-צירי לאחת מיציאות הכניסה האנלוגיות של לוח המיקרו-בקר הקטן יותר. חבר את המוליכים החיוביים והקרקעיים ממד התאוצה ליציאות בורג הירך וההארקה של לוח המיקרו-בקר בהתאמה. לאחר מכן, התקן את מד התאוצה על המנוע הרוטט וודא שציר ה-z שלו אורתוגונלי למשטח השטוח של המנוע ולאחר מכן הנח את המנוע על משטח קשיח.
פתח את motor_calibration. vi file בתוכנת שאלת הנתונים וחבר את המיקרו-בקר הקטן יותר של מד התאוצה למחשב דרך יציאת USB. לאחר מכן, באמצעות השדות המסופקים, ציין את היציאה הטורית עבור כניסת המיקרו-בקר וכן את קצב הדגימה של 500 הרץ ו-1000 דגימות לאיסוף.
באמצעות תצוגת הטרנספורמציה המהירה 48 בממשק motor_calibration. vi זהה את השיא הגדול ביותר ורשום את ערך תדר הרטט המתאים. חזור על כל השלבים עד כה וכן הקלט ידנית את הדופק עם יחסי תדר מאופנן או PWM עבור כל מנוע.
לאחר מכן פתח את הניסוי1. vi file עבור כל מנוע. לחץ לחיצה ימנית על תפריט התדירות הנפתח ובחר נכס.
תחת הכרטיסייה עריכת פריטים, השתמש בטבלה כדי להזין את התדרים הרצויים ואת רמות ה-PWM המתאימות. בחר אישור כדי לצאת. לבסוף, לאחר כיול כל המנועים, השתמש בסרט דו צדדי כדי להרכיב כל אחד מהם לירך.
הנח באופן ספציפי מנוע אחד על כל אחד מהמשטחים הקדמיים, האחוריים, המדיאליים והרוחביים של הירך בערך באמצע הדרך בין הטרוכנטר הגדול יותר לקונדיל הירך הרוחבי. כדי להתחיל את הניסוי הראשון, חבר את כפתור הלחיצה ישירות לאחת מיציאות ה-USB של המחשב באמצעות מחבר טורי ל-USB וודא שכל מנהלי ההתקנים הנדרשים מותקנים. פתח את הניסוי1.
VI ובחר את file כדי להקליט את התוצאות. לאחר מכן, השתמש בתפריטים הנפתחים בממשק התוכנה כדי לבחור את יציאות הקלט של כפתור הלחיצה ותדרי המנוע. הפעל את התוכנית.
כאשר המשתתף מרגיש רטט, בקש ממנו ללחוץ על כפתור הלחיצה עם הרגל שבה מופעל המשוב. לאחר לחיצה על הכפתור, אשר את התגובה בממשק תוכנת רכישת הנתונים על ידי ציון שהשעון הפסיק לספור. לבסוף בחר את קבוצת התדרים החדשה מהתפריטים הנפתחים כדי לאפס את המנועים לניסיון הבא.
התחל את הניסוי השני על ידי חיבור כפתור לחיצה שני ליציאת USB אחרת באמצעות מחבר USB טורי. לאחר מכן פתח את הניסוי2. vi ממשק רכישת נתונים.
על מנת לבחון את רגישות התדר בחלקים שונים של הרגל הנח מנוע יחיד על הירך באמצע הדרך בין הטרוכנטר הגדול יותר לקונדיל הירך הצדדי על כל אחד מהמשטחים הקדמיים, האחוריים, הצדדיים והמדיאליים. לאחר מכן לחץ על סמלי המנוע בממשק התוכנה כדי לבחור מנועים ספציפיים להפעלה וכן את רצף התדרים הרצוי. כדי לבחון את רגישות המשתמש, לתדרים ב-140 הרץ, 180 הרץ ו-220 הרץ מתחילים בבחירת שילוב יחיד.
לדוגמא 180 הרץ ואחריו 140 הרץ. הזן את זמן ההמתנה וזמן המנוע. לאחר מכן הפעל את התוכנית.
כדי לבדוק שילובי תדרים אחרים, בחר בדיקת תדרים חדשה כגון 220 הרץ, ואחריה 180 הרץ והפעל מחדש את התוכנית. לבסוף, בקשו מהמשתתף ללחוץ על אחד משני כפתורי הלחיצה כדי לבחור אם התדר הנתפס השני גבוה או נמוך יותר מהראשון, ולהתבונן בתגובות שנרשמות אוטומטית על ידי התוכנית. התוצאות של הטרנספורמציה המהירה של 48 של נתוני התאוצה מוצגות כאן עבור מנוע יחיד שעובר כיול.
ארבעה שבילים נערכו כדי לזהות את רמת ה-PWM המתאימה לרטט של 180 הרץ. כאשר משווים אנשים בעלי כושר גופני לשלושה אנשים עם קטיעות טרנס-פמורליות, זמני התגובה של אנשים בעלי כושר גופני ירדו משמעותית ככל שהתדירות עלתה מ-140 הרץ ל-220 הרץ. ואילו אלה של אנשים עם קטיעות לא.
לאחר שליטה, ניתן להשלים פרוטוקול זה תוך 30 דקות עד שעה, בהתאם למספר שילובי מיקום התדרים שנבדקו. בזמן ניסיון הליך זה, חשוב לוודא שהגששים שומרים על קשר טוב עם הירך לאורך כל הניסויים. יש להקפיד לוודא שהעוקבים מאובטחים לפני כל ניסיון.
בעוד שהפרוטוקול המתואר כאן משתמש בלחצנים כדי לתעד את תגובת המשתמש, ניתן להרחיב את השיטה למנגנוני תגובה אחרים שהם רלוונטיים יותר מבחינה פיזיולוגית כמו כיפוף הברך. לאחר פיתוחה, שיטה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום או בהנדסת שיקום לחקור אסטרטגיות שונות להעברת מידע חושי ממגוון מקורות באמצעות משוב רטט באנשים בעלי כושר גופני כמו גם באלה עם קטיעות גפיים תחתונות. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד להעריך את המהירות והדיוק של תגובות המשתמש לשילובים שונים של תדירות ומיקום גירוי רטט.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
סקירה כללית
מאמר זה מתאר טכניקה להפעלת גירויים ויברואקטיליים על ירך של משתתף אנושי, מדידת הדיוק וזמן התגובה של התגובה הרצונית של המשתתף. השיטה נועדה להעריך כיצד ניתן להעביר מידע חושי באמצעות משוב ויברואקטילי.
מרכיבי מחקר עיקריים
תחום המדע
- מדעי המוח
- הנדסת שיקום
- טכניקות פידבק ביולוגי
רקע
- גירויים ויברואקטיליים יכולים להעביר מידע חושי.
- הבנת התגובה לרטט מסייעת בשיקום.
- גמישות ליישומי פידבק ביולוגי שונים.
- ניתן להתאים לחיישנים ביולוגיים שונים.
מטרת המחקר
- להעריך את דיוק התגובה והמהירות לגירויים ויברואקטיליים.
- לזהות שיטות תקשורת חושיות יעילות.
- להרחיב את הממצאים לאזורי גוף אחרים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- יישום גירויים ויברואקטיליים על הירך.
- מדידת זמן תגובה ודיוק.
- בדיקת תצורות טקטיליות שונות.
- שימוש בחיישנים ביולוגיים למשוב.
תוצאות עיקריות
- תובנות לגבי התגובה האנושית לרטט.
- זיהוי מיקומי גירוי ותדרים אופטימליים.
- פוטנציאל ליישומים רחבים יותר בפידבק ביולוגי.
- הדגמת הטכניקה על ידי סטודנט לתואר שני.
מסקנות
- משוב ויברואקטילי יכול להעביר מידע חושי ביעילות.
- המתודולוגיה מתאימה למגוון יישומים.
- מחקר נוסף יכול להעצים את ההבנה של משוב חושי.
שאלות נפוצות
Executive Industry Relevance
This method enables systematic evaluation of vibrotactile feedback systems for rehabilitation engineering, supporting target validation of sensory substitution strategies. By quantifying response timeliness and accuracy across stimulus parameters, it provides mechanistic de-risking for biofeedback applications in neurorehabilitation and assistive technology development. The approach enhances predictive confidence in designing effective sensory communication interfaces for motor-impaired populations.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Interrogates therapeutic hypotheses regarding sensory information transfer through vibrotactile stimulation.
- Operational Value: Enables functional validation of target neural pathways involved in motor response to tactile cues.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by identifying optimal stimulation frequencies and locations for reliable user response.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares standardized biological response systems for downstream screening of feedback efficacy.
- Operational Value: Ensures assay reproducibility through controlled motor placement and vibration frequency parameters.
- Scalability: Facilitates platform reuse across different response mechanisms and body segments.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Bridges discovery findings to preclinical validation of sensory feedback systems in disease-relevant models.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions based on quantitative response metrics across user cohorts.
- Biomarker Alignment: Enables correlation of response timing and accuracy with functional motor outcomes.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from target validation through lead optimization of sensory feedback systems, enabling iterative refinement of neurorehabilitation interventions.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on sensory modality efficacy and neural pathway engagement.
- Screening: Delivers quantitative, reproducible outputs for comparing stimulus configurations across experimental conditions.
- Analytics: Generates reaction time and accuracy measurements that enable statistical comparison of feedback effectiveness.
- Translational Research: Connects mechanistic insights to preclinical continuity by establishing dose-response relationships for tactile stimulation.
- Enterprise Reuse: Establishes a adaptable platform for evaluating diverse biofeedback strategies across motor impairment indications.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in sensory substitution approaches by reducing mechanistic ambiguity in feedback-response relationships.
- Operational Value: Delivers standardized, scalable protocols ensuring cross-site reproducibility in rehabilitation technology evaluation.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early de-risking of neurotechnology investments through quantitative response profiling.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of sensory feedback modalities based on empirical response data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in rehabilitation engineering, neuroscience, and human subject testing protocols.
- Necessitates vibratory motors, microcontroller boards, data acquisition systems, and response recording devices.
- Demands cross-functional standardization between engineering, clinical, and data analysis teams for consistent parameter application.
- Involves adaptation considerations when extending to different body segments or alternative response mechanisms like joint angle measurement.
- Includes practical limitations related to ensuring consistent sensor contact and minimizing movement artifacts during trials.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:10
Motor Calibration & Mounting
3:22
Applying Stimuli and Recording Reaction Time
4:17
Distinguishing between Stimuli
5:45
Results: Calibration Curves and Reaction Time Responses for Different Combinations of Stimulation Location and Frequency
6:22
Conclusion
