Un metodo per la valutazione tempestività e l'accuratezza delle risposte volitivo motore a vibrotattili stimoli

Summary

Questo articolo descrive una tecnica per applicare stimoli vibrotattili alla coscia di un partecipante umana, e misurando il tempo accuratezza e la reazione della risposta volitional del partecipante per varie combinazioni di posizione stimolazione e frequenza.

Abstract

I sistemi di feedback sensoriale artificiale (ASF) possono essere utilizzati per compensare la perdita di propriocezione in individui con menomazioni degli arti inferiori. Una progettazione efficace di questi sistemi ASF richiede una comprensione approfondita di come i parametri di uno specifico meccanismo di feedback influenzino la percezione e la reazione dell'utente agli stimoli. Questo articolo presenta un metodo per applicare stimoli vibrotattili ai partecipanti umani e misurare la loro risposta. I motori vibranti a massa rotante sono posizionati in posizioni predefinite sulla coscia del partecipante e controllati tramite hardware e software personalizzati. La velocità e l'accuratezza delle risposte volitive dei partecipanti agli stimoli vibrotattili sono misurate per le combinazioni specificate dal ricercatore di posizionamento motorio e frequenza di vibrazione. Mentre il protocollo qui descritto utilizza pulsanti per raccogliere una semplice risposta binaria agli stimoli vibrotattili, la tecnica può essere estesa ad altri meccanismi di risposta utilizzando unità di misura inerziale o sensori di pressione per misurare rispettivamente l'angolo del giunto e i rapporti di carico. Allo stesso modo, l'applicazione di stimoli vibrotattili può essere esplorata per segmenti corporei diversi dalla coscia.

Introduction

feedback sensoriale artificiale (ASF) può essere definita come la pratica di fornire in tempo reale informazioni biologiche di individui, spesso compensare proprioception compromesso o altro meccanismo sensoriale. ASF è stato a lungo utilizzato nel campo della riabilitazione di feriti o disabili, per aiutare nel recupero di aspetti della funzione fisica e di movimento ^1-3, consentendo ai singoli di controllare i processi fisici che un tempo erano una risposta involontaria del sistema nervoso autonomo ^4. Una sottocategoria di ASF, biofeedback biomeccanico, utilizza sensori esterni per misurare i parametri relativi al pareggio o andatura cinematica, e comunica tali informazioni alla persona attraverso una sorta di stimolo applicato. Un approccio sempre più popolare al feedback biomeccanico impiega motori piccoli vibranti o contattori, collocati a diverse parti del corpo per fornire spaziale e temporale risposte. la letteratura precedente ha mostrato promising risultati supportano l'uso del feedback vibro-tattile nelle applicazioni per le persone con amputazioni degli arti inferiori, disturbi vestibolari, e l'invecchiamento relative perdita di equilibrio ^5-9.

Una conoscenza approfondita dei meccanismi che controllano la percezione e la risposta di un individuo a stimoli specifici è necessaria per informare l'effettiva attuazione di sistemi ASF per diverse applicazioni. Per feedback vibrotattile, primo fra questi meccanismi sono propriocettiva e la risposta motoria, in particolare la sensibilità utente alle vibrazioni applicate e il tempo necessario per eseguire la reazione desiderata. Tutte le informazioni sensoriali comunicati attraverso stimoli di vibrazione deve essere codificato come specifiche combinazioni di frequenza di vibrazione, l'ampiezza, la posizione e la sequenza. Pertanto, progettazione di sistemi ASF vibrotattili dovrebbe selezionare combinazioni di parametri per ottimizzare la percezione dell'utente e l'interpretazione degli stimoli, comenonché la tempestività e l'accuratezza della risposta motoria risultante. L'obiettivo di questo protocollo è quello di fornire una piattaforma da cui partire per valutare i tempi di risposta e precisione di risposta a vari stimoli vibrazionali per informare la progettazione di sistemi ASF per l'uso con diverse popolazioni sensoriali ridotta.

I metodi descritti qui si basa su ricerche prima di esplorare la percezione umana di tattile e vibro-tattile di feedback ^3,5,6, e 'stato sviluppato per l'uso in due studi precedenti ^10,11. Gli ultimi due studi impiegate questo protocollo per esaminare gli effetti della frequenza di vibrazione e posizione sulla precisione e la tempestività delle risposte degli utenti in amputati degli arti inferiori, dimostrando che entrambi i parametri influenzano in modo significativo le misure di esito, e che un alto grado di precisione di risposta possono essere raggiunto. Questi risultati possono essere utilizzati per informare la collocazione ideale di contattori in studi futuri e le applicazioni cliniche dei sistemi vibro-tattile ASF. Altri lavori recenteCrea et al. ¹² esaminato sensibilità all'utente di cambiamenti nei modelli di vibrazione applicate alla coscia durante la deambulazione, con risposte verbali per indicare cambiamenti percepiti ai modelli di vibrazione, piuttosto che una risposta motoria. Mentre queste risposte verbali possono essere utilizzati per misurare la precisione di rilevamento, non rappresentano errori e ritardi che possono essere presenti nel processo di controllo del motore.

La configurazione principale per i seguenti esperimenti consiste di un numero di motori vibranti collegati a impulsi a larghezza modulata pin di uscita di un microcontrollore. La scheda è, a sua volta, controllato attraverso una connessione Universal Serial Bus (USB) a un computer che esegue il software di progettazione di sistema disponibile in commercio. I motori richiedono un circuito amplificatore aggiuntivo per assicurare una tensione sufficiente e la corrente viene fornita in un ampio intervallo di frequenze di vibrazione. Un circuito amplificatore esempio è mostrato in Figura 1. Il transistor bipolare a giunzione (BJR) In figura può essere sostituito con transistor a effetto di campo più piccolo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) per un funzionamento più efficiente e più piccolo formato. Allo stesso modo, l'intero circuito amplificatore può essere sostituito da un driver del motore aptico off-the-shelf per fornire un controllo supplementare e dimensioni ridotte. Ogni motore richiede un proprio circuito, e utilizzando le attrezzature elencate in questo documento, fino a dieci motori può essere controllato da un singolo microcontrollore.

È mostrato Figura 1. Il motore elettrico. (A) Il circuito di amplificazione di un singolo motore di vibrazione. Ogni motore richiede un circuito separato e deve essere collegato ad una porta di uscita PWM unico sul microcontrollore. Il V _DD qui rappresenta la potenza 3,3 V fornita dalla scheda microcontrollore, e la resistenza R2 serve come un oppositore di pull-down per garantire l'interruttore a transistor rimane aperto quando la tensione zero è appmentito. (B) Un esempio di cablaggio fisico di due motori. Sebbene otto circuiti di amplificazione individuali sono mostrati solo due sono collegati a motori a vibrazione. In questo protocollo R1 = 4,7 kΩ e R2 = 100 k. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Protocol

Il seguente protocollo è stato approvato dal Comitato Etico di ricerca presso Olanda Bloorview bambini Rehabilitation Hospital.

1. La calibrazione del motore

1. Collegare la scheda microcontrollore al computer tramite una porta USB.
2. Utilizzando il software microcontrollore originale, caricare lo script personalizzato, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" per la scheda utilizzando la connessione USB facendo clic sull'icona "Carica", indicata con la freccia a destra cerchiata.
   1. Assicurarsi che il livello di vibrazione è impostato a zero per mettere il motore in posizione di OFF con il comando "analogWrite". Il codice dovrebbe leggere "analogWrite (vibe1,0);".
   2. Nel codice microcontrollore, specificare l'ampiezza d'impulso modulata pin (PWM) di uscita corrispondente al motore di interesse inizializzando la variabile "vibe1".
      Nota: segnali PWM generare uscite analogiche approssimate dai segnali digitali generati dal microcontrollore. I perni sono labeled numericamente sulla scheda microcontrollore fisico. Ad esempio, se il motore è collegato all'uscita PWM pin '3', quindi garantire che il "int vibe1 = 3;" è specificato nel codice.
3. Collegare l'uscita asse z dell'accelerometro triassiale per una delle porte di ingresso analogici del microcontrollore, e collegare il positivo e massa conduce dall'accelerometro al 5V e porte massa (GND) del microcontrollore, rispettivamente.
4. Montare l'accelerometro al motore a vibrazione, assicurando che il suo asse z è ortogonale alla superficie piana del motore, come mostrato nella Figura 2, e posizionare il motore su una superficie dura.
5. Aprire il file "Motor_Calibration.vi" nel software di acquisizione dati e collegare il microcontrollore al computer tramite una porta USB.
6. Utilizzando appositi campi, specificare la porta seriale per l'ingresso microcontrollore, utilizzando il menu a discesa, così come la frequenza di campionamento, e numBER di campioni da raccogliere. Nota: frequenza di campionamento di 500 Hz è standard per questi esperimenti per evitare aliasing dei dati di accelerazione, e 1.000 campioni sono comunemente registrate.
7. Utilizzando il codice "Motor_and_Accelerometer.ino", specificare il ciclo di lavoro desiderato degli impulsi PWM in dotazione al motore vibrante, ancora una volta con il comando "analogWrite", e ri-scaricare il programma alla scheda microcontrollore controllo dei motori (vedi punto 1.1 ). Ad esempio, per impostare il numero di impulsi a 100, il codice dovrebbe leggere "analogWrite (vibe1,100);". La tabella 1 elenca i valori PWM ed i loro cicli di lavoro corrispondente.
8. Utilizzando la trasformazione visualizzazione Fourier veloce (FFT) sull'interfaccia "MotorCalibration.vi", identificare il picco più grande e registrare il valore della frequenza di vibrazione corrispondente (dall'asse orizzontale).
9. Ripetere i passaggi 1,7-1,8, regolando i livelli PWM fino a raggiungere la frequenza desiderata, registrando ogni pai PWM frequenzar. Ad esempio, se il targeting una frequenza di 100 Hz, eseguire i passaggi 1,7-1,8 fino alla più grande picco si verifica sopra i 100 Hz sull'asse orizzontale.
   Nota: Per i motori vibrazionali utilizzati in questo protocollo, le vibrazioni mirate dovrebbero essere comprese nella banda 60-400 Hz per adattarsi meglio le frequenze di risposta dei meccanocettori nella pelle descritti in letteratura ^5,10,13.
10. Ripetere i punti 1.2.2 a 1.8 per ogni motore, la registrazione manualmente il rapporto PWM-frequenza per ogni motore con un foglio di calcolo o di carta e matita.
11. Aprire il file "Experiment_1.vi". Per ogni motore, fare clic destro sul menu a discesa e selezionare la frequenza "Proprietà". Nella scheda "Modifica elementi", utilizzare la tabella per inserire le frequenze desiderate e livelli PWM corrispondenti indicati nei passaggi 1,8-1,9. Selezionare "OK" per uscire.
12. Ripetere il punto 1.11 per ogni file di interfaccia virtuale (VI) del software di progettazione del sistema da utilizzare durante i test (ad esempio, "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi ", etc.).

Figura 2. accelerometro montato al motore. L'accelerometro tri-asse (verde) è montato sul motore moneta con il suo asse z ortogonale alla superficie piatta del motore per la calibrazione. Ogni motore è stato attivato utilizzando diversi cicli di lavoro, e le frequenze di vibrazione corrispondenti sono stati registrati dall'accelerometro. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

2. Posizionamento dei Motori

1. Una volta che tutti i motori sono stati tarati (sezione 2), montarli alla coscia.
   1. Per ottenere i risultati descritti in questo manoscritto, collocare un motore su ciascuno dei anteriore, posteriore, mediale, e superfici laterali della coscia, circa a metà essereinterpolare il grande trocantere e condilo femorale laterale (o distale dell'arto per amputati sopra-ginocchio).
      Nota: Le posizioni specifiche di ciascun motore può variare, a seconda delle domande di ricerca e le regioni di interesse, e possono essere influenzate da fattori anatomici e fisiologici, quali il tipo e la distribuzione spaziale dei meccanocettori nella pelle.
2. Fissare i motori direttamente sulla pelle con del nastro biadesivo.
   Nota: rasatura nella zona di ciascun motore non è necessario, ma può migliorare la loro adesione alla cute (figura 3). Per applicazioni in cui gli effetti di abbigliamento, una fodera protesi, o qualche altro materiale sulla percezione dell'utente sono di interesse, posizionare i motori sopra di detto materiale, piuttosto che contro la pelle.

Figura Piattaforma 3. prova per esperimenti. Una piattaforma di test personalizzato è stato costruito per ospitare tegli microcontrollore schede e pulsanti. I motori possono essere collegati direttamente sulla pelle (come indicato), o con una fodera protesico tra il motore e la pelle. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

3. Esperimento 1: L'applicazione di stimoli e di reazione Tempo di registrazione

1. Re-flash della scheda microcontrollore con il firmware per consentire il controllo della tavola attraverso il software di acquisizione dati aprendo il file "LVIFA_Base.pde" con il pacchetto software che accompagna il controller, e ripetendo Passo 1.1, sostituendo "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" con la " LVIFA_Base.pde script ".
2. Collegare il pulsante direttamente a una delle porte USB del computer utilizzando un connettore seriale-a-USB. Assicurarsi che tutti i driver necessari sono installati.
3. Aprire l'interfaccia "Experiment_1.vi".
4. Specificare il numero di serieporte per la scheda microcontrollore collegato ai motori e pulsante selezionando il numero di identificazione della porta seriale corrispondente dal menu a discesa con l'etichetta "di ingresso del motore" e "Green Button", rispettivamente. Identificare i numeri di identificazione porta seriale con sistema operativo utilità di gestione periferiche del computer.
5. Selezionare il file per registrare i risultati e avviare il programma.
6. Selezionare i motori e le frequenze da attivare scegliendo tra i menu a discesa per ogni motore nell'interfaccia "Experiment_1.vi". Avere il partecipante stampa il pulsante con la gamba su cui è applicato il feedback quando una vibrazione è sentito. Dopo che il pulsante è stato premuto, confermare la risposta nell'interfaccia software di acquisizione dati notando che l'orologio si è fermato il conteggio, e reimpostare i motori per la prova successiva selezionando la nuova serie di frequenze dai menu a discesa.
7. Una volta che l'esperimento è concluso, utilizzare il drmenu opdown per tornare tutte le frequenze del motore in posizione zero e selezionare il pulsante "Stop programma" per terminare la connessione alla scheda di controllo del motore.

4. Esperimento 2: Distinguere tra gli stimoli

Nota: Questo esperimento può essere condotto del tutto indipendente dal Esperimento 1. Un singolo o più motori multipli possono essere utilizzati. Le posizioni specifiche dei motori possono variare a seconda delle questioni di applicazione e di ricerca.

1. Collegare un secondo pulsante a un'altra porta USB utilizzando un connettore seriale-USB.
2. Aprire l'interfaccia di acquisizione dati "Experiment_2.vi".
3. Mettere i motori nelle posizioni e configurazioni necessarie per l'applicazione di ricerca specifico. Ad esempio, inserire motori a singola sulla coscia, a metà strada tra il grande trocantere e condilo femorale laterale (o l'estremità distale dell'arto per utenti), su ciascuna delle anteriore, posteriore, laterale e superfici mediale della coscia all'examine la sensibilità di frequenza in ciascuna di queste porzioni di gamba ^10,11.
4. Specificare le porte seriali per la scheda microcontrollore e due pulsanti che utilizzano la stessa procedura Fase 3.4. Assicurati di notare che a pulsante viene assegnato a ogni porta.
5. Selezionare i motori specifici da attivare e la sequenza desiderata di frequenze, cliccando sulle icone "a motore" nell'interfaccia software. Ad esempio, si supponga tre frequenze sono in fase di test, come ad esempio 140 Hz, 180 Hz, e 220 Hz. Una serie di test può essere (1) 180 Hz seguito da 140 Hz, (2) 220 Hz seguito da 140 Hz, e (3) 180 Hz seguito da 220 Hz.
6. Inserire il ritardo ora di inizio e la durata di stimolazione. 1.5 sec è tipica sia per il ritardo e tempi di stimolazione.
7. Avviare il programma.
   Nota: Il dopo il ritardo specificato nel passo 4.6, il programma attiverà il motore (s) con la sequenza di frequenze accoppiate scelti nel passo 4.5. Ad esempio, se 180 Hz vs 220 Hz era sezionato al punto 4.5, il motore corrispondente prima vibra a 180 Hz per la durata specificata prima di passare a 220 Hz.
8. Avere il partecipante premere uno dei due pulsanti per scegliere se la seconda frequenza percepita è superiore o inferiore al primo. Le risposte saranno automaticamente registrati dal programma.

Results

La figura 4 illustra le curve di calibrazione che identificano il valore di PWM per una frequenza di vibrazione 180 Hz di un unico motore. A partire da un duty cycle del 50%, i valori PWM sono iterate fino al picco di frequenza primaria avviene a 180 Hz. le prove di calibrazione di successo dovrebbero mostrare un netto picco alla frequenza di vibrazione primaria. Scarsa fissaggio dell'accelerometro al motore, o del motore ad una superficie di supporto può risultare in un FFT più diffuso senza un picco c...

Discussion

Lo scopo di questo protocollo è quello di fornire il quadro per la valutazione dei parametri di stimolazione in applicazioni ASF vibrotattili. In particolare, esamina gli effetti della frequenza di vibrazione, l'ampiezza, l'ubicazione, e la sequenza di risposta degli utenti sensomotoria. Questo quadro può essere costruito su e ampliato per incorporare tipi aggiuntivi o alternativi di risposta degli utenti che possono essere più clinicamente rilevanti, come ad esempio la piegatura di un comune o spostando il peso...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Motori cercapersone vibranti	Microdrives di precisione	Modello 310-101	Motori a massa rotante eccentrica a moneta. Quanti ne sono necessari per testare tutte le posizioni e le interazioni di interesse
Accelerometro a tre assi	Dimension Engineering	ADXL 335	Accelerometro analogico avanzato. 500  Larghezza di banda Hz, 3,5-15  Ingresso V. Progettato per la misurazione del movimento, dell'inclinazione e della pendenza, nonché per il rilevamento di vibrazioni e urti.
Arduino Uno	Arduino	DEV-11021	Scheda microcontrollore per la comunicazione con l'accelerometro triassiale
Arduion Mega 2560	Arduino	DEV-11061	Scheda microcontrollore per l'interfacciamento con i motori di vibrazione.
Software di acquisizione dati LabVIEW	National Instruments		utilizzato per il controllo di motori e la visualizzazione dei segnali dell'accelerometro
Software IDE Arduino		v. 1.6.5
Push-Button	Bridges	Buddy Button	Switch cablato con 2.5  pollici/6.35  Superficie di attivazione CM che fornisce un clic uditivo e un feedback tattile.
Opzionale:
driver per motori tattili dedicato		Texas Instruments DRV2605L	Può essere utilizzato per sostituire l'intero circuito di amplificazione descritto nel passaggio 1.
Goniometro indossabile flessibile	Biometrics Ltd.	SG110	Goniometri flessibili a doppio asse per misurare gli angoli in un massimo di due piani di movimento che possono essere utilizzati al posto del pulsante per misurare il movimento articolare in risposta agli stimoli. www.biometricsltd.com/gonio.htm