Un metodo per la valutazione tempestività e l'accuratezza delle risposte volitivo motore a vibrotattili stimoli
August 2nd, 2016
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.
L'obiettivo generale di questo protocollo sperimentale è valutare la rapidità e l'accuratezza con cui un individuo può rispondere a specifici tipi di stimoli vibrotattili. Questo metodo potrebbe aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dell'ingegneria della riabilitazione, come ad esempio quale tipo di informazioni sensoriali possono essere comunicate attraverso il feedback vibrotattile e qual è il modo migliore per rappresentare le informazioni sensoriali attraverso segnali vibrotattili. Il vantaggio principale di questa tecnica è che è molto flessibile per diverse applicazioni di biofeedback e può essere facilmente adattata per l'uso con una varietà di biosensori come i sensori di pressione per misurare la forza di reazione o i goniometri per misurare gli angoli dei giunti.
Sebbene questo metodo fornisca informazioni su come le persone rispondono alle vibrazioni applicate ad aree specifiche della coscia, può anche essere esteso ad altre aree del corpo. Testando diverse configurazioni tattili, possiamo capire meglio quali tipi di informazioni possono essere comunicate attraverso il bio feedback. A dimostrare questa procedura sarà Sam Shi, uno studente laureato nel nostro laboratorio.
Iniziare la calibrazione del motore collegando la scheda del microcontrollore di grandi dimensioni al computer utilizzando una porta USB. All'interno del software del microcontroller originale, fare clic sull'icona di caricamento indicata dalla freccia destra cerchiata per caricare lo script personalizzato motor_test. accedere alla scheda utilizzando la connessione USB.
Quindi collegare l'uscita dell'asse Z dell'accelerometro triassiale a una delle porte di ingresso analogiche della scheda del microcontrollore più piccola. Collegare i cavi positivo e di terra dell'accelerometro rispettivamente al bullone della coscia e alle porte di terra della scheda del microcontrollore. Quindi, montare l'accelerometro sul motore vibrante assicurandosi che il suo asse z sia ortogonale alla superficie piana del motore, quindi posizionare il motore su una superficie dura.
Aprire il file motor_calibration. vi nel software di domanda sui dati e collegare il microcontrollore più piccolo per l'accelerometro al computer tramite una porta USB. Quindi, utilizzando i campi forniti, specificare la porta seriale per l'ingresso del microcontrollore, nonché la frequenza di campionamento di 500 hertz e 1000 campioni da raccogliere.
Utilizzando il display di trasformazione veloce a 48 sull'interfaccia motor_calibration. VI, identifica il picco più grande e registra il valore della frequenza di vibrazione corrispondente. Ripetere tutti i passaggi fino a quel momento e registrare manualmente l'impulso con relazione di frequenza modulata o PWM per ciascun motore.
Quindi apri il file experiment1. vi per ogni motore. Fare clic con il pulsante destro del mouse sul menu a discesa della frequenza e selezionare la proprietà.
Nella scheda Modifica elementi, utilizzare la tabella per inserire le frequenze desiderate e i livelli PWM corrispondenti. Selezionare OK per uscire. Infine, dopo che tutti i motori sono stati calibrati, utilizzare del nastro biadesivo per montarli sulla coscia.
Posizionare in modo specifico un motore su ciascuna delle superfici anteriore, posteriore, mediale e laterale della coscia approssimativamente a metà strada tra il grande trocantere e il condilo femorale laterale. Per iniziare il primo esperimento, collegare il pulsante direttamente a una delle porte USB del computer utilizzando un connettore da seriale a USB e assicurarsi che tutti i driver necessari siano installati. Apri l'esperimento1.
vi e selezionare il file per registrare i risultati. Quindi, utilizzare i menu a discesa nell'interfaccia del software per selezionare le porte di ingresso dei pulsanti e le frequenze del motore. Avvia il programma.
Quando il partecipante avverte una vibrazione, chiedigli di premere il pulsante con la gamba su cui viene applicato il feedback. Dopo aver premuto il pulsante, confermare la risposta nell'interfaccia del software di acquisizione dati notando che l'orologio ha smesso di contare. Infine, seleziona il nuovo set di frequenze dai menu a tendina per reimpostare i motori per la prova successiva.
Iniziare il secondo esperimento collegando un secondo pulsante a un'altra porta USB utilizzando un connettore USB seriale. Quindi apri l'esperimento2. Interfaccia di acquisizione dati VI.
Al fine di esaminare la sensibilità alla frequenza in diverse parti della gamba, posizionare un singolo motore sulla coscia a metà strada tra il grande trocantere e il condilo femorale laterale su ciascuna delle superfici anteriore, posteriore, laterale e mediale. Quindi fare clic sulle icone del motore nell'interfaccia del software per selezionare i motori specifici da attivare e la sequenza di frequenze desiderata. Per testare la sensibilità dell'utente, alle frequenze a 140 hertz, 180 hertz e 220 hertz iniziare selezionando una singola combinazione.
Ad esempio, 180 hertz seguiti da 140 hertz. Immettere il tempo di attesa e il tempo del motore. Quindi avvia il programma.
Per testare altre combinazioni di frequenza, selezionare un nuovo test di frequenze come 220 hertz, seguito da 180 hertz ed eseguire nuovamente il programma. Infine chiedi al partecipante di premere uno dei due pulsanti per scegliere se la seconda frequenza percepita era più alta o più bassa della prima e osservare le risposte che vengono registrate automaticamente dal programma. I risultati della trasformata veloce a 48 dei dati di accelerazione sono mostrati qui per un singolo motore in fase di calibrazione.
Sono state condotte quattro tracce per identificare il livello PWM corrispondente alla vibrazione di 180 hertz. Quando si confrontano individui normodotati con tre individui con amputazioni transfemorali, i tempi di reazione per gli individui normodotati sono diminuiti significativamente quando la frequenza è passata da 140 hertz a 220 hertz. Mentre quelli per gli individui con amputazioni no.
Una volta padroneggiato, questo protocollo può essere completato in 30 minuti o un'ora, a seconda del numero di combinazioni di posizioni di frequenza testate. Durante il tentativo di questa procedura, è importante assicurarsi che i tracker mantengano un buon contatto con la coscia durante gli esperimenti. È necessario prestare attenzione per verificare che i tracker siano sicuri prima di ogni prova.
Mentre il protocollo qui descritto utilizza pulsanti per registrare la risposta dell'utente, il metodo può essere esteso ad altri meccanismi di risposta fisiologicamente più rilevanti, come la flessione del ginocchio. Dopo il suo sviluppo, questo metodo ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dell'ingegneria della riabilitazione per esplorare diverse strategie per comunicare informazioni sensoriali da una varietà di fonti attraverso il feedback vibrotattile in individui normodotati e con amputazioni degli arti inferiori. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come valutare la velocità e l'accuratezza delle risposte dell'utente a diverse combinazioni di frequenza e posizione della stimolazione vibrotattile.
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Panoramica
Questo articolo descrive una tecnica per applicare stimoli vibrotattici alla coscia di un partecipante umano, misurando l'accuratezza e il tempo di reazione della risposta volontaria del partecipante. Il metodo mira a valutare come le informazioni sensoriali possono essere comunicate attraverso il feedback vibrotattile.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Neuroscienze
- Ingegneria della riabilitazione
- Tecniche di biofeedback
Sfondo
- Gli stimoli vibrotattici possono trasmettere informazioni sensoriali.
- Comprendere la risposta alle vibrazioni aiuta nella riabilitazione.
- Flessibilità per varie applicazioni di biofeedback.
- Può essere adattato per diversi bio sensori.
Obiettivo dello studio
- Valutare l'accuratezza e la velocità di risposta agli stimoli vibrotattici.
- Identificare metodi efficaci di comunicazione sensoriale.
- Estendere i risultati ad altre aree del corpo.
Metodi utilizzati
- Applicazione di stimoli vibrotattici sulla coscia.
- Misura del tempo di reazione e dell'accuratezza.
- Test di diverse configurazioni tattili.
- Utilizzo di bio sensori per il feedback.
Risultati principali
- Informazioni sulla risposta umana alle vibrazioni.
- Identificazione delle posizioni e frequenze di stimolazione ottimali.
- Potenziale per applicazioni più ampie nel biofeedback.
- Dimostrazione della tecnica da parte di uno studente di dottorato.
Conclusioni
- Il feedback vibrotattile può comunicare efficacemente informazioni sensoriali.
- La metodologia è adattabile per varie applicazioni.
- Ulteriori ricerche possono migliorare la comprensione del feedback sensoriale.
Domande frequenti
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
