振動触覚刺激に随意運動反応の適時性と精度の評価方法

Summary

この記事では、人間の参加者の大腿部に振動触覚刺激を適用し、刺激の位置と周波数のさまざまな組み合わせのための参加者の意志の応答の精度と反応時間を測定するための技術が記載されています。

Abstract

人工感覚フィードバック(ASF)システムは、下肢障害を持つ個人の失われた固有受容感覚を補うために使用することができます。 これらのASFシステムを効果的に設計するには、特定のフィードバックメカニズムのパラメータがユーザーの知覚と刺激に対する反応にどのように影響するかを深く理解する必要があります。この記事では、振動触覚刺激を人間の参加者に適用し、その反応を測定する方法を紹介します。 回転する質量振動モーターは、参加者の太ももの事前定義された位置に配置され、カスタムハードウェアとソフトウェアを介して制御されます。 振動触覚刺激に対する参加者の自発的な反応の速度と精度は、研究者が指定したモーター配置と振動周波数の組み合わせについて測定されます。 ここで説明するプロトコルでは、押しボタンを使用して振動触覚刺激に対する単純なバイナリ応答を収集しますが、この手法は、慣性測定ユニットまたは圧力センサを使用して、関節角度と重量支持比をそれぞれ測定する他の応答メカニズムに拡張できます。 同様に、振動触覚刺激の適用は、大腿部以外の身体セグメントについても検討できます。

Introduction

人工感覚フィードバック（ASF）は、しばしば妥協固有受容または他の感覚機構を補償する、個人にリアルタイムの生体情報を提供するの実践として定義することができます。個人が一度自律神経系⁴の無意識の反応であった物理過程を制御することを可能にする^{、3 -} ASFは長い身体機能と運動¹の側面の回復を支援するために負傷したまたは障害者のリハビリテーションの分野で使用されてきました。 ASF、生体力学的バイオフィードバックのサブカテゴリは、運動のバランスをとるか、歩行に関連するパラメータを測定し、印加された刺激のいくつかの並べ替えを介して個別にこの情報を通信するために外部センサを使用しています。生体力学的フィードバックにますます人気アプローチは、空間だけでなく、時間的なフィードバックを提供するために、身体のさまざまな部分に配置された、小さな振動モータ、またはtactorsを採用しています。前の文献は、pを示しています^{9 -}下肢切断術、前庭障害、およびバランス⁵の老化関連の損失で個人への用途における振動触覚フィードバックの使用を支持するromising結果。

特定の刺激に個々の認識と応答を制御するメカニズムの完全な理解は、異なるアプリケーションのためのASFシステムの効果的な実施を通知するために必要です。振動触覚フィードバックのために、これ....

Protocol

以下のプロトコルは、オランダBloorviewキッズリハビリテーション病院で研究倫理委員会によって承認されました。

1.モーター校正

1. USBポートを使用してコンピュータにマイコンボードを接続します。
2. オリジナルのマイクロコントローラ・ソフトウェアを使用して、丸で囲んだ右矢印で示される「アップロード」アイコンをクリックして、USB接続を使用してボードにカスタムスクリプト、「Motor_and_AccelerometerTest.ino」をアップロードします。
   1. 振動レベルが「analogWrite」コマンドを使用して、オフの位置にモーターを置くためにゼロに設定されていることを確認。 「analogWrite（vibe1,0を）;」のコードを読んでください。
   2. マイクロコントローラのコードでは、「vibe1」変数を初期化することにより、関心のモータに対応するパルス幅変調（PWM）出力端子を指定します。
      注：PWM信号はマイクロコントローラによって生成されたデジタル信号から近似アナログ出力を生成します。ピンはlabeleあります物理的なマイコンボード上の数値日間。モータをPWM出力端子 'から3'に接続されている場合、次にことを確認し「INT vibe1 = 3;」コー​​ド内で指定されています。
3. マイコンボードのアナログ入力ポートのいずれかに3軸加速度計のz軸の出力を接続し、正を接続して、地面....

Results

図4は、単一のモータ180 Hzの振動周波数に対するPWM値を特定の較正曲線を示します。一次周波数スパイクは、180 Hzで発生するまで、50％のデューティサイクルで開始、PWM値が繰り返されます。成功したキャリブレーション試験は次振動周波数で明確なスパイクを表示する必要があります。モータへの、または支持体表面へのモータの加速度計の悪い固定は、明確なスパイクなしでより拡散FFTになることがあります。マウントは、より良い接続を保証するように調整された後にこのような状況では、キャリブレーション試験は繰り返されるべきです。

図5Aは、10健常者と3切断者¹⁰のために太ももの前面に適用される3振動周波数、140ヘルツ、180ヘルツ、220ヘルツ、のために実験1のために記録刺激とプッシュボタンの応答との間の反応時間を示しています。反復測定分散分析（ANOVA）およびボンフェローニ補正を用いてチューキー事後分析は、それぞれの周波数の特定の効果を同定するために使用しました。これらのデータは、健常集団の各.......

Discussion

このプロトコルの目的は、振動触覚ASFアプリケーションで刺激パラメータを評価するための枠組みを提供することです。具体的には、ユーザの感覚応答の振動数、振幅、位置、および配列の効果を調べます。このフレームワークは、上に構築され、より臨床的に関連する、そのような関節を曲げたり別の脚から体重をシフトするなどしてもよいユーザ応答の追加または代替タイプを組み込むように拡張することができます。変更これらのタイプの、すなわちこのような慣性測定ユニット（のIMU）または圧力センサなどのデバイスとのプッシュボタンの交換、ならびに仮想インタフェースに付随変更をわずかに異なるハードウェア構成を必要とするであろう。同様に、ここで紹介するプロトコルは、わずかなハードウェアの変更は、遷移は、立ってバランスやウォルマートなど、より臨床的に関連する姿勢にすることが必要であろうが、着座位置にあることが参加者を必要とするが王試験。

両方の実験において、押しボタン（複数可）は、特定の研究の質問および所望の応答に応じて、手、脚、足で押され、またはいくつかの他の手段によってもよいです。また、この基本的なプロトコルを用いたさ.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
振動ポケットベルモーター精密	マイクロドライブ	モデル310-101	コイン偏心回転質量モーター。必要な数だけ、関心のあるすべての場所と相互作用をテストできます
三軸加速度計	ディメンションエンジニアリング	ADXL 335	高度なアナログ加速度計. 500 Hz帯域幅、3.5-15 V入力。動き、傾き、傾斜の測定、振動、衝撃のセンシング用に設計されています。
Arduino Uno	Arduino	DEV-11021	三軸加速度計と通信するためのマイクロコントローラボード
Arduion Mega 2560	Arduino	DEV-11061	振動モータとのインターフェース用マイクロコントローラボード。
LabVIEW	ナショナルインスツルメンツ		モータの制御と加速度計信号の表示に使用するデータ集録ソフトウェア
Arduino IDEソフトウェア	Arduino	v. 1.6.5
プッシュボタン	ブリッジ	バディボタン	2.5 入力/6.35 音によるクリック感と触覚フィードバックを提供するCMアクティベーションサーフェス。
オプション:
専用のハプティックモータードライバー	テキサス・インスツルメンツ	DRV2605L	ステップ1で説明した増幅回路全体の置き換えに使用できます。
フレキシブルウェアラブルゴニオメーター	Biometrics Ltd.	SG110	2軸フレキシブルゴニオメーターは、最大2つの移動面の角度を測定し、プッシュボタンの代わりに刺激に反応して関節の動きを測定することができます。 www.biometricsltd.com/gonio.htm