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方法論記事

座位バランス評価と訓練のための触覚フィードバック装置

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DOI：

10.3791/58611

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2019年1月20日

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1Department of Biomedical Engineering, University of Alberta, 2Department of Mechanical Engineering, University of Alberta, 3Glenrose Rehabilitation Hospital, Alberta Health Services

この記事について

サマリー

座っているプラットフォームが開発され組み立てする受動的人間で座位が不安定します。ユーザーの安定化作業中に慣性計測ユニットは、デバイスの動きを記録し、振動要素は、席にパフォーマンス ベースのフィードバックを提供します。リハビリテーション ・評価・訓練パラダイムでは、ポータブル、多彩なデバイスを使用できます。

要約

姿勢の摂動、モーショントラッ キング、感覚フィードバックは、挑戦、査定、およびまっすぐ座って、それぞれのトレーニングに使用される現代の技術です。開発されたプロトコルの目的は、構築・運用慣性計測ユニットは、その動きを数量化し、振動要素触覚フィードバックをユーザーに提供する、受動的に不安定化することができます座っているプラットフォームです。交換シートの添付ファイルは、座位バランスと安全に挑戦するデバイスの安定性レベルを変更します。内蔵のマイクロ コント ローラーにより感覚機能を強化するために、パラメーターの微調整ができます。Posturographic 対策、バランス評価プロトコルの一般的なタイミングのバランス試験で得られた運動信号を要約します。まで坐プロトコルは、可変のチャレンジ、定量化、および感覚フィードバック研究所による自由を提供するものではないです。Posturographic 対策バランスの難易度が変更されるときにデバイスの展示の重要な変更の障害のないユーザーまたは提供される振動のフィードバックを示した。ポータブルで汎用性の高い装置、リハビリテーション (骨格、筋肉、または神経学的な傷害に続く)、(スポーツや空間意識) のための訓練、エンターテイメント (を介して仮想または拡張現実)、(の研究への応用可能性シーティング関連疾患)。

概要

直立に座っては巧みな運動を含む他の人間感覚運動機能の前提条件 (例えば、入力) バランス タスク (例えば電車に乗って) を摂動と。更生し、座って、関連機能を向上させる、モダンなバランス トレーニング テクニックを使用: 不安定な表面が座っている1,2を混乱させるし、モーショントラッ キングを定量化バランス能力3,4.バランス トレーニングの成果を向上させるパフォーマンス5に一致するパターンを使用してボディに振動が配信されます。このような感覚のフィードバックは明らかに効果的なリハビリテーションとトレーニング法です。まだ、現在の感覚フィードバックの方法立っているバランスの方に連動になるし、研究室ベースの機器6,7を必要とします。

ここで提示された作業の目的は、座ったおよび組み込み機器の位置を記録し、座っている表面に振動フィードバックを配信しながら様々 な程度に受動的不安定が可能なポータブル デバイスを構築することです。このツールの組み合わせは、ウォブル椅子2,4と振動フィードバック5,6、7より強力かつアクセス可能なこれらのツールの利点を作る前の仕事を統合します。また提示は、直立に座ってと posturographic 対策8次の確立された文学、定量結果の分析を訓練します。これらのメソッドは、不安定な表面振動フィードバックと組み合わせるとバランス運動を座っているの効果を勉強に適しています。予想されるアプリケーションには、スポーツ ・ トレーニング、運動協調性の一般的な改善、バランス能力、およびリハビリテーションの次の骨格、筋肉、または神経学的な損傷の評価が含まれます。

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プロトコル

ここで説明したすべてのメソッドは、アルバータ大学の健康研究倫理委員会で承認されています。

1、建設、構造コンポーネントのアセンブリ

  1. 交換可能な半球状の脚の添付ファイル インターフェイスを構築: 鋼溶接プレート ベース ナットを溶接します。
  2. 円筒のシャーシを構築するコンピューター数値制御 (CNC) 切削加工機を使用して、蓋と図 1に示すように、ポリエチレンからベース。ベース プレートとシャーシをベースにボルトで固定します。
    注: ボルトと他の部分の接着のためのミル機能は、図面ファイルによると、3 D ソリッド モデル ファイル提供 (補足のファイル 1と2を参照)。対応するソリッド モデルと図面をダウンロード可能な建設プロセスを複製するためにすべての構造部品があります。
  3. フライス盤を使用して、図 1に示すように、ねじ切りロッドに合う円筒形ポリ塩化ビニル スリーブを構築します。スリーブ外径 32 mm、37 mm を作る。
  4. 図 1に示すように、鋼の連結器の両側に鋼のフランジを溶接します。ボルト ヒッチ ベースの前面には。
  5. CNC 旋盤を使用して、それぞれ高さ 63 mm と直径 152 mm ポリエチレンから同じ 5 本のシリンダーを構築します。各シリンダーの上面の中心部に円筒状のスリーブを収まるように 38 mm の深さに 32 mm の穴をカット (手順 1.3 を参照してください。 上) いくつかの干渉を。
  6. 各シリンダーの底面 5 シリンダー、図 2に示すように、63 mm 全体の高さを維持することのそれぞれのユニークな曲率半径を均一に湾曲したベースをカットするのに CNC の旋盤を使用します。
    注: 曲率半径とベースの高さは、デバイスの安定性を決定します。推奨この高さの曲率半径は、(非常に不安定な) 110 mm と 250 mm (若干不安定)、表 1に示すように、間です。
  7. 脚サポート添付図 3で示すように、最初 70 ミリメートル鋼溶接によるヒッチ コンストラクトは 575 mm スチール押出の一方の端に垂直に挿入します。もう一方の端で押し出しに 300 mm の円筒形鋼フットレストをクランプします。
    注: 詳細な部分の寸法、補助ファイル 1 (図面)および補足のファイル 2 (3 D ソリッド モデル)を参照してください。
  8. それは 3.6 kg 長方形棒鋼 (29 mm × 100 mm) 約 160 mm の長さにカットする、鋸を使用します。図 1に示すように、足のサポートのアタッチメントを相殺するシャーシ背面鉄筋を挿入します。
  9. 図 4に示すように装置を組み立てください。ヒッチをクレビス ピンを挿入することによって脚のサポートを接続し、ヒッチは、挿入します。目的の足の高さの残りの部分にクランプの位置を調整します。ロッドの約 35 mm はベースから突出するようにベースのスタッドにロッドを通します。 目的の曲線ベースに突き出た棒を挿入します。
  10. 蓋にグリップ テープまたは別の適切な張りを適用されます。蓋の上に置きます。

2. デバイスの実装

  1. マイクロ コント ローラーを取得 (材料の表を参照)、慣性計測ユニットと 8 振動 tactors。慣性計測ユニットと振動 tactors をマイクロ コント ローラーに接続します。
  2. マイクロ コント ローラーのプログラム前後 (AP) が読み込まれ、メディオ側 (ML) チルト角の慣性の測定単位からと振動 tactors をオンまたはオフするよう傾斜角度に基づいています。参照補足ファイル 3 (模範的なマイクロ コント ローラー スクリプト)と 2.2.1 のステップ。
    注: 加速度計やジャイロスコープを利用した慣性計測ユニット、エラーを起こしやすい。センサーの位置調整を実行: 平らな場所にデバイスを置き、すべての次の測定のためのベースラインとしてこの位置を使用します。モーション キャプチャ ・ システムまたは同様のアプローチを使用すると、傾斜角測定を検証および使用 (時空) の予想される範囲で十分に正確なことを確認します。人間の皮膚や筋9の感覚受容体の一対一の応答を誘発するために、200 Hz 以上の周波数で動作する振動の tactors を確認します。
    1. AP (または ML) の角度と速度の重み付き合計を表すフィードバック制御信号に基づく触覚手がかりを生成するマイクロ コント ローラーのスクリプトをアップロードします。
      注: コンピューター表面の左、右、フロント、または最も近い 3 つの tactors をアクティブに制御信号がその方向のしきい値を超えた場合または同時に AP と ML のしきい値が超過した場合の 5 つの tactors制御信号が両方の方向 (すなわち、ないフィードバック ゾーン) のしきい値を下回ると、アクティブは、tactors のどれも。
  3. シャーシの中央に慣性計測ユニットを固定します。半径 10 cm、8 cm、シャーシの中心の前方を中心とした人の平均サイズ10の座席の下にあるが、正八角形の振動 tactors を配置します。1 つの潜在的な配置の写真を図 4に示します。
    注: 振動 tactors がユーザーを振動、蓋に穴をあけると執着することによって安定と皮膚の間のインターフェイスを改善するのに十分でない場合残りの部分にバイブレーターを表面にフラッシュします。場所にバイブレーターをセキュリティで保護する方法、振動の減衰が発生する場合図 5に示すように、ゆるいはめあいの位置決めピンの 2 つ部分取付エンクロージャを使用して考慮します。
  4. ユニバーサル シリアル バス (USB)、またはその他の適切な手段、ラップトップまたはデスクトップ コンピューターを経由するマイクロ コント ローラーに接続します。図 6に示すように、ユーザー インターフェイスを開きます。
    注: また、バッテリーや他の電源にマイコンを接続します。これはデバイスの移植性を向上しますが、ユーザー インターフェイスを排除します。

3. 模範的な評価とトレーニングのプロトコル

  1. 神経系や筋骨格系疾患や急性または慢性的な背中の痛みがない同意の参加者を募集します。各参加者の年齢、重量および高さを記録します。その後、各参加者の次手順を実行します。
  2. ユーザー インターフェイス (図 6) を開きます。コンパスのグラフは、AP 方向 (垂直軸) と ML 方向 (水平軸) にデバイスの傾斜角とその半分の傾斜速度を示しています。
  3. トライアルの各残高の前にノイズ キャンセルのヘッドフォンをドンに参加者に指示する彼をフォールドしたり、胸の前で両腕、できるだけ直立した姿勢を維持キューの準備ができている実験者の口頭で。
  4. 20 を実行 30 秒装着シリーズ11、必要に応じていつでも停止、疲労を避けるため当然の結果として休憩のバランス試験。
    1. (例) 次のように試験をシーケンス: 以下条件のバランスをとる(より困難なベースと目開いているまたはより少なく困難なベースと目を閉じて) と呼ばれる 2 つの「安定性レベル/目条件の基準」の組み合わせの 1 つをランダムに選択12。タスクを参加者に慣れると (3.4.5 以下の手順を参照してください) の座席に振動 tactors の適切な制御信号のしきい値を識別するために最初のバランス状態の 4 つの試験を実行します。
      注: それは曲率 (表 1は、すべての 5 交換拠点の相対的な安定性を示しています) の大きな半径を持つベースより湾曲の半径が小さいとベースのバランスを維持するために難しくなります。4 つの試験は、バランス作業2の安定した性能を達成するために十分であると発見されています。
    2. 対照試験である次の 6 つの試験の 3 つをランダムに選択: これらの試験の期間の振動 tactors のスイッチを切る。振動フィードバックをオンまたはオフ、フィードバックスライダーをユーザー インターフェイスで目的の設定を切り替えます。2 番目のバランス状態の 10 試験のこのシーケンスを繰り返します。
    3. ユーザー インターフェイスの試験パラメーターセクションのドロップ ダウン メニューから選択することによって現在の難しさと目の状態にラベルを付けます。試験を開始するレコードをクリックします。
      注意: 参加者の安全が最優先です。実験者はバランスのすべての活動を監督する必要があります、バランスの損失が発生した場合に支援するために準備されます。オフに任意の潜在的な危険の領域、ローカル緊急のプロトコルを認識します。
    4. 試験は開いた目と、バランスを維持するために直進固定点に集中する参加者に指示します。目を閉じて試験参加者が視覚的なフィードバックを完全に奪われているように目隠しを使用します。
      注: バランス、足の動きが制限されるべきパラダイムの足サポート ドキュメントを添付し、蓋の下に相殺を挿入します。
    5. アルゴリズムを使用するどの AP と ML のフィードバックのしきい値を計算し、ユーザー インターフェイスの [第 3 四半期] 列に表示されます。4 習熟試験を書く列に第 3 四半期の列に表示される値をコピー] をクリックを更新(ピンク) コンパスのグラフに示されたフィードバックのしきい値を更新する 4 番目の習熟に基づく前後トライアル。
      メモ: インターフェイスの [第 3 四半期] 列に表示される計算されたしきい値、前の試用期間中に各傾斜の方向 (AP, ML) の第 3 四分位数に等しい。このフィードバック方式概念上不利益15を学習フィードバックがあまりにも多くのフィードバックを提供しながらそれぞれの個々 の13,の14、最適化されるバランス機能が向上することがあります。2 つのしきい値は、特定の個人に選択されている、保つことができるに介入、時間をかけて改善を評価することができる個人のための定数。
  5. AP と ML として角度が自動的に保存されているのリアルタイム分析、テキスト ファイルに各実験条件の座っているパフォーマンスを特徴付ける AP と ML の信号を解析。
    1. 時間領域における各タイム シリーズ8から次 posturographic メジャーは計算: 二乗 (動きの分散の測定) と平均速度 (動きの平均角速度の測定)。
    2. 周波数領域における各タイム シリーズ8から次 posturographic メジャーは計算: 中心周波数 (モーションの全体的な周波数の測定) と周波数分散 (運動の周波数の分散の測定)8.
  6. 線形混合モデルを使って推定し、posturographic 対策 (従属変数) のそれぞれに 2 つの固定効果要因 (1) バランス状態 (安定性レベルと目条件結合)、(2) 触覚フィードバックの効果を特徴付ける各参加者16 (1 つのランダムな影響要因) から繰り返し測定の相関を考慮しました。
    1. 固定効果の意義を残差の分散グループ手段との差異の比率を計算 F 分布の結果を比較することによりテストします。

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結果

表 2番組、実験条件ごとに、AP と ML サポートの表面傾斜の観測から派生した posturographic 対策に平均以上 144 バランス試験参加者 12 名 (参加者あたり 3 試験 x 2 x 2) によって実行されます。

バランス条件の変更の影響:基本条件は、目の状態に依存する選ばれた (すなわち目を閉じたとき、ベースはより安定していた)。したがって、ベースと目の条件は、1 つの独立変数 (バランス条件) を一緒に考慮されました。AP 傾斜の観測された平均平方根、中心周波数、周波数分散の 2 つのバランス条件間に有意な (予定変更、α の F テストによると 0.05 を =)。対策 (平均と標準偏差) のそれぞれの計算の変化を図 7と図 8

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ディスカッション

ポータブル、インストルメント化された、お座りデバイスを構築するための方法が掲載されています。デバイスがポータブルで、これらツールの利点をより強力なアクセスするための耐久性の前の調査の建物揺れる椅子2,4と振動フィードバック5,6,7.輸送または保管のためにデバイスを準備する逆アセンブリ プロトコルに従ってください。バランス タスクの難易度は、さまざまな曲率で拠点を接続することによって変調することができます。作業の難易度の選択は重要です。ユーザーは、危険にさらすけがなしアクティブ トレーニングを容易に不安定する必要があります。

マイクロ コント ローラーおよびユーザー インターフェイスの間のシリアル通信に依存しているリアルタイム観察と組み込み機器の調整デバイスの機能不全には、両方のソ...

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開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

著者は、大学生メール シン Kumawat シェフィールド Agarwal、クイン Boser、ベンジャミン ・ チャン、キャロライン ・ コリンズ、サラ Lojczyc、デレク シュ、キャサリン ・ Schoepp、アーサー ・ ジーリン スキーの設計努力を認めます。本研究は自然科学工学研究会議のカナダ (RGPIN-2014-04666) から発見の助成金によって部分的に資金を供給されました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
シャーシMcMaster-Carr8657K421耐湿性LDPEポリエチレンシート1-1 / 2 "厚さ、24 "x 24"
蓋< / em>McMaster-Carr8657K414湿性LDPEポリエチレンシート1/4 "厚さ、24 "x 24"
Base< / em>McMaster-Carr8657K414耐湿性LDPEポリエチレンシート1/4 "厚さ、24 "x 24"
グリップテープ< / em>McMaster-Carr6243T471研磨性滑り止めテープ、テクスチャード加工、6 "ワイドストリップ、2 'ロング、ブラック
<ストロング>ベースナット< / em>McMaster-Carr90596A039鋼丸型溶接ナット、5/8 "-11 ねじサイズ
溶接プレートMcMaster-Carr1388K142低炭素鋼板 1/16" 厚、3" x 3"、グランド フィニッシュ
Threaded RodMcMaster-Carr90322A1703" 5/16"-18 中強度合金鋼ねじスタッド
スリーブMcMaster-Carr8745K19耐薬品性PVC(タイプI)ロッド1-1 / 4 "直径
正方形フランジ< / em>McMaster-Carr8910K395低炭素鋼棒、1 "厚さ、1 "ワイド
ヒッチMcMaster-Carr4931T123ボルト一体式フレーミングヘビーデューティ鋼、1-1/2" 正方形
湾曲ベースMcMaster-Carr8745K48PVC ロッド、6" 直径
Hitch インサートMcMaster-Carr6535K313ボルト一体フレーミングヘビーデューティ鋼、1" 正方形
ExtrusionMcMaster-Carr6545K71045冷間引抜鋼角棒ストック、幅1 'x 1"、未研磨
Clamp< / em>VlierTH103A調整可能なトルクノブ
フットレストMcMaster-Carr6582K4314130鋼管、1 "x 1"幅、 0.065 "壁の厚さ、磨かれていないミル仕上げ
Counterwieght< / em>< /strong>McMaster-Carr8910K67炭素鋼長方形バー1-1 / 8 "厚さ、4 "幅
クレビスピン< / EM>McMaster-Carr97245A616ピンコッターピン付き亜鉛メッキ鋼クレビスピンピン、 直径 3/16 インチ、 1-9/16 インチ 使用可能長さ
マイクロプロセッサArduinoMEGA 2560マイクロコントローラボード、54 個のデジタル I/O ピンと USB 接続
慣性測定ユニットx-io Technologies Ltd.x-IMU慣性計測ユニットおよび姿勢方位基準システム、エンクロージャ
振動TactorPrecisionマイクロドライブDEV-11008Lilypad Vibeボード、SparkFun Electronicsから入手可能
耐非低ヘア

参考文献

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