Een methode voor het evalueren van tijdigheid en nauwkeurigheid van Volitional Motor Responses to vibrotactiele Stimuli

Summary

Dit artikel beschrijft een techniek voor het aanbrengen vibrotactiele stimuli op de dij van een menselijke deelnemer en het meten van de nauwkeurigheid en reactietijd van volitionele respons van de deelnemer voor verschillende combinaties van stimulatie locatie en frequentie.

Abstract

Systemen voor kunstmatige sensorische feedback (ASF) kunnen worden gebruikt om verloren proprioceptie te compenseren bij personen met beperkingen in de onderste ledematen. Effectief ontwerp van deze ASF-systemen vereist een diepgaand begrip van hoe de parameters van specifieke feedbackmechanismen de perceptie en reactie van de gebruiker op stimuli beïnvloeden. Dit artikel presenteert een methode voor het toepassen van vibrotactiele stimuli op menselijke deelnemers en het meten van hun reactie. Roterende massa-vibratiemotoren worden op vooraf gedefinieerde locaties op de dij van de deelnemer geplaatst en worden bestuurd via aangepaste hardware en software. De snelheid en nauwkeurigheid van de vrijwillige reacties van de deelnemers op vibrotactiele stimuli worden gemeten voor door onderzoekers gespecificeerde combinaties van motorplaatsing en vibratiefrequentie. Terwijl het hier beschreven protocol drukknoppen gebruikt om een eenvoudige binaire reactie op de vibrotactiele stimuli te verzamelen, kan de techniek worden uitgebreid naar andere reactiemechanismen met behulp van inertiale meeteenheden of druksensoren om respectievelijk gewrichtshoek en gewichtdragende verhoudingen te meten. Evenzo kan de toepassing van vibrotactiele stimuli worden verkend voor andere lichaamsdelen dan de dij.

Introduction

Kunstmatige zintuiglijke feedback (ASF) kan worden gedefinieerd als het gebruik van real-time biologische informatie aan individuen, vaak compenseren gecompromitteerd proprioceptie of andere zintuiglijke mechanisme. ASF is al lang gebruikt op het gebied van revalidatie van gewonde of personen met een handicap te helpen bij het ​​herstellen van de aspecten van de fysieke functie en beweging ^1-3, waardoor individuen om fysische processen die ooit een onwillekeurige reactie van het autonome zenuwstelsel ⁴ waren onder controle. Een subcategorie van ASF, biomechanische biofeedback, maakt gebruik van externe sensoren om parameters met betrekking tot evenwicht of gait kinematica meten en communiceren van deze informatie aan het individu door middel van een soort van toegepaste stimulus. Een steeds populairder benadering biomechanische feedback telt kleine trilmotoren of magneetschakelaar, geplaatst op verschillende lichaamsdelen ruimtelijke en temporele feedback. Vorige literatuur p toondenromising resultaten die het gebruik van vibrotactiele feedback in toepassingen aan personen met een lagere ledematen amputaties, vestibulaire stoornissen, en veroudering gerelateerde verlies van evenwicht ^5-9.

Een goed begrip van de mechanismen die individuele perceptie en de reactie op specifieke stimuli noodzakelijk voor het informeren effectieve implementatie van ASF voor verschillende toepassingen. Voor vibrotactiele feedback, leider onder deze mechanismen proprioceptie en de sensorimotorische respons, specifiek de gebruiker gevoeligheid voor de toegepaste trillingen en de tijd die nodig is om de gewenste reactie uit te voeren. Elke sensorische informatie verstrekt via trillingen stimuli worden gecodeerd als specifieke combinaties van vibratie frequentie, amplitude, locatie en sequentie. Daarom moet het ontwerp van vibrotactiele ASF systemen combinaties van parameters te selecteren om de perceptie gebruiker en interpretatie van de stimuli te maximaliseren, zoalsen de tijdigheid en nauwkeurigheid van de resulterende motorische respons. Het doel van dit protocol is een platform om reactietijden en nauwkeurigheid reactie op verschillende stimuli vibrationele evalueren om het ontwerp van systemen ASF hoogte voor gebruik met verschillende sensorische verminderde bevolkingen.

De hier beschreven methoden gebaseerd op eerder onderzoek verkennen menselijke waarneming van tactiele feedback en vibrotactiele ^3,5,6, en is ontwikkeld voor gebruik in twee eerdere studies ^10,11. De laatste twee studies gebruikt dit protocol om de effecten van trillingsfrequentie en op de nauwkeurigheid en actualiteit van gebruikerreacties in de onderste ledematen amputatie onderzoeken blijkt dat beide parameters significante invloed op de uitkomst maatregelen, en dat een hoge mate van nauwkeurigheid te kunnen reageren bereikt. Deze resultaten kunnen worden gebruikt om de ideale plaatsing van magneetschakelaar informeren toekomstige studies en klinische toepassingen van vibrotactiele ASF systemen. Ander recent werk vanCrea et al. ¹² onderzocht gebruiker gevoeligheid voor veranderingen in vibratie patronen aangebracht op de dij gedurende het lopen, via verbale reacties op waargenomen veranderingen in de vibratie patronen in plaats van een motorische respons betekenen. Hoewel deze verbale reacties kunnen worden gebruikt om detectie nauwkeurigheid meten ze geen rekening met vertragingen en fouten die in de motorbesturing proces kan zijn.

De primaire opstelling voor de volgende experimenten uit een aantal trilmotoren verbonden puls-breedte gemoduleerde output pinnen van een microcontroller board. Het bestuur is op zijn beurt gecontroleerd door middel van een Universal Serial Bus (USB) aansluiting op een computer met in de handel verkrijgbare systeemontwerp software. De motoren vereisen een extra versterkingschakeling om voldoende spanning te waarborgen en stroom wordt toegevoerd over een groot bereik van trillingsfrequenties. Een voorbeeld versterkerschakeling figuur 1. De bipolaire transistor (BJR) In de figuur kan worden vervangen door kleinere metaal-oxide-halfgeleider veldeffecttransistor (MOSFET) voor een efficiëntere werking en een kleiner formaat. Evenzo kan de gehele versterkerschakeling worden vervangen door een off-the-shelf haptische aandrijver extra en lagere grootte. Elke motor vereist een eigen circuit en met de in dit artikel vermelde apparatuur, tot tien motoren kunnen worden bediend met één microcontrollerbordje.

Figuur 1. motorbedrading. (A) Het versterkingscircuit voor een vibratiemotor weergegeven. Elke motor is een apart circuit en moet worden aangesloten op een unieke PWM-uitgang van de microcontroller. De V _DD hier staat voor de 3.3 V macht door de microcontroller raad van bestuur, en voor de weerstand R2 dient als een pull-down resister aan de transistor switch te garanderen blijft open wanneer nul spanning appgelogen. (B) Een voorbeeld van de fysieke bedrading van twee motoren. Hoewel acht afzonderlijke amplificatie circuits getoond, slechts twee zijn verbonden trilmotoren. In dit protocol R1 = 4,7 kOhm en R2 = 100 kOhm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

Het volgende protocol werd goedgekeurd door de Research Ethics Board in Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital.

1. Motor Calibration

1. Sluit de microcontroller board op de computer met behulp van een USB-poort.
2. Met behulp van de originele microcontroller software, het uploaden van de aangepaste script, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" aan de raad via de USB-verbinding door te klikken op het pictogram "Upload", aangeduid met de omcirkelde pijl naar rechts.
   1. Zorg ervoor dat het trillingsniveau is ingesteld op nul om de motor in de off-positie met behulp van de opdracht "analogWrite" te zetten. De code moet "analogWrite (vibe1,0);" te lezen.
   2. In de microcontroller code, geeft de puls-gemoduleerde (PWM) uitgang pin die overeenkomt met de motor van rente door het initialiseren van de "vibe1" variabele.
      Opmerking: PWM genereren approximate analoge uitgangen van de digitale signalen die door de microcontroller. De pennen zijn labeled numeriek op de fysieke microcontroller board. Bijvoorbeeld, als de motor is verbonden PWM output pin '3', dan ervoor zorgen dat de "int vibe1 = 3;" is vastgelegd in de code.
3. Sluit de z-as uitgang van de drie-assige versnellingsmeter een van de analoge ingangen van de microcontrollerbordje en sluit de positieve en aarddraden van de accelerometer om de 5V en aarde (GND) poort van de microcontrollerbordje respectievelijk.
4. Monteer de accelerometer om de trillende motor, zodat de z-as loodrecht op het vlakke oppervlak van de motor, zoals getoond in figuur 2, en zet de motor op een harde ondergrond.
5. Open de "Motor_Calibration.vi" bestand in de data-acquisitie software en sluit de microcontroller op de computer via een USB-poort.
6. Met behulp van de beschikbare velden, geeft u de seriële poort van de microcontroller-ingang, met behulp van het dropdown-menu, evenals de sampling rate, en number monsters te verzamelen. Opmerking: 500 Hz sampling rate is standaard voor deze experimenten aliasing van de versnellingsgegevens voorkomen en 1000 samples worden gewoonlijk opgenomen.
7. Met behulp van de "Motor_and_Accelerometer.ino" code, geeft u de gewenste duty cycle van de PWM pulsen aan de Trillingsmotor geleverd, wederom met behulp van de "analogWrite" commando, en opnieuw downloaden van het programma naar de microcontroller raad van bestuur het regelen van de motoren (zie stap 1.1 ). Bijvoorbeeld, om het aantal pulsen tot 100 te stellen, moet de code te lezen "analogWrite (vibe1,100);". Tabel 1 geeft de PWM waarden en de bijbehorende plicht cycli.
8. Met de Fast Fourier Transform (FFT) weergave op de "MotorCalibration.vi" interface identificeren van de grootste piek en de overeenkomstige trillingsfrequentie waarde (de horizontale as) opnemen.
9. Herhaal stap 1,7-1,8, het aanpassen van de PWM niveaus tot de gewenste frequentie is bereikt, het opnemen van elke PWM-frequentie pair. Als bijvoorbeeld gericht op een 100 Hz, de stappen 1,7-1,8 totdat de grootste piek wordt via 100 Hz merkteken op de horizontale as.
   Opmerking: Voor de vibratie motoren die worden gebruikt in dit protocol, moet de gerichte trillingen in de 60-400 Hz bereik liggen om beter te passen bij de respons frequenties van de mechanoreceptoren in de in de literatuur beschreven ^5,10,13 huid.
10. Herhaal de stappen 1.2.2 tot en met 1.8 voor elke motor, de PWM-frequentie relatie voor elke motor met een spreadsheet of potlood en papier handmatig opnemen.
11. Open de "Experiment_1.vi" bestand. Voor elke motor, klik met de rechtermuisknop op het dropdown frequentie menu en selecteer "eigendom". Onder het tabblad 'Items bewerken ", gebruik dan de tabel om de gewenste frequentie en de bijbehorende PWM niveaus bepaald in de stappen 1,8-1,9 in te voeren. Selecteer "OK" om af te sluiten.
12. Herhaal stap 1,11 voor elk bestand virtuele interface (VI) van het ontwerp van het systeem software die worden gebruikt tijdens het testen (bijvoorbeeld "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi ", etc.).

Figuur 2. versnellingsmeter gemonteerd voor Motor. De tri-assige versnellingsmeter (groen) is gemonteerd op de munt motor met een z-as loodrecht op het vlakke oppervlak van de motor voor de kalibratie. Elke motor werd geactiveerd met behulp van verschillende werkcycli, en de bijbehorende trillingsfrequenties werden opgetekend door de accelerometer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Het plaatsen van de motoren

1. Zodra alle motoren zijn gekalibreerd (deel 2), monteer ze aan de dij.
   1. De in dit manuscript beschreven resultaten, plaatst de ene motor op elk van de voorste, achterste, mediale en laterale oppervlakken van het dijbeen, ongeveer halverwegetween de trochanter major en laterale femorale condylus (of distale einde van de ledemaat van hierboven knie geamputeerde).
      Opmerking: De specifieke locatie van elke motor kan variëren, afhankelijk van de vraagstelling en gebieden van belang en kunnen worden beïnvloed door de anatomische en fysiologische factoren, zoals het type en de ruimtelijke verdeling van mechanoreceptoren in de huid.
2. Hechten motoren direct op de huid met dubbelzijdig tape.
   Opmerking: Het scheren het gebied rondom elke motor is niet noodzakelijk, maar kan hechting aan de huid (figuur 3) te verbeteren. Voor toepassingen waarbij de effecten van kleding, een prothese voering, of een ander materiaal op gebruikersperceptie van belang, plaatst de motoren bovenop genoemde materiaal, in plaats van tegen de huid.

Figuur 3. Test Platform voor experimenten. Een aangepaste testplatform werd gebouwd naar het huis van thij microcontroller boards en drukknoppen. Motoren kunnen direct op de huid worden aangebracht (zoals afgebeeld) of met een prothese liner tussen de motor en de huid. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Experiment 1: Het toepassen van prikkels en Recording Reactietijd

1. Re-flitser van de microcontroller bord met de firmware om de controle van de raad van bestuur door de data-acquisitie software door het openen van de "LVIFA_Base.pde" bestand met de controller bijbehorende software pakket, en het herhalen van stap 1.1 in te schakelen, ter vervanging van "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" met de " LVIFA_Base.pde "script.
2. Sluit de drukknop direct naar een USB-poort van de computer met behulp van een serieel-naar-USB-aansluiting. Zorg ervoor dat alle vereiste stuurprogramma's zijn geïnstalleerd.
3. Open de "Experiment_1.vi" interface.
4. Geef de seriëlepoorten voor de microcontroller board aangesloten op de motoren, en push-button door de bijbehorende seriële poort identificatienummers te selecteren in het dropdown menu's label "Motor Input" en "Green Button ', respectievelijk. Identificeer de seriële poort identificatienummers met behulp van de computer het besturingssysteem van het apparaat manager nut.
5. Selecteer het bestand om de resultaten op te nemen en start het programma.
6. Selecteer de motoren en frequenties worden geactiveerd door het selecteren van de dropdown menu's voor elke motor in de "Experiment_1.vi" interface. Heeft de deelnemer drukt u op de drukknop met het been waarop de feedback wordt toegepast wanneer een trilling voelt. Nadat de knop is ingedrukt, bevestigen de reactie in de data-acquisitie software-interface door op te merken dat de klok telling is gestopt, en reset de motoren voor de volgende proef door het selecteren van de nieuwe reeks van frequenties uit de dropdown menu's.
7. Zodra het experiment wordt gesloten, gebruik dan de dropdown menu's voor alle motor-frequenties terug te keren naar de nulstand en selecteer de "Stop Program" knop om de verbinding met de motor control board te beëindigen.

4. Experiment 2: Onderscheid tussen Stimuli

Let op: Dit experiment kan geheel onafhankelijk van Experiment 1. Een enkele motor of meerdere motoren kunnen worden gebruikt worden uitgevoerd. De specifieke locaties van de motoren kan variëren afhankelijk van de toepassing en de onderzoeksvragen.

1. Sluit een tweede drukknop om andere USB-poort via een seriële-USB-aansluiting.
2. Open de "Experiment_2.vi" data-acquisitie interface.
3. Plaats de motoren op de locaties en configuraties voor desbetreffende onderzoeksaanvraag. Plaats bijvoorbeeld enkele motoren op de dij, halverwege tussen de trochanter major en laterale femorale condylus (of het distale einde van de ledemaat voor geamputeerden), op elk van de voorste, achterste, laterale en mediale oppervlakken van het dijbeen naar examine de frequentiegevoeligheid bij elk van deze delen van het been ^10,11.
4. Geef de seriële poorten van de microcontroller raad van bestuur en de beide drukknoppen volgens dezelfde procedure als stap 3.4. Zorg ervoor dat u noteren welke drukknop is toegewezen aan elke poort.
5. Selecteer de specifieke motoren te activeren en de gewenste volgorde van de frequenties door te klikken op de "Motor" pictogrammen in de software-interface. Stel dat drie frequenties worden getest, zoals 140 Hz, 180 Hz en 220 Hz. Een reeks tests kunnen worden (1) 180 Hz gevolgd door 140 Hz, (2) 220 Hz gevolgd door 140 Hz, en (3) 180 Hz gevolgd door 220 Hz.
6. Voer de uitgestelde starttijd en duur stimulatie. 1,5 sec is typisch voor zowel de vertraging en stimulatie tijden.
7. Start het programma.
   Opmerking: De na de vertraging bij stap 4,6, zal het programma de motor (en) met de sequentie van gepaarde frequenties gekozen in stap 4,5 activeren. Als bijvoorbeeld 180 Hz vs. 220 Hz was seteerd in stap 4.5, zal de bijbehorende motor eerste trillen bij 180 Hz voor de opgegeven tijd voordat u naar 220 Hz.
8. Heeft de deelnemer op een van de twee drukknoppen om te kiezen of de tweede ervaren frequentie hoger of lager is dan de eerste. Reacties worden automatisch geregistreerd door het programma.

Results

Figuur 4 toont de kalibratiekromme het identificeren van de PWM-waarde voor een 180 Hz trillingsfrequentie van één motor. Vanaf een 50% duty cycle, worden de PWM waarden herhaald totdat de primaire frequentie piek optreedt bij 180 Hz. Succesvolle calibratie proeven moet een duidelijke piek op de primaire trillingsfrequentie te laten zien. Slechte fixatie van de accelerometer om de motor of de motor een steunoppervlak kan een diffuser FFT zonder duidelijke piek. In deze situatie wordt de kalibratie proce...

Discussion

Het doel van dit protocol is het kader voor het evalueren stimulatieparameters in vibrotactiele ASF toepassingen. In het bijzonder, onderzoekt de effecten van trillingen frequentie, amplitude, de locatie en volgorde op de gebruiker sensomotorische reactie. Dit kader kan worden uitgebouwd en uitgebreid met extra of alternatieve soorten gebruikersrespons die meer klinisch relevant, zoals een gemeenschappelijke buigen of gewichtsverplaatsing van het ene been naar het andere kan zijn opgenomen. Dit soort wijzigingen zou iet...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Vibrating Pager Motors	Precision Microdrives	Model 310-101	Coin excentrische roterende massamotoren.  Zoveel als nodig is om alle locaties en interacties van belang te testen
Tri-axis Versnellingsmeter	Dimension Engineering	ADXL 335	Geavanceerde analoge versnellingsmeter. 500 Hz bandbreedte, 3,5-15 V ingang. Ontworpen voor beweging, kantelen en hellingsmeting, evenals trillings- en schokgevoeligheid.
Arduino Uno	Arduino	DEV-11021	Microcontrollerbord voor communicatie met de drie-assige versnellingsmeter
Arduion Mega 2560	Arduino	DEV-11061	Microcontrollerbord voor interfacing met de vibratiemotoren.
LabVIEW	National Instruments		Data-acquisitiesoftware gebruikt om motoren te besturen en versnellingsmeterssignalen weer te geven
Arduino IDE Software	Arduino	v. 1.6.5
Drukknop	Bridges	Buddy Button	Bedraad schakelaar met een activeringsoppervlak van 2,5 in/6,35 cm dat een akoestische klik en tactiele feedback biedt.
Optioneel:
Speciale haptische motordriver	Texas Instruments	DRV2605L	Kan worden gebruikt om de volledige versterkingscircuit beschreven in Stap 1 te vervangen.
Flexibele draagbare goniometer	Biometrics Ltd.	SG110	Dubbele as flexibele goniometer om hoeken in maximaal twee bewegingsvlakken te meten die kunnen worden gebruikt in plaats van de drukknop om gewrichtsbeweging in reactie op stimuli te meten. www.biometricsltd.com/gonio.htm