Een methode voor het evalueren van tijdigheid en nauwkeurigheid van Volitional Motor Responses to vibrotactiele Stimuli
August 2nd, 2016
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.
Het algemene doel van dit experimentele protocol is om te evalueren hoe snel en nauwkeurig een persoon kan reageren op specifieke soorten vibrotactiele stimuli. Deze methode zou kunnen helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in het veld van revalidatietechniek, zoals welk type sensorische informatie kan worden gecommuniceerd via vibrotactiele feedback en wat de beste manier is om sensorische informatie weer te geven via vibrotactiele signalen. Het grote voordeel van deze techniek is dat het zeer flexibel is voor verschillende biofeedbacktoepassingen en gemakkelijk kan worden aangepast voor gebruik met verschillende biosensoren, zoals druksensoren voor het meten van reactiekracht of goniometer voor het meten van gewrichtshoek.
Hoewel deze methode inzicht biedt in hoe mensen reageren op trillingen die op specifieke delen van de dij worden toegepast, kan deze ook worden uitgebreid naar andere delen van het lichaam. Door verschillende tactiele configuraties te testen, kunnen we beter begrijpen welke soorten informatie kunnen worden gecommuniceerd via biofeedback. Deze procedure zal worden gedemonstreerd door Sam Shi, een afstudeerstudent in ons lab.
Begin de motorkalibratie door de grote microcontrollerboard aan te sluiten op de computer via een USB-poort. Klik in de originele microcontrollersoftware op het uploadpictogram, aangegeven door de cirkel met een pijl naar rechts, om het aangepaste script motor_test. ino naar de board te uploaden via de USB-verbinding.
Verbind vervolgens de Z-as-uitgang van de triaxiale versnellingsmeter met een van de analoge ingangspoorten van de kleinere microcontrollerboard. Verbind de positieve en grondleidingen van de versnellingsmeter respectievelijk met de dijbout en de grondpoorten van de microcontrollerboard. Monteer vervolgens de versnellingsmeter op de trillende motor en zorg ervoor dat de z-as loodrecht staat op het vlakke oppervlak van de motor en plaats vervolgens de motor op een harde ondergrond.
Open het motor_calibration. vi-bestand in de datavraagsoftware en sluit de kleinere microcontroller voor de versnellingsmeter aan op de computer via een USB-poort. Gebruik vervolgens de verstrekte velden om de seriële poort voor de microcontroller-invoer en de samplefrequentie van 500 hertz en 1000 samples op te geven om te verzamelen.
Gebruik de snelle 48-transformatieweergave op de motor_calibration. vi-interface om de grootste piek te identificeren en noteer de bijbehorende trillingsfrequentiewaarde. Herhaal alle tot nu toe genomen stappen en noteer handmatig de puls met gemoduleerde of PWM-frequentieverhouding voor elke motor.
Open vervolgens het experiment1. vi-bestand voor elke motor. Klik met de rechtermuisknop op het vervolgkeuzemenu voor frequentie en selecteer eigenschap.
Onder het tabblad bewerkingsitems gebruikt u de tabel om de gewenste frequenties en bijbehorende PWM-niveaus in te voeren. Selecteer oké om te sluiten. Ten slotte, nadat alle motoren zijn gekalibreerd, gebruikt u dubbelzijdig plakband om elke motor op de dij te bevestigen.
Plaats specifiek één motor op elk van de anterieure, posterieure, mediale en laterale oppervlakken van de dij, ongeveer halverwege tussen de trochanter major en laterale femurcondyle. Om het eerste experiment te beginnen, sluit u de drukknop rechtstreeks aan op een van de USB-poorten van de computer met behulp van een seriële naar USB-connector en zorg ervoor dat alle vereiste drivers zijn geïnstalleerd. Open de experiment1.
vi-interface en selecteer het bestand om de resultaten te registreren. Gebruik vervolgens de vervolgkeuzemenu's in de software-interface om de ingangspoorten voor de drukknop en motorfrequenties te selecteren. Start het programma.
Wanneer de deelnemer een trilling voelt, laat hem/haar de drukknop indrukken met het been waar de feedback wordt toegepast. Nadat de knop is ingedrukt, bevestigt u het antwoord in de dataverwervingssoftware-interface door te controleren of de klok is gestopt met tellen. Selecteer tenslotte de nieuwe set frequenties uit de vervolgkeuzemenu's om de motoren voor de volgende proef te resetten.
Begin het tweede experiment door een tweede drukknop aan te sluiten op een andere USB-poort met behulp van een seriële USB-connector. Open vervolgens de experiment2. vi-dataverwervingsinterface.
Om de frequentiegevoeligheid op verschillende delen van het been te onderzoeken, plaatst u een enkele motor op de dij halverwege tussen de trochanter major en de laterale femurcondyle op elk van de anterieure, posterieure, laterale en mediale oppervlakken. Klik vervolgens op de motorpictogrammen in de software-interface om specifieke motoren te selecteren die moeten worden geactiveerd, evenals de gewenste sequentie van frequenties. Om de gebruikersgevoeligheid voor frequenties bij 140 hertz, 180 hertz en 220 hertz te testen, begint u met het selecteren van een enkele combinatie.
Bijvoorbeeld 180 hertz gevolgd door 140 hertz. Voer de wachttijd en motortijd in. Start vervolgens het programma.
Om andere frequentiecombinaties te testen, selecteert u een nieuwe test met frequenties zoals 220 hertz, gevolgd door 180 hertz en voert u het programma opnieuw uit. Laat de deelnemer ten slotte een van de twee drukknoppen indrukken om te kiezen of de tweede waargenomen frequentie hoger of lager was dan de eerste en observeer de reacties die automatisch door het programma worden geregistreerd. De resultaten van de snelle 48-transformatie van de versnellingsgegevens worden hier getoond voor een enkele motor tijdens kalibratie.
Er werden vier proeven uitgevoerd om het PWM-niveau te identificeren dat overeenkomt met de 180 hertz-trilling. Bij het vergelijken van valide individuen met drie individuen met transfemorale amputatie, daalden de reactietijden voor de valide individuen significant toen de frequentie van 140 hertz naar 220 hertz ging. Die voor de individuen met amputaties deden dat niet.
Eenmaal onder de knie, kan dit protocol in 30 minuten tot een uur worden voltooid, afhankelijk van het aantal geteste frequentie-locatiecombinaties. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om ervoor te zorgen dat de trackers goed contact met de dij houden tijdens de experimenten. Er moet voor worden gezorgd dat de trackers voor elke proef veilig zijn bevestigd.
Hoewel het hier beschreven protocol drukknoppen gebruikt om de gebruikersrespons op te nemen, kan de methode worden uitgebreid naar andere responsmechanismen die fysiologisch relevanter zijn, zoals het buigen van de k
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel beschrijft een techniek voor het toepassen van vibrotactiele stimuli op de dij van een menselijke deelnemer, het meten van de nauwkeurigheid en reactietijd van de willekeurige reactie van de deelnemer. De methode heeft tot doel te evalueren hoe sensorische informatie kan worden gecommuniceerd door middel van vibrotactiele feedback.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Revalidatie-engineering
- Biofeedbacktechnieken
Achtergrond
- Vibrotactile stimuli kunnen sensorische informatie overbrengen.
- Begrip van de reactie op trillingen helpt bij revalidatie.
- Flexibiliteit voor verschillende biofeedbacktoepassingen.
- Kan worden aangepast voor verschillende biosensoren.
Doel van het onderzoek
- Evalueer reactieaccuraatheid en -snelheid op vibrotactiele stimuli.
- Identificeer effectieve methoden voor sensorische communicatie.
- Breid bevindingen uit naar andere lichaamsdelen.
Gebruikte methoden
- Toepassing van vibrotactiele stimuli op de dij.
- Meting van reactietijd en nauwkeurigheid.
- Testen van verschillende tactiele configuraties.
- Gebruik van biosensoren voor feedback.
Belangrijkste resultaten
- Inzichten in de menselijke reactie op trillingen.
- Identificatie van optimale stimulatielocaties en -frequenties.
- Mogelijkheden voor bredere toepassingen in biofeedback.
- Demonstratie van de techniek door een afgestudeerde student.
Conclusies
- Vibrotactile feedback kan effectief sensorische informatie communiceren.
- Methodologie is aanpasbaar voor verschillende toepassingen.
- Verder onderzoek kan het begrip van sensorische feedback verbeteren.
Veelgestelde vragen
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
