Een methode voor het evalueren van tijdigheid en nauwkeurigheid van Volitional Motor Responses to vibrotactiele Stimuli
2 augustus 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
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel beschrijft een techniek voor het toepassen van vibrotactiele stimuli op het dijbeen van een menselijke proefpersoon, waarbij de nauwkeurigheid en reactietijd van de vrijwillige respons van de proefpersoon worden gemeten. De methode beoogt te evalueren hoe sensorische informatie kan worden gecommuniceerd via vibrotactiele feedback.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Revalidatietechniek
- Biofeedbacktechnieken
Achtergrond
- Vibrotactiele prikkels kunnen sensorische informatie overbrengen.
- Inzicht in de reactie op vibraties helpt bij de rehabilitatie.
- Flexibiliteit voor diverse biofeedback-toepassingen.
- Kan worden aangepast voor verschillende biosensoren.
Doel van de studie
- Evalueer de nauwkeurigheid en snelheid van de respons op vibrotactiele stimuli.
- Identificeer effectieve methoden voor sensorische communicatie.
- Breid de bevindingen uit naar andere lichaamsregio's.
Gebruikte methoden
- Toepassing van vibrotactiele stimuli op het dijbeen.
- Meting van de 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 stimulatieplaatsen en -frequenties.
- Potentieel voor bredere toepassingen in biofeedback.
- Demonstratie van de techniek door een promovendus.
Conclusies
- Vibrotactiele feedback kan zintuiglijke informatie effectief overbrengen.
- De methodologie is aanpasbaar voor diverse toepassingen.
- Verder onderzoek kan het begrip van zintuiglijke feedback verbeteren.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de industrie
Deze methode maakt een systematische evaluatie van vibrotactiele feedbacksystemen voor revalidatietechniek mogelijk, ter ondersteuning van de doelvalidatie van zintuiglijke substitutiestrategieën. Door de tijdigheid en nauwkeurigheid van de respons over verschillende stimulusparameters te kwantificeren, biedt het een mechanische risicoanalyse voor biofeedback-toepassingen in de neurorevalidatie en de ontwikkeling van ondersteunende technologie. De aanpak vergroot het voorspellende vertrouwen bij het ontwerpen van effectieve zintuiglijke communicatie-interfaces voor populaties met een motorische beperking.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Onderzoekt therapeutische hypothesen met betrekking tot de overdracht van sensorische informatie via vibrotactiele stimulatie.
- Operationele waarde: Maakt functionele validatie mogelijk van doelgerichte neurale paden die betrokken zijn bij de motorische respons op tactiele signalen.
- Voorspellende waarde: Ondersteunt de triage van de portfolio door het identificeren van optimale stimulatiefrequenties en locaties voor een betrouwbare gebruikersrespons.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Bereidt gestandaardiseerde biologische responsystemen voor voor downstream screening van de effectiviteit van feedback.
- Operationele waarde: Garandeert de reproduceerbaarheid van de assay door gecontroleerde plaatsing van de motor en parameters voor de vibratiefrequentie.
- Schaalbaarheid: Faciliteert hergebruik van het platform voor verschillende responsmechanismen en lichaamssegmenten.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele continuïteit: Slaat een brug tussen ontdekkingsbevindingen en preklinische validatie van sensorische feedbacksystemen in ziekterelateerde modellen.
- Risicogecorrigeerde voortgang: Informeert go/no-go-beslissingen op basis van kwantitatieve responsparameters over verschillende gebruikerscohorten heen.
- Afstemming van biomarkers: Maakt correlatie van responstijd en -nauwkeurigheid met functionele motorische resultaten mogelijk.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van targetvalidatie tot leadoptimalisatie van sensorische feedbacksystemen, waardoor iteratieve verfijning van neurorevalidatie-interventies mogelijk wordt.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing met betrekking tot de effectiviteit van sensorische modaliteiten en de activering van neurale pathways.
- Screening: Levert kwantitatieve, reproduceerbare resultaten voor het vergelijken van stimulusconfiguraties over verschillende experimentele condities.
- Analytics: Genereert metingen van reactietijd en nauwkeurigheid die statistische vergelijking van de effectiviteit van feedback mogelijk maken.
- Translational Research: Verbindt mechanistische inzichten met preklinische continuïteit door dosis-responserelaties vast te stellen voor tactiele stimulatie.
- Enterprise Reuse: Creëert een aanpasbaar platform voor het evalueren van diverse biofeedbackstrategieën bij verschillende indicaties van motorische beperkingen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in benaderingen van sensorische substitutie door mechanistische ambiguïteit in feedback-responsrelaties te verminderen.
- Operationele waarde: Levert gestandaardiseerde, schaalbare protocollen die de reproduceerbaarheid tussen verschillende locaties waarborgen bij de evaluatie van rehabilitatietechnologie.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door vroege risicovermindering van investeringen in neurotechnologie mogelijk te maken via kwantitatieve responsprofielering.
- Impact op portfolio: Ondersteunt de risicogebaseerde prioritering van sensorische feedbackmodaliteiten op basis van empirische responsgegevens.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in rehabilitatietechniek, neurowetenschappen en protocollen voor testen bij menselijke proefpersonen.
- Vraagt om trilmotoren, microcontroller-boards, datasystemen voor acquisitie en apparatuur voor het registreren van responsen.
- Vereist cross-functionele standaardisatie tussen engineering-, klinische en data-analyseteams voor een consistente toepassing van parameters.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij uitbreiding naar verschillende lichaamssegmenten of alternatieve responsmechanismen, zoals het meten van gewrichtshoeken.
- Bevat praktische beperkingen met betrekking tot het waarborgen van consistent sensorcontact en het minimaliseren van bewegingsartefacten tijdens de proeven.
Biopharma Veelgestelde Vragen
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
