Opisujemy sterowane komputerowo urządzenie do badania zmysłu dotyku: Tactile Automated Passive-finger Stimulator (TAPS). Przedstawiamy komponenty TAPS oraz pokazujemy, w jaki sposób urządzenie TAPS jest wykorzystywane do przeprowadzania testu orientacji kratki dotykowej w metodzie wymuszonego wyboru z dwóch interwałów.
Artykuł metodologiczny
Taktylny automatyczny stymulator palców pasywnych (TAPS)
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Choć testy ostrości przestrzennej dotyku są stosowane zarówno w badaniach neuronaukowych, jak i w ocenie klinicznej, istnieje niewiele urządzeń zautomatyzowanych do dostarczania kontrolowanych, przestrzennie ustrukturyzowanych bodźców na skórę. W związku z tym badacze często aplikują bodźce dotykowe ręcznie. Ręczna aplikacja bodźców jest czasochłonna, wymaga od badacza ogromnej staranności i koncentracji oraz pozostawia wiele parametrów bodźca niekontrolowanych. Opisujemy tutaj sterowany komputerowo system stymulacji dotykowej, Tactile Automated Passive-finger Stimulator (TAPS), który aplikuje przestrzennie ustrukturyzowane bodźce na skórę, kontrolując prędkość początkową, siłę nacisku oraz czas trwania kontaktu. TAPS to wszechstronny, programowalny system, zdolny do efektywnego przeprowadzania różnorodnych procedur psychofizycznych. Opisujemy komponenty systemu TAPS oraz pokazujemy, w jaki sposób jest on wykorzystywany do przeprowadzenia testu orientacji kratki dotykowej z wymuszonym wyborem w dwóch interwałach.
Autor korespondencyjny: Daniel Goldreich
Protokół
Wstęp
Tactile Automated Passive-Finger Stimulator (TAPS) to sterowany komputerowo system, który dociska ustrukturyzowane powierzchnie do skóry w celu oceny przestrzennej czułości dotykowej danej osoby. Urządzenie zostało zaprojektowane i zbudowane na Uniwersytecie Duquesne, a następnie zmodyfikowane do obecnej formy na Uniwersytecie McMaster. W niniejszym materiale przedstawiamy przegląd funkcji systemu TAPS. Następnie opisujemy komponenty urządzenia, aby ułatwić jego odtworzenie przez innych badaczy. Na koniec pokazujemy, w jaki sposób TAPS jest wykorzystywany do przeprowadzania eksperymentów psychofizycznych.
1. Opis urządzenia
TAPS wykorzystuje grawitację do dociskania powierzchni bodźca do skóry (Rys. 1). Ramię badanego spoczywa wygodnie w pozycji pronacji na blacie stołu. Opuszka palca (lub inny badany obszar skóry) znajduje się nad tunelem w stole. Pod stołem silnik krokowy obraca dyskiem, który mieści do 40 elementów bodźców, pozycjonując jeden z nich pod tunelem. Grawitacja wywiera siłę skierowaną w dół na masę zawieszoną na jednym końcu obrotowego pręta. Poprzeczka wysunięta z wózka siłownika liniowego zapobiega ruchowi pręta. Gdy siłownik przesuwa się do przodu, pręt obraca się pod wpływem grawitacji, dociskając element bodźca w górę przez tunel do skóry. Proste zasady fizyki wiążą prędkość siłownika z prędkością, z jaką powierzchnia bodźca unosi się, by zetknąć się ze skórą, a ciężar zawieszonej masy ze statyczną siłą bodźca dotykowego. Gdy siłownik zmienia kierunek, aby przywrócić pręt do pozycji wyjściowej, element bodźca opada. W ten sposób urządzenie aplikuje bodźce dotykowe z kontrolowaną siłą, prędkością, czasem trwania kontaktu oraz odstępem międzybodźcowym. Badany naciska przycisk drugą ręką, aby zarejestrować odpowiedź. TAPS wykrywa odpowiedź i przechodzi do podania kolejnego bodźca.
Rycina 1. Fizyka TAPS. System TAPS kontroluje zarówno prędkość początkową, jak i siłę stanu ustalonego bodźca.
Prędkość początkowa: Gdy poprzeczka siłownika liniowego (czerwona) przesuwa się w prawo z prędkością V1, lewy koniec obracającego się pręta opada pod wpływem grawitacji; prawy koniec pręta naciska zatem element stymulujący w górę w kierunku palca z prędkością V2 = V1 (L2 / L3). Ponieważ V1 jest sterowana komputerowo, V2 może zostać ustawiona na dowolną wartość wybraną przez badacza.
Siła: Grawitacja wywiera siłę skierowaną w dół, F1 = Mg, na masę M (gdzie g = 9.8 m/s2). Powoduje to, że element stymulujący naciska na palec z siłą skierowaną w górę, F2. W przypadku pręta bezmasowego F2 = F1 ( L1 / L2). Ponieważ pręt w rzeczywistości posiada masę, wartość F2 jest wyznaczana empirycznie poprzez pomiar czujnikiem siły. Aby dokonać precyzyjnych korekt F2, badacz może zmienić położenie M wzdłuż pręta. F2 nieznacznie rośnie, gdy M jest przesuwane w lewo (zwiększając L1), i nieznacznie maleje, gdy M jest przesuwane w prawo (zmniejszając L1). W celu wprowadzenia większych korekt F2 można zmienić masę.
2. Elementy i szczegóły działania urządzenia
i. Ruchome części
TAPS wykorzystuje dwa silniki krokowe: jeden do napędzania wózka siłownika liniowego, a drugi do obracania tarczy zawierającej elementy stymulujące. Te dwa silniki kontrolują wszystkie ruchome części urządzenia TAPS. Części te znajdują się na dolnym stole, który jest mechanicznie odseparowany od stołu górnego, na którym spoczywa ramię badanego. Dzięki odseparowaniu obu stołów wibracje wywoływane przez silniki nie przenoszą się na skórę. Stoły są precyzyjnie wyrównane tak, aby tunel w stole górnym znajdował się bezpośrednio nad elementem stymulującym, z którym kontaktuje się obracający się pręt.
Wzdłuż obwodu obracającego się dysku wyfrezowaliśmy 40 kwadratowych szczelin, aby pomieścić elementy stymulujące. Elementy stymulujące wykonaliśmy z okrągłych plastikowych prętów, obrabiając je tak, aby posiadały kwadratowe trzpienie pasujące do szczelin w dysku. Zapewnia to, że elementy nie obracają się w szczelinach podczas obrotu dysku. Powierzchnie stymulujące wycięto w okrągłych czołach tych elementów.
Gdy silnik wózka siłownika przesuwa się do przodu, koniec obracającego się pręta po przeciwnej stronie zawieszonego obciążnika unosi się, aby dotknąć spodu wybranego elementu bodźca. Ponieważ pręt podczas ruchu w górę opisuje łuk, wyposażono go w lekkie plastikowe kółko łożyskowane, aby wyeliminować tarcie o spód elementu bodźca. Plastikowe kółko obraca się lekko podczas wypychania elementu bodźca w górę; bez niego koniec pręta pociągnąłby podstawę elementu nieco w bok (w lewo na Rys. 1), co spowodowałoby zablokowanie się elementu w tunelu przechodzącym przez górny stół. Aby dodatkowo zapewnić płynną trajektorię ruchu elementu w górę, tunel wyposażono w plastikowy kołnierz ze ścięciem, który kieruje element w stronę środka tunelu w miarę jego unoszenia się.
ii. Sensory
TAPS wykorzystuje sześć czujników w celu zapewnienia prawidłowego funkcjonowania: dwa czujniki położenia początkowego, trzy czujniki krańcowe oraz czujnik siły.
Czujniki pozycji początkowej siłownika i tarczy sygnalizują komputerowi, że wózek siłownika oraz tarcza znajdują się w wymaganych pozycjach wyjściowych na początku eksperymentu. Czujnik pozycji początkowej siłownika jest czujnikiem efektu Halla; czujnik pozycji początkowej tarczy to U-kształtny czujnik fotoelektryczny, który aktywuje się, gdy przyklejony do krawędzi tarczy sztywny kawałek papieru przerywa wiązkę podczerwieni. Gdy tarcza znajduje się w pozycji początkowej, konkretny otwór jest wyrównany bezpośrednio pod tunelem w górnym stole. Wszystkie kolejne obliczenia ruchu tarczy są wykonywane w odniesieniu do tej znanej pozycji startowej.
Trzy czujniki krańcowe pełnią funkcję zabezpieczeń na wypadek awarii. Aby zapobiec niekontrolowanemu ruchowi wózka siłownika w mało prawdopodobnym przypadku błędu sterowania, siłownik wyposażono w czujniki krańcowe przedniego i tylnego zakresu (czujniki efektu Halla). Po aktywacji odcinają one zasilanie siłownika. Aby zapobiec ruchowi tarczy w sytuacji, gdy element bodźca utknie w tunelu, do dolnej powierzchni górnego stołu przymocowano podczerwony czujnik odblaskowy. Element podniesiony na wystarczającą wysokość, aby dostać się do tunelu, przerywa wiązkę podczerwieni emitowaną przez ten czujnik, co blokuje dopływ napięć sterujących do silnika krokowego tarczy.
Szóstym i ostatnim czujnikiem jest czujnik siły, który lekko opiera się o paznokieć badanego (Rys. 2). Czujnik ten wykrywa ruch palca w dół (do wnętrza tunelu), w tył lub w przód. Program odrzuca próby, w których wystąpił ruch. Ponieważ czujnik jest przymocowany do sztywnego ramienia, dodatkowo zapobiega on pasywnemu ruchowi palca w górę w momencie kontaktu z unoszącym się elementem. Ponieważ używamy TAPS do badania pasywnej (przy nieruchomym palcu) przestrzennej czułości dotykowej, czujnik siły jest elementem kluczowym. Jako końcowy środek ostrożności przeciwko ruchom palca, delikatnie umieszczamy plastikowe bariery po bokach palca, aby zapobiec ruchom bocznym.
Rysunek 2. Czujnik siły do wykrywania ruchu palca. A. Czujnik siły dociska pod kątem 90 stopni do powierzchni paznokcia, w pobliżu skórki, z siłą od 50 do 80 gramów. B. Przykładowy zapis z czujnika siły pokazujący jedną sekundę poprzedzającą kontakt elementu stymulującego z palcem, a następnie jedną sekundę utrzymanego kontaktu ze stacjonarnym palcem. Należy zauważyć, że w momencie kontaktu (czas = 0), siła elementu stymulującego od dołu mocniej dociska palec do czujnika (rosnąca krzywa na zapisie siły). C. Jeśli badany próbuje przesunąć palec w dół, aby lepiej poczuć powierzchnię stymulującą, siła między paznokciem a czujnikiem maleje (strzałka). Czujnik rejestruje również wahania siły, jeśli badany porusza palcem w tył lub w przód. TAPS jest zaprogramowany tak, aby odrzucać wszystkie próby, w których siła kontaktu między czujnikiem a paznokciem waha się o więcej niż określoną wartość progową (np. 20 gramów) w czasie, gdy skóra pozostaje w kontakcie z powierzchnią stymulującą. TAPS może opcjonalnie ostrzec badanego o wykryciu ruchu za pomocą syntetycznego głosu komputerowego.
iii. Tłumienie wibracji i dźwięków
Silniki krokowe TAPS generują wibracje, które z kolei powodują hałas. Zarówno wibracje, jak i hałas są niepożądane. Wibracje, jeśli zostałyby przeniesione na skórę, mogłyby zakłócić zdolność badanego do wykonywania zadania dotykowego. Z biegiem czasu wibracje mogłyby również spowodować niestabilność mechaniczną komponentów TAPS. Hałas mógłby rozpraszać badanego. Z tych powodów podjęliśmy środki mające na celu zredukowanie zarówno wibracji, jak i hałasu oraz zapobieganie przenoszeniu jakichkolwiek drgań na badanego.
Co najważniejsze, stół dolny i górny nie stykają się ze sobą. Są one połączone jedynie w tym sensie, że oba opierają się o podłogę. W związku z tym wibracje pochodzące z silników, które spoczywają na stole dolnym, nie są przenoszone na ramię badanego, które spoczywa na stole górnym. Ponadto wibracje i hałas są redukowane w następujący sposób: kurtyna z włókna szklanego otaczająca stół dolny tłumi dźwięki urządzeń; antywibracyjne podkładki z PVC/włókna wzmacniającego, umieszczone między siłownikiem a jego podstawą, pochłaniają część wibracji generowanych przez siłownik; podstawa siłownika spoczywa na czterech gumowych cylindrycznych mocowaniach warstwowych, które służą do dalszego tłumienia drgań; podstawa silnika krokowego tarczy również spoczywa na mocowaniach gumowych (guma z tłoka strzykawki), a silikonowe pierścienie O-ring otaczają wały elementów stymulujących, redukując terkot podczas obrotu tarczy.
iv. Elementy bodźca
TAPS wykorzystuje zmodyfikowane pręty o średnicy pół cala do dociskania przestrzennie ustrukturyzowanych powierzchni do skóry (Rys. 3). Pręty są obrabiane w celu uzyskania kwadratowych trzpieni. Okrągłe czoła prętów zawierają powierzchnie stymulujące; kwadratowe trzpienie prętów pasują do 40 kwadratowych gniazd rozmieszczonych wokół obwodu obrotowej tarczy, co zapewnia utrzymanie właściwej orientacji powierzchni stymulujących podczas obrotu tarczy.
Dowolne powierzchnie bodźców można wyfrezować na czołach prętów. Metodę TAPS wykorzystywaliśmy głównie do nanoszenia gratingów fal kwadratowych (tj. równoległych grzbietów i rowków). Aby je stworzyć, rozpoczęliśmy od cylindrycznych prętów z tworzywa Delrin o średnicy 0.5" i długości 3". Za pomocą frezarki Sherline przycięliśmy pręty do długości 2.75", tworząc trzpienie o przekroju kwadratowym o długości 2" (8.7 x 8.7 mm) oraz okrągłą głowicę cylindryczną o długości 0.75" i średnicy 12.74 mm. Następnie wyfrezowaliśmy rowki na okrągłej powierzchni, aby stworzyć powierzchnie bodźców. Każda powierzchnia bodźca ma równą szerokość grzbietu i rowka. Wykonaliśmy elementy o szerokości rowków od 0.25 do 3.10 mm w odstępach 0.15 mm. Dla każdej z tych 20 szerokości rowków przygotowaliśmy dwa identyczne elementy bodźca, co dało łącznie 40 sztuk. Następnie włożyliśmy elementy do kwadratowych gniazd tarczy w taki sposób, aby każda szerokość rowka była reprezentowana zarówno w orientacji pionowej (równolegle do osi długiej palca), jak i poziomej (prostopadle do osi długiej palca).
Rysunek 3. Element stymulujący. Każda powierzchnia stymulująca jest wyfrezowana w czołowej części pręta z Delrinu o średnicy 0,5 cala. Podstawa pręta jest docięta do przekroju kwadratowego, co pozwala na jego dopasowanie do kwadratowych wycięć w obracającym się dysku. Powierzchnia przedstawionego elementu to kratka o przebiegu prostokątnym, z równoległymi rowkami i grzbietami o tej samej szerokości.
v. Sterowanie komputerowe
TAPS jest w pełni zautomatyzowanym systemem sterowanym komputerowo. Do sterowania urządzeniem można wykorzystać wiele konfiguracji sprzętowych i programowych. Obecnie używamy komputera Macintosh G3 z oprogramowaniem LabVIEW 6.1 (National Instruments). Komputer komunikuje się za pośrednictwem płyty sterownika silnika ze sterownikiem silnika krokowego, aby wydawać polecenia siłownikowi i silnikom dysku oraz odczytywać dane z czujników położenia bazowego i wyłączników krańcowych. Płyta akwizycji danych PCI odczytuje sygnały z czujnika siły i przycisków odpowiedzi badanego.
vi. Ograniczenia dotyczące siły i czasu
Zakres siły: Do dostarczania bodźców wykorzystaliśmy TAPS z siłami w zakresie od 10 do 50 g. Przypuszczamy, że tarcie w komponentach utrudniałoby dostarczanie bodźców przy siłach poniżej około 5 g, a przy siłach przekraczających około 100 g pojawiłaby się pewna niestabilność mechaniczna.
Interwał międzybodźcowy (ISI): Odległość między powierzchniami bodźców a palcem oraz stabilne prędkości siłownika liniowego i silnika krokowego tarczy wspólnie określają dolną granicę ISI, jaką może osiągnąć urządzenie. Szacujemy tę granicę na około 1.5 seconds. W związku z tym urządzenie nie jest odpowiednie do zastosowań takich jak eksperymenty z maskowaniem, które wymagają ISI krótszego niż sekunda.
3. Przeprowadzenie eksperymentu
Opisujemy tutaj jeden z protokołów, w których można zastosować TAPS: zadanie orientacji kratki z wymuszonym wyborem z dwóch opcji (2-IFC) z bayesowskim śledzeniem adaptacyjnym. TAPS można zaprogramować również dla wielu innych protokołów psychofizycznych. Wcześniej wykorzystaliśmy go do przeprowadzenia eksperymentów 2-IFC ze śledzeniem schodkowym1,2 oraz z metodą stałych bodźców. Oczywiście program ten umożliwia przeprowadzanie procedur tak/nie, jak również 2-IFC.
W zadaniu 2-IFC GOT wykorzystujemy kratki o przebiegu prostokątnym, które stykają się z dystalną częścią opuszki palca z prędkością początkową 4 cm/sec, siłą nacisku 50 gm i czasem kontaktu 1 sec. Każna próba składa się z dwóch sekwencyjnych prezentacji bodźców (ISI: 2 sec) z kratkami o identycznej szerokości rowków, ale różniących się orientacją o 90 stopni. W jednej prezentacji rowki są ułożone pionowo (równolegle), a w drugiej poziomo (poprzecznie) w stosunku do długiej osi palca. Kolejność bodźców jest wybierana losowo przez program komputerowy. Badany wskazuje, czy orientacja pozioma wystąpiła w pierwszym czy drugim przedziale, naciskając jeden z dwóch przycisków dłonią niedodatkowaną. Bayesowska metoda adaptacyjna dostosowuje szerokość rowków z próby na próbę.
Zaprogramowaliśmy TAPS z wykorzystaniem zmodyfikowanej wersji metody psi (Ψ), będącej bayesowskim algorytmem adaptacyjnym3. Metoda ta posiada kilka zalet w porównaniu z konwencjonalnymi metodami adaptacyjnymi, takimi jak metody schodkowe. Po pierwsze, metoda psi szacuje nie tylko pojedynczy punkt na funkcji psychometrycznej (np. próg 71% szacowany przez schodkowanie 2-down 1-up), ale całą funkcję psychometryczną. Po drugie, metoda ta dostarcza bayesowskich a posteriori rozkładów prawdopodobieństwa (a tym samym przedziałów ufności) dla parametrów funkcji psychometrycznej. Wreszcie, metoda ta jest wydajna. Przechowuje ona w pamięci tysiące możliwych kształtów funkcji psychometrycznej i aktualizuje a posteriori prawdopodobieństwo każdej funkcji po każdej odpowiedzi. Następnie wykorzystuje procedurę minimalizacji oczekiwanej entropii do wyboru kolejnego bodźca; oznacza to, że w każdej próbie wybiera bodziec, który w przewidywany sposób zmaksymalizuje przyrost informacji.
Zgodnie z metodą Kontsevicha i Tylera3, d-prime modelowaliśmy jako funkcję potęgową poziomu bodźca, a psychometryczną funkcję każdego badanego – Pc(x), czyli prawdopodobieństwo poprawnej odpowiedzi w zależności od poziomu bodźca, x – jako mieszaninę skumulowanej funkcji rozkładu normalnego (probit) i składnika określającego współczynnik pomyłek (lapse rate):
W powyższych wzorach a to próg (poziom bodźca odpowiadający 76% prawdopodobieństwu poprawnej odpowiedzi, d-prime = 1), a b to nachylenie funkcji psychometrycznej badanego.
Zmodyfikowaliśmy algorytm Ψ, traktując tempo spadku (delta) jako parametr o nieznanej wartości i obliczając „bayesowski współczynnik zgadywania” po każdej próbie:
Ten współczynnik Bayesa jest stosunkiem wiarygodności, który porównuje prawdopodobieństwo danych przy hipotezie 1 (badany zgaduje) z prawdopodobieństwem danych przy hipotezie 2 (badany posiada funkcję psychometryczną). Licznikiem jest prawdopodobieństwo danych badanego, D (poprawne i błędne odpowiedzi dla każdej z zaprezentowanych szerokości rowka), przy założeniu, że badany po prostu zgaduje (50% prawdopodobieństwa poprawnej odpowiedzi) we wszystkich próbach aż do próby aktualnej włącznie. Mianownikiem jest prawdopodobieństwo danych przy najlepszym oszacowaniu funkcji psychometrycznej badanego przez algorytm. Z naszego doświadczenia wynika, że u większości młodych badanych współczynnik Bayesa szybko dąży do zera w miarę postępu bloku testowego, co wskazuje, że wyniki badanego są zgodne z funkcją psychometryczną. U niektórych starszych badanych współczynnik Bayesa wzrasta powyżej jedności, co wskazuje, że badany nie jest w stanie wykonać zadania. System TAPS można zaprogramować tak, aby zakończył blok testowy, jeśli bayesowski współczynnik zgadywania przekroczy wartość progową po określonej liczbie prób.
4. Wyniki
Rysunek 4 przedstawia blok eksperymentalny składający się z 40 prób z eksperymentu 2-IFC GOT. Ten blok 40 prób obejmował 80 bodźców podanych na środkowy palec prawej ręki badanego, z 1-sekundowym czasem kontaktu i 2-sekundowym ISI pomiędzy kontaktami w ramach jednej próby. Próg poprawności 76% dla badanego wyniósł 1,7 mm, co wskazuje moda funkcji gęstości prawdopodobieństwa a posteriori (PDF) dla parametru progu (panel C). 95% przedział ufności dla parametru progu badanego, wyznaczony przez szerokość PDF a posteriori, wyniósł 1,3 - 1,9 mm.
Rysunek 4. Wyniki zadania z wymuszonym wyborem między dwoma interwałami w ocenie orientacji prążków. A. Blok eksperymentalny składający się z 40 prób, przeprowadzonych w tym przypadku na prawym palcu środkowym. Poprawne (symbole plus) i błędne (puste okręgi) odpowiedzi badanego dla różnych szerokości rowków naniesiono w funkcji numeru próby. Bayesianowska metoda adaptacyjna (patrz tekst) określiła sekwencję stosowanych szerokości rowków na podstawie wyników badanego. B. Najlepiej dopasowana funkcja psychometryczna dla tego badanego. C. A posteriori gęstość prawdopodobieństwa dla szerokości rowka, przy której badany uzyskał 76% poprawnych odpowiedzi (parametr a funkcji psychometrycznej, odpowiadający d-prime = 1).
Dyskusja
Kontrolowane dostarczanie przestrzennie ustrukturyzowanych bodźców mechanicznych stwarza wyzwania, z którymi nie mierzy się w przypadku dostarczania bodźców wizualnych lub słuchowych, do których można wykorzystać dostępny komercyjnie sprzęt (ekrany komputerowe, głośniki audio). Z tego powodu wiele eksperymentów z zakresu psychofizyki dotyku wciąż przeprowadza się przy użyciu ręcznego dostarczania bodźców.
Ręczne podawanie bodźców dotykowych jest czasochłonne i wymaga od badacza dużej staranności oraz koncentracji. Na przykład Bleyenheuft i wsp.4 donoszą, że „stosowano ręczną aplikację deformacji skóry prostopadłej o wielkości około 1-2 mm... badacz zwracał szczególną uwagę na to, aby uniknąć jakichkolwiek naprężeń ścinających między skórą a kratką, co mogłoby zniekształcić pomiar...”. Być może ze względu na to, że ręczne podawanie bodźców jest stosunkowo wolne i wymaga dużego skupienia, w wielu badaniach z wykorzystaniem tej metody stosowano protokoły odpowiedzi tak/nie (tylko jeden bodziec na próbę) zamiast protokołów wymuszonego wyboru z dwóch przedziałów.
Niestety, nawet przy zachowaniu ogromnej ostrożności, ręczne podawanie bodźca sprawia, że wiele parametrów stymulacji pozostaje niekontrolowanych. Parametry te obejmują siłę bodźca, prędkość początkową, czas trwania oraz stabilność powierzchni bodźca na skórze. Spośród tych parametrów najlepiej zbadanym pod kątem wpływu na wyniki jest prawdopodobnie siła bodźca. U ludzi obserwuje się stopniową poprawę w dyskryminacji orientacji prążków na opuszku palca, gdy głębokość wgłębienia zmienia się z 500 do 1200 mikronów5; wyniki są lepsze przy sile 10 gram niż przy sile 50 gram1, choć nie odnotowano dalszej poprawy w zakresie od 50 gram do 200 gram6. W przypadku innych zastosowań, takich jak detekcja prążków (rozróżnianie powierzchni gładkiej od żłobionej), zwiększenie siły znacząco poprawia wyniki w całym zakresie od 10 do 200 gram2,6.
Aby pokonać problemy związane z testowaniem manualnym, opracowaliśmy zautomatyzowany system TAPS. Naszym celem przy budowie TAPS było stworzenie prostego, bezpiecznego, wszechstronnego, wydajnego i przystępnego cenowo urządzenia do kontrolowanego aplikowania bodźców dotykowych. Kontrolowane wykorzystanie grawitacji jest prostym i bezpiecznym sposobem aplikacji bodźca dotykowego. Bezpieczeństwo jest zapewnione, ponieważ siła nacisku na skórę nie może przekroczyć siły wynikającej z grawitacji. Wydajny siłownik liniowy służy jedynie do przeniesienia siły grawitacji na skórę, a następnie do wycofania kontaktu. Urządzenie jest wszechstronne, ponieważ pozwala na zastosowanie dowolnych powierzchni stymulujących wykonanych (lub przymocowanych) do końców prętów o średnicy pół cala i może być programowane do realizacji różnych protokołów psychofizycznych. TAPS jest wydajny, ponieważ szybko aplikuje bodźce i może uruchamiać oszczędzające czas algorytmy adaptacyjne. Wreszcie, komponenty systemu TAPS są przystępne cenowo dla osób dysponujących niewielkimi grantami. Silniki kosztują około 1 500 USD; komponenty elektryczne (z wyłączeniem komputera, ale wliczając karty PCI i sterownik silnika krokowego) około 6 000 USD. Mini-frezarkę wraz z akcesoriami można zakupić za około 1 000 USD lub można wynająć profesjonalnego mechanika do wyfrezowania elementów stymulujących i wykonania innych małych części.
Mamy nadzieję, że system ten zostanie powielony przez innych i przyczyni się do promowania przejścia w stronę kontrolowanych testów dotykowych, w których w ostatnich latach odnotowano obiecujące postępy5,7,8,9.
Podziękowania
Niniejsza praca była wspierana przez grant National Eye Institute nr 1 R15 EY13649-01 oraz indywidualny grant Discovery z Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC). Specjalne podziękowania kierujemy do Dedy Gillespie za obróbkę metali oraz konsultacje w zakresie projektowania i konstrukcji urządzenia.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Pręty z tworzywa Delrin o średnicy 0.5” i długości 3” | Small Parts | ZRD-08 | Pręty, z których wykonane są elementy stymulujące |
| Łożysko ze stali chromowej, średnica otworu 0.5" | Small Parts | BR-08-01 | Oś obrotu pręta obrotowego |
| Łożysko plastikowe, otwór 0.5”, średnica zewnętrzna 1.125”, grubość 0.25” | Small Parts | BRP-08-01 | Koło na końcu pręta obrotowego |
| Kurtyna z włókna szklanego, grubość 0.75” | McMaster-Carr | 9781T83 | Kurtyna dźwiękochłonna wokół dolnego stołu |
| Silikonowe pierścienie O-ring, średnica wewnętrzna 5/16" | McMaster-Carr | AS568A- 011 | Do redukcji wibracji elementów stymulujących |
| Podkładki antywibracyjne 2"x 2", maks. 93 PSI | McMaster-Carr | 60105K61 | Umieszczone pod siłownikiem liniowym |
| Gumowe wibroizolatory 1/2" wys. x 3/8" szer. | McMaster-Carr | 9378K11 | Umieszczone pod podstawą siłownika liniowego |
| Silnik krokowy Nema 23, 3-stack | Industrial Devices | S23 | Do obracania tarczy stymulującej |
| Liniowy siłownik beztłokowy | Industrial Devices | R2S23N-105A-18-l-M35M | Do sterowania ruchem pręta obrotowego |
| 1 przełącznik efektu Halla w konfiguracji “normalnie otwarty” | Industrial Devices | RP1 | Czujnik pozycji bazowej siłownika |
| 2 przełączniki efektu Halla w konfiguracji “normalnie zamknięty” | Industrial Devices | RP2 | Czujniki krańcowe siłownika |
| Mikroprzełącznik | Honeywell | FSG15N1A | Czujnik siły nacisku palca |
| Czujnik refleksyjny | Honeywell | FE7B-RB6VG-M | Czujnik pozycji elementu |
| Płyta sterownika silnika, sterowanie w pętli zamkniętej | National Instruments | PCI-step-4CX | Pośredniczy w komunikacji między komputerem a Nudrive |
| Sterownik silnika krokowego Nudrive | National Instruments | Nudrive 4SX-211 | Przesyła napięcia sterujące do siłownika liniowego i silników krokowych tarczy |
| Płyta akwizycji danych | National Instruments | PCI-MIO-16E-1 | Odczytuje dane z czujnika siły nacisku palca |
| LabVIEW | National Instruments | Język programowania | |
| Biblioteka Valuemotion | National Instruments | Procedury sterowania silnikiem | |
| Czujnik foto–elektryczny | Panasonic | PM-K53-C1 | Czujnik pozycji bazowej tarczy |
| Mini frezarka | Sherline | 2010-DRO | Do obróbki powierzchni stymulujących |
| Zestaw mas precyzyjnych Ohaus | Edmund Scientific | Masa na pręcie obrotowym | |
| Aluminiowe dno formy do ciasta Parrish Magic Line, średnica 9” | Sur La Table | Tarcza obrotowa z wyfrezowanymi kwadratowymi otworami do mocowania elementów stymulujących | |
Bibliografia
- Goldreich, D. &, Kanics, I. M. Tactile acuity is enhanced in blindness. J. Neurosci. 23, 3439-3445 (2003).
- Goldreich, D. &, Kanics, I. M. Performance of blind and sighted humans on a tactile grating detection task. Percept. Psychophys. 68, 1363-1371 (2006).
- Kontsevich, L. L. &, Tyler, C. W. Bayesian adaptive estimation of psychometric slope and threshold. Vision. Res. 39, 2729-2737 (1999).
- Bleyenheuft, Y., Cols, C., Arnould, C. &, Thonnard, J. L. Age-related changes in tactile spatial resolution from 6 to 16 years. Somatosens. Mot. Res. 23, 83-87 (2006).
- Johnson, K. O. &, Phillips, J. R. Tactile spatial resolution. I. Two-point discrimination, gap detection, grating resolution, and letter recognition. J. Neurophysiol. 46, 1177-1192 (1981).
- Gibson, G. O. &, Craig, J. C. The effect of force and conformance on tactile intensive and spatial sensitivity. Exp. Brain Res. 170, 172-181 (2006).
- Johnson, K. O. &, Phillips, J. R. A rotating drum stimulator for scanning embossed patterns and textures across the skin. J. Neurosci. Methods. 22, 221-231 (1988).
- Craig, J. C. Grating orientation as a measure of tactile spatial acuity. Somatosens. Mot. Res. 16, 197-206 (1999).
- Killebrew, J. H. A dense array stimulator to generate arbitrary spatio-temporal tactile stimuli. J. Neurosci. Methods. 161, 62-74 (2007).
Przedruki i uprawnienia
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie