Ten artykuł opisuje technikę stosowania bodźców wibrodotykowych na udo ludzkiego uczestnika oraz mierzenie dokładności i czasu reakcji wolicjonalnej uczestnika dla różnych kombinacji lokalizacji i częstotliwości stymulacji.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Ten artykuł opisuje technikę stosowania bodźców wibrodotykowych na udo ludzkiego uczestnika oraz mierzenie dokładności i czasu reakcji wolicjonalnej uczestnika dla różnych kombinacji lokalizacji i częstotliwości stymulacji.
Systemy sztucznego sensorycznego sprzężenia zwrotnego (ASF) mogą być używane do kompensacji utraty propriocepcji u osób z upośledzeniem kończyn dolnych. Skuteczne projektowanie tych systemów ASF wymaga dogłębnego zrozumienia, w jaki sposób parametry określonego mechanizmu sprzężenia zwrotnego wpływają na percepcję i reakcję użytkownika na bodźce. W artykule przedstawiono metodę stosowania bodźców wibrodotykowych u uczestników i pomiaru ich reakcji. Silniki wibracyjne o masie wirującej są umieszczane w określonych miejscach na udzie uczestnika i sterowane za pomocą niestandardowego sprzętu i oprogramowania. Szybkość i dokładność reakcji wolicjonalnych uczestników na bodźce wibrodotykowe są mierzone dla określonych przez badaczy kombinacji umiejscowienia motorycznego i częstotliwości wibracji. Podczas gdy opisany tutaj protokół wykorzystuje przyciski do zbierania prostej odpowiedzi binarnej na bodźce wibrodotykowe, technikę tę można rozszerzyć na inne mechanizmy odpowiedzi wykorzystujące inercyjne jednostki pomiarowe lub czujniki ciśnienia do pomiaru odpowiednio kąta stawu i współczynnika nośności. Podobnie, zastosowanie bodźców wibrodotykowych można badać dla segmentów ciała innych niż udo.
Sztuczną informację zwrotną (ASF – artificial sensory feedback) można zdefiniować jako praktykę dostarczania osobom w czasie rzeczywistym informacji biologicznych, często w celu zrekompensowania upośledzonej propriocepcji lub innych mechanizmów sensorycznych. ASF jest od dawna stosowana w rehabilitacji osób z urazami lub niepełnosprawnościami, aby wspomóc odzyskiwanie aspektów funkcji fizycznych i ruchu1-3, umożliwiając osobom kontrolę procesów fizycznych, które niegdyś były nieświadomą odpowiedzią autonomicznego układu nerwowego4. Podkategoria ASF, biofeedback biomechaniczny, wykorzystuje zewnętrzne czujniki do pomiaru parametrów związanych z równowagą lub kinematyką chodu i przekazuje te informacje osobie za pomocą określonego rodzaju zastosowanego bodźca. Coraz popularniejsze podejście do biofeedbacku biomechanicznego wykorzystuje małe silniki wibracyjne, tzw. taktory, umieszczone w różnych częściach ciała, aby zapewnić informację zwrotną w wymiarze przestrzennym oraz czasowym. Wcześniejsza literatura wykazała obiecujące wyniki wspierające zastosowanie wibrotaktylnej informacji zwrotnej u osób z amputacjami kończyn dolnych, zaburzeniami błędnika oraz związaną z wiekiem utratą równowagi5-9.
Gruntowne zrozumienie mechanizmów kontrolujących percepcję i reakcję jednostki na określone bodźce jest niezbędne do skutecznego wdrażania systemów ASF w różnych zastosowaniach. W przypadku sprzężenia zwrotnego wibrotaktylnego głównymi mechanizmami są propriocepcja oraz odpowiedź sensoromotoryczna, a w szczególności wrażliwość użytkownika na przyłożone wibracje oraz czas wymagany do wykonania pożądanej reakcji. Wszelkie informacje sensoryczne przekazywane za pomocą bodźców wibracyjnych muszą być zakodowane jako specyficzne kombinacje częstotliwości, amplitudy, lokalizacji i sekwencji wibracji. W związku z tym projektowanie wibrotaktylnych systemów ASF powinno zakładać dobór takich kombinacji parametrów, aby zmaksymalizować percepcję i interpretację bodźców przez użytkownika, a także terminowość i dokładność wynikowej odpowiedzi motorycznej. Celem niniejszego protokołu jest zapewnienie platformy do oceny czasu i dokładności reakcji na różne bodźce wibracyjne, co pozwoli na optymalizację projektowania systemów ASF przeznaczonych dla różnych grup osób z zaburzeniami sensorycznymi.
Metody opisane w niniejszym materiale opierają się na wcześniejszych badaniach dotyczących ludzkiej percepcji sprzężenia zwrotnego dotykowego i wibrotaktylnego3,5,6 i zostały opracowane do wykorzystania w dwóch poprzednich badaniach10,11. W tych dwóch ostatnich badaniach zastosowano ten protokół w celu zbadania wpływu częstotliwości i lokalizacji wibracji na dokładność i terminowość reakcji użytkowników u osób z amputacjami kończyn dolnych, wykazując, że oba parametry istotnie wpływają na mierzone wyniki oraz że można osiągnąć wysoki stopień dokładności odpowiedzi. Wyniki te mogą służyć do określenia optymalnego rozmieszczenia taktorów w przyszłych badaniach i klinicznych zastosowaniach systemów ASF z wibrotaktylnym sprzężeniem zwrotnym. Inne niedawne prace zespołu Crea et al.12 badały wrażliwość użytkowników na zmiany wzorców wibracji przykładanych do uda podczas chodzenia, wykorzystując odpowiedzi werbalne do sygnalizowania postrzeganych zmian w wzorcach wibracji, zamiast reakcji motorycznej. Chociaż odpowiedzi werbalne mogą być wykorzystywane do pomiaru dokładności detekcji, nie uwzględniają one błędów i opóźnień, które mogą występować w procesie kontroli motorycznej.
Podstawowy układ do następujących eksperymentów składa się z kilku silników wibracyjnych podłączonych do wyjść z modulacją szerokości impulsu (PWM) płytki mikrokontrolera. Płytka ta jest z kolei sterowana za pomocą połączenia Universal Serial Bus (USB) z komputerem z zainstalowanym komercyjnym oprogramowaniem do projektowania systemów. Silniki wymagają dodatkowego układu wzmacniającego, aby zapewnić dostarczenie odpowiedniego napięcia i natężenia prądu w szerokim zakresie częstotliwości wibracji. Przykładowy układ wzmacniacza przedstawiono na Rysunku 1. Tranzystor bipolarny (BJR) na rysunku można zastąpić mniejszym tranzystorem polowym z izolowaną bramką (MOSFET) w celu uzyskania wydajniejszej pracy i mniejszych rozmiarów. Podobnie cały układ wzmacniający można zastąpić gotowym sterownikiem silnika haptycznego, aby zapewnić dodatkową kontrolę i zredukować rozmiary. Każdy silnik wymaga oddzielnego układu i przy użyciu sprzętu wymienionego w niniejszej pracy jedna płytka mikrokontrolera może sterować maksymalnie dziesięcioma silnikami.

Rysunek 1. Okablowanie silnika. (A) Przedstawiono obwód wzmacniający dla pojedynczego silnika wibracyjnego. Każdy silnik wymaga osobnego obwodu i musi być podłączony do unikalnego portu wyjściowego PWM w mikrokontrolerze. VDD oznacza tutaj zasilanie 3.3 V dostarczane przez płytkę mikrokontrolera, a rezystor R2 pełni funkcję rezystora podciągającego do masy (pull-down), aby zapewnić, że przełącznik tranzystorowy pozostanie otwarty przy przyłożeniu napięcia zero. (B) Przykład fizycznego okablowania dwóch silników. Choć pokazano osiem oddzielnych obwodów wzmacniających, tylko dwa są podłączone do silników wibracyjnych. W niniejszym protokole R1 = 4.7 kΩ i R2 = 100 kΩ. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poniższy protokół został zatwierdzony przez Komisję Etyki Badań w Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital.
1. Kalibracja silnika

Rysunek 2. Akcelerometr zamontowany na silniku. Trójsiowy akcelerometr (zielony) jest zamontowany na silniku monetowym w taki sposób, aby jego oś z była prostopadła do płaskiej powierzchni silnika w celu kalibracji. Każdy silnik był aktywowany przy użyciu różnych cykli pracy, a odpowiadające im częstotliwości wibracji były rejestrowane przez akcelerometr. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
2. Umieszczanie silników

Rysunek 3. Platforma testowa do eksperymentów. Zbudowano specjalną platformę testową do umieszczenia płytek mikrokontrolera i przycisków. Silniki można mocować bezpośrednio do skóry (jak pokazano) lub za pomocą wkładki protezy umieszczonej między silnikiem a skórą. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
3. Eksperyment 1: Podawanie bodźców i pomiar czasu reakcji
4. Eksperyment 2: Rozróżnianie bodźców
Uwaga: Niniejszy eksperyment można przeprowadzić całkowicie niezależnie od Eksperymentu 1. Można użyć pojedynczego silnika lub wielu silników. Konkretne rozmieszczenie silników może się różnić w zależności od zastosowania i pytań badawczych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rysunek 4 przedstawia krzywe kalibracyjne określające wartość PWM dla częstotliwości wibracji 180 Hz pojedynczego silnika. Zaczynając od cyklu pracy 50%, wartości PWM są iterowane do momentu wystąpienia głównego piku częstotliwości przy 180 Hz. Pomyślne próby kalibracji powinny wykazać wyraźny pik przy głównej częstotliwości wibracji. Słaba stabilizacja akcelerometru na silniku lub silnika na powierzchni wsporczej może skutkować bardziej rozproszonym FFT bez wyraźnego piku. W takiej sytuacji próbę kalibr...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Celem tego protokołu jest zapewnienie ram do oceny parametrów stymulacji w wibrodotykowych aplikacjach ASF. W szczególności bada wpływ częstotliwości, amplitudy, lokalizacji i sekwencji drgań na reakcję sensomotoryczną użytkownika. Ramy te można rozbudowywać i rozszerzać o dodatkowe lub alternatywne rodzaje reakcji użytkownika, które mogą być bardziej istotne klinicznie, takie jak zginanie stawu lub przenoszenie ciężaru ciała z jednej nogi na drugą. Tego typu zmiany wymagałyby nieco innych konfiguracji sprzętowych, a mia...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ten protokół został opracowany dla badań wspieranych przez Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (grant RGPIN 401963).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Wibracyjne silniki pagerów | Precyzyjne mikronapędy | Model 310-101 | Mimośrodowe obrotowe silniki masowe na monety. Tyle, ile jest potrzebne do przetestowania wszystkich interesujących lokalizacji i interakcji |
| Trójosiowy akcelerometr | Dimension Engineering | ADXL 335 | Zaawansowany akcelerometr analogowy. 500 Pasmo Hz, 3,5-15 Wejście V. Zaprojektowany do pomiaru ruchu, nachylenia i nachylenia, a także wykrywania wibracji i wstrząsów. |
| Arduino Uno | Arduino | DEV-11021 | Płytka mikrokontrolera do komunikacji z akcelerometrem trójosiowym |
| Arduion Mega 2560 | Arduino | DEV-11061 | Płytka mikrokontrolera do łączenia z silnikami wibracyjnymi. |
| Oprogramowanie do | National Instruments | służące do sterowania silnikami i wyświetlania sygnałów akcelerometru | |
| Oprogramowanie Arduino IDE | Arduino | v. 1.6.5 | |
| Push-Button | Bridges | Buddy Button Przełącznik | przewodowy z 2,5 w/6.35 Powierzchnia aktywacji CM, która zapewnia kliknięcie dźwiękowe i dotykowe sprzężenie zwrotne. |
| Opcjonalnie: | |||
| Dedykowany sterownik silnika haptycznego | Texas Instruments | DRV2605L | Może być używany do wymiany całego obwodu wzmacniającego opisanego w kroku 1. |
| Elastyczny goniometr do noszenia | Biometrics Ltd. | SG110 | Dwuosiowe elastyczne goniometry do pomiaru kątów w maksymalnie dwóch płaszczyznach ruchu, które mogą być używane zamiast przycisku do pomiaru ruchu stawów w odpowiedzi na bodźce. www.biometricsltd.com/gonio.htm |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.