Metoda oceny terminowości i dokładności wolicjonalnych reakcji motorycznych na bodźce wibrodotykowe

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

Sztuczne sensoryczne sprzężenie zwrotne (ASF) można zdefiniować jako praktykę dostarczania informacji biologicznych w czasie rzeczywistym do osób, często kompensując upośledzoną propriocepcję lub inny mechanizm sensoryczny. ASF jest od dawna stosowany w rehabilitacji osób rannych lub niepełnosprawnych w celu pomocy w odzyskaniu aspektów funkcji fizycznych i ruchu ^1-3, umożliwiając jednostkom kontrolowanie procesów fizycznych, które kiedyś były mimowolną reakcją autonomicznego układu nerwowego⁴. Podkategoria ASF, biomechaniczne biofeedback, wykorzystuje zewnętrzne czujniki do pomiaru parametrów związanych z równowagą lub kinematyką chodu i przekazuje te informacje jednostce za pomocą pewnego rodzaju bodźca stosowanego. Coraz popularniejsze podejście do biomechanicznego sprzężenia zwrotnego wykorzystuje małe silniki wibracyjne lub cylindry, umieszczone w różnych częściach ciała, aby zapewnić przestrzenne i czasowe sprzężenie zwrotne. Wcześniejsza literatura wykazała obiecujące wyniki potwierdzające zastosowanie wibrodotykowego sprzężenia zwrotnego w zastosowaniach u osób z amputacjami kończyn dolnych, upośledzeniami przedsionkowymi i utratą równowagi związaną ze starzeniem się ^5-9.

Dokładne zrozumienie mechanizmów kontrolujących percepcję i reakcję jednostki na określone bodźce jest niezbędne do informowania o skutecznej implementacji systemów ASF dla różnych zastosowań. W przypadku wibrodotykowego sprzężenia zwrotnego głównymi z tych mechanizmów są propriocepcja i reakcja sensomotoryczna, w szczególności wrażliwość użytkownika na zastosowane wibracje i czas potrzebny do wykonania pożądanej reakcji. Wszelkie informacje sensoryczne przekazywane za pomocą bodźców wibracyjnych muszą być zakodowane jako określone kombinacje częstotliwości, amplitudy, lokalizacji i sekwencji wibracji. W związku z tym projektowanie wibrodotykowych systemów ASF powinno dobierać kombinacje parametrów tak, aby maksymalizować percepcję i interpretację bodźców przez użytkownika, a także terminowość i dokładność wynikającej z nich reakcji motorycznej. Celem tego protokołu jest zapewnienie platformy, na podstawie której można oceniać czasy reakcji i dokładność odpowiedzi na różne bodźce wibracyjne, aby informować o projektowaniu systemów ASF do użytku z różnymi populacjami z zaburzeniami sensorycznymi.

Opisane tutaj metody opierają się na wcześniejszych badaniach nad ludzką percepcją dotykowego i wibrodotykowego sprzężenia zwrotnego^3,5,6 i zostały opracowane do użytku w dwóch poprzednich badaniach^10,11. W dwóch ostatnich badaniach wykorzystano ten protokół do zbadania wpływu częstotliwości i lokalizacji drgań na dokładność i terminowość reakcji użytkownika u osób po amputacji kończyny dolnej, wykazując, że oba parametry znacząco wpływają na pomiary wyników i że można osiągnąć wysoki stopień dokładności odpowiedzi. Wyniki te mogą być wykorzystane do określenia idealnego rozmieszczenia taktorów w przyszłych badaniach i zastosowaniach klinicznych wibrodotykowych systemów ASF. Inne niedawne prace Crea i wsp. ¹² zbadano wrażliwość użytkownika na zmiany we wzorcach wibracji wywieranych na udo podczas chodzenia, wykorzystując reakcje werbalne do oznaczania postrzeganych zmian we wzorcach wibracji, a nie reakcję motoryczną. Chociaż te odpowiedzi werbalne mogą być wykorzystywane do pomiaru dokładności wykrywania, nie uwzględniają one błędów i opóźnień, które mogą występować w procesie sterowania silnikiem.

Podstawowa konfiguracja dla poniższych eksperymentów składa się z kilku silników wibracyjnych podłączonych do modulowanych szerokością impulsów pinów wyjściowych płytki mikrokontrolera. Płytka jest z kolei sterowana za pomocą połączenia uniwersalnej magistrali szeregowej (USB) z komputerem z dostępnym na rynku oprogramowaniem do projektowania systemu. Silniki wymagają dodatkowego obwodu wzmacniającego, aby zapewnić dostarczanie wystarczającego napięcia i prądu w szerokim zakresie częstotliwości drgań. Example obwód wzmacniacza pokazano na rysunku 1. Tranzystor dwubiegunowy (BJR) na rysunku można zastąpić mniejszym tranzystorem polowym (MOSFET) z tlenkiem metalu i półprzewodnikiem, co zapewnia bardziej wydajną pracę i mniejsze rozmiary. Podobnie, cały obwód wzmacniający można zastąpić gotowym sterownikiem silnika haptycznego, aby zapewnić dodatkową kontrolę i zmniejszyć rozmiar. Każdy silnik wymaga własnego obwodu, a za pomocą sprzętu wymienionego w tym dokumencie można sterować do dziesięciu silników za pomocą jednej płytki mikrokontrolera.

Rysunek 1. Okablowanie silnika. (A) Pokazano obwód amplifikacji dla pojedynczego silnika wibracyjnego. Każdy silnik wymaga oddzielnego obwodu i musi być podłączony do unikalnego portu wyjściowego PWM w mikrokontrolerze. V_DD reprezentuje tutaj moc 3,3 V dostarczaną przez płytkę mikrokontrolera, a rezystor R2 służy jako rezystor ściągający, aby zapewnić, że przełącznik tranzystora pozostaje otwarty, gdy przyłożone jest zerowe napięcie. (B) Przykład fizycznego okablowania dwóch silników. Chociaż pokazano osiem indywidualnych obwodów wzmacniających, tylko dwa są podłączone do silników wibracyjnych. W tym protokole R1 = 4,7 kΩ i R2 = 100 kΩ. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Protocol

Poniższy protokół został zatwierdzony przez Radę ds. Etyki Badań Naukowych w Szpitalu Rehabilitacyjnym Holland Bloorview Kids.

1. Kalibracja silnika

1. Podłącz płytkę mikrokontrolera do komputera za pomocą portu USB.
2. Korzystając z oryginalnego oprogramowania mikrokontrolera, wgraj niestandardowy skrypt "Motor_and_AccelerometerTest.ino" na płytkę za pomocą połączenia USB, klikając ikonę "Prześlij", oznaczoną zakreśloną strzałką w prawo.
   1. Upewnij się, że poziom wibracji jest ustawiony na zero, aby ustawić silnik w pozycji wyłączonej za pomocą polecenia "analogWrite". Kod powinien brzmieć "analogWrite(vibe1,0); ".
   2. W kodzie mikrokontrolera określ pin wyjściowy z modulacją szerokości impulsu (PWM) odpowiadający interesującemu silnikowi, inicjując zmienną "vibe1".
      Uwaga: Sygnały PWM generują przybliżone wyjścia analogowe z sygnałów cyfrowych generowanych przez mikrokontroler. Piny są oznaczone numerycznie na fizycznej płytce mikrokontrolera. Na przykład, jeśli silnik jest podłączony do pinu wyjściowego PWM "3", upewnij się, że "int vibe1 = 3; " jest określone w kodzie.
3. Podłącz wyjście osi z akcelerometru trójosiowego do jednego z analogowych portów wejściowych płytki mikrokontrolera i podłącz przewody dodatnie i masowe z akcelerometru odpowiednio do portów 5 V i masy (GND) płytki mikrokontrolera.
4. Zamontuj akcelerometr na silniku wibracyjnym, upewniając się, że jego oś z jest prostopadła do płaskiej powierzchni silnika, jak pokazano na rysunku 2, i umieść silnik na twardej powierzchni.
5. Otwórz plik "Motor_Calibration.vi" w oprogramowaniu do akwizycji danych i podłącz mikrokontroler do komputera poprzez port USB.
6. Korzystając z podanych pól, określ port szeregowy dla wejścia mikrokontrolera, korzystając z menu rozwijanego, a także częstotliwość próbkowania i liczbę próbek do zebrania. Uwaga: Częstotliwość próbkowania 500 Hz jest standardem w tych eksperymentach, aby zapobiec aliasowaniu danych przyspieszenia, a zwykle rejestruje się 1,000 próbek.
7. Za pomocą kodu "Motor_and_Accelerometer.ino" określ żądany cykl pracy impulsów PWM dostarczanych do silnika wibracyjnego, ponownie za pomocą polecenia "analogWrite" i ponownie pobierz program na płytkę mikrokontrolera sterującego silnikami (patrz Krok 1.1). Na przykład, aby ustawić liczbę impulsów na 100, kod powinien brzmieć "analogWrite(vibe1,100); ". W tabeli 1 wymieniono wartości PWM i odpowiadające im cykle pracy.
8. Korzystając z wyświetlacza szybkiej transformaty Fouriera (FFT) na interfejsie "MotorCalibration.vi", zidentyfikuj największy szczyt i zapisz odpowiednią wartość częstotliwości drgań (od osi poziomej).
9. Powtórz kroki 1.7-1.8, dostosowując poziomy PWM, aż do osiągnięcia żądanej częstotliwości, rejestrując każdą parę PWM-częstotliwość. Na przykład, jeśli celem jest częstotliwość 100 Hz, wykonuj kroki 1.7-1.8, aż największy szczyt wystąpi powyżej znaku 100 Hz na osi poziomej.
   Uwaga: W przypadku silników wibracyjnych stosowanych w tym protokole docelowe drgania powinny mieścić się w zakresie 60-400 Hz, aby lepiej dopasować częstotliwości odpowiedzi mechanoreceptorów w skórze opisanych w literaturze^5,10,13.
10. Powtórz kroki od 1.2.2 do 1.8 dla każdego silnika, ręcznie rejestrując zależność PWM od częstotliwości dla każdego silnika za pomocą arkusza kalkulacyjnego lub ołówka i papieru.
11. Otwórz plik "Experiment_1.vi". Dla każdego silnika kliknij prawym przyciskiem myszy rozwijane menu częstotliwości i wybierz "Właściwość". W zakładce "Edytuj elementy" skorzystaj z tabeli, aby wprowadzić żądane częstotliwości i odpowiadające im poziomy PWM określone w krokach 1.8-1.9. Wybierz "OK", aby wyjść.
12. Powtórz krok 1.11 dla każdego pliku interfejsu wirtualnego (VI) oprogramowania do projektowania systemu, który ma być używany podczas testowania (np. "Experiment_2.vi", "Experiment_3.vi" itp.).

Rysunek 2. Akcelerometr zamontowany na silniku. Akcelerometr trójosiowy (zielony) jest zamontowany na silniku monetowym z osią Z prostopadłą do płaskiej powierzchni silnika w celu kalibracji. Każdy silnik był aktywowany przy użyciu różnych cykli pracy, a odpowiednie częstotliwości drgań były rejestrowane przez akcelerometr. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Ustawianie silników

1. Po skalibrowaniu wszystkich silników (rozdział 2) zamontuj je na udzie.
   1. Aby osiągnąć wyniki opisane w tym manuskrypcie, umieść po jednym silniku na każdej z przednich, tylnych, przyśrodkowych i bocznych powierzchni uda, mniej więcej w połowie odległości między krętarzem większym a bocznym kłykciem kości udowej (lub dystalnym końcem kończyny u osób po amputacji powyżej kolana).
      Uwaga: Konkretne lokalizacje każdego silnika mogą się różnić w zależności od pytań badawczych i obszarów zainteresowania, a także mogą mieć na nie wpływ czynniki anatomiczne i fizjologiczne, takie jak rodzaj i rozmieszczenie przestrzenne mechanoreceptorów w skórze.
2. Przymocuj silniki bezpośrednio do skóry za pomocą taśmy dwustronnej.
   Uwaga: Golenie obszaru wokół każdego silnika nie jest konieczne, ale może poprawić ich przyczepność do skóry (rysunek 3). W przypadku zastosowań, w których interesujący jest wpływ odzieży, wkładki protetycznej lub innego materiału na percepcję użytkownika, należy umieścić silniki na wierzchu wspomnianego materiału, a nie na skórze.

Rysunek 3. Platforma testowa do eksperymentów. Zbudowano niestandardową platformę testową, na której znajdują się płytki mikrokontrolerów i przyciski. Silniki mogą być przymocowane bezpośrednio do skóry (jak pokazano) lub za pomocą protetycznego wkładu między silnikiem a skórą. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

3. Eksperyment 1: Stosowanie bodźców i rejestrowanie czasu reakcji

1. Ponownie sflashuj płytkę mikrokontrolera za pomocą oprogramowania układowego, aby umożliwić sterowanie płytką za pomocą oprogramowania do akwizycji danych, otwierając plik "LVIFA_Base.pde" z dołączonym pakietem oprogramowania kontrolera i powtarzając Krok 1.1, zastępując "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" skryptem "LVIFA_Base.pde".
2. Podłącz przycisk bezpośrednio do jednego z portów USB komputera za pomocą złącza szeregowego na USB. Upewnij się, że wszystkie wymagane sterowniki są zainstalowane.
3. Otwórz interfejs "Experiment_1.vi".
4. Określ porty szeregowe dla płytki mikrokontrolera podłączonej do silników i przycisku, wybierając odpowiednie numery identyfikacyjne portu szeregowego z menu rozwijanych oznaczonych odpowiednio "Wejście silnika" i "Zielony przycisk". Zidentyfikuj numery identyfikacyjne portów szeregowych za pomocą narzędzia do zarządzania urządzeniami systemu operacyjnego komputera.
5. Wybierz plik, aby zapisać wyniki i uruchomić program.
6. Wybierz silniki i częstotliwości, które mają być aktywowane, wybierając z menu rozwijanych dla każdego silnika w interfejsie "Experiment_1.vi". Poproś uczestnika, aby nacisnął przycisk nogą, na którą nakładana jest informacja zwrotna, gdy wyczuwalna jest wibracja. Po naciśnięciu przycisku potwierdź odpowiedź w interfejsie oprogramowania do akwizycji danych, zauważając, że zegar przestał odliczać, i zresetuj silniki do następnej próby, wybierając nowy zestaw częstotliwości z menu rozwijanych.
7. Po zakończeniu eksperymentu użyj menu rozwijanych, aby przywrócić wszystkie częstotliwości silnika do pozycji zerowej i wybierz przycisk "Zatrzymaj program", aby zakończyć połączenie z płytą sterującą silnika.

4. Eksperyment 2: Rozróżnianie bodźców

Uwaga: Ten eksperyment można przeprowadzić całkowicie niezależnie od Eksperymentu 1. Można użyć jednego silnika lub wielu silników. Konkretne lokalizacje silników mogą się różnić w zależności od zastosowania i pytań badawczych.

1. Podłącz drugi przycisk do innego portu USB za pomocą złącza szeregowego USB.
2. Otwórz interfejs akwizycji danych "Experiment_2.vi".
3. Umieść silniki w lokalizacjach i konfiguracjach wymaganych dla konkretnego zastosowania badawczego. Na przykład, umieść pojedyncze silniki na udzie, w połowie odległości między krętarzem większym a bocznym kłykciem kości udowej (lub dystalnym końcem kończyny u osób po amputacji), na każdej z przednich, tylnych, bocznych i przyśrodkowych powierzchni uda, aby zbadać wrażliwość na częstotliwość w każdej z tych części nogi^10,11.
4. Określ porty szeregowe dla płytki mikrokontrolera i obu przycisków, korzystając z tej samej procedury, co w kroku 3.4. Pamiętaj, aby zanotować, który przycisk jest przypisany do każdego portu.
5. Wybierz konkretne silniki, które mają być aktywowane, i żądaną sekwencję częstotliwości, klikając ikony "Silnik" w interfejsie oprogramowania. Załóżmy na przykład, że testowane są trzy częstotliwości, takie jak 140 Hz, 180 Hz i 220 Hz. Seria testów może wynosić (1) 180 Hz, po którym następuje 140 Hz, (2) 220 Hz, po którym następuje 140 Hz, oraz (3) 180 Hz, po którym następuje 220 Hz.
6. Wprowadź czas opóźnionego startu i czas trwania stymulacji. 1,5 sekundy jest typowe zarówno dla czasu opóźnienia, jak i stymulacji.
7. Uruchom program.
   Uwaga: Po upływie opóźnienia określonego w kroku 4.6 program aktywuje silnik (silniki) z sekwencją sparowanych częstotliwości wybraną w kroku 4.5. Na przykład, jeśli w kroku 4.5 wybrano 180 Hz vs. 220 Hz, odpowiedni silnik będzie najpierw wibrował z częstotliwością 180 Hz przez określony czas, zanim przełączy się na 220 Hz.
8. Poproś uczestnika, aby nacisnął jeden z dwóch przycisków, aby wybrać, czy druga postrzegana częstotliwość była wyższa czy niższa niż pierwsza. Odpowiedzi będą automatycznie rejestrowane przez program.

Results

Rysunek 4 ilustruje krzywe kalibracyjne identyfikujące wartość PWM dla częstotliwości drgań 180 Hz pojedynczego silnika. Począwszy od 50% cyklu pracy, wartości PWM są iterowane, aż do wystąpienia skoku częstotliwości pierwotnej przy 180 Hz. Udane próby kalibracji powinny wykazać wyraźny skok przy pierwotnej częstotliwości drgań. Słabe zamocowanie akcelerometru do silnika lub silnika do powierzchni nośnej może skutkować bardziej rozproszonym FFT bez wyraźnego skoku. W takiej sytuacji próbę kalibracji nale...

Discussion

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...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
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