Metoda oceny terminowości i dokładności wolicjonalnych reakcji motorycznych na bodźce wibrodotykowe
August 2nd, 2016
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.
Ogólnym celem tego eksperymentalnego protokołu jest ocena, jak szybko i dokładnie dana osoba może reagować na określone rodzaje bodźców wibrodotykowych. Metoda ta może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie inżynierii rehabilitacji, takie jak to, jaki rodzaj informacji sensorycznych może być przekazywany za pomocą wibrodotykowego sprzężenia zwrotnego i jaki jest najlepszy sposób przedstawiania informacji sensorycznych za pomocą sygnałów wibrodotykowych. Główną zaletą tej techniki jest to, że jest ona bardzo elastyczna w różnych zastosowaniach biofeedbacku i może być łatwo dostosowana do użytku z różnymi bioczujnikami, takimi jak czujniki ciśnienia do pomiaru siły reakcji lub goniometry do pomiaru kątów połączeń.
Chociaż ta metoda zapewnia wgląd w to, jak ludzie reagują na wibracje, ma zastosowanie do określonych obszarów uda, można ją również rozszerzyć na inne obszary ciała. Testując różne konfiguracje dotykowe, możemy lepiej zrozumieć, jakie rodzaje informacji można przekazywać za pomocą biofeedbacku. Tę procedurę zademonstruje Sam Shi, doktorant w naszym laboratorium.
Rozpocznij kalibrację silnika od podłączenia dużej płytki mikrokontrolera do komputera za pomocą portu USB. W oryginalnym oprogramowaniu mikrokontrolera kliknij ikonę przesyłania oznaczoną zakreśloną strzałką w prawo, aby przesłać niestandardowy skrypt motor_test. ino do płytki za pomocą złącza USB.
Następnie podłącz wyjście osi Z akcelerometru triaxis do jednego z analogowych portów wejściowych mniejszej płytki mikrokontrolera. Podłącz przewody dodatni i masowy z akcelerometru odpowiednio do udowej i portów uziemienia płytki mikrokontrolera. Następnie zamontuj akcelerometr na silniku wibracyjnym, upewniając się, że jego oś z jest prostopadła do płaskiej powierzchni silnika, a następnie umieść silnik na twardej powierzchni.
Otwórz plik motor_calibration. vi w oprogramowaniu do pytania o dane i podłącz mniejszy mikrokontroler akcelerometru do komputera przez port USB. Następnie, korzystając z podanych pól, określ port szeregowy dla wejścia mikrokontrolera, a także częstotliwość próbkowania 500 Hz i 1000 próbek do zebrania.
Korzystając z szybkiego wyświetlacza transformacji 48 w interfejsie motor_calibration. vi, zidentyfikuj największy szczyt i zarejestruj odpowiednią wartość częstotliwości drgań. Powtórz wszystkie dotychczasowe kroki, a także ręcznie nagraj impuls z modulowaną lub PWM zależnością częstotliwości dla każdego silnika.
Następnie otwórz plik experiment1. vi dla każdego silnika. Kliknij prawym przyciskiem myszy menu rozwijane częstotliwości i wybierz właściwość.
Na karcie edycji elementów użyj tabeli, aby wprowadzić żądane częstotliwości i odpowiadające im poziomy PWM. Wybierz przycisk OK, aby wyjść. Na koniec, po skalibrowaniu wszystkich silników, użyj dwustronnej taśmy, aby zamontować każdy z nich na udzie.
W szczególności umieść jeden silnik na każdej z przednich, tylnych, przyśrodkowych i bocznych powierzchni uda mniej więcej w połowie odległości między krętarzem większym a bocznym kłykciem kości udowej. Aby rozpocząć pierwszy eksperyment, podłącz przycisk bezpośrednio do jednego z portów USB komputera za pomocą złącza szeregowego na USB i upewnij się, że zainstalowano wszystkie wymagane sterowniki. Otwórz eksperyment1.
vi i wybierz plik, aby zapisać wyniki. Następnie użyj menu rozwijanych w interfejsie oprogramowania, aby wybrać porty wejściowe przycisków i częstotliwości silnika. Uruchom program.
Gdy uczestnik poczuje wibrację, poproś go, aby nacisnął przycisk nogą, w której zastosowano informację zwrotną. Po naciśnięciu przycisku potwierdź odpowiedź w interfejsie oprogramowania do akwizycji danych, zauważając, że zegar przestał odliczać. Na koniec wybierz nowy zestaw częstotliwości z menu rozwijanych, aby zresetować silniki do następnej próby.
Rozpocznij drugi eksperyment od podłączenia drugiego przycisku do innego portu USB za pomocą szeregowego złącza USB. Następnie otwórz eksperyment2. vi Interfejs akwizycji danych.
Aby zbadać wrażliwość na częstotliwość w różnych częściach nogi, umieść pojedynczy silnik na udzie w połowie drogi między krętarzem większym a bocznym kłykciem kości udowej na każdej z powierzchni przedniej, tylnej, bocznej i przyśrodkowej. Następnie kliknij ikony silników w interfejsie oprogramowania, aby wybrać konkretne silniki, które mają zostać aktywowane, a także żądaną sekwencję częstotliwości. Aby przetestować czułość użytkownika, na częstotliwości 140 Hz, 180 Hz i 220 Hz zacznij od wybrania jednej kombinacji.
Na przykład 180 herców, a następnie 140 herców. Wprowadź czas oczekiwania i czas silnika. Następnie uruchom program.
Aby przetestować inne kombinacje częstotliwości, wybierz nowy test częstotliwości, taki jak 220 Hz, a następnie 180 Hz i ponownie uruchom program. Na koniec poproś uczestnika, aby nacisnął jeden z dwóch przycisków, aby wybrać, czy druga postrzegana częstotliwość była wyższa czy niższa niż pierwsza i obserwować odpowiedzi, które są automatycznie rejestrowane przez program. Wyniki szybkiej transformacji 48 danych przyspieszenia są pokazane tutaj dla pojedynczego silnika poddawanego kalibracji.
Przeprowadzono cztery ścieżki w celu zidentyfikowania poziomu PWM odpowiadającego drganiom 180 Hz. Porównując osoby sprawne fizycznie z trzema osobami po amputacji udowej, czas reakcji dla osób sprawnych znacznie się zmniejszył, ponieważ częstotliwość wzrosła ze 140 Hz do 220 Hz. Podczas gdy te dla osób po amputacjach nie.
Po opanowaniu protokół ten można ukończyć w ciągu 30 minut do godziny, w zależności od liczby testowanych kombinacji lokalizacji częstotliwości. Podczas próby wykonania tej procedury ważne jest, aby upewnić się, że trackery utrzymują dobry kontakt z udem przez cały czas trwania eksperymentów. Należy zadbać o to, aby upewnić się, że trackery są bezpieczne przed każdym badaniem.
Podczas gdy opisany tutaj protokół wykorzystuje przyciski do rejestrowania reakcji użytkownika, metoda może być rozszerzona na inne mechanizmy reakcji, które są bardziej fizjologicznie istotne, takie jak zginanie kolana. Po jej opracowaniu metoda ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się inżynierią rehabilitacyjną do zbadania różnych strategii przekazywania informacji sensorycznych z różnych źródeł za pomocą wibrodotykowego sprzężenia zwrotnego u osób sprawnych fizycznie, a także u osób po amputacji kończyn dolnych. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak ocenić szybkość i dokładność reakcji użytkownika na różne kombinacje częstotliwości i lokalizacji stymulacji wibrodotykowej.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł opisuje technikę stosowania stymulacji wibrotaktylnych na udzie uczestnika badania, mierząc dokładność i czas reakcji woli uczestnika. Metoda ma na celu ocenę, w jaki sposób informacje zmysłowe mogą być przekazywane poprzez wibrotaktylny feedback.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauka
- Inżynieria rehabilitacji
- Techniki biofeedbacku
Tło
- Stymulacji wibrotaktylnych można użyć do przekazywania informacji zmysłowych.
- Rozumienie reakcji na wibracje pomaga w rehabilitacji.
- Elastyczność dla różnych zastosowań biofeedbacku.
- Można dostosować do różnych biosensorów.
Cel badania
- Ocena dokładności i szybkości reakcji na stymulację wibrotaktylną.
- Identyfikacja skutecznych metod komunikacji zmysłowej.
- Rozszerzenie wyników na inne obszary ciała.
Zastosowane metody
- Stosowane wibrotaktylne stymulacje na udzie.
- Pomiar czasu reakcji i dokładności.
- Testowanie różnych konfiguracji dotyku.
- Wykorzystanie biosensorów do feedbacku.
Główne wyniki
- Wgląd w reakcje ludzkie na wibracje.
- Identyfikacja optymalnych miejsc i częstotliwości stymulacji.
- Możliwość szerszych zastosowań w biofeedbacku.
- Demonstracja techniki przez studenta magisterskiego.
Wnioski
- Wibrotaktylny feedback może efektywnie przekazywać informacje zmysłowe.
- Metodologia jest elastyczna i może być dostosowana do różnych zastosowań.
- Dalsze badania mogą poprawić zrozumienie feedbacku zmysłowego.
Często zadawane pytania
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
