Wibrodotykowe urządzenie zwrotne do oceny i treningu równowagi w pozycji siedzącej
20 stycznia 2019
Platforma do siedzenia została opracowana i zmontowana, która pasywnie destabilizuje postawę siedzącą u ludzi. Podczas zadania stabilizacyjnego użytkownika bezwładnościowa jednostka pomiarowa rejestruje ruch urządzenia, a wibrujące elementy dostarczają do siedzenia informację zwrotną opartą na wydajności. Przenośne, wszechstronne urządzenie może być wykorzystywane w paradygmatach rehabilitacji, oceny i treningu.
Wiele osób cierpi na niestabilność w pozycji siedzącej, która może zagrozić niezależności funkcjonalnej i prowadzić do wtórnych komplikacji zdrowotnych. Nasz protokół ma potencjał do oceny, kwestionowania i poprawy równowagi podczas siedzenia. Nasza technika łączy elementy istniejących narzędzi do badania równowagi w jedno nowatorskie urządzenie, które jest zoptymalizowane pod kątem zastosowań klinicznych i dostępności.
Osoby, które cierpią na nowsze upośledzenie mięśni, mogą mieć trudności z utrzymaniem równowagi w pozycji siedzącej. Nasz protokół zapewnia dostęp do technik oceny i treningu, o których wiadomo, że korzystnie wpływają na wyniki rehabilitacji równowagi. Protokół ten może być stosowany do badania mechanizmów kontroli równowagi i optymalizacji metod sensorycznego sprzężenia zwrotnego.
Nowi użytkownicy tego protokołu powinni mieć pewność, że skorzystają z naszych dodatkowych plików rysunków i modeli bryłowych w celu wytworzenia działającej repliki urządzenia. Na początku przyspawaj nakrętkę podstawy do stalowej płyty, aby skonstruować interfejs mocowania dla wymiennych, półkulistych podstaw. Za pomocą sterowanej numerycznie lub frezarki CNC zbuduj cylindryczną obudowę, pokrywę i podstawę z polietylenu, a następnie przykręć płytę podstawy do podstawy i umieść podwozie na podstawie.
Użyj frezarki, aby skonstruować cylindryczną tuleję z polichlorku winylu o długości 37 mm i średnicy zewnętrznej 32 mm, która pasuje do pręta gwintowanego. Po przyspawaniu stalowych kołnierzy z każdej strony stalowego zaczepu, przykręć zaczep z przodu podstawy. Użyj tokarki CNC, aby skonstruować pięć identycznych cylindrów polietylenowych o wysokości 63 mm i średnicy 152 mm.
Na środku górnej powierzchni każdego cylindra wytnij otwór o średnicy 32 mm na głębokość 38 mm, tak aby pasował do cylindrycznej tulei z pewnym wgłębnieniem. Na dolnej powierzchni każdego cylindra użyj tokarki CNC, aby wyciąć jednolicie zakrzywioną podstawę o unikalnym promieniu krzywizny dla każdego z pięciu cylindrów, zachowując całkowitą wysokość 63 mm. Aby skonstruować mocowanie podparcia nóg, najpierw przyspawaj stalową wkładkę zaczepu o średnicy 70 mm prostopadle do jednego końca profilu stalowego o średnicy 575 mm.
Na drugim końcu przymocuj cylindryczny stalowy podnóżek o średnicy 300 mm do wytłoczenia. Za pomocą piły taśmowej przyciąć prostokątny pręt stalowy o wymiarach 29 na 100 mm na długość około 160 mm, tak aby ważył 3.6 kg. Włóż stalowy pręt z tyłu obudowy, aby zrównoważyć mocowanie podparcia nóg, i zmontuj urządzenie.
Włóż sworznie widełkowe przez zaczep i wkładkę zaczepu, aby połączyć podparcie nóg. Następnie dostosuj położenie zacisku do żądanej wysokości podnóżka. Wkręć pręt w kołek podstawy tak, aby około 35 mm pręta wystawało z podstawy, i włóż wystający pręt do żądanej zakrzywionej podstawy.
Przyklej taśmę klejącą do pokrywy i przykryj urządzenie pokrywą. Aby oprzyrządować urządzenie, podłącz inercyjną jednostkę pomiarową i osiem wibracyjnych tachterów do mikrokontrolera. Zaprogramuj mikrokontroler w taki sposób, aby odczytywał przednio-tylny i przyśrodkowy kąt pochylenia z inercyjnej jednostki pomiarowej i włączał lub wyłączał wibrujące tachtery w zależności od kątów nachylenia.
Zamocuj inercyjną jednostkę pomiarową pośrodku obudowy i ułóż wibrujące tachtery w regularnym ośmiokącie o promieniu 10 cm, wyśrodkowanym 8 cm przed środkiem obudowy, tak aby leżały pod siedzeniem osoby średniej wielkości. Następnie podłącz mikrokontroler do komputera i otwórz programowy interfejs użytkownika. Aby przeprowadzić eksperymenty z równowagą, zrekrutuj uczestników, którzy są wolni od zaburzeń neurologicznych i mięśniowo-szkieletowych oraz ostrego lub przewlekłego bólu pleców, a także zapisz wiek, wagę i wzrost każdego uczestnika.
Następnie otwórz interfejs użytkownika. Wykres kompasu pokazuje kąt nachylenia urządzenia oraz połowę prędkości przechylenia urządzenia w kierunku przednio-tylnym i przyśrodkowym. Przed każdą próbą równowagi poinstruuj uczestnika, aby założył słuchawki z redukcją szumów, złożył ręce na klatce piersiowej, utrzymywał wyprostowaną postawę tak bardzo, jak to możliwe i werbalnie sygnalizował, kiedy jest gotowy.
Użyj menu rozwijanych w sekcji parametrów wersji próbnej interfejsu użytkownika, aby oznaczyć aktualną trudność i stan oczu, a następnie kliknij przycisk nagraj, aby rozpocząć próbę. W przypadku prób z otwartymi oczami poinstruuj uczestnika, aby skupił się na stałym punkcie na wprost, aby pomóc utrzymać równowagę. W przypadku prób z zamkniętymi oczami należy użyć opaski na oczy, aby upewnić się, że uczestnik jest całkowicie pozbawiony wizualnej informacji zwrotnej.
Wykonaj 20 30-sekundowych prób równowagi w pozycji siedzącej w serii, robiąc przerwy w razie potrzeby, aby uniknąć zmęczenia, i zatrzymując się w dowolnym momencie, jeśli to konieczne. Algorytm obliczy, które progi przednio-tylnego i przyśrodkowego sprzężenia zwrotnego należy użyć i wyświetli progi w kolumnie Q3 interfejsu użytkownika. Wibrodotykowe progi sprzężenia zwrotnego można zoptymalizować, aby zapewnić wskazówki zwrotne dotyczące kierunku i czasu, które są dostosowane do danego zadania lub celu.
Po czterech próbach zapoznawczych skopiuj wartości z kolumny Q3 do prawej kolumny i kliknij przycisk Odśwież, aby zaktualizować progi opinii wyświetlane na wykresie kompasu na podstawie czwartej próby zapoznawczej. Ponieważ kąty pochylenia przednio-tylnego i przyśrodkowego są automatycznie zapisywane w czasie rzeczywistym w pliku tekstowym do analizy, analizuj sygnały przednio-tylne i przyśrodkowe, aby scharakteryzować wydajność siedzenia dla każdego z warunków eksperymentalnych. Poniższa tabela przedstawia miary posterograficzne uzyskane z przednio-tylnych i przyśrodkowych pochyleń powierzchni podparcia uśrednione dla 144 prób równowagi i wykonane przez 12 uczestników w każdych warunkach eksperymentalnych.
Obserwacje pochylenia przednio-tylnego różniły się istotnie między warunkami równowagi oka otwartego i zamkniętego dla średniej kwadratowej, częstotliwości środkowej i dyspersji częstotliwości. Zgodnie z innymi doniesieniami, te miary posterograficzne mogą rozróżniać zadania równowagi podczas prób, w których aktywny był system wibrodotykowego sprzężenia zwrotnego. Częstość obserwacji pochylenia przednio-tylnego była istotnie wyższa niż podczas prób kontrolnych.
Zgodnie z innymi doniesieniami, ten protokół wibrodotykowego sprzężenia zwrotnego ma wymierny wpływ na wydajność równowagi. Wszystkie elementy konstrukcyjne mają odpowiadający im model bryłowy i rysunek, które są dostępne do pobrania i mogą być wykorzystane do odtworzenia procesu budowy. Procedura może być wykorzystana do przetestowania hipotez dotyczących fundamentalnej natury dynamicznego siedzenia w pozycji wyprostowanej oraz skuteczności wibrodotykowego sprzężenia zwrotnego jako techniki treningu równowagi.
Badania te stanowią krytyczną podstawę dla przyszłych prac nad oceną kliniczną i narzędziami szkoleniowymi dla populacji z zaburzeniami równowagi w pozycji siedzącej w celu poprawy jakości ich życia. Elektronarzędzia użyte do budowy tego urządzenia mogą spowodować obrażenia ciała; Prosimy o przestrzeganie wszystkich protokołów bezpieczeństwa.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Opracowano nowatorską platformę do siedzenia, która służy do pasywnej destabilizacji postawy siedzącej, wspierając ocenę równowagi i rehabilitację. Urządzenie wykorzystuje jednostkę pomiaru bezwładnościowego do śledzenia ruchu i zapewnia informację zwrotną w formie wibracji.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Rehabilitacja
- Ocena równowagi
Wstęp
- Niestabilność w pozycji siedzącej może wpływać na niezależność funkcjonalną.
- Może ona prowadzić do wtórnych powikłań zdrowotnych.
- Istniejące narzędzia do oceny równowagi zostały zintegrowane w jednym urządzeniu.
- Urządzenie zostało zaprojektowane z myślą o zastosowaniu klinicznym i dostępności.
Cel badania
- Ocena i poprawa równowagi w pozycji siedzącej.
- Przedstawienie technik treningowych dla osób z dysfunkcjami mięśniowymi.
- Badanie mechanizmów kontroli równowagi.
Zastosowane metody
- Opracowanie przenośnej platformy do siedzenia.
- Wykorzystanie jednostki pomiaru bezwładnościowego do rejestracji ruchu.
- Elementy wibrujące służące do sprzężenia zwrotnego w czasie rzeczywistym.
- Zastosowanie w paradygmatach rehabilitacyjnych i treningowych.
Główne wyniki
- Urządzenie skutecznie sprawdza i ocenia równowagę w pozycji siedzącej.
- Zapewnia użytkownikom cenne informacje zwrotne.
- Potencjał do poprawy wyników rehabilitacji.
- Dostępne do zastosowań klinicznych.
Wnioski
- Platforma siedząca jest obiecującym narzędziem do oceny równowagi.
- Może ona wspomagać rehabilitację osób z zaburzeniami równowagi.
- Dalsze badania mogą pomóc w optymalizacji metod sprzężenia zwrotnego sensorycznego.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejszy protokół wypełnia istotną lukę w badaniach przedklinicznych i translacyjnych, dostarczając przenośny, mierzalny system do oceny i treningu równowagi w pozycji siedzącej – funkcjonalnego punktu końcowego istotnego w przypadku zaburzeń neurologicznych, mięśniowo-szkieletowych i błędnika. Dzięki integracji śledzenia ruchu w czasie rzeczywistym z wibrotaktycznym sprzężeniem zwrotnym w pętli zamkniętej, urządzenie umożliwia mechanistyczną redukcję ryzyka interwencji sensoryczno-motorycznych przed przeprowadzeniem kosztownych badań in vivo. Jego adaptacyjność wspiera wczesną walidację celów oraz przesiewy fenotypowe w modelach kontroli postawy istotnych dla danych jednostek chorobowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wstępna faza odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych dotyczących integracji sensoryczno-motorycznej i szlaków kontroli postawy.
- Wartość operacyjna: Dostarcza ilościowe, powtarzalne wyniki posturograficzne (np. pierwiastkowa średnia kwadratowa przechyłu, częstotliwość centroidalna) w celu obiektywnego pomiaru stopnia oddziaływania na cel.
- Wartość prognostyczna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez ilościowe określenie, w jaki sposób manipulacje genetyczne lub farmakologiczne wpływają na równowagę w kontrolowanych warunkach sensorycznych.
Przesiewy i opracowanie testu
- Gotowość testu: Generuje ustandaryzowane dane o nachyleniu przednio-tylnym i boczno-przyśrodkowym w czasie rzeczywistym, odpowiednie do wysokoprzepustowego przesiewu związków wpływających na funkcje przedsionkowe lub móżdżkowe.
- Wyniki ilościowe: Dostarcza ciągłe parametry ruchu, które umożliwiają analizę zależności dawka-odpowiedź oraz optymalizację sprzężeń zwrotnych w oparciu o wartości progowe.
- Skalowalność: Przenośna konstrukcja umożliwia wdrożenie w wielu ośrodkach w celu zapewnienia powtarzalności międzylaboratoryjnej w kampaniach walidacji celów.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie dla jednostek chorobowych: Modeluje deficyty równowagi podczas siedzenia obserwowane w chorobie Parkinsona, stwardnieniu rozsianym, urazach czaszkowo-mózgowych i dystrofii mięśniowej, co wspiera ciągłość badań przedklinicznych.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Izoluje wpływ sprzężenia zwrotnego wibrotaktylnego na uczenie motoryczne, umożliwiając priorytetyzację celów neuromodulacji z wyższą pewnością prognostyczną.
- Zgodność z biomarkerami translacyjnymi: Pomiary posturograficzne służą jako funkcjonalne biomarkery korelujące z klinicznymi skalami równowagi, co wspomaga podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go).
Integracja potoków i przepływów pracy
Urządzenie wpisuje się w kontinuum od etapu odkrywania do badań przedklinicznych, wspierając weryfikację hipotez we wczesnej fazie odkrywania, standaryzację testów w procesach przesiewowych oraz walidację funkcjonalną w badaniach translacyjnych.
- Biologia odkrywcza: Ułatwia wyjaśnienie mechanizmów poprzez izolację wpływu sprzężenia zwrotnego zmysłów na wyjście motoryczne podczas zakłóconego siedzenia.
- Przesiewanie: Umożliwia przygotowanie do analizy dzięki ustandaryzowanym, mierzalnym pomiarom przechyłu, które wykrywają subtelne zmiany w stabilności postawy.
- Analityka: Dostarcza danych o ruchu w czasie rzeczywistym oraz pochodnych wskaźników (np. dyspersji częstotliwości) do porównań statystycznych pomiędzy różnymi warunkami eksperymentalnymi.
- Badania translacyjne: Łączy fazę odkryć z pracami przedklinicznymi poprzez walidację poprawy równowagi w ekologicznie istotnym paradygmacie siedzenia, odpowiednim dla danej jednostki chorobowej.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Projekt platformy umożliwiający ponowne wykorzystanie wspiera badania podłużne oraz interdyscyplinarne zespoły w obszarze neuronauki i badań nad rehabilitacją.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną walidacji celu poprzez zmniejszenie niejednoznaczności w interpretacji mechanizmów sensoromotorycznych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki standaryzowanym progom sprzężenia zwrotnego i protokołom śledzenia ruchu.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez dostarczanie obiektywnych, mierzalnych wyników równowagi przed testami na zwierzętach.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów do neuromodulacji lub rehabilitacji z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o funkcjonalną sprawność w pozycji siedzącej.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu biomechaniki, neuronauki lub inżynierii rehabilitacyjnej w celu konfiguracji i interpretacji danych.
- Zależność funkcjonalności sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej od jednostek pomiarowych bezwładności, mikrokontrolerów i siłowników wibracyjnych.
- Konieczność standaryzacji progów sprzężenia zwrotnego i parametrów prób pomiędzy zespołami w celu zapewnienia powtarzalności w wielu ośrodkach.
- Adaptacja w różnych systemach modelowych może wymagać przeskalowania wymiarów platformy oraz intensywności sprzężenia zwrotnego.
- Ograniczenia praktyczne obejmują zależność od przestrzegania przez użytkownika instrukcji dotyczących postawy oraz zakłócenia wywołane wibracjami otoczenia.
