Способ оценки своевременности и точности волевой двигательных реакций на раздражители Vibrotactile

Summary

В данной статье описывается методика применения vibrotactile стимулов к бедру человеческого участника и измерения точности и времени реакции волевого ответа участника для различных комбинаций расположения стимуляции и частоты.

Abstract

Системы искусственной сенсорной обратной связи (АЧС) могут быть использованы для компенсации утраченной проприоцепции у людей с нарушениями нижних конечностей. Эффективное проектирование этих систем АЧС требует глубокого понимания того, как параметры конкретного механизма обратной связи влияют на восприятие пользователем и реакцию на раздражители. В данной статье представлен метод применения вибротактильных стимулов к участникам и измерения их реакции. Вращающиеся массовые вибрационные двигатели размещаются в заранее определенных местах на бедре участника и управляются с помощью специального оборудования и программного обеспечения. Скорость и точность волевой реакции участников на вибротактильные стимулы измеряются для определенных исследователями комбинаций моторного расположения и частоты вибраций. В то время как описанный здесь протокол использует кнопки для сбора простого двоичного ответа на вибротактильные стимулы, метод может быть распространен на другие механизмы отклика с использованием инерциальных измерительных блоков или датчиков давления для измерения угла соединения и соотношения нагрузки соответственно. Аналогичным образом, применение вибротактильных стимулов может быть изучено для сегментов тела, отличных от бедра.

Introduction

Искусственное сенсорная обратная связь (ASF) может быть определен как практика предоставления в режиме реального времени биологической информации для отдельных лиц, часто компенсируя скомпрометированы проприоцептивные или других сенсорных механизма. ASF уже давно используется в сфере реабилитации инвалидов или травмированных лиц для оказания помощи в восстановлении аспектов физической функции и движения ^{1 - 3,} что позволяет людям контролировать физические процессы , которые были когда - то невольная реакция вегетативной нервной системы ^4. Подкатегорию ASF, биомеханической БОС, использует внешние датчики для измерения параметров, связанных с баланса или походка кинематики, и передавать эту информацию индивидуума через какое-то прикладной стимул. Все более популярным подходом к биомеханической обратной связи использует небольшие вибрирующие моторы, или контакторов, расположенные в разных частях тела, чтобы обеспечить пространственное, а также временную обратную связь. Предыдущая литература показала рromising результаты , подтверждающие использование vibrotactile обратной связи в приложениях для людей с ампутации нижних конечностей, вестибулярных нарушений, а также связанные со старением потери равновесия ^{5 - 9.}

Глубокое понимание механизмов, контролирующих восприятие индивидуума и ответ на специфические стимулы необходимы для информирования эффективной реализации ASF систем для различных областей применения. Для vibrotactile обратной связи, главным из этих механизмов являются проприоцепция и ответ сенсомоторной, в частности, чувствительность пользователя к прикладной вибрации и время, необходимое для выполнения желаемой реакции. Любая сенсорная информация передается через вибрации раздражители должны быть закодированы в виде специфических комбинаций частоты колебаний, амплитуды, местоположения и последовательности. Таким образом, проектирование систем ASF vibrotactile следует выбирать комбинации параметров для максимального восприятия пользователя и интерпретации стимулов, как иа также своевременность и точность полученного ответа двигателя. Целью данного протокола является предоставление платформы, из которой для оценки времени отклика и точность реагирования на различные колебательные раздражители информировать проектирование систем ASF для использования с различными сенсорными нарушениями населения.

Методы , описанные здесь , основывается на предыдущих исследованиях изучают человеческое восприятие тактильной и vibrotactile обратной связи ^3,5,6, и был разработан для использования в двух предыдущих исследованиях ^10,11. Последние два исследования использовали этот протокол для изучения влияния частоты вибрации и расположение на точность и своевременность ответов пользователя в ампутированы нижние конечности, показывая, что оба параметра существенно влияют на показатели исходов, а также о том, что высокая степень точности отклика может быть достигнуты. Эти результаты могут быть использованы для информирования идеального размещения контакторов в будущих исследованиях и клинических применений систем vibrotactile ASF. Другая недавняя работаCrea и др. ¹² исследовали чувствительность пользователя к изменениям в структуре вибрации , приложенных к бедру при ходьбе, с использованием словесных ответов для обозначения воспринимаемые изменения в вибраций еще , а не двигательную реакцию. В то время как эти словесные ответы могут быть использованы для измерения точности обнаружения, они не учитывают наличие ошибок и задержек, которые могут присутствовать в процессе управления двигателем.

Первичная установка для следующих экспериментов состоит из ряда вибрационных двигателей, соединенных с широтно-импульсной модуляцией для выходных выводов микроконтроллера платы. Совет, в свою очередь, управляется через соединение универсальной последовательной шины (USB) на компьютере под управлением коммерчески доступного программного обеспечения для проектирования системы. Двигатели требуют дополнительной усилительной схемы, чтобы обеспечить достаточное напряжение и ток подается в широком диапазоне частот колебаний. Схема пример усилителя показана на рисунке 1. Биполярного плоскостного транзистора (BJR) На рисунке может быть заменен меньшим металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET) для более эффективной работы и меньшего размера. Аналогичным образом, вся усилительной схемы может быть заменен выпускаемый промышленностью тактильной привода двигателя, чтобы обеспечить дополнительный контроль и уменьшенный размер. Каждый двигатель требует свою собственную схему, и с использованием оборудования, перечисленных в этой статье, до десяти двигателей можно управлять с помощью одного микроконтроллера платы.

Рисунок 1. Схема подключения двигателя. (A) Схема усиления для одного вибрационного двигателя показан. Каждый двигатель требует отдельного контура и должен быть подключен к уникальным ШИМ-выходом порта на микроконтроллере. V _DD здесь представляет мощность 3,3 В комплект поставки микроконтроллером платы, а резистор R2 служит понижающим резистор , чтобы обеспечить переключатель транзистор остается открытым , когда нулевое напряжение приложениелгал. (В) Пример физической разводки двух двигателей. Несмотря на то, восемь отдельных схем амплификации показаны только два подключены к вибрации двигателей. В этом протоколе R1 = 4,7 кОм и R2 = 100 кОм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Protocol

Следующий протокол был одобрен Советом по этике исследований в Голландии Bloorview Детский реабилитационный госпиталь.

1. Мотор калибровки

1. Подключение платы микроконтроллера к компьютеру с помощью порта USB.
2. Используя оригинальное программное обеспечение микроконтроллера, загрузить пользовательский сценарий, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" к плате через соединение USB, нажав на значок "Загрузить", обозначаемый окружностью стрелкой вправо.
   1. Убедитесь, что уровень вибрации устанавливается равным нулю, чтобы положить двигатель в выключенном положении, используя команду "analogWrite". Код должен читать "analogWrite (vibe1,0);".
   2. В коде микроконтроллера, указать широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), соответствующий выходной контакт с двигателем интереса инициализацией "vibe1" переменную.
      Примечание: ШИМ-сигналов генерируют приблизительные аналоговые выходы из цифровых сигналов, генерируемых микроконтроллера. Булавки этикетокd численно на физическом плате микроконтроллера. Например, если двигатель подключен к выходу ШИМ выводами '3', а затем убедитесь, что "INT vibe1 = 3;" указывается в коде.
3. Подключите выход г по оси трехосевой акселерометр к одному из аналоговых входных портов микроконтроллера платы и подключите положительный и провода заземления от акселерометра до 5В и заземления (GND) портов микроконтроллера платы, соответственно.
4. Установить акселерометр вибромоторе, убедившись , что Z-ось перпендикулярна плоской поверхности двигателя, как показано на рисунке 2, и поместите двигатель на твердую поверхность.
5. Откройте файл "Motor_Calibration.vi" в программном обеспечении сбора данных и подключения микроконтроллера к компьютеру через порт USB.
6. Используя поля, предусмотренные укажите последовательный порт для ввода микроконтроллера, используя ниспадающее меню, а также частоту дискретизации, и Numбер образцов для сбора. Примечание: частота дискретизации 500 Гц является стандартным для этих экспериментов, чтобы предотвратить наложение спектров в данных ускорения, и 1000 образцов обычно записываются.
7. Использование "Motor_and_Accelerometer.ino" код, указать желаемый рабочий цикл импульсов ШИМ, подаваемых на вибрационного двигателя, как только еще раз с помощью "analogWrite" команду, и повторно загрузить программу на плате микроконтроллера, управляющего двигателями (см Шаг 1.1 ). Например, чтобы установить количество импульсов до 100, код должен читать "analogWrite (vibe1,100);". В таблице 1 приведены значения ШИМ и соответствующие рабочие циклы.
8. Используя Transform дисплей (FFT) Фурье Fast-на интерфейсе "MotorCalibration.vi", определить самый большой пик и записать соответствующее значение частоты вибрации (от горизонтальной оси).
9. Повторите шаги 1.7-1.8, регулируя уровни ШИМ до тех пор, пока не будет достигнута нужная частота, записи каждого ШИМ-частоты Пайр. Например, если они нацелены на частоту 100 Гц, выполните шаги от 1,7-1,8 до наибольшего пика не происходит по отметке 100 Гц на горизонтальной оси.
   Примечание: Для получения вибрационных двигателей , используемых в данном протоколе, целевые вибрации должны лежать в диапазоне 60-400 Гц , чтобы лучше соответствовать частоты отклика механорецепторов в коже , описанной в литературе ^5,10,13.
10. Повторите шаги 1.2.2 на 1.8 для каждого двигателя, вручную записи отношения ШИМ-частоты для каждого двигателя с электронной таблицей или карандашом и бумагой.
11. Откройте файл "Experiment_1.vi". Для каждого двигателя, щелкните правой кнопкой мыши на меню частоты выпадающего и выберите "Property". На вкладке "Редактирование элементов", используйте таблицу, чтобы ввести желаемые частоты и соответствующие уровни ШИМ, определенные на этапах 1,8-1,9. Выберите "OK", чтобы выйти.
12. Повторите шаг 1.11 для каждого файла виртуального интерфейса (VI) из системного проектирования программного обеспечения , которые будут использоваться во время тестирования (например, "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi "и т.д.).

Рисунок 2. Акселерометр Установленный на двигатель. Тройной акселерометр (зеленый) крепится к монете двигателя с его Z-оси , ортогональной к плоской поверхности двигателя для калибровки. Каждый двигатель был активирован с использованием различных рабочих циклов, и соответствующие частоты колебаний были записаны акселерометром. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

2. Размещение двигателей

1. После того, как все двигатели были откалиброваны (раздел 2), установите их в бедро.
   1. Для достижения результатов, описанных в этой рукописи, поместите один двигатель на каждой из передней, задней, медиальной и боковой поверхности бедра, примерно на полпути бытьпромежуточные кадры большого вертела и боковой мыщелка бедренной кости (или дальний конец конечности для выше колена с ампутированными конечностями).
      Примечание: Конкретные места расположения каждого двигателя может варьироваться, в зависимости от исследовательских вопросов и областей, представляющих интерес, и может повлиять на анатомических и физиологических факторов, таких как распределение типа и пространственной механорецепторов в коже.
2. Приложить двигатели непосредственно на кожу с помощью двусторонней клейкой ленты.
   Примечание: Бритье область вокруг каждого двигателя не является необходимым, но может улучшить их адгезию к коже (рисунок 3). Для применений, где эффекты одежды, протезного вкладышем, или какого-либо другого материала, на восприятие пользователя, представляющих интерес, разместить двигатели поверх указанного материала, а не по отношению к коже.

Рисунок 3. тестовая платформа для экспериментов. Пользовательская тестовая платформа была построена для дома тон микроконтроллер платы и нажимать на кнопки. Двигатели могут быть прикреплены непосредственно к коже (как показано на рисунке), или с ортопедической вкладышем между двигателем и кожей. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

3. Эксперимент 1: Применение раздражители и реакции записи Время

1. Перепрошить платы микроконтроллера с прошивкой для обеспечения контроля платы с помощью программного обеспечения для сбора данных, открыв файл "LVIFA_Base.pde" с сопровождающим пакета программного обеспечения контроллера и повторите шаг 1.1, заменив "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" с " LVIFA_Base.pde "сценарий.
2. Подключить-кнопки непосредственно к одному из USB-портов компьютера с помощью разъема последовательно-USB. Убедитесь, что установлены все необходимые драйверы.
3. Откройте интерфейс "Experiment_1.vi".
4. Укажите серийныйпорты для микроконтроллера платы, подключенного к двигателям и кнопочные, выбрав соответствующий серийные номера идентификации порта из выпадающего меню с надписью "Motor Input" и "Зеленая кнопка" соответственно. Определить последовательные идентификационные номера порта с помощью операционной системы диспетчера устройств компьютера.
5. Выберите файл для записи результатов и запустить программу.
6. Выберите двигатели и частоты, чтобы активировать, выбрав из выпадающего меню для каждого двигателя в интерфейсе "Experiment_1.vi". Попросите участника нажать кнопочный с ногой, на которой применяется обратная связь, когда чувствуется вибрация. После того, как была нажата кнопка, подтвердить отклик в интерфейсе программы сбора данных, отметив, что часы остановились счета, и сбросить двигатели для следующего суда, указав новый набор частот из выпадающего меню.
7. После того, как эксперимент будет заключен, использовать ЛУopdown меню, чтобы вернуть все частоты двигателя в нулевое положение и нажмите кнопку "Стоп Program", чтобы завершить подключение к плате управления двигателем.

4. Эксперимент 2: Различение между стимулами

Примечание: Этот эксперимент может быть проведен полностью независимо друг от друга из эксперимента 1. Может быть использован один двигатель или несколько двигателей. Конкретные расположение двигателей может варьироваться в зависимости от применения и научных вопросов.

1. Подключите второй кнопочный к другому порту USB с помощью разъема последовательного USB.
2. Откройте интерфейс сбора данных "Experiment_2.vi".
3. Поместите двигатели в местах расположения и конфигураций, требуемых для конкретного применения исследований. Например, место одиночные двигатели на бедре, на полпути между большим вертелом и латеральной мыщелка бедренной кости (или к дистальному концу конечности для ампутантов), на каждой из передней, задней, боковой и медиальной поверхности бедра на еxamine чувствительность по частоте в каждой из этих частей ноги ^10,11.
4. Укажите последовательные порты для микроконтроллера платы и обеих кнопок, используя ту же процедуру, как на стадии 3.4. Обязательно обратите внимание, которое кнопочный присваивается каждому порту.
5. Выберите конкретные двигатели, которые будут активироваться и нужную последовательность частот, нажав на "Мотор" иконки в интерфейсе программы. Например, предположим, что три частоты проходят испытания, такие, как 140 Гц, 180 Гц и 220 Гц. Серия тестов может быть (1) 180 Гц с последующим 140 Гц, (2) 220 Гц с последующим 140 Гц, и (3) 180 Гц с последующим 220 Гц.
6. Ввод с задержкой времени начала и продолжительности стимуляции. 1.5 сек характерно как для задержки и времени стимуляции.
7. Запустите программу.
   Примечание: после того, как указанная задержка в шаге 4.6, программа активирует двигатель (ы) с последовательностью парных частот, выбранных на шаге 4.5. Например, если 180 Гц против 220 Гц был С.Е.бранной на шаге 4.5, соответствующий двигатель будет первым вибрировать при 180 Гц в течение определенного времени перед переключением на 220 Гц.
8. Попросите участника нажать одну из двух кнопок выбора, будет ли была выше или ниже, чем первая вторая воспринимаемая частота. Ответы будут автоматически записываться программой.

Results

На рисунке 4 показаны калибровочные кривые , идентифицирующие значение ШИМ для частоты колебаний 180 Гц одного двигателя. Начиная с рабочим циклом 50%, значения ШИМ повторяются до тех пор, основная частота всплеска не происходит при 180 Гц. Успешные испытания калибровки должны показать четкий пик на первичной частоте колебаний. Плохая фиксация акселерометра к двигателю, или двигателя по отношению к опорной поверхности, может привести к более диффузной FFT без четкого пика. В этой ситуации, калибровка пр...

Discussion

Целью данного протокола является обеспечение основы для оценки параметров стимуляции в vibrotactile приложений ASF. В частности, он рассматривает влияние частоты колебаний, амплитуды, местоположения и последовательности на ответ пользователя сенсомоторной. Эта структура может быть построена на и расширена за счет включения дополнительных или альтернативных типов ответа пользователя, которые могут быть более клинически значимых, таких как изгиб сустава или перенос веса с одной ноги на другую. Эти типы изменений требует н...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Вибрационные пейджерные двигатели	Прецизионные микроприводы	модели 310-101	Монета эксцентриковые вращающиеся массовые двигатели. Столько, сколько необходимо для тестирования всех интересующих мест и взаимодействий
Трехосевой акселерометр	Dimension Engineering	ADXL 335	Усовершенствованный аналоговый акселерометр. 500  Полоса пропускания Гц, 3.5-15  Вход V. Предназначен для измерения движения, наклона и наклона, а также для измерения вибрации и ударов.
Arduino Uno	Arduino	DEV-11021	для связи с трехосевым акселерометром
Arduion Mega 2560	Arduino	DEV-11061	Плата микроконтроллера для сопряжения с вибромоторами.
LabVIEW	National Instruments Программное		обеспечение для сбора данных, используемое для управления двигателями и отображения сигналов акселерометра
Arduino IDE Software	Arduino	v. 1.6.5
Push-Button	Bridges	Buddy Button	Проводной переключатель с 2,5  в/6.35  CM активационная поверхность, обеспечивающая слуховой щелчок и тактильную обратную связь.
Дополнительно:
Специальный тактильный драйвер	двигателя Texas Instruments	DRV2605L	может быть использован для замены всей схемы усиления, описанной в шаге 1.
Гибкий носимый гониометр	Biometrics Ltd.	SG110	Двухосевые гибкие угломеры для измерения углов в двух плоскостях движения, которые можно использовать вместо кнопки для измерения движения суставов в ответ на раздражители. www.biometricsltd.com/gonio.htm