Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Устройство Vibrotactile обратной связи для сидящих баланс оценки и обучения

6.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/58611

⸱

20 января 2019 г.

 , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Alberta, 2Department of Mechanical Engineering, University of Alberta, 3Glenrose Rehabilitation Hospital, Alberta Health Services

В этой статье

Краткое содержание

Сидя платформа была разработана и собрана, пассивно дестабилизирует усаживания в организме человека. Во время стабилизации задачи пользователя Блок инерционных измерения записывает движения устройства, и вибрирующий элементы доставить на основе обратной связи на место. Портативный, универсальный устройство может использоваться в реабилитации, оценки и обучения парадигмы.

Аннотация

Современные методы, используемые для вызов, оценки и подготовки вертикальном положении сидя, соответственно постуральной возмущений, трекинга и сенсорной обратной связи. Целью разработанный протокол является строительство и эксплуатацию сидя платформу, которая может быть пассивно дестабилизировали инерционного единицы дает количественную оценку его движения и вибрирующий элементы доставить тактильной обратной связи для пользователя. Взаимозаменяемые место вложения изменить уровень стабильности устройства безопасно проблема сидит баланс. Встроенный микроконтроллер позволяет тонкой настройки параметров обратной связи для расширения сенсорные функции. Posturographic меры, типичные протоколов оценки баланса, суммировать сигналы движения, приобретенных во время испытаний приурочен баланс. Протокол не динамический сидя на сегодняшний день обеспечивает переменную вызов, количественной оценки и сенсорной обратной связи бесплатно Лаборатория ограничений. Наши результаты показывают, что пользователей-инвалидов устройства экспозиции значительных изменений в posturographic мер при изменении баланса сложности или вибрационной обратной связи предусмотрено. Портативный, универсальный прибор имеет потенциальные применения в реабилитации (после скелетной, мышечной или неврологические травмы), обучение (для спорта или пространственной осведомленности), развлечения (через виртуальный или дополненной реальности) и исследования ( расстройств, связанных с сидя).

Введение

Вертикальном положении сидя является необходимым условием для других человека сенсомоторной функций, включая квалифицированных движений (например, набрав) и возмущенных баланс задач (например, езда на поезде). Для восстановления и улучшения сидя и смежных функций, используются методы обучения современные баланс: Нестабильная поверхностей возмущают сидя1,2 и отслеживания движения количественно баланса знание3,4 . Результаты обучения баланс улучшить, когда вибрации доставляется к корпусу с помощью шаблонов, которые соответствуют производительность5. Такие сенсорной обратной связи очевидно эффективной реабилитации и метод обучения; Тем не менее текущие методы сенсорной обратной связи ориентированы на постоянный баланс и требует лабораторного оборудования6,7.

Цель работы, представленные здесь заключается в том, чтобы построить портативное устройство, которое может быть сидел на и пассивно дестабилизирована в различной степени, в то время как встроенные инструменты официально изложить свою позицию и доставить на поверхность сидя вибрационной обратной связи. Это сочетание инструментов объединяет предыдущие работы на колебание стулья2,4 и вибрационной обратной связи5,6,7, делая преимущества этих инструментов, более мощным и доступным. Кроме того, представлены процедуры подготовки вертикальном положении сидя и анализ количественных результатов, следуя установленным литературы на posturographic меры8. Эти методы подходят для изучения последствий сидя баланса упражнения с нестабильной поверхностью, в сочетании с вибрационной обратной связи. Ожидаемых приложений включают в себя спортивные тренировки, общее улучшение координации движений, оценки баланса знание и реабилитации после скелетной, мускулистые, или неврологические травмы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Все методы, описанные здесь были одобрены Советом здравоохранения этики научных исследований из университета Альберты.

1. Строительство и монтаж структурных компонентов

  1. Построить интерфейс вложений для взаимозаменяемых полусферической баз: сварить базовый гайки к стальная приварная пластина.
  2. Использовать численные контролируется компьютером (CNC) фрезерный станок для построения цилиндрический корпус, крышка и основание из полиэтилена, как показано на рисунке 1. Болт Монтажная плита основания и на базу на шасси.
    Примечание: Функции мельница для крепления болтов и других частей согласно файлов чертежей и 3D твердых моделей файлы условии (см. Дополнительные файлы 1 и 2). Все структурные компоненты имеют соответствующий твердотельной модели и чертежа, которые доступны для загрузки и может использоваться для репликации процесс строительства.
  3. Используйте фрезерный станок для создания цилиндрического поливинилхлорид рукав, который подходит на резьбовой стержень, как показано на рисунке 1. Сделайте рукав 37 мм длиной, с наружным диаметром 32 мм.
  4. Сваренные стальные фланцы для каждой стороны стали сцепное устройство, как показано на рисунке 1. Болт сцепки на передней части основания.
  5. Использование CNC токарный станок построить 5 одинаковых баллоны из полиэтилена, каждый с высотой 63 мм и диаметром 152 мм. В центре верхней поверхности каждого цилиндра, вырезать отверстие 32 мм на глубину до 38 мм, так что он подходит цилиндрическую гильзу (увидеть шаг 1.3. выше) с некоторыми помехами.
  6. На нижней поверхности каждого цилиндра используйте CNC Станки токарные для резки равномерно изогнутые база с уникальным радиусом кривизны для каждого из 5 цилиндров, поддержание Общая высота 63 мм, как показано на рисунке 2.
    Примечание: Радиус кривизны и высота базы определяют стабильность устройства. Предлагаемые радиусы кривизны для этой высоты находятся между 110 мм (очень нестабильная) и 250 мм (слегка неустойчивой), как показано в таблице 1.
  7. Конструкции, нога поддержки вложение, как показано на рисунке 3, первой сварки стали толщиной 70 мм Хитч перпендикулярно вставьте один конец 575 мм сталь экструзии. На другом конце зажим 300 мм цилиндрические стальные подножку для экструзии.
    Примечание: Подробные размеры, см. Дополнительные файл 1 (чертежи) и дополнительных файлов 2 (3D твердых моделей).
  8. Используйте ленточной пилы сократить прямоугольной стальной бар (29 мм на 100 мм) длиной примерно 160 мм, так что он весит 3,6 кг. Вставка панели стали задней части шасси в противовес нога поддержки вложение, как показано на рисунке 1.
  9. Соберите устройство, как показано на рисунке 4. Соедините ножки, вставив Штифт цилиндрический через устройство и устройство вставки. Настройте расположение зажим на высоту отдыха желаемого ног. Проденьте стержень в базовый стад, таким образом, что приблизительно 35-мм стержень выступает из базы.  Вставьте выступающую стержень в желаемой изогнутые базы.
  10. Применить сцепление ленты или другого подходящего обивки к крышке. Закройте крышку.

2. оснащение устройства

  1. Приобрести микроконтроллер (см. Таблицу материалы), инерциальные единицы и восемь вибрационных tactors. Подключите инерционного измерения единица и вибрирующие tactors к микроконтроллеру.
  2. Программа микроконтроллер таким, что он читает Антеро задняя (AP) и Медио боковой наклон (мл) углы от единицы измерения инерционного и выключает вибрационных tactors основе углов наклона. Просмотреть Дополнительные файл 3 (образцовый микроконтроллер сценарий) и шаг 2.2.1.
    Примечание: Инерциальная измерения единиц, которые используют акселерометров и гироскопов подверженным ошибкам. Позиционные калибровки датчиков: положите устройство на ровную поверхность и использовать эту позицию как базовый для всех следующих измерений. Использование системой захвата движения или аналогичный подход для проверки измерения угла наклона и убедитесь, что они достаточно точны во всем ожидаемый диапазон использования (пространственных и временных). Убедитесь, что вибрирующие tactors работают на частоте не более чем 200 Гц, с тем чтобы побудить однозначного ответа сенсорных рецепторов в коже человека или мышцы9.
    1. Загрузите сценарий микроконтроллер, который генерирует сигналы vibrotactile, основанные на обратной связи управляющего сигнала, который представляет собой взвешенную сумму AP (или мл) угол наклона и скорость.
      Примечание: Компьютер активируется три tactors ближе к левой, правой, передней, или задней поверхности, когда сигнал управления превышает порог в этом направлении; или пять tactors если AP и мл порог превысили одновременно; ни один из tactors являются активными, когда сигнал управления находится ниже порогового значения в обоих направлениях (т.е. в зоне без-обратной связи).
  3. Закрепите инерционного единицы в центре шасси. Организуйте вибрационных tactors на регулярные восьмиугольника с радиусом 10 см, по центру 8 см передний центра шасси, так что они будут находиться под сиденья среднего размера человек10. Фотография одного из потенциальных расположение показано на рисунке 4.
    Примечание: Если вибрирующий tactors не являются достаточно мощными, чтобы вибрировать пользователя, совершенствования взаимодействия между tactor и кожи путем вырезания отверстий в крышке и фиксирующий вибраторы для отдыха заподлицо с поверхностью. Если метод, используемый для защиты вибраторы в место гашения вибрации, рассмотрите использование двух частей крепления корпуса с свободную подходит фиксирующих PIN-код, как показано на рисунке 5.
  4. Подключите микроконтроллер на ноутбуке или настольном компьютере через универсальной последовательной шины (USB) или другие подходящие сообщения метода. Откройте пользовательский интерфейс, показанный на рисунке 6.
    Примечание: в качестве альтернативы, подключите микроконтроллер батареи или другой источник питания. Это улучшает переносимость устройства, но не исключает пользовательский интерфейс.

3. образцовое оценки и подготовки протокола

  1. Рекрут согласию участников, которые свободны от неврологических или опорно-двигательного расстройства и острой или хронической боли в спине. Запись, возраст, вес и высоту каждого участника. Затем для каждого участника, выполните следующую процедуру.
  2. Откройте пользовательский интерфейс (рис. 6). Компас график показывает угол наклона устройства плюс половина его скорость наклона в направлении AP (вертикальная ось) и направление мл (горизонтальная ось).
  3. Перед каждой пробной баланса поручить участник надеть шумоподавления наушники, сложите его или ее руки на груди, сохранять вертикальное положение как можно больше и устно кий экспериментатор готовности.
  4. Выполнять двадцать второй 30 сидящих баланс испытания в серии11, делать перерывы, как требует чтобы избежать усталости, останавливаясь в любое время при необходимости.
    1. Последовательность испытания следующим образом (только для примера): произвольно выбрать один из двух «базовая стабильности уровня/глаз состояние» комбинаций, называемой баланс условия (более сложной базы и глаза открытыми; или менее сложной базы и закрытыми глазами)12. Выполните четыре испытания первого состояния баланса для ознакомления участников с задачей и для идентификации соответствующего элемента управления сигнал порогов для вибрационных tactors на сиденье (см. шаг 3.4.5 ниже).
      Примечание: Это более трудно поддерживать равновесие на базе с небольшого радиуса кривизны чем на базе с большим радиусом кривизны (Таблица 1 показывает относительную стабильность всех пяти сменных баз). Четыре испытания были найдены будет достаточно для достижения стабильной производительности баланс задача2.
    2. Случайным образом выбрать три из следующих шести испытаний для испытания: Выключите вибрационных tactors для продолжительности этих испытаний. Чтобы превратить вибрационной обратной связи, или выключить, переключите обратной связи ползунок в нужное положение в пользовательском интерфейсе. Повторите эту последовательность десять испытаний для второго состояния баланса.
    3. Метки текущие трудности и глаз состояние, выбрав из раскрывающегося меню в разделе Суда параметров пользовательского интерфейса. Нажмите кнопку запись , чтобы начать судебный процесс.
      Примечание: Безопасность участников имеет первостепенное значение. Экспериментатор должен контролировать все баланс деятельности и быть готовым оказать помощь в случае потери равновесия. Уберите все любых потенциальных опасностей и быть осведомлены о местных чрезвычайных протоколов.
    4. Для испытаний с открытыми глазами поручить участник сосредоточиться на фиксированной точки прямо вперед, чтобы помочь сохранить равновесие. Для испытаний с закрытыми глазами используйте повязку, чтобы убедиться, что участник полностью лишен визуальной обратной связи.
      Примечание: Баланс парадигм, где должно быть ограничено движение ног, приложите Супинаторы и вставить противовес под крышкой.
    5. Алгоритм вычисляет какие пороговые значения обратной связи AP и мл для использования и отображает их в столбце Q3 пользовательского интерфейса. После четырех ознакомления судебных разбирательств Скопируйте значения, показанные в столбце Q3 в столбце записи и затем нажмите кнопку Обновить , чтобы обновить порогов обратной связи, показано на графике компас (розовый) на основании четвертого ознакомление судебное разбирательство.
      Примечание: Вычисленный пороговые значения в столбце Q3 интерфейса равны Третий квартиль для каждого направления наклона (AP, мл) во время предыдущего судебного разбирательства. Данная схема обратной связи основывается на понятии что улучшена функция баланса при обратной связи оптимизирован для каждого индивидуального13,14, обеспечивая слишком много обратной связи может ущерб обучения15. После того, как были отобраны два пороговых значений для данного индивида, они могут быть неизменным для этого лица иметь возможность оценить улучшения с течением времени или с вмешательством.
  5. Как AP и мл углы наклона автоматически сохраняются, в режиме реального времени, в текстовом файле для анализа, анализировать сигналы AP и мл характеризовать сидя производительности для каждого из экспериментальных условиях.
    1. В времени домена, рассчитать следующие меры posturographic из серии каждый раз8: корень значит квадрат (мера дисперсии движения) и средней скорости (мера средняя угловая скорость движения).
    2. В частотной области, рассчитать следующие меры posturographic из серии каждый раз8: вдоль частоты (мера общей частоты движения) и частоты дисперсии (мера разница в частоте движения)8 .
  6. Используется линейная модель смешанного оценить и охарактеризовать последствия двух факторов фиксированными эффектами, (1 баланс состояния (стабильности уровня и глаз состояние комбинированный) и обратной связи (2) vibrotactile, на каждом из posturographic мер (зависимые переменные), Учитывая соотношение повторных измерений от каждого участника16 (один случайных эффектов фактор).
    1. Тест на значение фиксированных эффектов путем вычисления отношение отклонения между группы средства дисперсия остатков и сравнивая результат для F-распределения.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Таблица 2 показывает, для каждого экспериментальные условия, posturographic меры, производные от наблюдения за АП и мл поддержки поверхности наклоняется, в среднем свыше 144 баланс испытания, выполняемых 12 участников (2 x 2 x 3 испытания каждого участника).

Эффект изменения состояния баланса: Базового условие был выбран, чтобы быть зависимым от глаз состояние (т.е., когда глаза были за...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Представлены методы для создания устройства портативные, инструментальной, сидя. Прибор портативный и прочный, строительство на предыдущих исследований раскачиваться стулья2,4 и вибрационной обратной связи5,6,7 сделать преимущества этих инструментов, более мощным и доступным . Следуйте с протоколом Ассамблеи в обратном направлении, чтобы подготовить устройство для трансп...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Авторы признают усилия дизайн студентов Animesh Singh Kumawat, Kshitij Агарвал, Quinn Boser, Бенджамин Cheung, Кэролайн Коллинз, Сара Lojczyc, Дерек Schlenker, Кэтрин шоп и Артур Зелински. Это исследование финансировалось частично обнаружения грант от естественных наук и инженерных исследований Совет Канады (RGPIN-2014-04666).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ChassisMcMaster-Carr8657K421Влагостойкий лист полиэтилена LDPE толщиной 1-1/2 дюйма, толщиной 24 дюйма x 24 дюйма
<><>em McMaster-Carr8657K414Влагостойкий лист полиэтилена LDPE толщиной 1/4 дюйма, 24 x 24 дюйма
<прочный> основание McMaster-Carr8657K414Влагостойкий лист полиэтилена LDPE толщиной 1/4", 24" x 24"
Grip-TapeMcMaster-Carr6243T471Неабразивная противоскользящая лента, текстурированная, полоса шириной 6 дюймов, длина 2 фута, черная
<прочная>>McMaster-Carr90596A039Стальная приварная гайка с круглым основанием, размер резьбы 5/8"-11
Сварочная пластинаMcMaster-Carr1388K142Лист низкоуглеродистой стали толщиной 1/16", 3" x 3", шлифованная отделка
Резьбовой стерженьMcMaster-Carr90322A1703" 5/16"-18 Среднепрочная резьбовая шпилька
из легированной сталиSleeveMcMaster-Carr8745K19Химически стойкий стержень из ПВХ (тип I) 1-1/4" диаметр
<>>McMaster-Carr8910K395Пруток из низкоуглеродистой стали, толщина 1/8", ширина
<прочный>hMcMaster-Carr4931T123Скрепленный болтами каркас из сверхпрочной стали, 1-1/2" квадратный
<прочный>изогнутое основаниеMcMaster-Carr8745K48Стержень из ПВХ, диаметр 6 дюймов
<прочный>сцепка вставкаMcMaster-Carr6535K313Болтовое соединение каркаса сверхпрочная сталь, 1" квадратный
<прочный><>экструзияMcMaster-Carr6545K71045 Холоднотянутая сталь квадратного стержня, ширина 1' x 1", неполированный
<>ClampVlierTH103AРегулируемая ручка крутящего
моментаподставка для ногMcMaster-Carr6582K4314130 Стальная трубка, ширина 1" x 1", Толщина стенки 0,065 дюйма, неполированная фрезерная отделка
CounterwieghtMcMaster-Carr8910K67Прямоугольный стержень из низкоуглеродистой стали толщиной 1-1/8 дюйма, шириной 4 дюйма
McMaster-Carr97245A616Оцинкованный стальной штифт Clevis с шплинтом для шплинтов, Диаметр 3/16 дюйма, полезная длина 1-9/16 дюйма
< strong>МикропроцессорArduinoMEGA 2560Плата микроконтроллера с 54 цифровыми контактами ввода/вывода и USB
Inertial Measurement Unitx-io Technologies Ltd.Инерциальный измерительный блок x-IMU и система ориентации по курсу с корпусом
Vibrating Tactorprecision MicrodrivesDEV-11008Lilypad Vibe Board, доступная в SparkFun Electronics

Ссылки

  1. Behm, D. G., Muehlbauer, T., Kibele, A., Granacher, U. Effects of Strength Training Using Unstable Surfaces on Strength, Power and Balance Performance Across the Lifespan: A Systematic Review and Meta-analysis. Sports Medicine. 45, 1645-1669 (2015).
  2. Larivière, C., Mecheri, H., Shahvarpour, A., Gagnon, D., Shirazi-Adl, A. Criterion validity and between-day reliability of an inertial-sensor-based trunk postural stability test during unstable sitting. Journal of Electromyography and Kinesiology. 23, 899-907 (2013).
  3. Paillard, T., Noé, F. Techniques and Methods for Testing the Postural Function in Healthy and Pathological Subjects. BioMed Research International. 2015, (2015).
  4. Williams, J., Bentman, S. An investigation into the reliability and variability of wobble board performance in a healthy population using the SMARTwobble instrumented wobble board. Physical Therapy in Sport. 25, 108(2017).
  5. Wall, C., Kentala, E. Effect of displacement, velocity, and combined vibrotactile tilt feedback on postural control of vestibulopathic subjects. Journal of Vestibular Research. 20, 61-69 (2010).
  6. Alahakone, A. U., Arosha Senanayake,, N, S. M. Vibrotactile feedback systems: Current trends in rehabilitation, sports and information display. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. , 1148-1153 (2009).
  7. Shull, P. B., Damian, D. D. Haptic wearables as sensory replacement, sensory augmentation and trainer - a review. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 12, 12-59 (2015).
  8. Prieto, T. E., Myklebust, J. B., Hoffmann, R. G., Lovett, E. G., Myklebust, B. M. Measures of postural steadiness: Differences between healthy young and elderly adults. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 43, 956-966 (1996).
  9. Ribot-Ciscar, E., Vedel, J. P., Roll, J. P. Vibration sensitivity of slowly and rapidly adapting cutaneous mechanoreceptors in the human foot and leg. Neuroscience Letters. , 130-135 (1989).
  10. Churchill, E., McConville, J. T. Sampling and Data Gathering Strategies for Future USAF Anthropometry. , (1976).
  11. Lee, H., Granata, K. P. Process stationarity and reliability of trunk postural stability. Clinical Biomechanics. 23, 735-742 (2008).
  12. Silfies, S. P., Cholewicki, J., Radebold, A. The effects of visual input on postural control of the lumbar spine in unstable sitting. Human Movement Science. 22, 237-252 (2003).
  13. Loughlin, P., Mahboobin, A., Furman, J. Designing vibrotactile balance feedback for desired body sway reductions. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 1310-1313 (2011).
  14. Goodworth, A. D., Wall, C., Peterka, R. J. Influence of feedback parameters on performance of a vibrotactile balance prosthesis. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17, 397-408 (2009).
  15. Marchal-Crespo, L., Reinkensmeyer, D. J. Review of control strategies for robotic movement training after neurologic injury. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 6, 20-35 (2009).
  16. Lee, B., Kim, J., Chen, S., Sienko, K. H. Cell phone based balance trainer. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 9, 1-14 (2012).
  17. Sienko, K. H., Balkwill, M. D., Wall, C. Biofeedback improves postural control recovery from multi-axis discrete perturbations. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 9, 53-64 (2012).
  18. Williams, A., et al. Design and Evaluation of an Instrumented Wobble Board for Assessing and Training Dynamic Seated Balance. Journal of Biomechanical Engineering. 140, 1-10 (2017).
  19. van Dieën, J. H., Koppes, L. L. J., Twisk, J. W. R. Postural sway parameters in seated balancing; their reliability and relationship with balancing performance. Gait Posture. 31, 42-46 (2010).
  20. Sigrist, R., Rauter, G., Riener, R., Wolf, P. Augmented visual, auditory, haptic, and multimodal feedback in motor learning: A review. Psychonomic Bulletin and Review. 20, 21-53 (2013).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Устройство Vibrotactile обратной связи для сидящих баланс оценки и обучения
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.