Summary
توضح هذه المقالة تقنية لتطبيق محفزات vibrotactile في الفخذ أحد المشاركين البشري، وقياس دقة وفترة رد الفعل استجابة المشاركين الإرادية لمجموعات مختلفة من موقع التحفيز والتردد.
Introduction
ردود الفعل الحسية الاصطناعي (ASF) يمكن تعريفها بأنها ممارسة تقديم المعلومات البيولوجية في الوقت الحقيقي للأفراد، في كثير من الأحيان التعويض عن استقبال الحس العميق للخطر أو غيرها من آليات الحسية. وقد استخدم ASF طويلة في مجال تأهيل الأشخاص المصابين أو تعطيل للمساعدة في شفاء من جوانب وظيفة البدنية والحركة 1-3، يسمح للأفراد للسيطرة على العمليات الفيزيائية التي كانت استجابة لا إرادية في الجهاز العصبي اللاإرادي 4. فئة فرعية من ASF، الارتجاع البيولوجي النشاط الحيوي، يستخدم أجهزة الاستشعار الخارجية للقياس المعلمات المتعلقة التوازن أو مشية الكينماتيكا، وإيصال هذه المعلومات إلى الفرد من خلال نوع من التحفيز التطبيقية. نهج شعبية متزايدة لردود الفعل النشاط الحيوي يستخدم محركات صغيرة تهتز، أو tactors، وضعت في أجزاء مختلفة من الجسم لتوفير المكانية، فضلا عن ردود الفعل الزمني. وقد أظهرت الدراسات السابقة صromising النتائج تدعم استخدام ردود الفعل vibrotactile في تطبيقات للأفراد مع بتر سفلى للأطراف العاهات الدهليزي، وفقدان التوازن 5 ذات الصلة الشيخوخة - 9.
فهم شامل لآليات السيطرة على تصور الفرد والاستجابة للمؤثرات معينة ضروري للإعلام التنفيذ الفعال لنظم محامون بلا حدود لمختلف التطبيقات. للوقوف على آرائهم vibrotactile، ومن أهم هذه الآليات واستقبال الحس العميق والاستجابة الحسية، وتحديدا حساسية المستخدم إلى الاهتزازات التطبيقية والوقت اللازم لتنفيذ رد فعل المطلوب. يجب ترميز أي المعلومات الحسية ترسل من خلال المحفزات اهتزاز، مجموعات محددة من التردد والاهتزاز، والسعة، والموقع، والتسلسل. ولذلك، ينبغي تصميم نظم محامون بلا حدود vibrotactile اختيار مجموعات من المعلمات لتحقيق أقصى قدر من الإدراك المستخدم وتفسير المحفزات، كماكذلك السرعة والدقة في الاستجابة الحركية الناتجة عن ذلك. والهدف من هذا البروتوكول هو توفير منصة يمكن من خلالها تقييم أوقات الاستجابة ودقة الاستجابة للمؤثرات المختلفة الذبذبات إبلاغ تصميم نظم محامون بلا حدود للاستخدام مع مختلف السكان الحسي ضعاف.
الطرق وصفت هنا يبني على بحث سابق استكشاف الإدراك البشري من اللمس وvibrotactile ردود الفعل 3،5،6، والتي أعدت للاستعمال في اثنين من دراسات سابقة 10،11. في دراستين الأخيرة استخدمت هذا البروتوكول لدراسة آثار تردد الاهتزاز والموقع على دقة وتوقيت استجابات المستخدم في مبتوري الأطراف السفلي الأطراف الاصطناعية، والتي تبين أن كلا من المعلمات تؤثر تأثيرا كبيرا على مقاييس النتائج، وأنه على درجة عالية من الدقة استجابة يمكن أن يكون تحقق. هذه النتائج يمكن استخدامها لإبلاغ وضع مثالي من tactors في الدراسات المستقبلية والتطبيقات السريرية للأنظمة vibrotactile ASF. عمل مؤخرا الآخرين من خلالبجمعية العقارات وآخرون. 12 فحص حساسية المستخدم للتغيرات في أنماط الاهتزاز تطبيقها في الفخذ أثناء المشي، وذلك باستخدام الردود اللفظية للدلالة على التغيرات ينظر إلى أنماط الاهتزاز، بدلا من الاستجابة الحركية. في حين أن هذه الاستجابات اللفظية يمكن استخدامها لقياس دقة الكشف، وأنها لا تأخذ في الحسبان الأخطاء والتأخير التي قد تكون موجودة في عملية التحكم في المحركات.
الإعداد الأساسي للالتجارب التالية يتكون من عدد من اهتزازات في المحركات متصلة نبض-التضمين عرض دبابيس الإخراج من لوحة متحكم. والمجلس هو، بدوره، السيطرة عليها من خلال اتصال الناقل التسلسلي العالمي (USB) إلى كمبيوتر يعمل بنظام التشغيل المتاحة تجاريا تصميم البرمجيات النظام. تتطلب المحركات دائرة تضخيم إضافية لضمان ما يكفي من الجهد ويتم تزويد التيار على نطاق واسع من الترددات الاهتزاز. يظهر دائرة سبيل المثال مكبر للصوت في الشكل 1. الترانزستور تقاطع بين القطبين (BJR) في الشكل يمكن استبدالها مع أصغر معدن أكسيد أشباه الموصلات حقل التأثير الترانزستور (MOSFET) للعمل أكثر كفاءة وحجم أصغر. وبالمثل، يمكن استبدال الدائرة تضخيم بالكامل من قبل سائق السيارات لمسي خارج الجاهزة للاستخدام لتوفير رقابة إضافية وتخفيض حجم. يتطلب كل محرك الدائرة الخاصة بها، واستخدام المعدات المذكورة في هذه الورقة، ما يصل إلى عشرة محركات يمكن السيطرة عليها من قبل مجلس متحكم واحد.
ويظهر الشكل 1. موتور الأسلاك. (أ) الدائرة التضخيم لمحرك الاهتزاز واحد. يتطلب كل محرك دائرة منفصلة ويجب أن تكون متصلا إلى منفذ إخراج PWM فريد من نوعه على متحكم. هنا يمثل V DD 3.3 V الطاقة المزودة من قبل مجلس متحكم، والمقاوم يخدم R2 باعتباره مقاوما المنسدلة لضمان التبديل الترانزستور لا يزال مفتوحا عند الصفر الجهد هو التطبيقكذب. (ب) مثال على الأسلاك المادي لاثنين من المحركات. على الرغم من أن يتم عرض ثمانية الدوائر التضخيم الفردية، وترتبط اثنين فقط لمحركات الاهتزاز. في هذا البروتوكول R1 = 4.7 أوم و R2 = 100 أوم. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
وتمت الموافقة على بروتوكول التالية من قبل المجلس أخلاقيات الأبحاث في مستشفى هولندا Bloorview الاطفال لإعادة التأهيل.
1. موتور المعايرة
- ربط مجلس متحكم إلى جهاز الكمبيوتر باستخدام منفذ USB.
- باستخدام برنامج متحكم الأصلي، وتحميل البرامج النصية المخصصة، "Motor_and_AccelerometerTest.ino" إلى المجلس باستخدام وصلة USB عن طريق النقر على "تحميل" الرمز، الرمز بواسطة السهم الأيمن دائري.
- تأكد من أن يتم تعيين مستوى الاهتزاز إلى الصفر لوضع المحرك في خارج الموقف باستخدام "analogWrite" القيادة. رمز يجب قراءة "analogWrite (vibe1،0)؛".
- في رمز متحكم، حدد نبض عرض التضمين (PWM) إخراج دبوس المقابلة للمحرك من الفائدة عن طريق تهيئة "vibe1" متغير.
ملاحظة: إشارات PWM تولد مخرجات التناظرية التقريبية من الإشارات الرقمية التي تم إنشاؤها بواسطة متحكم. دبابيس هي labeleد عدديا على متن متحكم البدني. على سبيل المثال، إذا كان متصلا المحرك لإخراج PWM دبوس "3"، ثم تأكد من أن "كثافة vibe1 = 3؛" المحدد في التعليمات البرمجية.
- وصل الناتج ض محور التسارع ثلاثي محور واحد من منافذ الإدخال التناظرية من مجلس متحكم، وربط الإيجابية والأرض يؤدي من التسارع إلى 5V والأرض (GND) موانئ مجلس متحكم على التوالي.
- جبل التسارع للمحرك تهتز، وضمان أن لها محور z غير متعامد على سطح مستو من المحرك، كما هو مبين في الشكل 2، ووضع المحرك على سطح صلب.
- فتح ملف "Motor_Calibration.vi" في البرنامج الحصول على البيانات وربط متحكم إلى الكمبيوتر من خلال منفذ USB.
- باستخدام الحقول المتوفرة، حدد المنفذ التسلسلي للمدخلات متحكم، وذلك باستخدام القائمة المنسدلة، فضلا عن معدل أخذ العينات، والأسطواناتنوفمبر من العينات لجمع. ملاحظة: معدل أخذ العينات 500 هرتز هو المعيار لهذه التجارب لمنع التعرجات من البيانات التسارع، وتسجل 1000 العينات عادة.
- باستخدام "Motor_and_Accelerometer.ino" رمز، وتحديد دورة العمل المطلوب من النبضات PWM تزويد المحرك اهتزازي، مرة أخرى باستخدام "analogWrite الأمر"، وإعادة تحميل البرنامج إلى مجلس متحكم التحكم في المحركات (انظر الخطوة 1.1 ). على سبيل المثال، لتعيين عدد النبضات إلى 100، يجب رمز قراءة "analogWrite (vibe1،100)؛". ويبين الجدول 1 القيم PWM ودورات واجب المقابلة.
- باستخدام-تحويل فورييه السريع (الاتحاد الفرنسي للتنس) عرض على واجهة "MotorCalibration.vi"، وتحديد أكبر الذروة وتسجيل قيمة تردد الاهتزاز المقابلة (من المحور الأفقي).
- كرر الخطوات من 1،7-1،8، وتعديل مستويات PWM حتى يتم التوصل إلى التردد المطلوب، وتسجيل كل باي PWM الترددص. على سبيل المثال، إذا استهدفت تردد 100 هرتز، نفذ الخطوات 1،7-1،8 حتى تحدث أكبر الذروة أكثر من علامة 100 هرتز على المحور الأفقي.
ملاحظة: للحصول على محركات الذبذبات المستخدمة في هذا البروتوكول، ينبغي أن الاهتزازات المستهدفة تقع في نطاق 60-400 هرتز لتتناسب بشكل أفضل ترددات رد mechanoreceptors في الجلد وصفها في المؤلفات 5،10،13. - كرر الخطوات من 1.2.2 إلى 1.8 لكل محرك، وتسجيل العلاقة PWM التردد لكل محرك مع جدول بيانات أو القلم والورق يدويا.
- فتح ملف "Experiment_1.vi". لكل محرك، انقر بزر الماوس الأيمن على القائمة المنسدلة تردد واختر "خصائص". تحت علامة التبويب "تحرير العناصر"، استخدم الجدول لدخول الترددات المطلوبة ومستويات PWM المقابلة المحددة في خطوات 1،8-1،9. حدد "موافق" للخروج.
- كرر الخطوة 1.11 لكل ملف واجهة افتراضية (سادسا) من برنامج تصميم النظام لاستخدامها أثناء الاختبار (على سبيل المثال، "Experiment_2.vi "،" Experiment_3.vi "، وما إلى ذلك).
الشكل 2. التسارع الخيالة للسيارات. هي التي شنت على التسارع ثلاثي محور (الأخضر) إلى محرك عملة مع متعامد ض محور لسطح مستو من المحرك للمعايرة. تم تفعيل كل السيارات باستخدام دورات العمل المختلفة، وسجلت ترددات اهتزاز المقابلة من قبل التسارع. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
2. وضع موتورز
- مرة واحدة وقد تم معايرة جميع المحركات (قسم 2)، جبل لهم في الفخذ.
- لتحقيق النتائج الموضحة في هذه المخطوطة، وضع محرك واحد على كل من الأمامي، الخلفي، وسطي، والأسطح الجانبية من الفخذ، ما يقرب من أن يكون في منتصف الطريقتوين المدور الكبير وقمة الفخذ الجانبية (أو النهاية البعيدة للطرف للمبتورين فوق الركبة).
ملاحظة: المواقع المحددة لكل محرك يمكن أن تختلف، اعتمادا على الأسئلة البحثية والمناطق ذات الأهمية، ويمكن أن تتأثر بعوامل التشريحية والفسيولوجية، مثل نوع والمكاني لتوزيع mechanoreceptors في الجلد.
- لتحقيق النتائج الموضحة في هذه المخطوطة، وضع محرك واحد على كل من الأمامي، الخلفي، وسطي، والأسطح الجانبية من الفخذ، ما يقرب من أن يكون في منتصف الطريقتوين المدور الكبير وقمة الفخذ الجانبية (أو النهاية البعيدة للطرف للمبتورين فوق الركبة).
- نعلق المحركات مباشرة على الجلد باستخدام الشريط على الوجهين.
ملاحظة: حلق المنطقة حول كل السيارات ليست ضرورية، ولكن قد يحسن التصاق على الجلد (الشكل 3). للتطبيقات حيث الآثار من الملابس، وبطانة الاصطناعية، أو بعض المواد الأخرى على الإدراك المستخدم ذات أهمية، ووضع المحركات على رأس المواد المذكورة، وليس على الجلد.
بنيت الرقم 3. اختبار منهاج التجارب. منصة اختبار مخصصة لر المنزلانه متحكم المجالس ودفع أزرار. المحركات يمكن تركيبها مباشرة على الجلد (كما هو موضح)، أو مع بطانة الاصطناعية بين المحرك والجلد. الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
3. تجربة 1: وضع عجينة من المحفزات وردود الفعل تسجيل وقت
- إعادة فلاش مجلس متحكم مع البرامج الثابتة لتمكين السيطرة على المجلس من خلال البرنامج الحصول على البيانات من خلال فتح ملف "LVIFA_Base.pde" مع مجموعة من البرامج المصاحبة وحدة التحكم، وتكرار الخطوة 1.1، لتحل محل "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" مع " LVIFA_Base.pde "النصي.
- ربط الضغط على زر مباشرة إلى أحد منافذ USB لجهاز الكمبيوتر باستخدام موصل المسلسل إلى USB. تأكد من أن يتم تثبيت كافة برامج التشغيل المطلوبة.
- فتح "Experiment_1.vi" واجهة.
- تحديد المسلسلالموانئ لمجلس متحكم متصلا المحركات، والضغط على زر عن طريق اختيار أرقام التعريف المنفذ التسلسلي المقابلة من القوائم المنسدلة المسمى "الإدخال موتور" و "الزر الأخضر"، على التوالي. تحديد أرقام التعريف المنفذ التسلسلي باستخدام نظام التشغيل مدير جهاز فائدة للكمبيوتر.
- حدد الملف لتسجيل النتائج وبدء تشغيل البرنامج.
- حدد المحركات والترددات ليتم تفعيلها عن طريق اختيار من القوائم المنسدلة لكل محرك في واجهة "Experiment_1.vi". هل لديك الصحافة المشاركين الضغط على زر مع المحطة التي يتم تطبيقها ردود الفعل عندما يشعر الاهتزاز. بعد الضغط على الزر، تأكيد استجابة في واجهة البرنامج الحصول على البيانات من قبل مشيرا إلى أن الساعة قد توقف العد، وإعادة المحركات للمحاكمة المقبلة عن طريق اختيار مجموعة جديدة من الترددات من القوائم المنسدلة.
- بمجرد أن تنتهي التجربة، استخدم الدكتورالقوائم opdown للعودة جميع الترددات السيارات إلى مستوى الصفر واختيار زر "البرنامج توقف" لإنهاء الاتصال إلى لوحة التحكم في المحركات.
4. تجربة 2: التمييز بين المحفزات
ملاحظة: يمكن إجراء هذه التجربة بشكل مستقل تماما عن تجربة 1. محرك واحد أو متعددة المحركات يمكن استخدامها. مواقع محددة من المحركات يمكن أن تختلف تبعا للتطبيق والبحوث الأسئلة.
- توصيل الضغط على زر الثاني إلى منفذ USB آخر باستخدام موصل USB المسلسل.
- فتح "Experiment_2.vi" واجهة الحصول على البيانات.
- وضع المحركات في المواقع والتشكيلات اللازمة لتطبيق بحوث محددة. على سبيل المثال، وضع المحركات واحدة على الفخذ، في منتصف الطريق بين المدور الكبير وقمة الفخذ الجانبية (أو النهاية البعيدة للطرف للمبتورين)، على كل من الأمامي، الخلفي، الجانبية، والسطوح وسطي من الفخذ إلى البريدxamine حساسية تردد في كل من هذه الأجزاء من الساق 10،11.
- تحديد المنافذ التسلسلية للمجلس متحكم وكل من أزرار الضغط باستخدام نفس الإجراء الخطوة 3.4. مما لا شك فيه أن نلاحظ التي الضغط على زر تم تعيينه إلى كل منفذ.
- حدد محركات محددة ليتم تفعيلها والتسلسل المطلوب من الترددات من خلال النقر على الرموز "موتور" في واجهة البرنامج. على سبيل المثال، لنفترض أن يجري اختبار ثلاثة ترددات، مثل 140 هرتز، 180 هرتز، و 220 هرتز. سلسلة من الاختبارات قد تكون (1) 180 هرتز تليها 140 هرتز، (2) 220 هرتز تليها 140 هرتز، و (3) 180 هرتز تليها 220 هرتز.
- إدخال تأخير وقت البدء ومدة التحفيز. 1.5 ثانية هو الحال بالنسبة لكل من تأخير والأوقات التحفيز.
- بدء تشغيل البرنامج.
ملاحظة: بعد التأخير المحددة في الخطوة 4.6، سيقوم البرنامج تفعيل المحرك (s) مع تسلسل الترددات يقترن المختار في الخطوة 4.5. على سبيل المثال، إذا كان 180 هرتز مقابل 220 هرتز حد ذاتهاlected في الخطوة 4.5، فإن المحرك المقابلة تهتز لأول مرة في 180 هرتز لمدة محددة قبل أن ينتقل إلى 220 هرتز. - هل لديك الصحافة مشارك واحد من اثنين دفع أزرار لاختيار ما إذا كان تردد ينظر الثاني أعلى أو أقل من الأول. سيتم تلقائيا تسجيل استجابات من قبل البرنامج.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ويوضح الشكل 4 منحنيات المعايرة تحديد قيمة PWM لتردد الاهتزاز 180 هرتز من محرك واحد. بدءا من دورة عمل 50٪، وكرر القيم PWM حتى يحدث ارتفاع وتيرة الابتدائي في 180 هرتز. يجب أن تظهر المحاكمات معايرة ناجحة ارتفاع واضح في وتيرة اهتزاز الأساسي. تثبيت الفقراء من التسارع إلى المحرك، أو من المحرك إلى سطح الدعم قد يؤدي في الاتحاد الفرنسي للتنس أكثر انتشارا من دون ارتفاع واضح. في هذه الحالة، ينبغي تكرار التجربة المعايرة بعد أن تم تعديل يتصاعد لضمان اتصال أفضل.
ويبين الشكل 5A أوقات رد الفعل بين استجابة التحفيز وضغط على زر تسجيل لتجربة 1 لثلاثة ترددات الاهتزاز، و 140 هرتز، 180 هرتز، و 220 هرتز، وتطبق على السطح الأمامي من الفخذ لمدة عشر المشاركين الأصحاء وثلاثة من مبتوري الأطراف 10. تدابير المتكررة تحليل التباين (ANOVA) وتم استخدام تحليل توكي بعد خاص باستخدام تصحيح بونفيروني للتعرف على آثار محددة من كل تردد. وتشير هذه البيانات إلى انتشار ضيق نسبيا من البيانات لكل تردد في عدد السكان القادرين على العمل، وتيرة تأثير كبير. وترد أوقات رد الفعل للتمييز بين أزواج من الترددات الاهتزاز في الشكل 5B، ويمكن تحليلها باستخدام نفس الإجراء الاختبارات تردد واحدة. ويمكن إجراء تحليلات مماثلة لتحديد الآثار المترتبة على وضع المحرك، وآلية استجابة (على سبيل المثال، الضغط على الضغط على زر مع اليدين أو الساقين)، أو ظروف الاختبار الأخرى.
ويبين الشكل 4. منحنيات المعايرة النموذجية. نتائج تحويل فورييه السريع للبيانات تسارع لمحرك تمر معايرة واحدة. أجريت أربع تجارب لتحديد correspon مستوى PWMدينغ إلى 180 الاهتزاز هرتز (الخط الأزرق الصلبة). لاحظ أن الاهتزاز يختلف بين الترددات المختلفة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
ويبين الشكل 5. ردود الفعل الوقت ممثل النتائج. مرات (أ) الاستجابة للترددات الفردية. تظهر البيانات المتصلة خط البيانات للمشاركين القادرين على العمل (يعني ± SD)، في حين تمثل نقاط البيانات الفردية الأشخاص الثلاثة مع بتر transfemoral. انخفض أوقات رد الفعل بشكل ملحوظ تردد. '* يدل على اختلاف كبير من أوقات رد الفعل هرتز 140، و' # 'فرق من التردد هرتز 180، سواء في أهمية ف <0.05. (ب) مرات الاستجابة للتمييز بين الزوجيتم رسم الصورة الترددات لكل من الأفراد القادرين على العمل والذين يعانون من بتر transfemoral. لاحظ أن انتشار البيانات في كل زوج هو أكبر من ذلك بكثير للبيانات تيرة واحدة، مشيرا إلى المزيد من النتائج متغيرة. تم تعديل هذا الرقم من البيانات المنشورة في الأصل من قبل شارما وآخرون. 10. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
| PWM القيمة (نبضات) | 64 | 127 | 191 | 255 |
| دورة العمل (٪) | 25 | 50 | 75 | 100 |
ويبين الجدول 1. القيم PWM ودورات واجب المقابلة. مستويات PWM عينة ودورات واجب المقابلة. تانه 0-255 مجموعة لقيمة PWM يحدد عدد البايتات في كل نبضة (من أصل 255 ممكنة) التي تكون الإشارة على.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
والغرض من هذا البروتوكول هو توفير إطار لتقييم المعلمات التحفيز في تطبيقات ASF vibrotactile. على وجه التحديد، فإنه يفحص آثار التردد والاهتزاز، والسعة والموقع وتسلسل على الاستجابة الحسية المستخدم. هذا الإطار يمكن البناء عليها وتوسيعها لدمج أنواع إضافية أو بديلة للاستجابة المستخدم الذي قد يكون أكثر أهمية سريريا، مثل الانحناء مشترك أو تحويل الوزن من ساق واحدة إلى أخرى. أن هذه الأنواع من التغييرات تتطلب تكوينات مختلفة قليلا الأجهزة، وهي استبدال أزرار الدفع مع أجهزة مثل وحدات بالقصور الذاتي القياس (إيمس) أو أجهزة استشعار الضغط، وكذلك التغيرات المصاحبة إلى واجهة افتراضية. وبالمثل، على الرغم من أن بروتوكول المعروضة هنا يتطلب المشارك أن يكون في وضع الجلوس، فإن التعديلات الأجهزة الصغيرة فقط يكون ضروريا لتحقيق الانتقال إلى أكثر سريريا المواقف ذات الصلة، مثل توازن الوقوف أو وولمحاكمات الملك.
في كلا التجربتين، والضغط على زر (ق) قد يكون الضغط مع اليد والساق والقدم، أو من قبل بعض وسائل أخرى، وهذا يتوقف على مسألة بحثية محددة والاستجابة المطلوبة. وعلاوة على ذلك، دراسات إضافية تستخدم هذا البروتوكول الأساسي يمكن استخدامها لاستكشاف آثار استراتيجيات مختلفة ردود الفعل الترميز، والمواقع، وإدماجها في الأطراف الصناعية الجديدة أو القائمة. على سبيل المثال، عند تنفيذ ردود الفعل vibrotactile إلى الاصطناعية أقل الأطراف الاصطناعية، قد يكون من المثير للاهتمام أن دراسة الآثار المترتبة على مأخذ الاصطناعية والخطوط الملاحية المنتظمة على حساسية المستخدم إلى المحفزات. بينما البروتوكولات بالتفصيل في هذه المخطوطة تتطلب تفعيل شبه يدوي من المحركات الهزازة (من خلال واجهة)، فإنها يمكن بسهولة أن يتم تعديل لتمكين تفعيل محرك ردا على القياسات الحركية أو الحركية من أجهزة الاستشعار الخارجية. استخدام أجهزة القياس، مثل إيموس، المنقل مقياس الزوايا، والضغوط وأجهزة الاستشعار، الخ، بدلا من ضغط على زر، يمكن أن يكون التجارب جonducted لدراسة مرات استجابة المستخدم أكثر أهمية من الناحية الفسيولوجية والدقة لردود الفعل vibrotactile المقدمة. وهذا النوع من الدراسة توظيف بروتوكولات مماثلة لتلك التي وصفها في التجارب 1 و 2، ولكن يتطلب نظام مراقبة إضافية لتحويل المدخلات إلى أجهزة الاستشعار التعليمات المرسلة إلى المحركات الهزازة، وكذلك تغييرات على برنامج الحصول على البيانات على التفاعل مع التغييرات الأجهزة الجديدة.
وأحد الأمثلة على تنفيذ استجابة ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية هو استبدال الضغط على زر مع مقياس الزوايا لقياس التغيرات في زاوية الركبة. لهذا النوع من التجارب، سوف شنت مقياس الزوايا على السطح الجانبي لمفصل الركبة، وبدلا من الضغط على زر، سوف تكون تعليمات المشاركين لثني الركبة لزاوية الركبة محددة مسبقا (على سبيل المثال، 90 درجة) على تصور وجود اهتزاز المحرك. ثم يتم تحديد أوقات رد الفعل المستخدم والوقت المنقضي بين التحفيز التطبيقية وعندما والمشتركغلي يستقر على أو بالقرب من القيمة المطلوبة (على سبيل المثال، 90 ° ± 10 درجة). ويمكن أيضا أن دقة الحركة يتم تقييم عن طريق حساب الخطأ في المئة بين الهدف والزوايا التي تحققت.
على مدى السنوات العشر الماضية، واستكشفت عدد من الدراسات والاستفادة من التغذية المرتدة vibrotactile في مجموعة متنوعة من التطبيقات النشاط الحيوي، بما في ذلك فعاليته كأداة تدريبية لتحسين المشي والتوازن 14،15. وقد ركزت معظم هذه الدراسات عن الآثار السريرية الارتجاع البيولوجي، ودراسة أية تغييرات على المعلمات الحركية أو حركية معينة عندما يتم تطبيق ردود الفعل vibrotactile. على هذا النحو، فإن معظم بروتوكولات حدد مجموعة واحدة من المعلمات التحفيز، مع عدد قليل فحص حساسية المستخدم إلى موقع الاهتزاز، والسعة، أو نمط. بروتوكول المعروضة هنا بمثابة خطوة أولى نحو تصور المستعمل تفاهم لvibrotactile المحفزات التي يجب أن يؤديها قبل تقييم آثار هذه المحفزات في مختبر الت محددشروط كال. عمل إضافي، مثل تلك التي Goodworth وآخرون 7،16، التي استكشفت مختلف الترميز استراتيجيات لترجمة المعلومات الحسية إلى المحفزات اهتزازي، وإنشاء وآخرون. 12، والتي قيمت حساسية المستخدم للتغيرات في أنماط الاهتزاز، وتكمل هذه التجارب لتوفير فهم أكثر اكتمالا لكيفية تحسين ردود الفعل vibrotactile لتطبيقات الميكانيكا الحيوية المحددة.
وتجدر الإشارة إلى أن الحد الأساسي من هذا النظام التجريبي، كما هو الحال مع غيرها من النظم التي أعلن عنها في الأدب 5،6، تقع على عاتق المحركات الهزازة، التي تردد الاهتزاز الزوجين وحجمها. وهذا هو، ويرافق الزيادة أو النقصان في التردد والاهتزاز تغيرات نسبية في السعة. الفصل بين هذين المعيارين يتطلب نوعا مختلفا من السيارات، مثل المحركات صدى الخطية، وكذلك سائقو السيارات أكثر تقدما لتشغيل المحركات أكثر تطورا. المضافاتستلزم التحديثات IONAL إلى واجهة القائمة لاستيعاب أجهزة جديدة والمعلمة سعة إضافية.
إجراء المعايرة أمر بالغ الأهمية لتنفيذ الناجح لهذه التجارب، ويجب أن يتم تنفيذ بشكل مستقل لكل السيارات المستخدمة في تجارب لاحقة. في حين أن العلاقة دورة التردد واجب يجب أن تكون أبعاده نفس نوع المحركات متطابقة، والاختلافات الصغيرة في بناء المحرك قد يؤدي إلى تغييرات غير تافهة لالناجمة الترددات. على سبيل المثال، في حين أن تطوير هذا الإجراء، وقد تحقق تردد الهدف 180 هرتز باستخدام قيم PWM تتراوح 103-143 لمحركات مختلفة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Vibrating Pager Motors | Precision Microdrives | Model 310-101 | Coin eccentric rotating mass motors. As many as necessary to test all locations and interactions of interest |
| Tri-axis Accelerometer | Dimension Engineering | ADXL 335 | Advanced analog accelerometer. 500 Hz bandwidth, 3.5-15 V input. Designed for motion, tilt, and slope measurement, as well as vibration and shock sensing. |
| Arduino Uno | Arduino | DEV-11021 | Microcontroller board for communicating with the tri-axis accelerometer |
| Arduion Mega 2560 | Arduino | DEV-11061 | Microcontroller board for interfacing with the vibration motors. |
| LabVIEW | National Instruments | Data acquisition software used to control motors and display accelerometer signals | |
| Arduino IDE Software | Arduino | v. 1.6.5 | |
| Push-Button | Bridges | Buddy Button | Wired switch featuring a 2.5 in/6.35 cm activation surface that provides an auditory click and tactile feedback. |
| Optional: | |||
| Dedicated haptic motor driver | Texas Instruments | DRV2605L | Can be used to replace the entire amplification circuit described in Step 1. |
| Flexible wearable goniometer | Biometrics Ltd. | SG110 | Twin axis flexible goniometers to measure angles in up to two planes of movement that can be used in lieu of the push button to measure joint movement in response to stimuli. www.biometricsltd.com/gonio.htm |
References
- Tate, J. J., Milner, C. E. Real-time kinematic, temporospatial, and kinetic biofeedback during gait retraining in patients: a systematic review. Phys. Ther. 90 (8), 1123-1134 (2010).
- Onate, J. A., Guskiewicz, K. M., Sullivan, R. J. Augmented feedback reduces jump landing forces. J. Orthop. Sports Phys. Ther. 31 (9), 511-517 (2001).
- Cholewiak, R. W. The perception of tactile distance: Influences of body site, space, and time. Perception. 28 (7), 851-875 (1999).
- Zhang, Z., Wu, H., Wang, W., Wang, B. A smartphone based respiratory biofeedback system. Proc. 2010 3rd Int. Conf. Biomed. Eng. Informatics. 2, 717-720 (2010).
- Wentink, E. C., Mulder, A., Rietman, J. S., Veltink, P. H. Vibrotactile stimulation of the upper leg: Effects of location, stimulation method and habituation. Proc. Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. , 1668-1671 (2011).
- Rusaw, D., Hagberg, K., Nolan, L., Ramstrand, N. Can vibratory feedback be used to improve postural stability in persons with transtibial limb loss? J. Rehabil. Res. Dev. 49 (8), 1239-1254 (2012).
- Goodworth, A. D., Wall, C., Peterka, R. J. Influence of feedback parameters on performance of a vibrotactile balance prosthesis. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 17 (4), 397-408 (2009).
- Asseman, F., Bronstein, A. M., Gresty, M. A. Using vibrotactile feedback of instability to trigger a forward compensatory stepping response. J. Neurol. 254 (11), 1555-1561 (2007).
- Fan, R. E., Culjat, M. O., et al. A haptic feedback system for lower-limb prostheses. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 16 (3), 270-277 (2008).
- Sharma, A., Torres-moreno, R., Zabjek, K., Andrysek, J. Toward an artificial sensory feedback system for prosthetic mobility rehabilitation: Examination of sensorimotor responses. J. Rehabil. Res. Dev. 51 (6), 416-425 (2014).
- Sharma, A., Leineweber, M. J., Andrysek, J. The effects of cognitive load and prosthetic liner on volitional response times to vibrotactile feedback. J. Rehabil. Res. Dev. , (2016).
- Crea, S., Cipriani, C., Donati, M., Carrozza, M. C., Vitiello, N. Providing Time-Discrete Gait Information by Wearable Feedback Apparatus for Lower-Limb Amputees: Usability and Functional Validation. IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 23 (2), 250-257 (2015).
- Bolanowski, S. J., Gescheider, G. A., Verrillo, R. T., Checkosky, C. M. Four channels mediate the mechanical aspects of touch. J. Acoust. Soc. Am. 84 (5), 1680-1694 (1988).
- Giggins, O. M., Persson, U. M., Caulfield, B.
- Shull, P. B., Jirattigalachote, W., Hunt, M. A., Cutkosky, M. R., Delp, S. L. Quantified self and human movement: A review on the clinical impact of wearable sensing and feedback for gait analysis and intervention. Gait Posture. 40 (1), 11-19 (2014).
- Goodworth, A. D., Peterka, R. J. Sensorimotor integration for multisegmental frontal plane balance control in humans. J. Neurophysiol. 107 (1), 12-28 (2012).
