Summary
Cet article décrit une technique pour appliquer des stimuli vibrotactile à la cuisse d'un participant humain, et on mesure la précision et le temps de réaction de la réponse volontaire du participant pour diverses combinaisons de lieu de stimulation et de la fréquence.
Introduction
rétroaction sensorielle artificielle (ASF) peut être définie comme la pratique de fournir en temps réel des informations biologiques à des individus, souvent compenser proprioception compromis ou un autre mécanisme sensoriel. ASF a été longtemps utilisé dans le domaine de la réadaptation des personnes blessées ou handicapées pour aider à la récupération des aspects de la fonction physique et de mouvement : 1 - 3, ce qui permet aux individus de contrôler les processus physiques qui étaient autrefois une réaction involontaire du système nerveux autonome 4. Une sous-catégorie de ASF, biofeedback biomécanique, utilise des capteurs externes pour mesurer les paramètres relatifs à l'équilibre ou la marche cinématique, et de communiquer ces informations à l'individu par une sorte de stimulus appliqué. Une approche de plus en plus populaire pour la rétroaction biomécanique emploie de petits moteurs vibrants, ou contacteurs, placés à différentes parties du corps pour fournir l'espace ainsi que la rétroaction temporelle. la littérature antérieure a montré promising résultats favorisant l'utilisation des évaluations vibrotactile dans des applications à des personnes ayant subi une amputation des membres inférieurs, troubles vestibulaires, et le vieillissement-connexe perte d'équilibre 5-9.
Une compréhension approfondie des mécanismes de contrôle de la perception et de la réponse d'un individu à des stimuli spécifiques est nécessaire pour informer la mise en œuvre efficace des systèmes d'ASF pour différentes applications. Pour la rétroaction vibrotactile, chef parmi ces mécanismes sont proprioception et la réponse sensorimotrice, en particulier l'utilisateur sensibilité aux vibrations appliquées et le temps requis pour exécuter la réaction souhaitée. Toute information sensorielle communiquée par des stimuli de vibration doit être codé comme des combinaisons spécifiques de fréquence de vibration, l'amplitude, l'emplacement et la séquence. Par conséquent, la conception de systèmes d'ASF vibrotactiles devrait choisir des combinaisons de paramètres afin de maximiser la perception et l'interprétation de l'utilisateur des stimuli, commeainsi que la rapidité et la précision de la réponse du moteur résultant. L'objectif de ce protocole est de fournir une plate-forme à partir de laquelle pour évaluer les temps de réponse et la précision de la réponse à divers stimuli vibratoires pour éclairer la conception des systèmes d'ASF pour une utilisation avec différentes populations sensorielles avec facultés affaiblies.
Les méthodes décrites ici construit sur la recherche avant d' explorer la perception humaine du tactile et vibrotactile rétroaction 3,5,6, et a été développé pour une utilisation dans deux études antérieures 10,11. Les deux dernières études utilisées ce protocole pour examiner les effets de la fréquence de vibration et l'emplacement sur la précision et la rapidité des réponses des utilisateurs dans amputés des membres inférieurs, montrant que les deux paramètres affectent de manière significative les mesures de résultats, et qu'un haut degré de précision de réponse peuvent être atteint. Ces résultats peuvent être utilisés pour informer le placement idéal des contacteurs dans les études futures et les applications cliniques des systèmes vibrotactile ASF. D'autres travaux récents parCréa et al. 12 a examiné la sensibilité des utilisateurs aux changements dans les modes de vibrations appliquées à la cuisse lors de la marche, en utilisant des réponses verbales pour signifier les changements perçus aux modes de vibration, plutôt que d' une réponse motrice. Bien que ces réponses verbales peuvent être utilisées pour mesurer la précision de détection, ils ne tiennent pas compte des erreurs et des retards qui peuvent être présents dans le processus de commande du moteur.
La configuration principale pour les expériences suivantes se compose d'un certain nombre de moteurs vibrants reliés à largeur d'impulsion modulée broches de sortie d'une carte de microcontrôleur. Le conseil d'administration est, à son tour, contrôlé par une connexion Universal Serial Bus (USB) à un ordinateur exécutant le logiciel disponible dans le commerce de la conception du système. Les moteurs ont besoin d'un circuit d'amplification supplémentaire pour assurer une tension suffisante, et le courant est fourni sur une large gamme de fréquences de vibration. Un circuit amplificateur est par exemple représenté sur la figure 1. Le transistor à jonction bipolaire (RJL) Dans la figure peut être remplacé par le transistor à effet de champ métal-oxyde inférieur-semiconducteur (MOSFET) pour un fonctionnement plus efficace et plus petite taille. De même, le circuit d'amplification entier peut être remplacé par un pilote de moteur haptique off-the-shelf pour fournir un contrôle supplémentaire et la taille réduite. Chaque moteur nécessite son propre circuit, et en utilisant l'équipement énuméré dans ce document, jusqu'à dix moteurs peut être contrôlé par une seule carte de microcontrôleur.
Figure 1. Le câblage du moteur. (A) Le circuit d'amplification pour un moteur de vibration unique est représenté. Chaque moteur exige un circuit séparé et il doit être connecté à un port de sortie PWM unique sur le microcontrôleur. Le V DD ici représente la puissance de 3,3 V fourni par le conseil de microcontrôleur, et la résistance R2 sert de resister pull-down pour assurer le commutateur à transistor reste ouvert lorsque la tension zéro est appmenti. (B) Un exemple de câblage physique des deux moteurs. Bien que huit circuits d'amplification individuels sont présentés, seuls deux sont reliés à des moteurs de vibration. Dans ce protocole R1 = 4,7 kQ et R2 = 100 kQ. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
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Protocol
Le protocole suivant a été approuvé par le Comité d'éthique de la recherche à l'Hôpital de réadaptation pour enfants Holland Bloorview.
1. Calibration Motor
- Connectez la carte de microcontrôleur à l'ordinateur via un port USB.
- Utilisation du logiciel de microcontrôleur original, télécharger le script personnalisé, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" à la carte en utilisant la connexion USB en cliquant sur l'icône «Télécharger», désigné par la flèche à droite encerclé.
- Assurez-vous que le niveau de vibration est mis à zéro pour mettre le moteur en position d'arrêt à l'aide de la commande "analogWrite". Le code doit se lire "analogWrite (vibe1,0);".
- Dans le code du microcontrôleur, spécifier la largeur d'impulsion modulée broche (PWM) de sortie correspondant au moteur d'intérêt en initialisant la variable «vibe1».
Remarque: les signaux PWM génèrent des sorties analogiques approximatives à partir des signaux numériques générés par le microcontrôleur. Les broches sont labeleD numérique sur la carte microcontrôleur physique. Par exemple, si le moteur est relié à la broche de sortie PWM '3', puis faire en sorte que le «int vibe1 = 3"; est spécifié dans le code.
- Connectez la sortie de l'axe z de l'accéléromètre tri-axe à l'un des ports d'entrée analogiques de la carte microcontrôleur, et relier le positif et le sol mène de l'accéléromètre pour le 5V et la masse (GND) ports de la carte de microcontrôleur, respectivement.
- Monter l'accéléromètre pour le moteur vibrant, en veillant à ce que son axe z est perpendiculaire à la surface plane du moteur, comme représenté sur la figure 2, et de placer le moteur sur une surface dure.
- Ouvrez le fichier "Motor_Calibration.vi" dans le logiciel d'acquisition de données et de connecter le microcontrôleur à l'ordinateur via un port USB.
- En utilisant les champs fournis, indiquez le port série pour l'entrée du microcontrôleur, en utilisant le menu déroulant, ainsi que le taux d'échantillonnage, et numbre d'échantillons à recueillir. Note: Le taux d'échantillonnage de 500 Hz est standard pour ces expériences afin d'éviter l'aliasing des données d'accélération et 1000 échantillons sont couramment enregistrées.
- En utilisant le code "Motor_and_Accelerometer.ino", précise le cycle de service souhaité des impulsions PWM fournies au moteur vibratoire, encore une fois en utilisant la commande "analogWrite", et re-télécharger le programme à la carte microcontrôleur commande des moteurs (voir l'étape 1.1 ). Par exemple, pour définir le nombre d'impulsions à 100, le code doit se lire "analogWrite (vibe1,100);". Le tableau 1 présente les valeurs de PWM et leurs cycles de travail correspondants.
- Utilisation de la transformée de Fourier rapide affichage (FFT) sur l'interface "MotorCalibration.vi", identifier le plus grand pic et enregistrer la valeur de la fréquence de vibration correspondante (à partir de l'axe horizontal).
- Répétez les étapes 1,7-1,8, en ajustant les niveaux de PWM jusqu'à ce que la fréquence désirée est atteinte, l'enregistrement chaque PWM fréquence pair. Par exemple, si le ciblage d'une fréquence de 100 Hz, effectuez les étapes 1,7-1,8 jusqu'à ce que le plus grand pic se produit sur la marque de 100 Hz sur l'axe horizontal.
Remarque: Pour les moteurs vibratoires utilisés dans ce protocole, les vibrations ciblées devraient se situer dans la gamme 60-400 Hz pour mieux faire correspondre les fréquences de réponse des mécanorécepteurs de la peau décrite dans la littérature 5,10,13. - Répétez les étapes 1.2.2 à 1.8 pour chaque moteur, l'enregistrement manuellement la relation PWM-fréquence pour chaque moteur avec un tableur ou un crayon et du papier.
- Ouvrez le fichier "Experiment_1.vi". Pour chaque moteur, un clic droit sur le menu de la fréquence de la liste déroulante et sélectionnez "Propriété". Sous l'onglet "Modifier Items", utiliser la table pour entrer les fréquences souhaitées et les niveaux de PWM correspondants déterminés dans les étapes 1,8-1,9. Sélectionnez "OK" pour quitter.
- Répétez l' étape 1.11 pour chaque fichier interface virtuelle (VI) du logiciel de conception de système pour être utilisé pendant l' essai (par exemple, "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi ", etc.).
Figure 2. Accéléromètre monté sur le moteur. L'accéléromètre tri-axe (vert) est monté sur le moteur de la pièce avec son axe z perpendiculaire à la surface plane du moteur pour le calibrage. Chaque moteur a été activé en utilisant différents cycles de service, et les fréquences de vibration correspondantes ont été enregistrées par l'accéléromètre. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
2. Mise en place des moteurs
- Une fois que tous les moteurs ont été calibrés (section 2), montez-les à la cuisse.
- Pour obtenir les résultats décrits dans le présent manuscrit, placer le moteur à une sur chacun des antérieure, postérieure, médiale et latérale de la cuisse, à peu près à mi-distance soitinterpoler le grand trochanter et le condyle latéral (ou l'extrémité distale du membre pour les amputés au-dessus du genou).
Remarque: Les emplacements spécifiques de chaque moteur peuvent varier, en fonction des questions de recherche et des régions d'intérêt, et peuvent être affectées par des facteurs anatomiques et physiologiques, tels que la distribution de type et spatiale des mécanorécepteurs de la peau.
- Pour obtenir les résultats décrits dans le présent manuscrit, placer le moteur à une sur chacun des antérieure, postérieure, médiale et latérale de la cuisse, à peu près à mi-distance soitinterpoler le grand trochanter et le condyle latéral (ou l'extrémité distale du membre pour les amputés au-dessus du genou).
- Fixer des moteurs directement sur la peau à l'aide de ruban adhésif double face.
Remarque: Le rasage de la région autour de chaque moteur est pas nécessaire, mais peut améliorer leur adhérence à la peau (Figure 3). Pour les applications où les effets d'habillement, une garniture de prothèse ou d'un autre matériau sur la perception de l'utilisateur d'intérêt, mettre les moteurs au-dessus dudit matériau, plutôt que sur la peau.
Figure 3. Plate - forme de test pour les expériences. Une plate - forme de test personnalisé a été construit pour la maison til de microcontrôleurs conseils et boutons-poussoirs. Les moteurs peuvent être fixés directement sur la peau (comme indiqué), ou avec une doublure prothétique entre le moteur et la peau. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
3. Expérience 1: Application Stimuli et enregistrement Temps de réaction
- Re-flash la carte microcontrôleur avec le firmware pour permettre le contrôle du conseil d'administration par le biais du logiciel d'acquisition de données en ouvrant le fichier "LVIFA_Base.pde" avec le package d'accompagnement du logiciel du contrôleur, et en répétant l'étape 1.1, en remplaçant "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" avec le " LVIFA_Base.pde "script.
- Connecter le bouton-poussoir directement à l'un des ports USB de l'ordinateur à l'aide d'un connecteur série-USB. Assurez-vous que tous les pilotes nécessaires sont installés.
- Ouvrez l'interface "Experiment_1.vi".
- Spécifiez la sérieports pour la carte de microcontrôleur relié aux moteurs, et le bouton-poussoir en sélectionnant les numéros d'identification du port série correspondants à partir des menus déroulants étiquetés "Entrée du moteur» et «Green Button», respectivement. Identifier les numéros d'identification du port série à l'aide du système d'exploitation gestionnaire de périphériques de l'utilitaire de l'ordinateur.
- Sélectionnez le fichier pour enregistrer les résultats et lancer le programme.
- Sélectionnez les moteurs et les fréquences à activer en sélectionnant dans les menus déroulants pour chaque moteur dans l'interface "Experiment_1.vi". Avoir la presse des participants le bouton-poussoir avec la jambe sur laquelle la réaction est appliquée lorsqu'une vibration se fait sentir. Après que le bouton a été pressé, confirmer la réponse dans l'interface du logiciel d'acquisition de données en notant que l'horloge a cessé de compter, et réinitialiser les moteurs pour l'essai suivant en sélectionnant la nouvelle série de fréquences à partir des menus déroulants.
- Une fois que l'expérience est terminée, utilisez le drmenus opdown pour retourner toutes les fréquences du moteur à la position zéro et sélectionnez le bouton "Stop Program" de mettre fin à la connexion à la carte de commande du moteur.
4. Expérience 2: Distinguer entre Stimuli
Remarque: Cette expérience peut être réalisée tout à fait indépendamment l'un de l'expérience 1. Un seul moteur ou plusieurs moteurs peuvent être utilisés. Les emplacements spécifiques des moteurs peuvent varier en fonction de l'application et les questions de recherche.
- Connecter un second bouton-poussoir à un autre port USB à l'aide d'un connecteur série-USB.
- Ouvrez l'interface d'acquisition de données "Experiment_2.vi".
- Placez les moteurs dans les emplacements et les configurations requises pour l'application de recherche spécifique. Par exemple, placer les moteurs individuels sur la cuisse, à mi-distance entre le grand trochanter et le condyle latéral (ou à l'extrémité distale du membre pour les amputés), sur chacune des antérieure, postérieure, latérale et des surfaces interne de la cuisse à l'examine la sensibilité de fréquence à chacune de ces portions de la jambe 10,11.
- Spécifiez les ports série pour la carte microcontrôleur et les deux boutons-poussoirs en utilisant la même procédure que l'étape 3.4. Assurez-vous de noter que le bouton-poussoir est attribué à chaque port.
- Sélectionnez les moteurs spécifiques à activer et la séquence désirée de fréquences en cliquant sur les icônes «moteur» dans l'interface du logiciel. Par exemple, supposons que trois fréquences sont testés, tels que 140 Hz, 180 Hz et 220 Hz. Une série d'essais peut être (1), 180 Hz, 140 Hz suivie par (2), 220 Hz, 140 Hz suivie, et (3), 180 Hz, 220 Hz suivie.
- Entrez le retard début et la durée de la stimulation. 1,5 sec est typique tant pour le retard et les temps de stimulation.
- Démarrez le programme.
Remarque: Le après le retard spécifié à l'étape 4.6, le programme active le moteur (s) avec la séquence de fréquences appariées sélectionnées à l'étape 4.5. Par exemple, si 180 Hz par rapport à 220 Hz est en soitionné à l'étape 4.5, le moteur correspondant d'abord vibrer à 180 Hz pour la durée spécifiée avant de passer à 220 Hz. - Avoir le participant appuyez sur une des deux boutons-poussoirs pour choisir si la deuxième fréquence perçue est supérieure ou inférieure à la première. Les réponses seront automatiquement enregistrées par le programme.
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Representative Results
La figure 4 illustre les courbes d'étalonnage identifiant la valeur PWM de 180 Hz , la fréquence de vibration d'un seul moteur. A partir d'un cycle de service de 50%, les valeurs PWM sont itérées jusqu'à ce que le pic de fréquence primaire se produit à 180 Hz. essais d'étalonnage retenus devraient montrer un pic clair à la fréquence de vibration primaire. Une mauvaise fixation de l'accéléromètre pour le moteur, ou du moteur à une surface d'appui peut se traduire par une FFT plus diffuse sans une pointe claire. Dans cette situation, le procès d'étalonnage doit être répété après les montages ont été ajustés afin d'assurer une meilleure connexion.
La figure 5A montre des temps de réaction entre la réponse stimulus et le bouton - poussoir enregistré pour l' expérience 1 pour trois fréquences de vibration, 140 Hz, 180 Hz et 220 Hz, appliquées à la surface antérieure de la cuisse pour dix participants valides et trois amputés 10. Analyses de mesures répétées de la variance (ANOVA) etanalyse post-hoc de Tukey en utilisant la correction de Bonferroni a été utilisé pour identifier les effets spécifiques de chaque fréquence. Ces données montrent un écart relativement serré des données pour chaque fréquence dans la population apte au travail, et un effet significatif de la fréquence. Les temps de réaction pour distinguer entre des paires de fréquences de vibration sont représentés sur la figure 5B, et peuvent être analysés en utilisant la même procédure que celle des essais à une seule fréquence. Des analyses similaires peuvent être menées pour identifier les effets de la mise en place du moteur, mécanisme de réponse (par exemple, en appuyant sur le bouton-poussoir avec les mains ou les jambes), ou d' autres conditions d'essai.
Figure 4. Courbes d'étalonnage typiques. Les résultats de la transformée de Fourier rapide des données d'accélération sont présentés pour une calibration du moteur subissant unique. Quatre essais ont été réalisés pour identifier le niveau correspon PWMding à 180 Hz vibration (ligne bleue solide). Notez que la vibration varie entre les différentes fréquences. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 5. Temps de réaction Les résultats représentatifs. Fois (A) de réponse pour les fréquences individuelles sont montrées. Les données de ligne connecté montre les données pour les participants valides (moyenne ± écart-type), tandis que les points de données individuels représentent les trois personnes ayant subi une amputation transfémoraux. Les temps de réaction diminué de façon significative la fréquence. «*» Indique une différence significative par rapport aux temps de réaction de 140 Hz, et '#' une différence entre la fréquence de 180 Hz, à la fois à la signification p <0,05. (B) Les temps de réponse pour distinguer entre deuxs de fréquences sont tracées pour les deux personnes valides et les personnes ayant des amputations transfémoraux. Notez que la diffusion des données à chaque paire est beaucoup plus grande que celle pour les données à fréquence unique, indiquant plus de résultats variables. Ce chiffre a été modifié à partir des données publiées à l' origine par Sharma et al. 10. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
| PWM Valeur (impulsions) | 64 | 127 | 191 | 255 |
| Durée de vie (%) | 25 | 50 | 75 | 100 |
Tableau 1. Valeurs PWM et correspondants Duty Cycles. Niveaux PWM exemples et les cycles de service correspondants sont présentés. TIl 0-255 plage de la valeur PWM spécifie le nombre d'octets dans chaque impulsion (sur 255 possibles) pour lequel le signal est activé.
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Discussion
Le but de ce protocole est de fournir le cadre pour l'évaluation des paramètres de stimulation dans les applications ASF vibrotactiles. Plus précisément, il examine les effets de la fréquence de vibration, de l'amplitude, l'emplacement et la séquence sur la réponse utilisateur sensorimotrice. Ce cadre peut être construit sur et élargi pour inclure les types de réponse de l'utilisateur qui peut être plus cliniquement pertinentes, telles que le pliage d'une articulation ou en transférant le poids d'une jambe à l'autre ou d'autres alternatives. Ces types de changements nécessiteraient des configurations légèrement différentes de matériel, à savoir le remplacement des boutons-poussoirs avec des dispositifs tels que les unités de mesure inertielle (IMU) ou des capteurs de pression, ainsi que les changements d'accompagnement à l'interface virtuelle. De même, bien que le protocole présenté ici nécessite le participant d'être en position assise, que de petites modifications matérielles seraient nécessaires pour faire la transition vers plus cliniquement postures pertinentes, telles que l'équilibre permanent ou walessais de roi.
Dans les deux expériences, le bouton-poussoir (s) peut être pressée à la main, jambe, pied, ou par d'autres moyens, en fonction de la question de recherche spécifique et réponse souhaitée. En outre, des études supplémentaires utilisant ce protocole de base peuvent être utilisés pour étudier les effets des différentes stratégies de rétroaction de codage, les lieux, et l'incorporation dans les prothèses nouvelles ou existantes. Par exemple, lorsque la mise en œuvre des évaluations vibrotactile en prothèses de membres inférieurs, il peut être intéressant d'examiner les effets de la prise de prothèse et de la doublure sur la sensibilité des utilisateurs aux stimuli. Bien que les protocoles détaillés dans ce manuscrit nécessitent une activation semi-manuelle des moteurs à vibration (par l'intermédiaire de l'interface), ils peuvent facilement être modifiés pour permettre l'activation du moteur en réponse aux mesures de cinétique ou cinématique provenant de capteurs externes. L' utilisation d' appareils de mesure, tels que IMU, goniomètres, capteurs de pression, etc., à la place du bouton-poussoir, les expériences peuvent être conducted pour examiner les temps de réponse utilisateur plus physiologiquement pertinents et la précision à la rétroaction vibrotactile fournie. Ce type d'étude emploierait un des protocoles similaires à ceux décrits dans les expériences 1 et 2, mais nécessiterait un système de commande supplémentaire pour convertir l'entrée du capteur en instructions envoyées aux moteurs à vibration, ainsi que des modifications au logiciel d'acquisition de données pour l'interface avec les nouvelles modifications matérielles.
Un exemple de mise en œuvre d'une réponse physiologiquement pertinente est de remplacer le bouton-poussoir avec un goniomètre pour mesurer les changements dans l'angle de genou. Pour ce type d'expérience, le goniomètre serait monté sur la surface latérale de l'articulation du genou, et , plutôt que d' appuyer sur le bouton-poussoir, les participants serait chargé de fléchir le genou selon un angle de genou prédéfini (par exemple 90 degrés) lors de perception d'une vibration du moteur. des temps de réaction de l'utilisateur sont alors définis comme le temps écoulé entre le stimulus appliqué et lorsque le un jointgle se dépose sur ou près de la valeur désirée (par exemple, 90 ° ± 10 °). la précision du mouvement peut également être évaluée en calculant l'erreur pour cent entre la cible et les angles obtenus.
Au cours des dix dernières années, un certain nombre d'études ont exploré l'utilisation de la rétroaction vibrotactile dans une variété d'applications biomécaniques, y compris son efficacité comme outil de formation pour améliorer la démarche et l' équilibre 14,15. La majorité de ces études ont porté sur les implications cliniques de biofeedback, l'examen des modifications des paramètres cinétiques ou cinématiques spécifiques lorsque le retour du vibrotactile est appliquée. En tant que tel, la plupart des protocoles de sélectionner un seul ensemble de paramètres de stimulation, avec peu de sensibilité à l'examen de l'utilisateur à l'emplacement de vibration, d'amplitude ou d'un motif. Le protocole présenté ici sert de première étape vers la perception compréhension de l'utilisateur à vibrotactile stimuli qui doivent être effectuées avant d'évaluer les effets de ces stimuli sur cli spécifiqueconditions iques. Des travaux supplémentaires, comme celle de Goodworth et al. 7,16, qui a exploré diverses stratégies de codage pour traduire l' information sensorielle en stimuli vibratoires, et Créa et al. 12, qui a évalué la sensibilité des utilisateurs aux changements dans les modes de vibration, compléter ces expériences pour fournir une compréhension plus complète de la façon d'optimiser la rétroaction vibrotactile pour les applications biomécaniques spécifiques.
Il convient de noter que la limitation fondamentale de ce système expérimental, comme avec les autres systèmes décrits dans la littérature 5,6, réside dans les moteurs à vibration, dont la fréquence de vibration et de couple de grandeur. Autrement dit, les augmentations ou diminutions de la fréquence de vibration sont accompagnées de changements proportionnels en amplitude. La séparation de ces deux paramètres nécessite un type de moteur, tels que des actionneurs linéaires de résonance, ainsi que les pilotes de moteur plus avancées différentes pour alimenter les moteurs plus sophistiqués. Additmises à jour ional à l'interface existante seraient nécessaires pour accueillir le nouveau matériel et le paramètre d'amplitude supplémentaire.
La procédure de calibrage est essentielle à la bonne exécution de ces expériences, et doit être réalisée de manière indépendante pour chaque moteur utilisé dans les expériences ultérieures. Bien que la relation cycle fréquence droit devrait être théoriquement du même type pour les moteurs identiques, de petites différences dans la construction du moteur peut entraîner des changements non négligeables aux fréquences résultant. Par exemple, pendant le développement de ce mode opératoire, une fréquence cible 180 Hz a été obtenue en utilisant des valeurs PWM allant 103-143 pour les différents moteurs.
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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).
