Summary
Denne artikkelen beskriver en teknikk for påføring vibrotactile stimuli til låret av en human deltaker, og måling av nøyaktighet og reaksjonstiden av deltakernes viljebestemt respons for forskjellige kombinasjoner av stimulering plassering og frekvens.
Introduction
Kunstig sensorisk feedback (ASF) kan defineres som den praksisen med å gi sanntid biologisk informasjon til enkeltpersoner, ofte kompensere for nedsatt propriosepsjon eller andre sensoriske mekanisme. ASF har vært lenge brukt i riket av rehabilitering av skadde eller funksjonshemmede personer til å bistå i å utvinne fra aspekter av fysisk funksjon og bevegelse 1-3, slik at enkeltpersoner til å kontrollere fysiske prosesser som en gang var en ufrivillig reaksjon av det autonome nervesystemet 4. En underkategori av ASF, biomekaniske biofeedback, bruker eksterne sensorer for å måle parametere knyttet til å balansere eller gangart kinematikk, og formidle denne informasjonen til den enkelte gjennom noen form for anvendt stimulans. En stadig mer populær måte å biomekaniske tilbakemeldinger syssels små vibrerende motorer, eller tactors lagt inn på ulike deler av kroppen for å gi romlig samt time tilbakemeldinger. Forrige litteratur har vist promising resultater som støtter bruk av vibrotactile tilbakemeldinger på søknader til personer med lavere lem amputasjoner, vestibular svekkelser, og aldring-relaterte tap av balanse 5-9.
En grundig forståelse av mekanismene som styrer den enkeltes oppfatning og svar på spesifikke stimuli er nødvendig for å informere effektiv gjennomføring av ASF systemer for ulike bruksområder. For vibrotactile tilbakemeldinger, høvding blant disse mekanismene er propriosepsjon og sensorimotor respons, spesielt brukeren følsomhet mot de tilførte vibrasjoner og tiden det tar å utføre den ønskede reaksjon. Enhver sensorisk informasjon formidles gjennom vibrasjons stimuli må kodes som spesifikke kombinasjoner av vibrasjonsfrekvens, amplitude, plassering og rekkefølge. Derfor utforming av vibrotactile ASF systemer bør velge kombinasjoner av parametere for å maksimere brukerens oppfatning og tolkning av stimuli, somvel som aktualitet og nøyaktigheten av den resulterende motorisk respons. Målet med denne protokollen er å tilby en plattform for å vurdere responstid og respons nøyaktighet til ulike vibrasjons stimuli for å informere utformingen av ASF-systemer for bruk med ulike sansehemninger populasjoner.
Metodene som beskrives her bygger på tidligere forskning utforsking human oppfatning av taktil tilbakemelding og vibrotactile 3,5,6, og er utviklet for bruk i to tidligere studier 10,11. De to sistnevnte studiene ansatt denne protokollen for å undersøke effekten av vibrasjon frekvens og plassering på nøyaktigheten og aktualitet av bruker responser i underekstremitets amputerte, viser at begge parametrene signifikant påvirke utfallsmål, og at en høy grad av respons nøyaktighet kan være oppnådd. Disse resultatene kan brukes til å informere den ideelle plasseringen av tactors i fremtidige studier og kliniske anvendelser av vibrotactile ASF systemer. Andre nyere verk avCrea et al., 12 kontrollert brukeren følsomhet overfor endringer i vibrasjonsmønstre påføres på lår under gange, ved hjelp av verbale responser for å betegne oppfattes endringer i vibrasjonsmønstre, i stedet for en motorisk respons. Selv om disse verbale responser kan brukes til å måle deteksjon nøyaktighet, har de ikke hensyn til feil og forsinkelser som kan være til stede i motorstyreprosessen.
Den primære oppsett for de følgende eksperimenter består av et antall vibrerende motorer som er koblet til puls-breddemodulerte utgang pinner av en mikrokontroller bord. Styret er i sin tur kontrolleres gjennom en Universal Serial Bus (USB) til en datamaskin som kjører kommersielt tilgjengelig system design software. Motorene krever en ekstra forsterkerkrets for å sikre tilstrekkelig spenning og strøm tilføres over et bredt spekter av vibrasjonsfrekvenser. Et eksempel forsterkerkretsen er vist på figur 1. Den bipolar junction transistor (BJR) I figuren kan erstattes med mindre metall-oksyd-halvlederfelteffekttransistor (MOSFET) for mer effektiv drift og mindre størrelse. På samme måte kan hele forsterkerkrets bli erstattet av en off-the-sokkel haptisk motor driver for å gi ytterligere kontroll og redusert størrelse. Hver motor krever sin egen krets, og ved bruk av utstyret som er oppført i dette papir, opp til ti motorene kan styres av en enkelt mikrokontroller bord.
Figur 1. Motor Kabling. (A) Forsterkningen krets for en enkelt vibrasjonsmotoren er vist. Hver motor krever en separat krets og må være koblet til en unik PWM utgang på mikrokontrolleren. V DD her representerer 3,3 V strøm levert av mikrokontrolleren bord, og motstanden R2 fungerer som en rullegardin resister å sikre transistoren bryter forblir åpen når null spenning er ca.løy. (B) Et eksempel på en fysisk kobling av to motorer. Selv om åtte individuelle forsterkerkretser er vist, bare to er koblet til vibrasjonsmotorer. I denne protokollen R1 = 4,7 kohm og R2 = 100 kohm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Følgende protokoll ble godkjent av Forskningsetisk styret i Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital.
1. Motor Calibration
- Koble mikrokortet til datamaskinen ved hjelp av en USB-port.
- Bruke den opprinnelige mikrokontroller programvare, laste opp egendefinert skript, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" til styret ved hjelp av USB-tilkoblingen ved å klikke på "Last opp" -ikonet, merket med sirkel pil høyre.
- Sørg for at vibrasjonsnivået er satt til null for å sette motoren i off-posisjon ved hjelp av "analog" kommandoen. Koden bør lese "analog (vibe1,0);".
- I mikrokontrolleren koden, angir det pulsbreddemodulerte (PWM) utgang tapp svarende til den motor av interesse ved initialisering av "vibe1" variable.
Merk: PWM signaler generere omtrentlige analoge utganger fra de digitale signaler generert av mikrokontrolleren. Pinnene er labeled numerisk på fysisk mikrobrett. For eksempel, hvis motoren er koblet til PWM utgang pin '3', og deretter sørge for at den "int vibe1 = 3;" er angitt i koden.
- Koble z-aksen utgangen fra tri-akse akselerometer til en av de analoge inngangsportene til mikrokontrolleren bord, og koble den positive og jordledninger fra akselerometeret til 5 V og jord (GND) porter for mikrokontrolleren brettet, henholdsvis.
- Monter akselerometer til den vibrerende motor, slik at dets z-akse er ortogonal på den flate overflaten av den motor, som vist i figur 2, og plasserer motoren på en hard overflate.
- Åpne "Motor_Calibration.vi" -filen i datainnsamling programvare og koble microcontroller til datamaskinen via en USB-port.
- Ved hjelp av de aktuelle feltene, oppgi serieport for mikrokontrolleren innspill, ved hjelp av rullegardinmenyen, samt samplingsfrekvens, og number prøver å samle. Merk: 500 Hz samplingsfrekvens er standard for disse eksperimentene for å forhindre aliasing av akselerasjonsdata, og 1.000 prøvene blir vanligvis registrert.
- Bruke "Motor_and_Accelerometer.ino" code, angi ønsket driftssyklus av PWM pulsene som leveres til vibrerende motor, igjen ved hjelp av "analog" -kommandoen, og re-laste ned programmet til mikrokontrolleren styret kontrollere motorene (se trinn 1.1 ). For eksempel vil angi antall pulser til 100, bør koden lese "analog (vibe1,100);". Tabell 1 viser PWM verdier og deres tilsvarende plikt sykluser.
- Bruk av Fast-Fourier Transform (FFT) display på "MotorCalibration.vi" -grensesnitt, identifisere den største topp og spille inn den tilsvarende vibrasjonsfrekvens verdi (fra den horisontale aksen).
- Gjenta trinn 01.07 til 01.08, justere PWM nivåer inntil ønsket frekvens er nådd, innspilling hver PWM-frekvens pair. For eksempel, hvis rettet mot en 100 Hz frekvens, utføre steg 1,7-1,8 inntil største topp skjer over 100 Hz preg på den horisontale aksen.
Merk: For vibrasjonsmotorer som brukes i denne protokollen, bør de målrettede vibrasjoner ligge i 60-400 Hz utvalg som passer bedre respons frekvensene til mechanoreceptors i huden beskrevet i litteraturen 5,10,13. - Gjenta trinn 1.2.2 til 1.8 for hver motor, manuelt opptak PWM-frekvens forhold for hver motor med et regneark eller blyant og papir.
- Åpne "Experiment_1.vi" fil. For hver motor, høyreklikker du på rullegardin frekvens menyen og velg "eiendom". Under "Edit Items" -kategorien, bruke tabellen til å angi ønskede frekvenser og tilsvarende PWM nivåer bestemt i trinn 1,8-1,9. Velg "OK" for å avslutte.
- Gjenta trinn 1,11 for hver virtuelle grensesnitt (VI) fil av systemet design software som skal brukes under testing (for eksempel "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi ", osv).
Figur 2. Akselerometer Montert til motoren. Tri-akset akselerometer (grønn) er montert til mynten motoren med sin z-akse ortogonal på den flate overflaten av motoren for kalibrering. Hver motor ble aktivert ved hjelp av ulike plikt sykluser, og de tilsvarende vibrasjonsfrekvenser ble registrert av akselerometeret. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
2. Plassere Motors
- Når alle motorer har blitt kalibrert (§ 2), montere dem til låret.
- For å oppnå de resultater som er beskrevet i dette manuskriptet, plasserer en motor på hver av fremre, bakre, mediale og laterale overflater av låret, omtrent midtveis blilom større trochanter og lateral femurkondyl (eller distal ende av lem for oven kne amputerte).
Merk: De spesifikke plasseringer av hver motor kan variere, avhengig av de problemstillinger og regioner av interesse, og kan bli påvirket av anatomiske og fysiologiske faktorer, slik som typen og romlig fordeling av mechanoreceptors i huden.
- For å oppnå de resultater som er beskrevet i dette manuskriptet, plasserer en motor på hver av fremre, bakre, mediale og laterale overflater av låret, omtrent midtveis blilom større trochanter og lateral femurkondyl (eller distal ende av lem for oven kne amputerte).
- Fest motorer direkte på huden ved hjelp av dobbeltsidig tape.
Merk: Barber regionen rundt hver motor er ikke nødvendig, men kan forbedre deres adhesjon til huden (figur 3). For anvendelser hvor virkningene av klær, en protese liner, eller et annet materiale på brukerens oppfatning er av interesse, plasserer motorene på toppen av nevnte materiale, snarere enn mot huden.
Figur 3. Test Platform for eksperimenter. En tilpasset test-plattformen ble bygget for å huse tHan mikrokontroller boards og trykknapper. Motorer kan festes direkte på huden (som vist), eller med en protese liner mellom motoren og huden. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
3. Forsøk 1: Bruk av Stimuli og opptak reaksjonstid
- Re-flash microcontroller bord med firmware for å muliggjøre kontroll av styret gjennom datainnsamling programvare ved å åpne "LVIFA_Base.pde" fil med kontrollerens medfølgende programvarepakke, og gjenta trinn 1.1, erstatte "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" med " LVIFA_Base.pde "script.
- Koble trykknapp direkte til en av datamaskinens USB-port ved hjelp av en seriell-til-USB-kontakt. Sørg for at alle nødvendige drivere er installert.
- Åpne "Experiment_1.vi" -grensesnitt.
- Angi serieporter for microcontroller styret koblet til motorene, og trykk-knapp ved å velge de tilsvarende serieport identifikasjonsnummer fra rullegardinmenyene som er merket "Motor Input" og "Grønn Button", henholdsvis. Identifisere serieport identifikasjonsnumre ved hjelp av datamaskinens operativsystem Enhetsbehandling verktøyet.
- Velg filen som skal registrere resultatene og starte programmet.
- Velg motorene og frekvenser som skal aktiveres ved å velge fra rullegardinmenyene for hver motor i "Experiment_1.vi" -grensesnitt. Har deltakeren trykk trykknappen med beinet på innspillene brukes når en vibrasjon er filt. Etter at knappen er trykket, bekrefter responsen i datainnsamling programvaregrensesnitt ved å merke seg at klokken har sluttet å telle, og tilbake motorene for neste rettssaken ved å velge nytt sett av frekvenser fra rullegardinmenyene.
- Når forsøket er avsluttet, kan du bruke dropdown menyer for å returnere alle motor frekvenser til nullstilling og velg "Stopp Program" -knappen for å avslutte forbindelsen til motorstyrekortet.
4. Forsøk 2: Skille mellom Stimuli
Merk: Dette eksperiment kan utføres helt uavhengig av hverandre fra eksperiment 1. En enkelt motor eller flere motorer kan benyttes. De bestemte steder av motorene kan variere avhengig av programmet og forskningsspørsmål.
- Koble til en annen tast til en annen USB-port ved hjelp av en seriell-USB-kontakt.
- Åpne "Experiment_2.vi" datainnsamling grensesnitt.
- Plasser motorene på stedene og konfigurasjoner som kreves for den spesifikke forskningssøknad. For eksempel plassere enkeltmotorene på låret, midtveis mellom trochanter major og lateral femurkondyl (eller den distale ende av den lem for amputerte), ved hver av fremre, bakre, sideveis, og mediale overflater av låret til eXamine frekvensfølsomhet på hvert av disse partier av benet 10,11.
- Angi serieporter for microcontroller styret og begge trykknappene som bruker samme prosedyre som trinn 3.4. Husk å merke seg hvilken tast er tildelt hver port.
- Velg de spesifikke motorene som skal aktiveres og ønsket sekvens av frekvenser ved å klikke på "Motor" ikoner i programvaren grensesnittet. For eksempel at tre frekvenser blir testet, slik som 140 Hz, 180 Hz, og 220 Hz. En rekke tester kan være (1) 180 Hz, etterfulgt av 140 Hz, (2) 220 Hz, etterfulgt av 140 Hz, og (3) 180 Hz, etterfulgt av 220 Hz.
- Tast inn forsinket starttid og stimulering varighet. 1,5 sekunder er typisk for både forsinkelse og stimulerings ganger.
- Starte programmet.
Merk: etter den forsinkelse som er angitt i trinn 4.6, vil programmet aktivere motoren (e) med sekvensen av sammenkoblede frekvenser valgt i trinn 4,5. For eksempel, hvis 180 Hz vs. 220 Hz var setes i trinn 4.5, vil den tilsvarende motor første vibrere ved 180 Hz for den angitte varigheten før du bytter til 220 Hz. - Har deltakeren trykke på en av de to trykk-knapper for å velge om den andre oppfattet frekvensen var høyere eller lavere enn den første. Svarene vil automatisk bli registrert av programmet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 4 viser kalibreringskurvene som identifiserer PWM verdi for en 180 Hz vibrasjonsfrekvens av en enkelt motor. Allerede ved en 50% arbeidssyklus, er PWM-verdiene itereres inntil den primære frekvens pigg skjer på 180 Hz. Vellykket kalibreringsforsøk bør vise en klar pigg på barnevibrasjonsfrekvens. Dårlig fiksering av akselerometeret til motoren, eller av motoren til en bæreflate, kan resultere i en mer diffus FFT uten en klar pigg. I denne situasjonen bør kalibreringen rettssaken gjentas etter festene har blitt justert for å sikre en bedre forbindelse.
Figur 5A viser reaksjonstider mellom stimulus og trykknapp respons registrert for forsøk 1 for tre vibrasjonsfrekvenser, 140 Hz, 180 Hz og 220 Hz, anvendt på fremre overflate av låret for ti fullbefarne deltakere og tre amputerte 10. Gjentatt måler analyse av varians (ANOVA) ogTukey post hoc-analyse ved hjelp av Bonferroni korreksjon ble brukt til å identifisere de spesifikke effekter av hver frekvens. Disse dataene viser en relativt stram spredning av data for hver frekvens i fullbefarne befolkningen, og en betydelig frekvens effekt. Reaksjonstider for å skille mellom par av vibrasjonsfrekvensene som er vist i figur 5B, og kan analyseres ved å bruke den samme fremgangsmåte som den enkeltfrekvens testene. Lignende analyser kan utføres for å kartlegge effekten av motorplassering, responsmekanisme (for eksempel å trykke på trykknappen med hender eller ben), eller andre testforhold.
Figur 4. Typiske kalibreringskurvene. Resultatene av Fast Fourier Transform for akselerasjons data er vist for en enkelt motor som gjennomgår kalibrering. Fire forsøk ble utført for å identifisere den PWM nivå corresponding til 180 Hz vibrasjon (solid blå linje). Merk at vibrasjoner varierer mellom de forskjellige frekvenser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. reaksjonstid Representant Resultater. (A) Responstidene for de enkelte frekvenser blir vist. Linjen er koblet data viser data for funksjonsfriske deltakere (gjennomsnitt ± SD), mens de enkelte datapunktene representerer de tre personer med transfemoralt amputasjoner. Reaksjonstid betydelig redusert frekvens. '*' Angir en signifikant forskjell fra de 140 Hz reaksjonstider, og de '#' en forskjell fra den 180 Hz frekvens, både på signifikans p <0,05. (B) Responstidene for å skille mellom pars av frekvenser er plottet for både funksjonsfriske personer og de med transfemoralt amputasjoner. Legg merke til at spredningen av data ved hvert par er mye større enn det for de enkeltfrekvensdata, som angir flere variable resultater. Dette tallet har blitt forandret fra data som opprinnelig publisert av Sharma et al. 10. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| PWM verdi (pulser) | 64 | 127 | 191 | 255 |
| Duty Cycle (%) | 25 | 50 | 75 | 100 |
Tabell 1. PWM verdier og tilsvarende plikt sykluser. Eksempel PWM nivåer og de tilsvarende plikt sykluser vises. Than 0-255 utvalg for PWM verdien angir antall byte i hver puls (av 255 mulige) for hvor signalet er på.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Hensikten med denne protokollen er å gi rammeverk for å evaluere stimuleringsparametre i vibrotactile ASF applikasjoner. Konkret undersøker den effekten av vibrasjonsfrekvens, amplitude, plassering og rekkefølge på bruker sensorisk respons. Dette rammeverket kan bygges på og utvidet til å omfatte ytterligere eller alternative typer brukerrespons som kan være mer klinisk relevant som å bøye en joint eller flytte vekten fra det ene benet til en annen. Disse typer endringer vil kreve litt forskjellige maskinvarekonfigurasjoner, nemlig utskifting av trykknapper med enheter som treghet måleenheter (Imus) eller trykksensorer, samt tilhørende endringer i den virtuelle grensesnittet. Tilsvarende, selv om protokollen presenteres her krever deltakeren til å være i sittende stilling, ville bare små hardware modifikasjoner være nødvendige for å gjøre overgangen til mer klinisk relevante stillinger, for eksempel stående balanse eller walking studier.
I begge forsøkene, kan trykknappen (e) trykkes med hånden, ben, fot, eller på annen måte, avhengig av den konkrete problemstillingen og ønsket respons. Videre kan flere studier som benytter denne grunnleggende protokollen brukes til å utforske effekten av ulike tilbakemeldinger koding strategier, posisjoner og innlemmelse i nye eller eksisterende proteser. For eksempel, når implementere vibrotactile tilbakemelding til underekstremitetsproteser, kan det være interessant å undersøke effektene av protese kontakten og liner på bruker følsomhet for stimuli. Mens protokollene beskrevet i dette manuskriptet krever semi-manuell aktivering av vibrasjonsmotorer (gjennom grensesnittet), kan de lett bli endret for å gjøre det mulig motor aktivering i respons til kinetiske eller kinematiske målinger fra eksterne sensorer. Ved hjelp av måleutstyr, for eksempel Imus, goniometers, trykk sensorer, etc., i stedet for trykknapp, kan eksperimenter være conducted å undersøke mer fysiologisk relevante bruker responstid og nøyaktighet for å vibrotactile tilbakemeldinger gitt. Denne type undersøkelse ville anvende en lignende protokoller til de som er beskrevet i Forsøk 1 og 2, men ville kreve et ekstra reguleringssystem for å konvertere sensorinngang til instruksjoner som sendes til vibrasjonsmotorer, så vel som endringer i datainnsamlings- programvare for grensesnitt med de nye maskinvareendringer.
Et eksempel på implementering av en fysiologisk relevant respons er å erstatte trykknapp med goniometer å måle endringer i knevinkel. For denne type forsøk, ville goniometer være montert på den sideflate av kneleddet, og i stedet for å trykke inn trykknappen, vil deltakerne bli instruert til å bøye kneet til en forhåndsdefinert kne vinkel (for eksempel 90 grader) etter oppfatning av en motor vibrasjon. Brukeren reaksjonstider er da definert som tiden medgått mellom anvendt stimulus, og når skjøten engle legger seg på eller i nærheten av ønsket verdi (for eksempel 90 ° ± 10 °). Bevegelse nøyaktighet kan også evalueres ved å beregne den prosentvise feil mellom mål og oppnådde vinkler.
I løpet av de siste ti årene har en rekke studier utforsket bruk av vibrotactile tilbakemeldinger i en rekke biomekaniske applikasjoner, inkludert sin effekt som et treningsverktøy for å forbedre gange og balanse 14,15. De fleste av disse studiene har fokusert på kliniske implikasjoner av biofeedback, undersøke eventuelle endringer i bestemte kinetiske eller kinematiske parametre når vibrotactile tilbakemeldinger er brukt. Som sådan er de fleste protokoller velge et enkelt sett med stimuleringsparametere, med få undersøke brukeren følsomhet overfor vibrasjon sted, amplitude, eller mønster. Protokollen presenteres her fungerer som et første-skritt mot forståelse bruker oppfatning å vibrotactile stimuli som skal utføres før evaluere effekten av disse stimuli på spesifikke Clinical forhold. Ytterligere arbeid, slik som det ved Good et al. 7,16, som utforsket forskjellige kode strategier for å oversette sensorisk informasjon til vibrasjons stimuli, og Crea et al. 12, som evaluert brukeren følsomhet overfor endringer i vibrasjonsmønstre, komplettere disse eksperimenter for å tilveiebringe en mer fullstendig forståelse av hvordan å optimalisere vibrotactile tilbakemeldinger for spesifikke Biomekanikk applikasjoner.
Det skal bemerkes at en fundamental begrensning av denne eksperimentelle system, som sammen med andre systemer som er rapportert i litteraturen 5,6, ligger med vibrasjonsmotorer som par vibrasjonsfrekvens og størrelse. Det er, øker eller synker i vibrasjonsfrekvens er ledsaget av proporsjonale endringer i amplitude. Separering av disse to parametrene krever en annen type motor, slik som lineære aktuatorer resonans, i tillegg til mer avanserte motordrivere for å drive de mer sofistikerte motorer. additional oppdateringer til eksisterende grensesnitt ville være nødvendig for å få plass til den nye maskinvaren og ytterligere amplitude parameter.
Kalibreringsprosedyren er kritisk for en vellykket gjennomføring av disse forsøk, og bør utføres uavhengig for hver enkelt motor som brukes i de etterfølgende eksperimenter. Mens driftssyklus-frekvens forholdet bør være nominelt den samme type for samme motor, kan små forskjeller i motorens konstruksjon resultere i ikke-trivielle endringer som følge frekvenser. For eksempel, mens utvikle denne prosedyren, ble en 180 Hz mål frekvens oppnås ved hjelp av PWM verdier i området 103-143 for ulike motorer.
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. Biofeedback in rehabilitation. J. Neuroeng. Rehabil. 10 (1), 60 (2013).
- 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).
