Summary
En sittande plattform har utvecklats och monteras som destabiliserar passivt sittställning hos människor. Under användarens stabiliserande uppgift, en tröghetsbaserad måttenhet registrerar enhetens rörelse och vibrerande element leverera prestationsbaserade feedback till sätet. Bärbar, mångsidig enheten kan användas i rehabilitering, bedömning och träning paradigm.
Abstract
Postural störningar, rörelsespårning och sensoriska feedback är moderna tekniker för att utmana, bedöma och träna upprätt sittande, respektive. Målet med utvecklade protokollet är att uppföra och driva en sittande plattform som kan vara passivt destabiliserat medan en tröghetsbaserad måttenhet kvantifierar sin rörelse och vibrerande element ger taktil återkoppling till användaren. Utbytbar sits bilagor alter Stabilitetsnivån av enheten på ett säkert sätt utmana sittande balans. En inbyggd mikrokontroller tillåter finjustering av parametrarna feedback att föröka sensorisk funktion. Posturographic åtgärder, typiska för balans bedömning protokoll, sammanfatta motion signalerna förvärvats under tidsinställda balans prövningar. Ingen dynamisk sammanträdet protokollet hittills ger variabel challenge, kvantifiering och sensoriska feedback gratis laboratorium begränsningar. Våra resultat visar att icke-funktionshindrade användare av de enhet uppvisar betydande förändringarna i posturographic åtgärder när balans svårighet ändras eller vibrations feedback som tillhandahålls. Bärbar, mångsidig enheten har potentiella tillämpningar i rehabilitering (efter skelett, muskulära eller neurologiska skador), utbildning (för sport eller rumsuppfattning), underhållning (via virtuella eller augmented reality) och forskning (av sammanträdet-relaterade sjukdomar).
Introduction
Upprätt sittande är en förutsättning för andra människans sensomotoriska funktioner, inklusive skickliga rörelser (t.ex., att skriva) och oroade balans uppgifter (t.ex., ridning på ett tåg). Att rehabilitera och förbättra sittande och relaterade funktioner, modern balans utbildning tekniker används: instabila ytor stör sammanträdet1,2 och rörelseregistrering kvantifierar balans språkfärdighet3,4 . Balans träning resultat förbättra när vibrationer levereras till kroppen med hjälp av mönster som matchar prestanda5. Sådan sensoriska feedback är uppenbarligen effektiv som rehabilitering och träningsmetod; ännu, nuvarande sensoriska feedback metoderna är inriktade på stående balans och kräver laboratoriebaserade utrustning6,7.
Syftet med det arbete som presenteras här är att bygga en bärbar enhet som kan vara satt på och passivt destabiliseras till olika grader medan inbyggda instrument spela in sin position och leverera vibrations feedback till sammanträdet ytan. Denna kombination av verktyg integrerar tidigare arbete på vingla stolar2,4 och vibrations feedback5,6,7, att göra fördelarna med dessa verktyg mer kraftfulla och tillgängliga. Här presenteras också ett förfarande för att träna upprätt sittande och en analys av kvantitativa resultat, efter etablerade litteraturen på posturographic åtgärder8. Dessa metoder är lämpliga för att studera effekterna av sittande balans träning med en ostadig yta i kombination med vibrations feedback. Förväntade applikationer inkluderar sport utbildning, allmän förbättring av finmotorik samordning, balans språkfärdighet och rehabilitering efter skelett, muskulära eller neurologiska skadebedömningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alla metoderna som beskrivs här har godkänts av etikprövningsnämnd hälsa forskning av University of Alberta.
1. konstruktion och montering av strukturella komponenter
- Konstruera ett fastsättning gränssnitt för utbytbara halvrunda baser: svetsa en bas mutter till en stål weld tallrik.
- Använda en datorstyrd numeriska (CNC) fräsmaskin för att konstruera ett cylindriskt chassi, lock, och bas av polyeten som visas i figur 1. Bult bottenplattan till basen och basen till chassit.
Obs: Mill funktioner för infästning av bultar och andra delar är enligt ritningsfiler och 3D solid modell filer förutsatt (se kompletterande filer 1 och 2). Alla strukturella komponenter har en motsvarande fast modell och ritning som finns tillgängliga för nedladdning och kan användas för att replikera byggprocessen. - Använda en fräsmaskin för att konstruera en cylindrisk polyvinylklorid fodral som passar på en gängad stång, som visas i figur 1. Gör hylsan 37 mm lång, med en yttre diameter på 32 mm.
- Svetsa stål flänsar till varje sida av stål lås, som visas i figur 1. Bult till hitch till framsidan av basen.
- Använda en CNC-svarv för att konstruera 5 identiska cylindrar av polyeten, med en höjd av 63 mm och en diameter på 152 mm. I mitten av den övre ytan på varje cylinder, skär ett 32 mm hål till ett djup av 38 mm så att den passar den cylindrisk hylsan (Se steg 1.3. ovan) med vissa störningar.
- På den nedre ytan av varje cylinder, Använd en CNC svarvar för att skära en jämnt böjda bas med en unik krökningsradie för var och en av de 5 cylindrar, bevara den totala höjden på 63 mm, vilket visas i figur 2.
Obs: Krökningsradien och höjd av basen avgör stabiliteten i enheten. Föreslagna krökningsradien för denna höjd är mellan 110 mm (mycket instabila) och 250 mm (något instabil), som visas i tabell 1. - Konstruera en ben stöd bifogad som visas i figur 3, genom första svetsning en 70 mm stål hitch infoga vinkelrätt till ena änden av en 575 mm stål extrudering. I andra änden, klämma en 300 mm cylindrisk stål fotstöd till extrudering.
Obs: För detaljerad del dimensioner, se kompletterande fil 1 (ritningar) och kompletterande fil 2 (3D solida modeller). - Använd en bandsåg att skära en rektangulär stål bar (29 mm med 100 mm) till en längd av ungefärligt 160 mm så att den väger 3,6 kg. Infoga stål baren på baksidan av chassit att motverka ben stöd tillbehöret, som visas i figur 1.
- Montera enheten som visas i figur 4. Anslut benstöd genom att infoga gaffelfäste pins genom hitch och hitch infoga. Justera placeringen av klämman till önskad foten resten höjd. Gänga staven in bas stud sådan att cirka 35 mm på staven sticker ut från basen. Infoga den utskjutande staven i önskad böjda basen.
- Tillämpa grepp tejp eller en annan lämplig klädsel i locket. Sätt på locket.
2. instrumentera enheten
- Förvärva en mikrokontroller (se Tabell för material), en tröghetsbaserad måttenhet och åtta vibrerande tactors. Anslut den tröga mätning enhet och vibrerande tactors till mikrokontroller.
- Programmet mikrokontroller baserat så att den läser antero-posterior (AP) och medio-laterala (ML) tilt vinklar från tröghetsbaserad måttenhet och vänder den vibrerande tactors eller inaktivera på lutningsvinklar. Se kompletterande fil 3 (exemplariskt microcontroller skript) och steg 2.2.1.
Obs: Inertial measurement enheter som använder accelerometrar och gyron är benägna att fel. Utföra en positionella kalibrering av sensorer: vila enheten på en plan yta och använda denna ståndpunkt som en baslinje för alla följande mätningar. Använd en motion capture system eller liknande tillvägagångssätt att validera tilt vinkel mätningarna och säkerställa att de är tillräckligt exakt hela beräknade utbud av användning (rumsliga och temporal). Säkerställa de vibrerande tactors fungerar en frekvens på mer än 200 Hz, för att inducera ett direktsamtal svar av sensoriska receptorer i mänsklig hud eller muskler9.- Ladda upp skriptet mikrokontroller som genererar vibrotactile signaler baserat på en feedback-styrsignal som representerar en viktad summa av AP (eller ML) tiltvinkel och hastighet.
Obs: Datorn aktiveras tre tactors närmast till vänster, höger, fronten, eller baksidan av ytan när styrsignalen överskrider ett tröskelvärde i den riktningen. eller fem tactors om ett tröskelvärde för AP och ML är överträffat samtidigt; ingen av tactors är aktiva när styrsignalen understiger tröskelvärdet i båda riktningarna (dvs. i zonen nr-feedback).
- Ladda upp skriptet mikrokontroller som genererar vibrotactile signaler baserat på en feedback-styrsignal som representerar en viktad summa av AP (eller ML) tiltvinkel och hastighet.
- Säkra tröghetsbaserad måttenhet i mitten av chassit. Ordna den vibrerande tactors på en regelbunden oktagon med en radie på 10 cm, centrerad 8 cm främre av centrera av chassit så att de kommer att ligga under sätet på en medelstor person10. Ett fotografi av en potentiell arrangemanget visas i figur 4.
Obs: Om de vibrerande tactors inte är tillräckligt kraftfull för att vibrera användaren, förbättra samspelet mellan tactor och hud genom att skära hål i locket och fixerande vibratorer att vila spola med ytan. Om den metod som används för att säkra vibratorer på plats orsakar dämpning av vibrationer, överväga att använda en tvådelad montering inhägnad med en loose-fit lokaliseringspinne, som visas i figur 5. - Anslut mikrokontroller till en bärbar eller stationär dator via en universal serial bus (USB) eller andra lämpliga kommunikationsmetod. Öppna användargränssnittet, visas i figur 6.
Obs: Alternativt ansluta mikrokontroller till ett batteri eller annan strömkälla. Detta förbättrar överförbarheten av enheten, men utesluter ett användargränssnitt.
3. exemplariskt bedömning och utbildning protokollet
- Rekrytera samtyckande deltagare som är fria från neurologiska eller muskuloskeletala sjukdomar och akut eller kronisk ryggsmärta. Registrera varje deltagares ålder, vikt och höjd. Sedan, för varje deltagare utföra följande procedur.
- Öppna användargränssnittet (figur 6). Kompass diagrammet visar enhetens tiltvinkel plus halva dess tilt hastighet i AP riktning (vertikal axel) och ML riktning (horisontell axel).
- Före varje balans rättegång, instruera deltagaren till don brusreducerande hörlurar, vik hans eller hennes armar över bröstet, upprätthålla en upprätt hållning som möjligt, och verbalt cue försöksledaren att vara redo.
- Utföra tjugo 30 andra sittande balans prövningar i serien11, ta pauser som motiverat för att undvika trötthet, stoppa när som helst om det behövs.
- Sekvensera prövningar enligt följande (endast exempel): slumpmässigt välja en av två ”bas stabilitet nivå/ögonsjukdom” kombinationer, nedan kallad balansera villkor (svårare base och ögon öppna, eller mindre svårt bas och slutna ögon)12. Utföra fyra prövningar av det första balans villkoret att bekanta deltagaren med uppgiften och att identifiera lämplig kontroll signal tröskelvärden för den vibrerande tactors i sätet (Se steg 3.4.5 nedan).
Obs: Det är svårare att hålla balansen på en bas med en liten radie av krökning än på en bas med en stor radie av krökning (tabell 1 visar den relativa stabiliteten i alla fem utbytbara baser). Fyra studier har befunnits vara tillräckliga för att uppnå en stabil prestanda av balans uppgift2. - Slumpmässigt väljer tre av följande sex försöken att vara kontroll prövningar: Stäng av den vibrerande tactors för varaktigheten av dessa prövningar. För att aktivera den vibrationella feedbacken eller inaktivera, växla Feedback skjutreglaget till önskad inställning i användargränssnittet. Upprepa denna sekvens av tio studier för det andra villkoret i balans.
- Märk det nuvarande svårigheter och öga villkoret genom att välja från drop-down menyerna i avsnittet Rättegång parametrar i användargränssnittet. Klicka på Record för att starta rättegång.
Obs: Deltagarnas säkerhet är av största vikt. Försöksledaren ska övervaka alla balans verksamhet och vara beredd att hjälpa till i händelse av förlust av balans. Rensa området av eventuella potentiella faror och vara medveten om lokala akuta protokoll. - För prövningar med öppna ögon, instruera deltagaren att fokusera på en fast punkt rakt fram för att upprätthålla balansen. För prövningar med slutna ögon, använda ögonbindel till att deltagaren är helt fråntas visuell feedback.
Obs: För balans paradigm där rörelsen av fötterna bör begränsas, bifoga fotstöd och infoga en motvikt under locket. - En algoritm beräknar som AP och ML feedback trösklar att använda och visar dem i kolumnen Q3 i användargränssnittet. Efter fyra förtrogenhet prövningar, Kopiera värdena visas i kolumnen Q3 i skriva kolumnen och klicka på Uppdatera för att uppdatera de feedback tröskelvärden visas på figuren kompass (rosa) baserat på den fjärde förtrogenhet Trial.
Obs: Beräknade tröskelvärdena visas i kolumnen Q3 av gränssnittet är lika med den tredje kvartilen för varje tilt riktning (AP, ML) under föregående rättegången. Denna feedback system baseras på uppfattningen att balans funktion förbättras när feedback är optimerad för varje enskild13,14, samtidigt som den ger för mycket feedback kan skada lärande15. När de två tröskelvärdena har valts för en viss individ, kan de hållas konstant för att enskilda ska kunna bedöma förbättringar över tid eller med ett ingripande.
- Sekvensera prövningar enligt följande (endast exempel): slumpmässigt välja en av två ”bas stabilitet nivå/ögonsjukdom” kombinationer, nedan kallad balansera villkor (svårare base och ögon öppna, eller mindre svårt bas och slutna ögon)12. Utföra fyra prövningar av det första balans villkoret att bekanta deltagaren med uppgiften och att identifiera lämplig kontroll signal tröskelvärden för den vibrerande tactors i sätet (Se steg 3.4.5 nedan).
- Som AP och ML lutningsvinklar lagras automatiskt, i realtid, i en textfil för analys, analysera AP och ML signalerna att karakterisera sittande prestanda för experimentella villkor.
- I tidsplanet, beräkna följande posturographic åtgärder från varje gång serien8: root-mean-square (ett mått på variationen av rörelse) och den genomsnittliga hastigheten (ett mått på den genomsnittliga vinkelhastighet i förslaget).
- I frekvensdomänen, beräkna följande posturographic åtgärder från varje gång serien8: centroidal frekvens (ett mått på den motion's totala frekvensen) och frekvens dispersion (ett mått på variansen i förslagets frekvens)8 .
- Använda en linjär blandad modell att uppskatta och karakterisera effekterna av två fasta-effekter faktorer, (1) balans skick (stabilitet nivå och öga villkor kombineras) och (2) vibrotactile feedback, på de posturographic åtgärder (beroende variabler), med tanke på sambandet mellan upprepade mätningar från varje deltagare16 (en random-effekter faktor).
- Test för betydelsen av de fasta effekterna av computing förhållandet mellan variansen mellan gruppen medel att variansen för residualerna och jämföra resultatet till en F-fördelning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tabell 2 visar, för varje experimentella villkor, de posturographic åtgärder som härrör från observationer av de AP och ML stöd ytan lutar, i genomsnitt över 144 balans prövningar utföras av 12 deltagare (2 x 2 x 3 prövningar per deltagare).
Effekten av att ändra villkoret balans: Villkoret bas valdes att vara beroende av ögonsjukdom (dvs. när ögonen stängdes basen var stabilare). Således, villkoret base och öga grupp ansågs en oberoende variabel (balans tillstånd). Observationer av AP tilt skilde betydligt mellan två balans villkoren för root-mean-square, centroidal frekvens och frekvens dispersion (enligt F-tester av den uppskatta förändringen, α = 0,05). Beräknade förändringen i åtgärder (medelvärde och standardavvikelse) visas i figur 7 och figur 8. Konsekvent med andra rapporter, dessa posturographic åtgärder kan diskriminera mellan balans uppgifter4.
Effekten av att ändra villkoret Feedback: Under prövningar när vibrotactile feedback-systemet var aktiv, centroidal frekvensen av AP tilt observationer var betydligt högre än under kontroll prövningar (enligt F-tester av den uppskatta förändringen, α = 0,05). Beräknade förändringen i de posturographic åtgärder (medelvärde och standardavvikelse) visas i figur 9 och figur 10. Konsekvent med andra rapporter, detta vibrotactile feedback protokoll har en mätbar effekt på balans prestanda17.
Figur 1: Sprängskiss chassi församlingens. Strukturella komponenter inkluderar: (1) locket; (2) motvikt; (3) cylindriska chassi; (4) bas stud; (5) hitch för fastsättning av ben stöd utmätning (figur 3). (6) bas; och (7,8) spö och hylsa för fastsättning av en av fem utbytbara cylindrar (figur 2). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: sidovy av en böjd basmodul. De fem modulerna har en total höjd på 63 mm och en unik radie av krökning, som modulerar svårigheten att upprätthålla balans på sammanträdet ytan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Sprängskiss ben stöd utmätning. Benstöd, bestående av en hitch, klämma och torget efterbehandling plug, är 600 mm lång och kan tas bort under transport av enheten eller för att tillåta användaren att svinga benen fritt under balans träning. För detaljerad del dimensioner, se kompletterande filer 1 (ritningar) och 2 (3D solida modeller). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: en vibrotactile feedback enhet för sittande balans bedömning och träning. (A) Sprängskiss av enhetens bilagor. De komponenter som visas här är: (1) den base, chassi och locket; (2) stål extrudering för fotstöd fastsättning; (3) två gaffelfäste stift att säkra fotstöd; (4) fotstöd fastsättning av justerbar höjd; och (5) en av fem böjd basmoduler. Dessa komponenter kan separeras för att underlätta transport eller lagring. För detaljerad del dimensioner, se kompletterande filer 1 (ritningar) och 2 (3D solida modeller). (B) ovanifrån fotografi av enheten. Locket har tagits bort för att avslöja elektronisk instrumentering, inklusive: en tröghetsbaserad måttenhet som inrymt en custom-tryckt kapsling (center); ett utvecklingskort med USB-anslutning (vänster); åtta elektroniska vibratorer hölls i custom-tryckta bilagor (mellersta regionen). och en stålsätter bommar för (överst) för att motverka fotstödet denna siffra har ändrats från Williams et al. 18 . Publiceras med tillstånd av ASME, från ”Design och utvärdering av an instrumenterad vingla styrelsen för att bedöma och utbildning dynamiskt sittande balans” i Journal of biomekaniska Engineering, AD Williams, QA Boser, AS Kumawat, K Agarwal, H Rouhani, AH Vette, vol. 140, April 2018. tillstånd som förmedlas genom Copyright Clearance Center, Inc. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 5: tvådelad montering kapsling för vibrerande tactors. Ett 4 mm hål i tactor kapsling (överst) monteras löst på en 3 mm att lokalisera pin i montering plattform (nederst) att minimera vibrationer dämpning. För detaljerad del dimensioner, se kompletterande filer 1 (ritningar) och 2 (3D solida modeller). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: användargränssnittet. Detta användargränssnitt tillåter användare att välja vibrotactile feedback tröskelvärden och uppkopplingstyp. Längd och riktning av vektor på grafen är proportionella till enheten kinematik. Rektangeln återspeglar AP och ML tröskelvärdena för feedback. Denna siffra har ändrats från Williams et al. 18 . Publiceras med tillstånd av ASME, från ”Design och utvärdering av an instrumenterad vingla styrelsen för att bedöma och utbildning dynamiskt sittande balans” i Journal of biomekaniska Engineering, AD Williams, QA Boser, AS Kumawat, K Agarwal, H Rouhani, AH Vette, vol. 140, April 2018. tillstånd som förmedlas genom Copyright Clearance Center, Inc. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 7: resultat av uppgift manipulation i tidsplanet. Förändring i tid-domän posturographic åtgärder när deltagarna blundar och samtidigt byta till en mer stabil bas (medelvärde och standardavvikelse, asterisk representerar betydande förändring enligt F-test, α = 0,05). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: resultat av uppgift manipulation i frekvensplanet. Förändring i frekvensplanet posturographic åtgärder när deltagarna blundar och samtidigt byta till en mer stabil bas (elak och standard avvikelse; asterisker representerar betydande förändring enligt F-test, α = 0,05). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: resultaten av vibrotactile feedback i tidsplanet. Förändring i tid-domän posturographic åtgärder när deltagarna förses med prestationsbaserade vibrotactile feedback (medelvärde och standardavvikelse, inga förändringar var statistiskt signifikanta enligt F-test, α = 0,05). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10: resultaten av vibrotactile feedback i frekvensplanet. Ändra i frekvensplanet posturographic åtgärder när deltagarna förses med prestationsbaserade vibrotactile feedback (medelvärde och standardavvikelse, asterisk representerar betydande förändring enligt F-test, α = 0,05). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Krökningsradien (cm) | ||
| De flesta stabil | 25 | Mindre svårt att balansera |
| 20 | ||
| 15 | ||
| 13 | ||
| Minst stabil | 11 | Svårare att balansera |
Tabell 1: geometriska egenskaper av utbytbara baserna. Den totala höjden av varje basmodul är 63 mm. en bas med en mindre krökningsradie, när ansluten till enheten, är således mindre stabil än en bas med en större radie.
| Posturographic mått | Tilt riktning | Experimentella villkor | |||
| Ögonen öppna | Slutna ögon | ||||
| Mycket instabil yta | Milt ostadig yta | ||||
| Vibrationer | Vibrationer | Vibrationer | Vibrationer | ||
| Utanför | På | Utanför | På | ||
| Root-Mean-Square | Antero-Posterior | 1,60 | 1,62 | 2,01 | 1,70 |
| [grader] | Medio-Lateral | 1,53 | 1,61 | 1,80 | 1,74 |
| Menar Velocity | Antero-Posterior | 2,75 | 3.01 | 2,85 | 2.94 |
| [grader/s] | Medio-Lateral | 3,04 | 3.14 | 3.38 | 3.44 |
| Centroidal frekvens | Antero-Posterior | 0.418 | 0.449 | 0.370 | 0,423 |
| [Hz] | Medio-Lateral | 0,462 | 0.467 | 0.465 | 0.471 |
| Frekvens Dispersion | Antero-Posterior | 0.659 | 0.654 | 0.685 | 0,661 |
| [-] | Medio-Lateral | 0.651 | 0.651 | 0.662 | 0.669 |
Tabell 2: resultat av balans och feedback villkor. Sammanfattning åtgärder härrör från AP och ML vippar under instabila sittande prövningar. Stödja ytan stabilitet plus ögonsjukdom samt vibrationsnivå är de manipulerade variablerna. Genomsnittliga åtgärder beräknades över alla deltagare.
Kompletterande fil 1: Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Kompletterande fil 2: Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Kompletterande fil 3: Vänligen klicka här för att hämta den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Metoder för att konstruera en bärbar, instrumenterade, sittande enhet presenteras. Enheten är bärbara och tåliga, bygga på tidigare studier av vingla stolar2,4 och vibrations feedback5,6,7 för att göra fördelarna med dessa verktyg mer kraftfulla och tillgängliga . Följ protokollet montering i omvänd att förbereda enheten för transport eller lagring. Svårigheten att balans uppgiften kan moduleras genom att fästa baser med olika krökningar. Valet av uppgift svårigheter är kritisk; användare bör vara rubbas utan att riskera skada underlätta aktiv träning.
Realtid övervakning och justering av de inbyggda instrument bygger på seriell kommunikation mellan mikrokontroller och användargränssnitt; dysfunktion i enheten kräver både programvara och hårdvara felsökning. Se till att alla hårdvara anslutningar är säkra. Övervaka den seriella produktionen av mikrokontroller för oväntat byte. PROBE programmet användargränssnittet för fel. Om problem kvarstår, kontakta en erfaren mekatronik designer.
Balans språkfärdighet kännetecknas av posturographic åtgärder som härrör från kinematisk observationer av sittande ytan. Alternativt, iaktta mitten av påtryckningar på en kraft-plattan, som korrelerar med den ytan tilt vinkel2, men kräver ytterligare utrustning. Posturographic åtgärder har varierande tillförlitlighet mellan sessioner2 och varierande känslighet för balansera förbättring eller oordning19. Den root-mean-square, genomsnittlig hastighet, centroidal frekvens och frekvens dispersion är gemensamma posturographic åtgärder som observerades vara linjärt oberoende av varandra. Överväg att ändra protokollet signal analys för att ta itu med särskild bedömning mål.
Enheten levererar vibrotactile stimuli till sätet i enlighet med balans uppgift prestanda. Optimal konfiguration av haptisk feedback kontroll är föremål för kontinuerlig studie och ett viktigt steg i detta protokoll, som vissa feedback strategier kan försämra motoriskt lärande20. Befintliga vibrotactile feedback metoder har visat sig förbättra stående balans funktion och många andra motor aktiviteter6,7. Seat-inbäddade tactors göra vibrotactile feedback teknik tillgänglig för sittande balans paradigmer. Framtida tillämpningar kan inkludera sport utbildning, rumslig orientering utbildning, virtuella eller augmented reality gaming, bedömning av balans språkfärdighet, forskning för balans störningar och rehabilitering efter skelett, muskulära eller neurologiska skador.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna erkänner studenterna Animesh Singh Kumawat, Kshitij Agarwal, Quinn Boser, Benjamin Cheung, Caroline Collins, Sarah Lojczyc, Derek Schlenker, Katherine Schoepp och Arthur Zielinski design ansträngningar. Denna studie har delvis finansierats genom en Discovery bidrag från de naturliga vetenskaperna och Engineering Research Council of Canada (RGPIN-2014-04666).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Chassis | McMaster-Carr | 8657K421 | Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1-1/2" Thick, 24" X 24" |
| Lid | McMaster-Carr | 8657K414 | Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1/4" Thick, 24" X 24" |
| Base | McMaster-Carr | 8657K414 | Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1/4" Thick, 24" X 24" |
| Grip-Tape | McMaster-Carr | 6243T471 | Nonabrasive Antislip Tape, Textured, 6" Wide Strip, 2' Long, Black |
| Base Nut | McMaster-Carr | 90596A039 | Steel Round-Base Weld Nut, 5/8"-11 Thread Size |
| Weld Plate | McMaster-Carr | 1388K142 | Low-Carbon Steel Sheet 1/16" Thick, 3" X 3", Ground Finish |
| Threaded Rod | McMaster-Carr | 90322A170 | 3" 5/16"-18 Medium-Strength Alloy Steel Threaded Stud |
| Sleeve | McMaster-Carr | 8745K19 | Chemical-Resistant PVC (Type I) Rod 1-1/4" Diameter |
| Square Flange | McMaster-Carr | 8910K395 | Low Carbon Steel Bar, 1/8" Thick, 1" Wide |
| Hitch | McMaster-Carr | 4931T123 | Bolt-Together Framing Heavy-Duty Steel, 1-1/2" Square |
| Curved Base | McMaster-Carr | 8745K48 | PVC Rod, 6" Diameter |
| Hitch Insert | McMaster-Carr | 6535K313 | Bolt-Together Framing Heavy-Duty Steel, 1" Square |
| Extrusion | McMaster-Carr | 6545K7 | 1045 Cold Drawn Steel Square Bar Stock, 1' X 1" Wide, Unpolished |
| Clamp | Vlier | TH103A | Adjustable Torque Knob |
| Footrest | McMaster-Carr | 6582K431 | 4130 Steel Tubing, 1" X 1" Wide, 0.065" Wall Thickness, Unpolished Mill Finish |
| Counterwieght | McMaster-Carr | 8910K67 | Low-Carbon Steel Rectangular Bar 1-1/8" Thick, 4" Width |
| Clevis Pin | McMaster-Carr | 97245A616 | Zinc-Plated Steel Clevis Pin with Hairpin Cotter Pin, 3/16" Diameter, 1-9/16" Usable Length |
| Microprocessor | Arduino | MEGA 2560 | Microcontroller board with 54 digital I/O pins and USB connection |
| Inertial Measurement Unit | x-io Technologies Ltd. | x-IMU | Inertial Measurement Unit and Attitude Heading Reference System with enclosure |
| Vibrating Tactor | Precision Microdrives | DEV-11008 | Lilypad Vibe Board, available from SparkFun Electronics |
References
- 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).
- 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).
- Paillard, T., Noé, F. Techniques and Methods for Testing the Postural Function in Healthy and Pathological Subjects. BioMed Research International. 2015, (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Churchill, E., McConville, J. T. Sampling and Data Gathering Strategies for Future USAF Anthropometry. , (1976).
- Lee, H., Granata, K. P. Process stationarity and reliability of trunk postural stability. Clinical Biomechanics. 23, 735-742 (2008).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lee, B., Kim, J., Chen, S., Sienko, K. H. Cell phone based balance trainer. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 9, 1-14 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
