En Vibrotactile Feedback enhet för sittande balans bedömning och träning
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.
Protocol
Representative Results
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. Svårig…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
