Способ оценки своевременности и точности волевой двигательных реакций на раздражители Vibrotactile

1Bloorview Research Institute, Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital, 2Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering, University of Toronto
Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

В данной статье описывается методика применения vibrotactile стимулов к бедру человеческого участника и измерения точности и времени реакции волевого ответа участника для различных комбинаций расположения стимуляции и частоты.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Leineweber, M. J., Shi, S., Andrysek, J. A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli. J. Vis. Exp. (114), e54223, doi:10.3791/54223 (2016).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Искусственное сенсорная обратная связь (ASF) может быть определен как практика предоставления в режиме реального времени биологической информации для отдельных лиц, часто компенсируя скомпрометированы проприоцептивные или других сенсорных механизма. ASF уже давно используется в сфере реабилитации инвалидов или травмированных лиц для оказания помощи в восстановлении аспектов физической функции и движения 1 - 3, что позволяет людям контролировать физические процессы , которые были когда - то невольная реакция вегетативной нервной системы 4. Подкатегорию ASF, биомеханической БОС, использует внешние датчики для измерения параметров, связанных с баланса или походка кинематики, и передавать эту информацию индивидуума через какое-то прикладной стимул. Все более популярным подходом к биомеханической обратной связи использует небольшие вибрирующие моторы, или контакторов, расположенные в разных частях тела, чтобы обеспечить пространственное, а также временную обратную связь. Предыдущая литература показала рromising результаты , подтверждающие использование vibrotactile обратной связи в приложениях для людей с ампутации нижних конечностей, вестибулярных нарушений, а также связанные со старением потери равновесия 5 - 9.

Глубокое понимание механизмов, контролирующих восприятие индивидуума и ответ на специфические стимулы необходимы для информирования эффективной реализации ASF систем для различных областей применения. Для vibrotactile обратной связи, главным из этих механизмов являются проприоцепция и ответ сенсомоторной, в частности, чувствительность пользователя к прикладной вибрации и время, необходимое для выполнения желаемой реакции. Любая сенсорная информация передается через вибрации раздражители должны быть закодированы в виде специфических комбинаций частоты колебаний, амплитуды, местоположения и последовательности. Таким образом, проектирование систем ASF vibrotactile следует выбирать комбинации параметров для максимального восприятия пользователя и интерпретации стимулов, как иа также своевременность и точность полученного ответа двигателя. Целью данного протокола является предоставление платформы, из которой для оценки времени отклика и точность реагирования на различные колебательные раздражители информировать проектирование систем ASF для использования с различными сенсорными нарушениями населения.

Методы , описанные здесь , основывается на предыдущих исследованиях изучают человеческое восприятие тактильной и vibrotactile обратной связи 3,5,6, и был разработан для использования в двух предыдущих исследованиях 10,11. Последние два исследования использовали этот протокол для изучения влияния частоты вибрации и расположение на точность и своевременность ответов пользователя в ампутированы нижние конечности, показывая, что оба параметра существенно влияют на показатели исходов, а также о том, что высокая степень точности отклика может быть достигнуты. Эти результаты могут быть использованы для информирования идеального размещения контакторов в будущих исследованиях и клинических применений систем vibrotactile ASF. Другая недавняя работаCrea и др. 12 исследовали чувствительность пользователя к изменениям в структуре вибрации , приложенных к бедру при ходьбе, с использованием словесных ответов для обозначения воспринимаемые изменения в вибраций еще , а не двигательную реакцию. В то время как эти словесные ответы могут быть использованы для измерения точности обнаружения, они не учитывают наличие ошибок и задержек, которые могут присутствовать в процессе управления двигателем.

Первичная установка для следующих экспериментов состоит из ряда вибрационных двигателей, соединенных с широтно-импульсной модуляцией для выходных выводов микроконтроллера платы. Совет, в свою очередь, управляется через соединение универсальной последовательной шины (USB) на компьютере под управлением коммерчески доступного программного обеспечения для проектирования системы. Двигатели требуют дополнительной усилительной схемы, чтобы обеспечить достаточное напряжение и ток подается в широком диапазоне частот колебаний. Схема пример усилителя показана на рисунке 1. Биполярного плоскостного транзистора (BJR) На рисунке может быть заменен меньшим металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET) для более эффективной работы и меньшего размера. Аналогичным образом, вся усилительной схемы может быть заменен выпускаемый промышленностью тактильной привода двигателя, чтобы обеспечить дополнительный контроль и уменьшенный размер. Каждый двигатель требует свою собственную схему, и с использованием оборудования, перечисленных в этой статье, до десяти двигателей можно управлять с помощью одного микроконтроллера платы.

Рисунок 1
Рисунок 1. Схема подключения двигателя. (A) Схема усиления для одного вибрационного двигателя показан. Каждый двигатель требует отдельного контура и должен быть подключен к уникальным ШИМ-выходом порта на микроконтроллере. V DD здесь представляет мощность 3,3 В комплект поставки микроконтроллером платы, а резистор R2 служит понижающим резистор , чтобы обеспечить переключатель транзистор остается открытым , когда нулевое напряжение приложениелгал. (В) Пример физической разводки двух двигателей. Несмотря на то, восемь отдельных схем амплификации показаны только два подключены к вибрации двигателей. В этом протоколе R1 = 4,7 кОм и R2 = 100 кОм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Следующий протокол был одобрен Советом по этике исследований в Голландии Bloorview Детский реабилитационный госпиталь.

1. Мотор калибровки

  1. Подключение платы микроконтроллера к компьютеру с помощью порта USB.
  2. Используя оригинальное программное обеспечение микроконтроллера, загрузить пользовательский сценарий, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" к плате через соединение USB, нажав на значок "Загрузить", обозначаемый окружностью стрелкой вправо.
    1. Убедитесь, что уровень вибрации устанавливается равным нулю, чтобы положить двигатель в выключенном положении, используя команду "analogWrite". Код должен читать "analogWrite (vibe1,0);".
    2. В коде микроконтроллера, указать широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), соответствующий выходной контакт с двигателем интереса инициализацией "vibe1" переменную.
      Примечание: ШИМ-сигналов генерируют приблизительные аналоговые выходы из цифровых сигналов, генерируемых микроконтроллера. Булавки этикетокd численно на физическом плате микроконтроллера. Например, если двигатель подключен к выходу ШИМ выводами '3', а затем убедитесь, что "INT vibe1 = 3;" указывается в коде.
  3. Подключите выход г по оси трехосевой акселерометр к одному из аналоговых входных портов микроконтроллера платы и подключите положительный и провода заземления от акселерометра до 5В и заземления (GND) портов микроконтроллера платы, соответственно.
  4. Установить акселерометр вибромоторе, убедившись , что Z-ось перпендикулярна плоской поверхности двигателя, как показано на рисунке 2, и поместите двигатель на твердую поверхность.
  5. Откройте файл "Motor_Calibration.vi" в программном обеспечении сбора данных и подключения микроконтроллера к компьютеру через порт USB.
  6. Используя поля, предусмотренные укажите последовательный порт для ввода микроконтроллера, используя ниспадающее меню, а также частоту дискретизации, и Numбер образцов для сбора. Примечание: частота дискретизации 500 Гц является стандартным для этих экспериментов, чтобы предотвратить наложение спектров в данных ускорения, и 1000 образцов обычно записываются.
  7. Использование "Motor_and_Accelerometer.ino" код, указать желаемый рабочий цикл импульсов ШИМ, подаваемых на вибрационного двигателя, как только еще раз с помощью "analogWrite" команду, и повторно загрузить программу на плате микроконтроллера, управляющего двигателями (см Шаг 1.1 ). Например, чтобы установить количество импульсов до 100, код должен читать "analogWrite (vibe1,100);". В таблице 1 приведены значения ШИМ и соответствующие рабочие циклы.
  8. Используя Transform дисплей (FFT) Фурье Fast-на интерфейсе "MotorCalibration.vi", определить самый большой пик и записать соответствующее значение частоты вибрации (от горизонтальной оси).
  9. Повторите шаги 1.7-1.8, регулируя уровни ШИМ до тех пор, пока не будет достигнута нужная частота, записи каждого ШИМ-частоты Пайр. Например, если они нацелены на частоту 100 Гц, выполните шаги от 1,7-1,8 до наибольшего пика не происходит по отметке 100 Гц на горизонтальной оси.
    Примечание: Для получения вибрационных двигателей , используемых в данном протоколе, целевые вибрации должны лежать в диапазоне 60-400 Гц , чтобы лучше соответствовать частоты отклика механорецепторов в коже , описанной в литературе 5,10,13.
  10. Повторите шаги 1.2.2 на 1.8 для каждого двигателя, вручную записи отношения ШИМ-частоты для каждого двигателя с электронной таблицей или карандашом и бумагой.
  11. Откройте файл "Experiment_1.vi". Для каждого двигателя, щелкните правой кнопкой мыши на меню частоты выпадающего и выберите "Property". На вкладке "Редактирование элементов", используйте таблицу, чтобы ввести желаемые частоты и соответствующие уровни ШИМ, определенные на этапах 1,8-1,9. Выберите "OK", чтобы выйти.
  12. Повторите шаг 1.11 для каждого файла виртуального интерфейса (VI) из системного проектирования программного обеспечения , которые будут использоваться во время тестирования (например, "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi "и т.д.).

фигура 2
Рисунок 2. Акселерометр Установленный на двигатель. Тройной акселерометр (зеленый) крепится к монете двигателя с его Z-оси , ортогональной к плоской поверхности двигателя для калибровки. Каждый двигатель был активирован с использованием различных рабочих циклов, и соответствующие частоты колебаний были записаны акселерометром. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

2. Размещение двигателей

  1. После того, как все двигатели были откалиброваны (раздел 2), установите их в бедро.
    1. Для достижения результатов, описанных в этой рукописи, поместите один двигатель на каждой из передней, задней, медиальной и боковой поверхности бедра, примерно на полпути бытьпромежуточные кадры большого вертела и боковой мыщелка бедренной кости (или дальний конец конечности для выше колена с ампутированными конечностями).
      Примечание: Конкретные места расположения каждого двигателя может варьироваться, в зависимости от исследовательских вопросов и областей, представляющих интерес, и может повлиять на анатомических и физиологических факторов, таких как распределение типа и пространственной механорецепторов в коже.
  2. Приложить двигатели непосредственно на кожу с помощью двусторонней клейкой ленты.
    Примечание: Бритье область вокруг каждого двигателя не является необходимым, но может улучшить их адгезию к коже (рисунок 3). Для применений, где эффекты одежды, протезного вкладышем, или какого-либо другого материала, на восприятие пользователя, представляющих интерес, разместить двигатели поверх указанного материала, а не по отношению к коже.

Рисунок 3
Рисунок 3. тестовая платформа для экспериментов. Пользовательская тестовая платформа была построена для дома тон микроконтроллер платы и нажимать на кнопки. Двигатели могут быть прикреплены непосредственно к коже (как показано на рисунке), или с ортопедической вкладышем между двигателем и кожей. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

3. Эксперимент 1: Применение раздражители и реакции записи Время

  1. Перепрошить платы микроконтроллера с прошивкой для обеспечения контроля платы с помощью программного обеспечения для сбора данных, открыв файл "LVIFA_Base.pde" с сопровождающим пакета программного обеспечения контроллера и повторите шаг 1.1, заменив "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" с " LVIFA_Base.pde "сценарий.
  2. Подключить-кнопки непосредственно к одному из USB-портов компьютера с помощью разъема последовательно-USB. Убедитесь, что установлены все необходимые драйверы.
  3. Откройте интерфейс "Experiment_1.vi".
  4. Укажите серийныйпорты для микроконтроллера платы, подключенного к двигателям и кнопочные, выбрав соответствующий серийные номера идентификации порта из выпадающего меню с надписью "Motor Input" и "Зеленая кнопка" соответственно. Определить последовательные идентификационные номера порта с помощью операционной системы диспетчера устройств компьютера.
  5. Выберите файл для записи результатов и запустить программу.
  6. Выберите двигатели и частоты, чтобы активировать, выбрав из выпадающего меню для каждого двигателя в интерфейсе "Experiment_1.vi". Попросите участника нажать кнопочный с ногой, на которой применяется обратная связь, когда чувствуется вибрация. После того, как была нажата кнопка, подтвердить отклик в интерфейсе программы сбора данных, отметив, что часы остановились счета, и сбросить двигатели для следующего суда, указав новый набор частот из выпадающего меню.
  7. После того, как эксперимент будет заключен, использовать ЛУopdown меню, чтобы вернуть все частоты двигателя в нулевое положение и нажмите кнопку "Стоп Program", чтобы завершить подключение к плате управления двигателем.

4. Эксперимент 2: Различение между стимулами

Примечание: Этот эксперимент может быть проведен полностью независимо друг от друга из эксперимента 1. Может быть использован один двигатель или несколько двигателей. Конкретные расположение двигателей может варьироваться в зависимости от применения и научных вопросов.

  1. Подключите второй кнопочный к другому порту USB с помощью разъема последовательного USB.
  2. Откройте интерфейс сбора данных "Experiment_2.vi".
  3. Поместите двигатели в местах расположения и конфигураций, требуемых для конкретного применения исследований. Например, место одиночные двигатели на бедре, на полпути между большим вертелом и латеральной мыщелка бедренной кости (или к дистальному концу конечности для ампутантов), на каждой из передней, задней, боковой и медиальной поверхности бедра на еxamine чувствительность по частоте в каждой из этих частей ноги 10,11.
  4. Укажите последовательные порты для микроконтроллера платы и обеих кнопок, используя ту же процедуру, как на стадии 3.4. Обязательно обратите внимание, которое кнопочный присваивается каждому порту.
  5. Выберите конкретные двигатели, которые будут активироваться и нужную последовательность частот, нажав на "Мотор" иконки в интерфейсе программы. Например, предположим, что три частоты проходят испытания, такие, как 140 Гц, 180 Гц и 220 Гц. Серия тестов может быть (1) 180 Гц с последующим 140 Гц, (2) 220 Гц с последующим 140 Гц, и (3) 180 Гц с последующим 220 Гц.
  6. Ввод с задержкой времени начала и продолжительности стимуляции. 1.5 сек характерно как для задержки и времени стимуляции.
  7. Запустите программу.
    Примечание: после того, как указанная задержка в шаге 4.6, программа активирует двигатель (ы) с последовательностью парных частот, выбранных на шаге 4.5. Например, если 180 Гц против 220 Гц был С.Е.бранной на шаге 4.5, соответствующий двигатель будет первым вибрировать при 180 Гц в течение определенного времени перед переключением на 220 Гц.
  8. Попросите участника нажать одну из двух кнопок выбора, будет ли была выше или ниже, чем первая вторая воспринимаемая частота. Ответы будут автоматически записываться программой.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 4 показаны калибровочные кривые , идентифицирующие значение ШИМ для частоты колебаний 180 Гц одного двигателя. Начиная с рабочим циклом 50%, значения ШИМ повторяются до тех пор, основная частота всплеска не происходит при 180 Гц. Успешные испытания калибровки должны показать четкий пик на первичной частоте колебаний. Плохая фиксация акселерометра к двигателю, или двигателя по отношению к опорной поверхности, может привести к более диффузной FFT без четкого пика. В этой ситуации, калибровка процесс должен быть повторен после того, как опоры были скорректированы, чтобы обеспечить лучшее соединение.

Рисунок 5A показывает время реакции между ответом кнопки стимул и толчок , записанной для эксперимента 1 для трех частот колебаний, 140 Гц, 180 Гц и 220 Гц, приложенных к передней поверхности бедра в течение десяти трудоспособных участников и трех ампутированными 10. Повторный анализ мер дисперсии (ANOVA) иТаки анализ апостериорных с помощью коррекции Бонферрони использовался для выявления специфических эффектов каждой частоты. Эти данные показывают относительно плотный разброс данных для каждой частоты в трудоспособного населения, а также значительное влияние частоты. Время реакции для различения между парами частот колебаний показаны на фигуре 5В, и могут быть проанализированы с помощью той же процедуры, одиночных испытаний частот. Аналогичный анализ может быть проведен для выявления влияния двигателя размещения, механизма реагирования (например, нажатие на кнопочный с рук или ног), или другие условия испытаний.

Рисунок 4
Рисунок 4. Типичные Кривые калибровки. Результаты быстрого преобразования Фурье данных ускорения приведены для одной калибровки двигателя проходит. Четыре испытания были проведены для определения уровня ШИМ корреспондентскихдинь до 180 Гц вибрации (сплошная синяя линия). Обратите внимание , что вибрации изменяется между различными частотами. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. Время реакции Представитель Результаты. Раз (A) отклика для отдельных частот показаны. Линии подключены данные приведены данные для трудоспособных участников (среднее ± стандартное отклонение), в то время как отдельные точки данных представляют три человека с transfemoral ампутаций. Время реакции значительно снизилась частота. '*' Означает существенное отличие от 140 Гц времени реакции, а '#' в отличие от частоты 180 Гц, и при значимости р <0,05. (B) время отклика для различения парыs частот построены для обоих трудоспособных лиц и лиц с transfemoral ампутаций. Следует отметить, что разброс данных в каждой паре значительно больше, чем для данных одночастотной, что указывает на более вариабельных результатов. Эта цифра была изменена на основании данных , первоначально опубликованных Шарма и др. 10. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

ШИМ Значение (импульсы) 64 127 191 255
Рабочий цикл (%) 25 50 75 100

Таблица 1. Значения PWM и соответствующие Дежурные циклов. Примеры уровней ШИМ и соответствующие рабочие циклы показаны. Tон 0-255 диапазон для значения PWM задает количество байтов в каждом импульсе (из 255 возможных), для которых сигнал включен.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Целью данного протокола является обеспечение основы для оценки параметров стимуляции в vibrotactile приложений ASF. В частности, он рассматривает влияние частоты колебаний, амплитуды, местоположения и последовательности на ответ пользователя сенсомоторной. Эта структура может быть построена на и расширена за счет включения дополнительных или альтернативных типов ответа пользователя, которые могут быть более клинически значимых, таких как изгиб сустава или перенос веса с одной ноги на другую. Эти типы изменений требует несколько различных конфигураций оборудования, а именно замену кнопок с такими устройствами, как инерционных единиц измерения (Имус) или датчиков давления, а также сопутствующие изменения в виртуальный интерфейс. Аналогичным образом, хотя протокол, представленный здесь требует участника находиться в сидячем положении, только небольшие аппаратные модификации будут необходимы, чтобы сделать переход к более клинически значимых позы, такие как постоянный баланс или валькороль испытания.

В обоих экспериментах, нажимная кнопка (ы) может быть нажата с руки, ноги, ноги, или некоторыми другими средствами, в зависимости от конкретного вопроса исследования и получения необходимого результата. Кроме того, дополнительные исследования с использованием этот базовый протокол может быть использован для изучения влияния различных стратегий обратной кодирования, местоположения, и включение в новые или существующие протезы. Например, при реализации vibrotactile обратной связи в протезов нижних конечностей, это может быть интересно изучить эффекты протезного розеткой и вкладышем на чувствительность пользователей к стимулам. В то время как протоколы, описанные в этой рукописи требуют полуручном активации вибрационных двигателей (через интерфейс), они могут быть легко изменены, чтобы включить активацию электродвигателя в ответ на кинетическим измерений от внешних датчиков. С помощью измерительных устройств, таких как Имус, гониометрами, давления датчиков и т.д., вместо нажимной кнопки, эксперименты могут быть сonducted изучить более физиологически соответствующие времени отклика пользователя и точность в vibrotactile обратной связи при условии. Этот тип исследования будет использовать аналогичные протоколы, описанным в экспериментах 1 и 2, но требует дополнительной системы управления для преобразования входного датчика в инструкции, посланных к вибрационному двигателей, а также изменения в программном обеспечении сбора данных для взаимодействия с новые аппаратные изменения.

Одним из примеров реализации физиологически адекватного ответа является замена-кнопки с гониометра для измерения изменения угла колена. Для этого типа эксперимента, гониометра будет установлен на боковой поверхности коленного сустава, и вместо того , чтобы нажать на кнопку, участники будут проинструктированы сгибать свои колени к заранее определенным углом колена (например, 90 градусов) при восприятие вибрации двигателя. Время реакции Пользователь затем определяется как время, прошедшее между приложенным стимула и при совместном А.Н.гле оседает на земле или вблизи желаемого значения (например, 90 ° ± 10 °). Точность движения также может быть оценена путем расчета ошибки в процентном отношении между мишенью и достигнутыми углами.

За последние десять лет ряд исследований исследовали использование vibrotactile обратной связи в различных биомеханических приложений, в том числе его эффективности в качестве учебного пособия для улучшения походки и баланса 14,15. Большинство из этих исследований были сосредоточены на клинических проявлений БОС, рассматривая какие-либо изменения в определенных кинетических или кинематических параметров при применении обратной связи vibrotactile. Таким образом, большинство протоколов выбрать один набор параметров стимуляции, с небольшим количеством изучения чувствительности пользователя к местоположению вибрации, амплитуды, или рисунка. Протокол, представленные здесь служит в качестве первого шага на пути к восприятию пользователя понимание к vibrotactile стимулы, которые должны быть выполнены до оценки влияния этих стимулов на конкретном Clinческие условия. Дополнительные работы, например, что Goodworth и др. 7,16, которые исследовали различные стратегии кодирования для перевода сенсорной информации в вибрационные раздражители, и Crea и др. 12, в котором оценивали чувствительность пользователей к изменениям в структуре вибрации, дополняют эти эксперименты , чтобы обеспечить более полное понимание того, как оптимизировать vibrotactile обратной связи для конкретных биомеханических приложений.

Следует отметить , что существенное ограничение этой экспериментальной системы, как и с другими системами , описанными в литературе 5,6, лежит вибрационных двигателей, какая частота вибрации пара и величины. То есть, увеличение или уменьшение частоты колебаний сопровождаются пропорциональными изменениями амплитуды. Разделение этих двух параметров требует иного типа двигателя, таких как линейные резонансных исполнительных механизмов, а также более продвинутых водителей моторных для питания более сложные двигатели. AdditРациональная обновления существующего интерфейса потребуется для размещения нового оборудования и дополнительный параметр амплитуды.

Процедура калибровки имеет решающее значение для успешного выполнения этих экспериментов, и должны быть выполнены независимо друг от друга для каждого двигателя, используемого в последующих экспериментах. В то время как отношения цикла обязаностей частоты должны быть номинально того же типа для одинаковых двигателей, небольшие различия в конструкции двигателя может привести к нетривиальным изменениям в результате частот. Например, при разработке этой процедуры, целевая частота 180 Гц была достигнута с использованием значений ШИМ в диапазоне от 103-143 для различных двигателей.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Cholewiak, R. W. The perception of tactile distance: Influences of body site, space, and time. Perception. 28, (7), 851-875 (1999).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Giggins, O. M., Persson, U. M., Caulfield, B. Biofeedback in rehabilitation. J. Neuroeng. Rehabil. 10, (1), 60 (2013).
  15. 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).
  16. Goodworth, A. D., Peterka, R. J. Sensorimotor integration for multisegmental frontal plane balance control in humans. J. Neurophysiol. 107, (1), 12-28 (2012).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics