Een methode voor het evalueren van tijdigheid en nauwkeurigheid van Volitional Motor Responses to vibrotactiele Stimuli

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:

 

Summary

Dit artikel beschrijft een techniek voor het aanbrengen vibrotactiele stimuli op de dij van een menselijke deelnemer en het meten van de nauwkeurigheid en reactietijd van volitionele respons van de deelnemer voor verschillende combinaties van stimulatie locatie en frequentie.

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

Kunstmatige zintuiglijke feedback (ASF) kan worden gedefinieerd als het gebruik van real-time biologische informatie aan individuen, vaak compenseren gecompromitteerd proprioceptie of andere zintuiglijke mechanisme. ASF is al lang gebruikt op het gebied van revalidatie van gewonde of personen met een handicap te helpen bij het ​​herstellen van de aspecten van de fysieke functie en beweging 1-3, waardoor individuen om fysische processen die ooit een onwillekeurige reactie van het autonome zenuwstelsel 4 waren onder controle. Een subcategorie van ASF, biomechanische biofeedback, maakt gebruik van externe sensoren om parameters met betrekking tot evenwicht of gait kinematica meten en communiceren van deze informatie aan het individu door middel van een soort van toegepaste stimulus. Een steeds populairder benadering biomechanische feedback telt kleine trilmotoren of magneetschakelaar, geplaatst op verschillende lichaamsdelen ruimtelijke en temporele feedback. Vorige literatuur p toondenromising resultaten die het gebruik van vibrotactiele feedback in toepassingen aan personen met een lagere ledematen amputaties, vestibulaire stoornissen, en veroudering gerelateerde verlies van evenwicht 5-9.

Een goed begrip van de mechanismen die individuele perceptie en de reactie op specifieke stimuli noodzakelijk voor het informeren effectieve implementatie van ASF voor verschillende toepassingen. Voor vibrotactiele feedback, leider onder deze mechanismen proprioceptie en de sensorimotorische respons, specifiek de gebruiker gevoeligheid voor de toegepaste trillingen en de tijd die nodig is om de gewenste reactie uit te voeren. Elke sensorische informatie verstrekt via trillingen stimuli worden gecodeerd als specifieke combinaties van vibratie frequentie, amplitude, locatie en sequentie. Daarom moet het ontwerp van vibrotactiele ASF systemen combinaties van parameters te selecteren om de perceptie gebruiker en interpretatie van de stimuli te maximaliseren, zoalsen de tijdigheid en nauwkeurigheid van de resulterende motorische respons. Het doel van dit protocol is een platform om reactietijden en nauwkeurigheid reactie op verschillende stimuli vibrationele evalueren om het ontwerp van systemen ASF hoogte voor gebruik met verschillende sensorische verminderde bevolkingen.

De hier beschreven methoden gebaseerd op eerder onderzoek verkennen menselijke waarneming van tactiele feedback en vibrotactiele 3,5,6, en is ontwikkeld voor gebruik in twee eerdere studies 10,11. De laatste twee studies gebruikt dit protocol om de effecten van trillingsfrequentie en op de nauwkeurigheid en actualiteit van gebruikerreacties in de onderste ledematen amputatie onderzoeken blijkt dat beide parameters significante invloed op de uitkomst maatregelen, en dat een hoge mate van nauwkeurigheid te kunnen reageren bereikt. Deze resultaten kunnen worden gebruikt om de ideale plaatsing van magneetschakelaar informeren toekomstige studies en klinische toepassingen van vibrotactiele ASF systemen. Ander recent werk vanCrea et al. 12 onderzocht gebruiker gevoeligheid voor veranderingen in vibratie patronen aangebracht op de dij gedurende het lopen, via verbale reacties op waargenomen veranderingen in de vibratie patronen in plaats van een motorische respons betekenen. Hoewel deze verbale reacties kunnen worden gebruikt om detectie nauwkeurigheid meten ze geen rekening met vertragingen en fouten die in de motorbesturing proces kan zijn.

De primaire opstelling voor de volgende experimenten uit een aantal trilmotoren verbonden puls-breedte gemoduleerde output pinnen van een microcontroller board. Het bestuur is op zijn beurt gecontroleerd door middel van een Universal Serial Bus (USB) aansluiting op een computer met in de handel verkrijgbare systeemontwerp software. De motoren vereisen een extra versterkingschakeling om voldoende spanning te waarborgen en stroom wordt toegevoerd over een groot bereik van trillingsfrequenties. Een voorbeeld versterkerschakeling figuur 1. De bipolaire transistor (BJR) In de figuur kan worden vervangen door kleinere metaal-oxide-halfgeleider veldeffecttransistor (MOSFET) voor een efficiëntere werking en een kleiner formaat. Evenzo kan de gehele versterkerschakeling worden vervangen door een off-the-shelf haptische aandrijver extra en lagere grootte. Elke motor vereist een eigen circuit en met de in dit artikel vermelde apparatuur, tot tien motoren kunnen worden bediend met één microcontrollerbordje.

Figuur 1
Figuur 1. motorbedrading. (A) Het versterkingscircuit voor een vibratiemotor weergegeven. Elke motor is een apart circuit en moet worden aangesloten op een unieke PWM-uitgang van de microcontroller. De V DD hier staat voor de 3.3 V macht door de microcontroller raad van bestuur, en voor de weerstand R2 dient als een pull-down resister aan de transistor switch te garanderen blijft open wanneer nul spanning appgelogen. (B) Een voorbeeld van de fysieke bedrading van twee motoren. Hoewel acht afzonderlijke amplificatie circuits getoond, slechts twee zijn verbonden trilmotoren. In dit protocol R1 = 4,7 kOhm en R2 = 100 kOhm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Het volgende protocol werd goedgekeurd door de Research Ethics Board in Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital.

1. Motor Calibration

  1. Sluit de microcontroller board op de computer met behulp van een USB-poort.
  2. Met behulp van de originele microcontroller software, het uploaden van de aangepaste script, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" aan de raad via de USB-verbinding door te klikken op het pictogram "Upload", aangeduid met de omcirkelde pijl naar rechts.
    1. Zorg ervoor dat het trillingsniveau is ingesteld op nul om de motor in de off-positie met behulp van de opdracht "analogWrite" te zetten. De code moet "analogWrite (vibe1,0);" te lezen.
    2. In de microcontroller code, geeft de puls-gemoduleerde (PWM) uitgang pin die overeenkomt met de motor van rente door het initialiseren van de "vibe1" variabele.
      Opmerking: PWM genereren approximate analoge uitgangen van de digitale signalen die door de microcontroller. De pennen zijn labeled numeriek op de fysieke microcontroller board. Bijvoorbeeld, als de motor is verbonden PWM output pin '3', dan ervoor zorgen dat de "int vibe1 = 3;" is vastgelegd in de code.
  3. Sluit de z-as uitgang van de drie-assige versnellingsmeter een van de analoge ingangen van de microcontrollerbordje en sluit de positieve en aarddraden van de accelerometer om de 5V en aarde (GND) poort van de microcontrollerbordje respectievelijk.
  4. Monteer de accelerometer om de trillende motor, zodat de z-as loodrecht op het vlakke oppervlak van de motor, zoals getoond in figuur 2, en zet de motor op een harde ondergrond.
  5. Open de "Motor_Calibration.vi" bestand in de data-acquisitie software en sluit de microcontroller op de computer via een USB-poort.
  6. Met behulp van de beschikbare velden, geeft u de seriële poort van de microcontroller-ingang, met behulp van het dropdown-menu, evenals de sampling rate, en number monsters te verzamelen. Opmerking: 500 Hz sampling rate is standaard voor deze experimenten aliasing van de versnellingsgegevens voorkomen en 1000 samples worden gewoonlijk opgenomen.
  7. Met behulp van de "Motor_and_Accelerometer.ino" code, geeft u de gewenste duty cycle van de PWM pulsen aan de Trillingsmotor geleverd, wederom met behulp van de "analogWrite" commando, en opnieuw downloaden van het programma naar de microcontroller raad van bestuur het regelen van de motoren (zie stap 1.1 ). Bijvoorbeeld, om het aantal pulsen tot 100 te stellen, moet de code te lezen "analogWrite (vibe1,100);". Tabel 1 geeft de PWM waarden en de bijbehorende plicht cycli.
  8. Met de Fast Fourier Transform (FFT) weergave op de "MotorCalibration.vi" interface identificeren van de grootste piek en de overeenkomstige trillingsfrequentie waarde (de horizontale as) opnemen.
  9. Herhaal stap 1,7-1,8, het aanpassen van de PWM niveaus tot de gewenste frequentie is bereikt, het opnemen van elke PWM-frequentie pair. Als bijvoorbeeld gericht op een 100 Hz, de stappen 1,7-1,8 totdat de grootste piek wordt via 100 Hz merkteken op de horizontale as.
    Opmerking: Voor de vibratie motoren die worden gebruikt in dit protocol, moet de gerichte trillingen in de 60-400 Hz bereik liggen om beter te passen bij de respons frequenties van de mechanoreceptoren in de in de literatuur beschreven 5,10,13 huid.
  10. Herhaal de stappen 1.2.2 tot en met 1.8 voor elke motor, de PWM-frequentie relatie voor elke motor met een spreadsheet of potlood en papier handmatig opnemen.
  11. Open de "Experiment_1.vi" bestand. Voor elke motor, klik met de rechtermuisknop op het dropdown frequentie menu en selecteer "eigendom". Onder het tabblad 'Items bewerken ", gebruik dan de tabel om de gewenste frequentie en de bijbehorende PWM niveaus bepaald in de stappen 1,8-1,9 in te voeren. Selecteer "OK" om af te sluiten.
  12. Herhaal stap 1,11 voor elk bestand virtuele interface (VI) van het ontwerp van het systeem software die worden gebruikt tijdens het testen (bijvoorbeeld "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi ", etc.).

Figuur 2
Figuur 2. versnellingsmeter gemonteerd voor Motor. De tri-assige versnellingsmeter (groen) is gemonteerd op de munt motor met een z-as loodrecht op het vlakke oppervlak van de motor voor de kalibratie. Elke motor werd geactiveerd met behulp van verschillende werkcycli, en de bijbehorende trillingsfrequenties werden opgetekend door de accelerometer. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

2. Het plaatsen van de motoren

  1. Zodra alle motoren zijn gekalibreerd (deel 2), monteer ze aan de dij.
    1. De in dit manuscript beschreven resultaten, plaatst de ene motor op elk van de voorste, achterste, mediale en laterale oppervlakken van het dijbeen, ongeveer halverwegetween de trochanter major en laterale femorale condylus (of distale einde van de ledemaat van hierboven knie geamputeerde).
      Opmerking: De specifieke locatie van elke motor kan variëren, afhankelijk van de vraagstelling en gebieden van belang en kunnen worden beïnvloed door de anatomische en fysiologische factoren, zoals het type en de ruimtelijke verdeling van mechanoreceptoren in de huid.
  2. Hechten motoren direct op de huid met dubbelzijdig tape.
    Opmerking: Het scheren het gebied rondom elke motor is niet noodzakelijk, maar kan hechting aan de huid (figuur 3) te verbeteren. Voor toepassingen waarbij de effecten van kleding, een prothese voering, of een ander materiaal op gebruikersperceptie van belang, plaatst de motoren bovenop genoemde materiaal, in plaats van tegen de huid.

figuur 3
Figuur 3. Test Platform voor experimenten. Een aangepaste testplatform werd gebouwd naar het huis van thij microcontroller boards en drukknoppen. Motoren kunnen direct op de huid worden aangebracht (zoals afgebeeld) of met een prothese liner tussen de motor en de huid. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Experiment 1: Het toepassen van prikkels en Recording Reactietijd

  1. Re-flitser van de microcontroller bord met de firmware om de controle van de raad van bestuur door de data-acquisitie software door het openen van de "LVIFA_Base.pde" bestand met de controller bijbehorende software pakket, en het herhalen van stap 1.1 in te schakelen, ter vervanging van "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" met de " LVIFA_Base.pde "script.
  2. Sluit de drukknop direct naar een USB-poort van de computer met behulp van een serieel-naar-USB-aansluiting. Zorg ervoor dat alle vereiste stuurprogramma's zijn geïnstalleerd.
  3. Open de "Experiment_1.vi" interface.
  4. Geef de seriëlepoorten voor de microcontroller board aangesloten op de motoren, en push-button door de bijbehorende seriële poort identificatienummers te selecteren in het dropdown menu's label "Motor Input" en "Green Button ', respectievelijk. Identificeer de seriële poort identificatienummers met behulp van de computer het besturingssysteem van het apparaat manager nut.
  5. Selecteer het bestand om de resultaten op te nemen en start het programma.
  6. Selecteer de motoren en frequenties worden geactiveerd door het selecteren van de dropdown menu's voor elke motor in de "Experiment_1.vi" interface. Heeft de deelnemer drukt u op de drukknop met het been waarop de feedback wordt toegepast wanneer een trilling voelt. Nadat de knop is ingedrukt, bevestigen de reactie in de data-acquisitie software-interface door op te merken dat de klok telling is gestopt, en reset de motoren voor de volgende proef door het selecteren van de nieuwe reeks van frequenties uit de dropdown menu's.
  7. Zodra het experiment wordt gesloten, gebruik dan de dropdown menu's voor alle motor-frequenties terug te keren naar de nulstand en selecteer de "Stop Program" knop om de verbinding met de motor control board te beëindigen.

4. Experiment 2: Onderscheid tussen Stimuli

Let op: Dit experiment kan geheel onafhankelijk van Experiment 1. Een enkele motor of meerdere motoren kunnen worden gebruikt worden uitgevoerd. De specifieke locaties van de motoren kan variëren afhankelijk van de toepassing en de onderzoeksvragen.

  1. Sluit een tweede drukknop om andere USB-poort via een seriële-USB-aansluiting.
  2. Open de "Experiment_2.vi" data-acquisitie interface.
  3. Plaats de motoren op de locaties en configuraties voor desbetreffende onderzoeksaanvraag. Plaats bijvoorbeeld enkele motoren op de dij, halverwege tussen de trochanter major en laterale femorale condylus (of het distale einde van de ledemaat voor geamputeerden), op elk van de voorste, achterste, laterale en mediale oppervlakken van het dijbeen naar examine de frequentiegevoeligheid bij elk van deze delen van het been 10,11.
  4. Geef de seriële poorten van de microcontroller raad van bestuur en de beide drukknoppen volgens dezelfde procedure als stap 3.4. Zorg ervoor dat u noteren welke drukknop is toegewezen aan elke poort.
  5. Selecteer de specifieke motoren te activeren en de gewenste volgorde van de frequenties door te klikken op de "Motor" pictogrammen in de software-interface. Stel dat drie frequenties worden getest, zoals 140 Hz, 180 Hz en 220 Hz. Een reeks tests kunnen worden (1) 180 Hz gevolgd door 140 Hz, (2) 220 Hz gevolgd door 140 Hz, en (3) 180 Hz gevolgd door 220 Hz.
  6. Voer de uitgestelde starttijd en duur stimulatie. 1,5 sec is typisch voor zowel de vertraging en stimulatie tijden.
  7. Start het programma.
    Opmerking: De na de vertraging bij stap 4,6, zal het programma de motor (en) met de sequentie van gepaarde frequenties gekozen in stap 4,5 activeren. Als bijvoorbeeld 180 Hz vs. 220 Hz was seteerd in stap 4.5, zal de bijbehorende motor eerste trillen bij 180 Hz voor de opgegeven tijd voordat u naar 220 Hz.
  8. Heeft de deelnemer op een van de twee drukknoppen om te kiezen of de tweede ervaren frequentie hoger of lager is dan de eerste. Reacties worden automatisch geregistreerd door het programma.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 4 toont de kalibratiekromme het identificeren van de PWM-waarde voor een 180 Hz trillingsfrequentie van één motor. Vanaf een 50% duty cycle, worden de PWM waarden herhaald totdat de primaire frequentie piek optreedt bij 180 Hz. Succesvolle calibratie proeven moet een duidelijke piek op de primaire trillingsfrequentie te laten zien. Slechte fixatie van de accelerometer om de motor of de motor een steunoppervlak kan een diffuser FFT zonder duidelijke piek. In deze situatie wordt de kalibratie proces herhaald nadat de steunen zijn aangepast om een ​​betere aansluiting.

Figuur 5A toont reactietijden tussen stimulus en drukknop respons genoteerd voor Experiment 1 gedurende drie trillingsfrequenties, 140 Hz, 180 Hz en 220 Hz, aangebracht op het voorste oppervlak van het bovenbeen tien valide deelnemers en drie geamputeerden 10. Herhaalde metingen variantie-analyse (ANOVA) enTukey post-hoc-analyse met de Bonferroni-correctie werd toegepast om de specifieke effecten van elke frequentie te identificeren. Deze gegevens tonen een betrekkelijk nauwe spreiding van de gegevens voor elke frequentie in de populatie valide en zeer frequente effect. Reactietijden onderscheid tussen paren trillingsfrequenties worden getoond in Figuur 5B, en kunnen worden geanalyseerd met behulp van dezelfde procedure als de enkele frequentie proeven. Soortgelijke analysen kunnen worden uitgevoerd om de effecten van motor plaatsing reactiemechanisme identificeren (bijvoorbeeld het indrukken van de drukknop met de handen of benen) of andere testomstandigheden.

figuur 4
Figuur 4. Typische kalibratiekrommen. De resultaten van de Fast Fourier Transformatie van de acceleratiegegevens worden getoond voor een enkele motor ondergaat kalibratie. Vier proeven werden uitgevoerd om de PWM niveau correspon identificerending tot 180 Hz trilling (solid blauwe lijn). Merk op dat trillingen varieert tussen de verschillende frequenties. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 5
Figuur 5. Reaction Time Representatieve resultaten. (A) De responstijden voor individuele frequenties worden getoond. De line aangesloten gegevens tonen de gegevens van valide deelnemers (gemiddelde ± SD), terwijl de afzonderlijke gegevenspunten vertegenwoordigen de drie personen met transfemoraal amputaties. Reactietijden aanzienlijk afgenomen frequentie. "*" Geeft een significant verschil met de 140 Hz reactietijden, en de "#" een verschil met de frequentie 180 Hz, zowel op significantie p <0,05. (B) De responstijden voor het onderscheid tussen pairs van de frequenties worden uitgezet voor zowel de valide mensen en mensen met transfemoraal amputaties. Merk op dat de spreiding van de gegevens van elk paar is veel groter dan die van de individuele frequentiecomponenten gegevensverzending en staat meer variabele resultaten. Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van de gegevens die oorspronkelijk door Sharma et al. 10 verschenen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

PWM Value (pulsen) 64 127 191 255
Arbeidscyclus (%) 25 50 75 100

Tabel 1. PWM Waarden en de bijbehorende Duty Cycles. Sample PWM levels en de bijbehorende plicht cycli worden getoond. THij 0-255 bereik voor de PWM-waarde geeft het aantal bytes in elke puls (van de 255 mogelijke) waarvoor het signaal op.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het doel van dit protocol is het kader voor het evalueren stimulatieparameters in vibrotactiele ASF toepassingen. In het bijzonder, onderzoekt de effecten van trillingen frequentie, amplitude, de locatie en volgorde op de gebruiker sensomotorische reactie. Dit kader kan worden uitgebouwd en uitgebreid met extra of alternatieve soorten gebruikersrespons die meer klinisch relevant, zoals een gemeenschappelijke buigen of gewichtsverplaatsing van het ene been naar het andere kan zijn opgenomen. Dit soort wijzigingen zou iets andere hardwareconfiguraties, namelijk vervanging van de drukknoppen met inrichtingen zoals inertiële meeteenheid (IMU) of druksensoren, evenals de bijhorende wijzigingen aan de virtuele interface-eisen. Evenzo, hoewel de hier gepresenteerde protocol vereist dat de deelnemer in een zittende positie, slechts kleine Hardwarewijzigingen zou nodig zijn om de overgang naar meer klinisch relevante houdingen, zoals stabalans of walkoning proeven.

In beide experimenten, kan de drukknop (s) worden gedrukt met de hand, been, voet, of op een andere wijze, afhankelijk van de specifieke vraagstelling en gewenste respons. Bovendien kunnen aanvullende onderzoeken waarin deze basisprotocol worden gebruikt om de effecten van verschillende feedback codeerstrategieën, locaties, en mogelijk in nieuwe of bestaande prothesen verkennen. Bijvoorbeeld, bij de omzetting vibrotactiele terugkoppeling naar de onderste ledematen prothesen, kan het interessant zijn om de effecten van de prothetische mof en voering gebruiker gevoeligheid voor de stimuli onderzocht. Terwijl de protocollen die in dit manuscript vereisen semi-handmatig activeren van de trilmotoren (via de interface), kunnen zij gemakkelijk worden aangepast om motoraansturing te schakelen in reactie op kinetische kinematische metingen van externe sensoren. Met behulp van meetapparatuur, zoals IMU, goniometers, druk sensoren, enz., In plaats van de drukknop, kunnen experimenten conducted om meer fysiologisch relevante gebruiker responstijden en nauwkeurigheid te onderzoeken om vibrotactiele feedback. Dit soort onderzoek zou een vergelijkbare protocollen die in Experimenten 1 en 2 is beschreven gebruiken, maar zou een extra bewakingssysteem vereisen de sensoringang omzetten in instructies die naar de trilmotoren, alsmede wijzigingen in de data-acquisitie software om met de nieuwe hardware veranderingen.

Een voorbeeld van de uitvoering van een fysiologisch relevante respons op de drukknop vervangen door een goniometer veranderingen in kniehoek te meten. Voor dergelijke experimenten zou de goniometer worden gemonteerd op het mantelvlak van het kniegewricht en plaats van de drukknop, zou deelnemers geïnstrueerd om de knie te buigen naar een vooraf gedefinieerde kniehoek (bijvoorbeeld 90 graden) bij waarneming van een motortrillingen. Gebruiker reactietijden dan gedefinieerd als de tijd tussen toegepaste stimulus en wanneer de verbinding eengle afwikkeling op of nabij de gewenste waarde (bijvoorbeeld 90 ° ± 10 °). nauwkeurigheid beweging kan ook worden geëvalueerd door het berekenen van het percentage fout tussen de beoogde en bereikte hoeken.

In de afgelopen tien jaar hebben een aantal studies het gebruik van vibrotactiele feedback onderzocht in een verscheidenheid van biomechanische toepassingen, waaronder de werkzaamheid als hulpmiddel voor het verbeteren van looppatroon en balans 14,15. De meeste van deze studies zijn gericht op de klinische implicaties van biofeedback, onderzoek wijzigingen in specifieke kinetische kinematische parameters wanneer vibrotactiele terugkoppeling wordt toegepast. Als zodanig, de meeste protocollen selecteert u een enkele set van de stimulatie parameters, met weinig onderzoeken gebruiker gevoeligheid voor trillingen locatie, amplitude, of een patroon. Het protocol hier gepresenteerde dient als een eerste stap op weg naar begrip gebruiker perceptie stimuli die vooraf moeten worden uitgevoerd om de effecten van deze prikkels op specifieke Clin vibrotactieleical omstandigheden. Extra werk, zoals door Goodworth et al. 7,16, waarin verschillende strategieën codeert voor het vertalen van zintuiglijke informatie in trillende stimuli onderzocht, en Crea et al. 12, welke gebruiker gevoeligheid voor veranderingen in vibratie patronen geëvalueerd vullen deze experimenten te voorzien een meer volledig begrip van hoe vibrotactiele feedback voor specifieke biomechanica toepassingen te optimaliseren.

Opgemerkt wordt dat een fundamentele beperking van deze experimentele systeem als bij andere systemen in de literatuur 5,6, ligt bij de motoren techniek die paar trillingsfrequentie en grootte. Dat wil zeggen hogere of lagere trillingsfrequentie gepaard gaan met evenredige veranderingen in amplitude. Scheiding van deze twee parameters is een ander type motor, zoals lineaire actuatoren resonantie, en meer geavanceerde motorrijders tot de meer verfijnde motorenmacht. Additional updates van de bestaande-interface nodig zou zijn om de nieuwe hardware en aanvullende amplitude parameter tegemoet te komen.

De kalibratieprocedure is cruciaal voor het succesvol uitvoeren van deze experimenten en dienen onafhankelijk worden uitgevoerd voor elke motor gebruikt in de volgende experimenten. Terwijl de duty cycle-frequentierelatie nominaal dezelfde soort voor identieke motoren moeten kunnen kleine verschillen in motorconstructie leiden tot niet-triviale wijzigingen resulterende frequenties. Bijvoorbeeld, terwijl de ontwikkeling van deze werkwijze werd een 180 Hz doelfrequentie bereikt met PWM waarden variërend 103-143 voor verschillende motoren.

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