Ein Verfahren zur Bewertung der Rechtzeitigkeit und Genauigkeit der Volitionale Motor Responses to vibrotaktilen Stimuli

Bioengineering

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Summary

Dieser Artikel beschreibt eine Technik zum vibrotaktile Stimuli zum Oberschenkel eines menschlichen Teilnehmers Anwendung und Messen der Genauigkeit und der Reaktionszeit der willentlichen Antwort des Teilnehmers für verschiedene Kombinationen von Stimulations Lage und Frequenz.

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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).

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Abstract

Introduction

Artificial sensorische Rückmeldung (ASF) kann als die Praxis der Bereitstellung von Echtzeit-biologische Information an Einzelpersonen definiert werden, die oft für kompromittiert Propriozeption oder andere sensorische Mechanismus kompensiert. 3, damit der Einzelne zur Beherrschung der physikalischen Prozesse , die einst eine unwillkürliche Reaktion des autonomen Nervensystems 4 - ASF wurde im Bereich der Rehabilitation von verletzten oder behinderten Menschen zu helfen bei der Wiederherstellung von Aspekten der körperlichen Funktion und Bewegung 1 lange verwendet. Eine Unterkategorie von ASF, biomechanische Biofeedback, verwendet externe Sensoren Parameter zur Messung bezüglich Kinematik zum Ausgleich oder Gang, und kommunizieren diese Informationen an die einzelnen durch eine Art angewandte Reiz. Eine zunehmend beliebte Ansatz zur biomechanischen Feedback beschäftigt kleinen Vibrationsmotoren oder Schütze, an verschiedenen Stellen des Körpers platziert räumliche sowie zeitliche Feedback zu geben. Zurück Literatur p zeigteromising Ergebnisse die Verwendung von vibrotaktilen Feedback in Anwendungen für Menschen mit unteren Extremitäten Amputationen, vestibulären Beeinträchtigungen und alterungsbedingte Verlust der Balance 5 Unterstützung - 9.

Ein gründliches Verständnis der Mechanismen, die individuelle Wahrnehmung und der Reaktion auf spezifische Reize Steuerung ist notwendig für die wirksame Umsetzung der ASF-Systeme für verschiedene Anwendungen zu informieren. Für vibrotaktilen Feedback, Leiter unter diesen Mechanismen sind Propriozeption und die sensomotorische Antwort, insbesondere die Benutzer Empfindlichkeit auf die angelegten Schwingungen und die Zeit, um die gewünschte Reaktion auszuführen erforderlich. Jede sensorische Informationen durch Schwingungsanregungen kommuniziert müssen spezifische Kombinationen von Schwingungsfrequenz, Amplitude, Position und Sequenz codiert werden. Daher Gestaltung von vibrotaktilen ASF-Systeme sollten Kombinationen von Parametern wählen Benutzer die Wahrnehmung und Interpretation der Reize zu maximieren, wieauch die Aktualität und Genauigkeit der resultierenden Reaktion des Motors. Das Ziel des Protokolls ist es, eine Plattform bereitzustellen, aus der Reaktionszeiten und Reaktionsgenauigkeit auf verschiedene Schwingungs Stimuli zu bewerten die Gestaltung von ASF-Systeme für die Verwendung mit verschiedenen Sinneshörigen Populationen zu informieren.

Die beschriebenen Verfahren baut hier auf dem Stand der Forschung die menschliche Wahrnehmung von taktilen und vibrotaktilen Feedback zu erkunden 3,5,6 und wurde 10,11 in zwei früheren Studien für den Einsatz entwickelt. Die letzteren beiden Studien, die dieses Protokoll verwendet, um die Auswirkungen der Schwingungsfrequenz und Lage auf die Richtigkeit und Aktualität der Benutzerantworten in der unteren Gliedmaßen Amputierte zu untersuchen, die zeigen, dass beide Parameter signifikant die Ergebnisse Maßnahmen beeinflussen, und dass ein hohes Maß an Reaktionsgenauigkeit kann sein erreicht. Diese Ergebnisse können verwendet werden, um die ideale Platzierung der Schütze in zukünftigen Studien und klinische Anwendungen von vibrotaktile ASF Systeme zu informieren. Andere neuere Arbeiten vonCrea et al. 12 user Empfindlichkeit gegenüber Änderungen in Vibrationsmuster untersucht beim Gehen auf den Oberschenkel angelegt, verbale Antworten unter Verwendung wahrgenommen Änderungen der Schwingungsmuster zu bezeichnen, eher als eine Motorreaktion. Während diese verbal Reaktionen verwendet werden können, die Erfassungsgenauigkeit zu messen, sie berücksichtigen nicht für Fehler und Verzögerungen, die in der Motorsteuerprozesses vorhanden sein können.

Der primäre Einrichtung für die folgenden Versuche besteht aus einer Reihe von Vibrationsmotoren mit pulsweitenmodulierten Ausgangsstifte eines Mikrocontrollers Platine. Die Platine ist, die wiederum über einen Universal Serial Bus (USB) Verbindung zu einem Computer gesteuert kommerziell erhältlichen System-Design-Software ausgeführt wird. Die Motoren benötigen eine zusätzliche Verstärkungsschaltung eine ausreichende Spannung, um sicherzustellen, und Strom wird über einen weiten Bereich von Schwingungsfrequenzen geliefert. Ein Beispiel Verstärkerschaltung ist in Figur 1 gezeigt. Der bipolare Flächentransistor (BJR) In der Figur können mit kleineren Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) zur effizienteren Betrieb und kleinere Größe ersetzt werden. In ähnlicher Weise kann die gesamte Verstärkungsschaltung durch eine off-the-shelf haptische Motortreiber ersetzt werden, um zusätzliche Steuerung bereitzustellen und reduzierter Größe. Jeder Motor benötigt eine eigene Schaltung und der Verwendung des Geräts in diesem Dokument enthalten sind, bis zu zehn Motoren können durch einen einzigen Mikrocontroller-Board gesteuert werden.

Abbildung 1
Abbildung 1. Motorkabel. (A) Die Verstärkerschaltung für einen einzigen Vibrationsmotor gezeigt. Jeder Motor erfordert eine separate Schaltung und muss auf dem Mikrocontroller zu einem einzigartigen PWM Ausgangsanschluss verbunden sein. Die V DD hier stellt die 3,3 - V - Strom durch den Mikrocontroller - Board geliefert wird , und der Widerstand R2 als Pull-Down - Widerstand dient der Transistor - Schalter , um sicherzustellen , bleibt offen , wenn Nullspannung Applog. (B) Ein Beispiel der physischen Verdrahtung von zwei Motoren. Obwohl acht einzelne Verstärkungsschaltungen dargestellt sind, sind nur zwei Vibrationsmotoren verbunden. In diesem Protokoll R1 = 4,7 kOhm und R2 = 100 kOhm. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Protocol

Das folgende Protokoll wurde von der Forschungs Ethikrat in Holland Bloorview Kinder Rehabilitation Hospital genehmigt.

1. Motorkalibrierung

  1. Schließen Sie den Mikrocontroller-Board mit dem Computer über einen USB-Anschluss.
  2. Mit dem Original-Mikrocontroller-Software, laden Sie das benutzerdefinierte Skript "Motor_and_AccelerometerTest.ino" an den Vorstand über die USB-Verbindung, indem Sie auf den "Upload" -Symbol, durch die eingekreisten Pfeil nach rechts bezeichnet.
    1. Stellen Sie sicher, dass der Schwingungspegel auf Null gesetzt wird, um den Motor in der Off-Position zu bringen, mit dem "analogWrite" -Befehl. Der Code sollte "analogWrite (vibe1,0)," lesen.
    2. Im Mikrocontroller-Code, geben die pulsbreitenmodulierte (PWM) Ausgangsstift an den Motor von Interesse entspricht, die durch die "vibe1" -Variable initialisiert.
      Hinweis: PWM-Signale erzeugen approximate analoge Ausgangssignale aus den digitalen Signalen von dem Mikrocontroller erzeugt wird. Die Stifte sind labeled numerisch auf dem physischen Mikrocontroller-Board. Wenn beispielsweise der Motor mit PWM-Ausgangspin '3' verbunden ist, dann sicherzustellen, dass der "int vibe1 = 3;" wird in dem Code angegeben.
  3. Verbinden Sie die z-Achse Ausgang des Tri-Achsen-Beschleunigungssensor an einem der analogen Eingänge des Mikrocontroller-Board, und verbinden Sie die positive und Boden führt von dem Beschleunigungsmesser an den 5V und Masse (GND) Ports des Mikrocontrollers Bord sind.
  4. Montieren des Beschleunigungsmessers an dem Vibrationsmotor, um sicherzustellen , dass seine z-Achse zu der flachen Oberfläche des Motors orthogonal ist, wie in 2 gezeigt ist , und stellen den Motor auf eine harte Oberfläche.
  5. Öffnen Sie die "Motor_Calibration.vi" Datei in der Datenerfassungssoftware und verbinden den Mikrocontroller mit dem Computer über einen USB-Anschluss.
  6. Mit den vorgesehenen Felder ein, geben Sie die serielle Schnittstelle für den Mikrocontroller-Eingang, das Drop-Down-Menü sowie die Abtastrate und number der Proben zu sammeln. Hinweis: 500 Hz Abtastrate Standard für diese Experimente aliasing der Beschleunigungsdaten zu verhindern, und 1.000 Proben werden häufig aufgezeichnet.
  7. die "Motor_and_Accelerometer.ino" Code verwenden, um das gewünschte Tastverhältnis der PWM-Impulse an den Vibrationsmotor angeben geliefert, noch einmal die "analogWrite" Befehl, und das Programm in die Mikrocontroller-Board erneut herunterladen Steuerung der Motoren (siehe Schritt 1.1 ). Beispielsweise der Anzahl der Pulse auf 100 einzustellen, sollte der Code gelesen "analogWrite (vibe1,100);". Tabelle 1 führt die PWM - Werte und ihre entsprechenden Tastverhältnissen.
  8. Mit der Fast-Fourier-Transformation (FFT) Anzeige auf der "MotorCalibration.vi" Schnittstelle, identifizieren Sie die größte Spitze und notieren Wert des entsprechenden Schwingungsfrequenz (von der horizontalen Achse).
  9. Wiederholen Sie die Schritte 1,7-1,8, die PWM-Stufen eingestellt, bis die gewünschte Frequenz erreicht ist, von denen jeder PWM-Frequenz pai Aufnahmer. Wenn beispielsweise eine Frequenz von 100 Hz Targeting, führen Sie die Schritte 1,7-1,8, bis die größte Spitze der 100-Hz-Markierung auf der horizontalen Achse erfolgt über.
    Hinweis: Für die Vibrationsmotoren in diesem Protokoll verwendet, sollten die gezielte Schwingungen liegen in der 60-400 Hz - Bereich , um besser die Antwortfrequenzen der Mechanorezeptoren in der in der Literatur beschriebenen 5,10,13 Haut entsprechen.
  10. Wiederholen Sie die Schritte 1.2.2 bis 1.8 für jeden Motor, manuell die PWM-Frequenz-Beziehung für jeden Motor der Aufnahme mit einer Kalkulationstabelle oder Bleistift und Papier.
  11. Öffnen Sie die "Experiment_1.vi" Datei. Für jeden Motor der rechten Maustaste auf das Frequenzmenü Dropdown und wählen Sie "Eigenschaften". Unter dem "Edit Items" Registerkarte, verwenden Sie die Tabelle mit den gewünschten Frequenzen und entsprechende PWM-Stufen in Schritten von 1,8 bis 1,9 festgelegt wird. Wählen Sie "OK" zu beenden.
  12. Wiederholen Sie Schritt 1,11 für jede virtuelle Schnittstelle (VI) Datei der Systemdesignsoftware während des Tests (zB verwendet werden "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi ", etc.).

Figur 2
Abbildung 2. Beschleunigungssensor Motor montiert ist . Die tri-Achsen - Beschleunigungsmesser (grün) mit seiner z-Achse senkrecht zu der flachen Oberfläche des Motors für die Kalibrierung der Münze Motor montiert. Jeder Motor wurde verschiedene Arbeitszyklen aktiviert verwenden, und die entsprechenden Schwingungsfrequenzen wurden durch den Beschleunigungssensor erfasst. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Die Platzierung der Motoren

  1. Sobald alle Motoren sind kalibriert worden ist (Abschnitt 2), montieren Sie sie an den Oberschenkel.
    1. Um die Ergebnisse zu erreichen, in diesem Manuskript beschrieben ist, stellen die einen Motor an jeder der vorderen, posterior, medial, und Seitenflächen der Oberschenkel, etwa in der Mitte sein,schen den Trochanter major und lateralen Femurkondylus (oder distalen Ende des Schenkels für Oberschenkelamputierte).
      Anmerkung: Die spezifischen Positionen jedes Motors variieren kann, abhängig von den Forschungsfragen und Regionen von Interesse und kann durch anatomische und physiologische Faktoren, wie der Art und der räumlichen Verteilung der Mechanorezeptoren in der Haut beeinflußt werden.
  2. Befestigen Motoren direkt auf die Haut unter Verwendung von doppelseitigem Klebeband.
    Hinweis: Rasieren die Region um jeden Motor nicht erforderlich ist, kann aber ihre Haftung auf der Haut (3) zu verbessern. Für Anwendungen, in denen die Wirkung von Kleidung, eine prothetische liner, oder einem anderen Material auf Benutzer Wahrnehmung von Interesse sind, legen Sie die Motoren auf der Oberseite des Materials, anstatt auf der Haut.

Figur 3
Abbildung 3. Testplattform für Experimente. Eine benutzerdefinierte Testplattform wurde zu Haus t gebauter Mikrocontroller-Boards und Drucktasten. Die Motoren können direkt auf der Haut angebracht werden (wie abgebildet), oder mit einer prothetischen Auskleidung zwischen dem Motor und der Haut. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

3. Versuch 1: Anwendung von Stimuli und Recording-Reaktionszeit

  1. Re-flash die Mikrocontroller-Board mit dem Firmware-Kontrolle über das Board durch die Datenerfassungssoftware zu ermöglichen, indem die "LVIFA_Base.pde" Datei mit der Steuerung der zugehörigen Software-Paket zu öffnen und zu wiederholen Schritt 1.1, ersetzt "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" mit dem " LVIFA_Base.pde "Skript.
  2. Schließen Sie den Druckknopf direkt an einen der USB-Ports des Computers ein Seriell-zu-USB-Anschluss. Stellen Sie sicher, dass alle erforderlichen Treiber installiert sind.
  3. Öffnen Sie die "Experiment_1.vi" Schnittstelle.
  4. Geben Sie die SerienPorts für die Mikrocontroller-Board mit den Motoren verbunden ist, und Druckknopf, indem Sie die entsprechenden seriellen Port-Identifikationsnummern aus den Drop-Down-Menüs mit "Motor Eingang" und "Green Button" bzw. auswählen. Identifizieren Sie die serielle Schnittstelle Identifikationsnummern mit dem Betriebssystem Geräte-Manager-Dienstprogramm des Computers.
  5. Wählen Sie die Datei, um die Ergebnisse zu erfassen und das Programm starten.
  6. Wählen Sie die Motoren und Frequenzen aktiviert werden, indem in der "Experiment_1.vi" Schnittstelle für jeden Motor aus den Drop-Down-Menüs auswählen. Lassen Sie die Teilnehmer drücken Sie den Druckknopf mit dem Bein, auf dem das Feedback wird angewendet, wenn eine Vibration zu spüren ist. Nachdem die Taste gedrückt wurde, bestätigen Sie die Antwort in der Schnittstelle Datenerfassungs-Software mit der Feststellung, dass die Uhr Zählen aufgehört hat, und die Motoren für den nächsten Versuch zurück, indem Sie den neuen Satz von Frequenzen aus den Drop-Down-Menüs auswählen.
  7. Sobald das Experiment abgeschlossen ist, verwenden Sie die dropdown Menüs alle Motorfrequenzen in die Nullstellung zurück und die "Stop-Programm" Taste wählen Sie die Verbindung zur Motorsteuerung zu beenden.

4. Versuch 2: Die Unterscheidung zwischen Stimuli

Hinweis: Dieses Experiment kann 1. Ein einzelner Motor oder mehrere Motoren von Experiment völlig unabhängig durchgeführt werden, können verwendet werden. Die spezifischen Orte der Motoren können je nach Anwendung und Forschungsfragen variieren.

  1. Schließen Sie einen zweiten Druckknopf an einen anderen USB-Port einen seriellen-USB-Anschluss.
  2. Öffnen Sie die "Experiment_2.vi" Datenerfassungsschnittstelle.
  3. Legen Sie die Motoren an den Standorten und Konfigurationen für die spezifischen Forschungs Anwendung erforderlich ist. Zum Beispiel stellen einzelne Motoren auf den Oberschenkel, auf halbem Weg zwischen dem Trochanter major und lateralen Femurkondyle (oder dem distalen Ende des Gliedes für Amputierte) auf jeder der vorderen, hinteren, lateralen und medialen Oberflächen des Oberschenkels bis eXamine die Frequenzempfindlichkeit an jedem dieser Abschnitte des Schenkels 10,11.
  4. Geben Sie die seriellen Schnittstellen für die Mikrocontroller-Board und den beiden Drucktasten das gleiche Verfahren wie Schritt 3.4 verwendet wird. Achten Sie darauf, zu beachten, welche Druckknopf an jedem Port zugeordnet ist.
  5. Wählen Sie die spezifischen Motoren aktiviert werden und die gewünschte Folge von Frequenzen, die durch in der Software-Schnittstelle auf den "Motor" Icons klicken. Angenommen, drei Frequenzen getestet werden, beispielsweise 140 Hz, 180 Hz und 220 Hz. Eine Reihe von Tests könnte (1) 180 Hz um 140 Hz, (2) 220 Hz gefolgt von 140 Hz, und (3) 180 Hz gefolgt von 220 Hz folgen.
  6. Geben Sie die verzögerte Startzeit und Stimulationsdauer. 1,5 s ist typisch sowohl für die Verzögerung und Stimulationszeiten.
  7. Starten Sie das Programm.
    Hinweis: Die nach der Verzögerung festgelegt in Schritt 4.6, wird das Programm den Motor aktivieren (n) mit der Sequenz von gepaarte Frequenzen gewählt, die in Schritt 4.5. Wenn beispielsweise 180 Hz vs. 220 Hz war sewählten in Schritt 4.5, wird der entsprechende Motor bei 180 Hz für die angegebene Zeitdauer vibriert, bevor auf 220 Hz umgeschaltet wird.
  8. Haben die Teilnehmer und drücken Sie eine der beiden Tasten, ob die zweite wahrgenommen Frequenz zu wählen, war höher oder niedriger als die erste. Antworten werden vom Programm automatisch aufgezeichnet werden.

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Representative Results

Figur 4 zeigt die Eichkurven der PWM - Wert für eine 180 Hz Schwingungsfrequenz eines einzigen Motors zu identifizieren. Beginnend bei einem Tastverhältnis von 50% werden die PWM-Werte iteriert, bis die Primärfrequenzspitze bei 180 Hz auftritt. Erfolgreiche Kalibrierung Versuche sollte eine klare Spitze bei der primären Schwingungsfrequenz zeigen. Schlechte Fixierung des Beschleunigungsmessers an den Motor oder des Motors an einer Trägerfläche in einer diffuseren FFT ohne eine klare Spitze führen kann. In dieser Situation sollte die Kalibrierungs Versuch wiederholt werden, nachdem die Halterungen eingestellt wurden, um eine bessere Verbindung zu gewährleisten.

5A zeigt Reaktionszeiten zwischen Reiz und Druckknopf - Antwort für Experiment 1 aufgezeichnet für drei Schwingungsfrequenzen, 140 Hz, 180 Hz und 220 Hz, angewandt auf die Vorderfläche des Oberschenkels für zehn tauglichen Teilnehmer und drei Amputierte 10. Wiederholte Messungen Varianzanalyse (ANOVA) undTukey post-hoc Analyse der Bonferroni-Korrektur unter Verwendung wurde verwendet, um die spezifischen Auswirkungen der einzelnen Frequenz zu identifizieren. Diese Daten zeigen eine relativ enge Spanne von Daten für jede Frequenz in der arbeitsfähigen Bevölkerung, und eine erhebliche Frequenzeffekt. Reaktionszeiten zwischen Paaren von Schwingungsfrequenzen zu unterscheiden sind in 5B gezeigt ist , und kann mit dem gleichen Verfahren wie die Einzelfrequenz - Tests analysiert werden. Ähnliche Analysen können die Auswirkungen der Motor Platzierung, Response - Mechanismus (zB durch Drücken der Drucktaste mit den Händen oder Beinen) oder andere Testbedingungen zu identifizieren , durchgeführt werden.

Abbildung 4
Abbildung 4. Typische Kalibrierkurve. Die Ergebnisse der Fast Fourier der Beschleunigungsdaten - Transformation für einen einzigen Motor erfährt Kalibrierung gezeigt. Vier Studien wurden durchgeführt, das PWM-Ebene entspre zu identifizierending bis 180 Hz Vibration (durchgezogene blaue Linie). Beachten Sie, dass Vibrationen variiert zwischen den unterschiedlichen Frequenzen. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5
Abbildung 5. Reaktionszeit Repräsentative Ergebnisse. (A) Die Antwortzeiten für einzelne Frequenzen gezeigt. Die leitungsgebundenen Daten zeigt die Daten für nichtbehinderte Teilnehmer (Mittelwert ± SD), während die einzelnen Datenpunkte, die drei Personen mit transfemoralen Amputationen darstellen. Die Reaktionszeiten signifikant verringert Frequenz. '*' Bezeichnet einen signifikanten Unterschied zu den 140 Hz Reaktionszeiten und die "#" einen Unterschied von 180 Hz Frequenz, die beide an Bedeutung p <0,05. (B) Reaktionszeiten für die Unterscheidung zwischen dem Paars von Frequenzen sind sowohl für nicht behinderte Menschen und Personen mit transfemoralen Amputationen aufgetragen. Beachten Sie, dass die Verbreitung der Daten an jedem Paar ist viel größer als der für die Einzelfrequenzdaten, variablere Ergebnisse anzeigt. Diese Zahl hat sich aus Daten , die ursprünglich veröffentlicht von Sharma et al modifiziert worden ist . 10. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

PWM - Wert (Impulse) 64 127 191 255
Auslastungsgrad (%) 25 50 75 100

Tabelle 1 PWM - Werte und entsprechende Einschaltdauer. Beispiel PWM - Stufen und die entsprechenden Arbeitszyklen gezeigt. Ter 0-255 Bereich für den PWM-Wert gibt die Anzahl der Bytes in jedem Impuls (von 255 möglichen), für die das Signal eingeschaltet ist.

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Discussion

Der Zweck dieses Protokolls ist es, den Rahmen für die Bewertung der Stimulationsparameter in vibrotaktile ASF Anwendungen bereitzustellen. Insbesondere prüft sie die Auswirkungen von Vibrationen Frequenz, Amplitude, Position und Sequenz auf Benutzer sensomotorischen Antwort. Dieser Rahmen kann aufgebaut werden und erweitert, um zusätzliche oder alternative Arten von Benutzerantwort enthalten, die klinisch relevant sein können, wie beispielsweise ein gemeinsames Biegen oder von einem Bein zum anderen verlagert Gewicht. Diese Arten von Änderungen erfordern würde leicht unterschiedliche Hardwarekonfigurationen, nämlich den Ersatz der Drucktasten mit Geräten wie Trägheitsmesseinheiten (LMUs) oder Drucksensoren sowie die zugehörigen Änderungen an der virtuellen Schnittstelle. In ähnlicher Weise, obwohl die hier vorgestellten Protokoll der Teilnehmer erfordert in sitzender Position zu sein, nur geringe Hardware-Modifikationen notwendig wäre, um den Übergang zu machen, um mehr klinisch relevanten Körperhaltungen, wie Stehen Balance oder walKönig Studien.

In beiden Experimenten werden die Drucktaste (n) mit der Hand, Bein, Fuß, oder durch andere Mittel gedrückt wird, abhängig von der spezifischen Fragestellung und die gewünschte Reaktion. Darüber hinaus können weitere Studien dieses Basisprotokoll verwendet wird verwendet werden, um die Auswirkungen verschiedener Feedback-Kodierungsstrategien zu erforschen, Standorte und die Einbindung in neue oder bestehende Prothesen. Wenn beispielsweise vibrotaktile Rückkopplung in der unteren Gliedmaßen-Prothesen Umsetzung kann es interessant sein, die Auswirkungen der Prothesenschaft und Liner auf Benutzer Empfindlichkeit auf die Reize zu untersuchen. Während die Protokolle in diesem Manuskript detailliert erfordern halb manuelle Aktivierung der Vibrationsmotoren (über die Schnittstelle), können sie leicht modifiziert werden Motoraktivierung in Reaktion auf kinetischen oder kinematischen Messungen von externen Sensoren zu ermöglichen. Verwendung von Messvorrichtungen, wie IMUs, Goniometer, Drücke Sensoren usw., anstelle des Druckknopfes kann Experimente c seinonducted zur Verfügung gestellt zu untersuchen mehr physiologisch relevanten Benutzerantwortzeiten und Genauigkeit vibrotaktilen Feedback. Diese Art der Studie würde eine ähnliche Protokolle zu den in den Experimenten 1 und 2 beschrieben, eingesetzt werden, sondern würde ein zusätzliches Steuersystem erfordern den Sensoreingang in Anweisungen an die Schwingmotoren sowie Änderungen an der Datenerfassungssoftware als Schnittstelle mit geschickt zu konvertieren die neuen Hardware-Änderungen.

Ein Beispiel eine physiologisch relevante Reaktion der Implementierung ist es, den Druckknopf mit einem Goniometer zu ersetzen, Änderungen in der Kniewinkel zu messen. Für diese Art von Experiment würde das Goniometer auf der Mantelfläche des Kniegelenks montiert werden, und statt die Drücks würden Teilnehmer angewiesen , ihre Knie zu einer vordefinierten Kniewinkel zu biegen (zB 90 Grad) auf Wahrnehmung einer Motorvibration. Benutzerreaktionszeiten werden dann als die Zeit zwischen der angelegten Stimulus abgelaufen definiert und wenn das Gelenk eingle setzt sich auf oder nahe dem gewünschten Wert (beispielsweise 90 ° ± 10 °). Bewegungsgenauigkeit kann auch durch Berechnung des prozentualen Fehler zwischen dem Ziel und erreicht Winkel ausgewertet werden.

In den letzten zehn Jahren haben eine Reihe von Studien , die die Verwendung von vibrotaktilen Feedback in einer Vielzahl von biomechanischen Anwendungen erforscht, einschließlich seiner Wirksamkeit als Trainingsgerät zur Verbesserung der Gang- und Gleichgewichts 14,15. Die meisten dieser Studien haben sich auf die klinischen Auswirkungen von Biofeedback konzentriert, alle Änderungen an spezifischen kinetischen oder kinematischen Parameter untersuchen, wenn vibrotaktilen Feedback angewendet wird. Als solche wählen die meisten Protokolle einen einzigen Satz von Stimulationsparameter, mit wenigen Benutzererschütterungsempfindlichkeit Lage, Amplitude oder Muster zu untersuchen. Das Protokoll hier vorgestellten dient als ein erster Schritt in Richtung Verständnis Benutzerwahrnehmung Stimuli vibrotaktile die vor durchgeführt werden sollte die Wirkung dieser Reize zu bestimmten Clin Auswertenschen Bedingungen. Zusätzliche Arbeit, wie das von Good et al. 7,16, die für die Übersetzung von sensorischen Informationen in Schwingungs Stimuli verschiedene Kodierungsstrategien untersucht, und Crea et al. 12, die Benutzer Empfindlichkeit gegenüber Änderungen in der Schwingungsmuster ausgewertet, diese Experimente ergänzen bereitzustellen ein vollständigeres Verständnis, wie vibrotaktile Rückkopplung für bestimmte Biomechanik Anwendungen zu optimieren.

Es sei darauf hingewiesen , dass eine grundlegende Einschränkung dieses experimentellen Systems, wie bei anderen in der Literatur beschriebenen Systeme 5,6, liegt bei den Vibrationsmotoren, die Paar Schwingungsfrequenz und Amplitude. Das heißt, erhöht oder verringert sich in Schwingungsfrequenz werden durch proportional Amplitudenänderungen begleitet. Trennung dieser beiden Parameter erfordert eine andere Art von Motor, wie beispielsweise lineare Aktuatoren Resonanz sowie fortgeschritteneren Motortreiber den anspruchsvolleren Motoren anzutreiben. Additional Aktualisierungen der bestehenden Schnittstelle würde die neue Hardware und zusätzliche Amplitudenparameter anzupassen erforderlich.

Das Kalibrierungsverfahren ist entscheidend für die erfolgreiche Durchführung dieser Experimente und sollte unabhängig für jeden Motor in den nachfolgenden Experimenten verwendet durchgeführt werden. Während die Einschaltdauer Frequenz Beziehung nominell die gleiche Art für identische Motoren sein sollte, kleine Unterschiede in der Motorkonstruktion kann zu nicht-triviale Änderungen resultierenden Frequenzen. Zum Beispiel, während dieses Verfahren zu entwickeln, ein 180 Hz Zielfrequenz wurde unter Verwendung von PWM-Werten im Bereich von 103 bis 143 für verschiedene Motoren erreicht.

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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

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References

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