En metode til evaluering Aktualitet og nøjagtighed viljesbestemt Motor Svar til Vibrotactile 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

I denne artikel beskrives en teknik til påføring vibrotactile stimuli til låret af en human deltager, og måling af nøjagtigheden og reaktionstiden af ​​deltagerens viljebestemt respons for forskellige kombinationer af stimulation placering og frekvens.

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

Kunstig sensorisk feedback (ASF) kan defineres som den praksis at give real-time biologiske oplysninger til enkeltpersoner, ofte kompensere for kompromitteret proprioception eller anden sensorisk mekanisme. ASF har været længe brugt i realm af rehabilitering af tilskadekomne eller handicappede for at hjælpe med at inddrive aspekter af fysisk funktion og bevægelse 1 - 3 ud, giver mennesker mulighed for at styre fysiske processer, der engang var en ufrivillig reaktion af det autonome nervesystem 4. En underkategori af ASF, biomekanisk biofeedback, bruger eksterne sensorer til at måle parametre i relation til balance eller gangart kinematik, og videregive disse oplysninger til den enkelte gennem en slags anvendt stimulus. En stadig mere populær tilgang til biomekanisk tilbagemeldinger beskæftiger små vibrerende motorer, eller kontaktorer, placeret på forskellige dele af kroppen til at give rumlig såvel som tidsmæssig feedback. Forrige litteratur har vist promising resultater understøtter brugen af vibrotactile tilbagemeldinger i ansøgninger til personer med lavere lemmer amputationer, vestibulære svækkelser, og aldring-relaterede tab af balance 5 - 9.

En grundig forståelse af de mekanismer, der styrer en persons opfattelse og reaktion på specifikke stimuli er nødvendig for at informere en effektiv gennemførelse af ASF-systemer til forskellige applikationer. For vibrotactile tilbagemeldinger, chef blandt disse mekanismer er proprioception og sensomotoriske respons, specielt brugeren følsomhed over for de anvendte vibrationer og den nødvendige tid til at udføre den ønskede reaktion. Enhver sensorisk information formidles gennem vibrationer stimuli skal være kodet som specifikke kombinationer af vibrationer frekvens, amplitude, placering og rækkefølge. Derfor bør udformningen af ​​vibrotactile ASF-systemer vælge kombinationer af parametre for at maksimere brugerens opfattelse og fortolkning af stimuli, somsamt aktualitet og nøjagtighed af den resulterende motorisk reaktion. Målet med denne protokol er at skabe en platform, hvorfra man kan evaluere svartider og respons nøjagtighed til forskellige vibrations stimuli til at informere design af ASF-systemer til brug med forskellige sensoriske-forringet befolkninger.

Metoderne beskrives her bygger på tidligere forskning udforske menneskets opfattelse af taktile og vibrotactile tilbagemeldinger 3,5,6, og blev udviklet til brug i to tidligere undersøgelser 10,11. De to sidstnævnte undersøgelser ansat denne protokol til at undersøge virkningerne af vibrationer frekvens og placering på nøjagtighed og aktualitet af brugernes reaktioner i lavere lemmer amputerede, der viser, at begge parametre væsentligt påvirker resultatmål, og at en høj grad af respons nøjagtighed kan være opnået. Disse resultater kan bruges til at informere den ideelle placering af kontaktorer i fremtidige studier og kliniske anvendelser af vibrotactile ASF-systemer. Andre seneste arbejde medCrea et al. 12 undersøgte bruger følsomhed overfor ændringer i vibrationsmønstre anvendes på låret ved gang anvendelse af mundtlige responser til tilkendegiver opfattede ændringer i vibrationer mønstre, snarere end en motorisk reaktion. Mens disse verbale reaktioner kan anvendes til at måle afsløring nøjagtighed, de ikke udgør fejl og forsinkelser, som kan være til stede i motorstyringen processen.

Den primære setup for de følgende eksperimenter består af en række vibrerende motorer tilsluttet pulsbredde-moduleret output stifter af en microcontroller board. Brættet er på sin side styres med en Universal Serial Bus (USB) forbindelse til en computer, der kører kommercielt tilgængeligt system design software. Motorerne kræve en yderligere forstærkerkredsløb for at sikre tilstrækkelig spænding og strøm tilføres over et bredt område af vibrationsfrekvenser. Et eksempel forstærker kredsløb er vist i figur 1. Den Bipolar Transistor (BJR) I figuren kan erstattes med mindre metal-oxid-halvleder felt-effekt transistor (MOSFET) for mere effektiv drift og mindre størrelse. Ligeledes kan hele forstærkerkredsløb erstattes af en off-the-shelf haptisk motor driver at give yderligere kontrol og reduceret størrelse. Hver motor kræver sin egen kredsløb, og ved hjælp af maskinerne i dette papir, op til ti motorer kan styres af en enkelt microcontroller board.

figur 1
Figur 1. Motor Wiring. (A) forstærkningskredsløb for en enkelt vibrationer motor er vist. Hver motor kræver et separat kredsløb og skal tilsluttes til en unik PWM output port på microcontroller. V DD her repræsenterer 3,3 V strøm af mikrocontrolleren bord, og modstanden R2 tjener som en pull-down resister at sikre transistorkontakten forbliver åben, når nul spænding er ca.løj. (B) Et eksempel på den fysiske forbindelse af to motorer. Selvom otte individuelle amplifikationsprodukter kredsløb er vist, kun to er forbundet med vibrationsmotorer. I denne protokol R1 = 4,7 kohm og R2 = 100 kohm. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Følgende protokol blev godkendt af Research Ethics Board på Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital.

1. Motor kalibrering

  1. Slut microcontroller board til computeren ved hjælp af en USB-port.
  2. Brug den oprindelige microcontroller software, uploade brugerdefinerede script, "Motor_and_AccelerometerTest.ino" til bestyrelsen ved hjælp af USB-forbindelse ved at klikke på "Upload" ikonet, angivet ved kredsede højre pil.
    1. Sørg for, at vibrationsniveauet er sat til nul for at sætte motoren i off-position ved hjælp af kommandoen "analogWrite". Koden bør læse "analogWrite (vibe1,0);".
    2. I microcontroller kode, angive pulsbreddemoduleret (PWM) output pin svarer til motoren af ​​interesse ved initialisering af "vibe1" variabel.
      Bemærk: PWM signaler generere omtrentlige analoge udgange fra de digitale signaler genereret af microcontroller. Stifterne er labeled numerisk på den fysiske microcontroller board. For eksempel, hvis motoren er forbundet til PWM output pin '3', så sikrer, at "int vibe1 = 3;" er angivet i koden.
  3. Slut z-aksen output af tri-akset accelerometer til en af ​​de analoge indgangsporte af microcontroller bord, og tilslut positive og jorden fører fra accelerometeret til 5V og jord (GND) porte af microcontroller board hhv.
  4. Monter accelerometer til den vibrerende motor, så dets z-aksen er vinkelret på den flade overflade af motoren, som vist i figur 2, og placere motoren på en hård overflade.
  5. Åbn "Motor_Calibration.vi" fil i dataopsamlingssoftware og tilslut microcontroller til computeren via en USB-port.
  6. Brug felterne, angive den serielle port til microcontroller input, ved hjælp af rullemenuen, samt samplingfrekvens, og number af prøver til at indsamle. Bemærk: 500 Hz samplingfrekvens er standard for disse eksperimenter for at forhindre aliasing af accelerationen data, og 1.000 prøver er almindeligt registreres.
  7. Brug af "Motor_and_Accelerometer.ino" kode, angive den ønskede arbejdscyklus af PWM pulser leveret til det vibrerende motor, igen ved hjælp af "analogWrite" kommando, og re-downloade programmet til microcontroller board styrer motorerne (se trin 1.1 ). For eksempel for at indstille antallet af impulser til 100, skal koden læses "analogWrite (vibe1,100);". Tabel 1 viser de PWM værdier og deres tilsvarende driftscyklusser.
  8. Brug af Fast-Fourier Transform (FFT) displayet på "MotorCalibration.vi" interface, identificere den største højdepunkt og registrere den tilsvarende vibration frekvens værdi (fra den vandrette akse).
  9. Gentag trin 1,7-1,8, justere PWM niveauer, indtil den ønskede frekvens er nået, optager hver PWM-frekvens pair. For eksempel, hvis målretning en 100 Hz frekvens, udføre trin 1,7-1,8 indtil den største top forekommer over 100 Hz mærke på den vandrette akse.
    Bemærk: For de vibrationelle motorer, der anvendes i denne protokol, skal de målrettede vibrationer ligge i 60-400 Hz interval til bedre at matche de svar frekvenser af mekanoreceptorer i beskrevet i litteraturen 5,10,13 hud.
  10. Gentag trin 1.2.2 til 1,8 for hver motor, manuelt registrering af PWM-frekvens forholdet for hver motor med et regneark eller blyant og papir.
  11. Åbn "Experiment_1.vi" fil. For hver motor, skal du højreklikke på frekvensen rullemenuen og vælg "Property". Under fanebladet "Rediger elementer", bruge tabellen til at indtaste de ønskede frekvenser og tilsvarende PWM niveauer bestemt i trin 1,8-1,9. Vælg "OK" for at afslutte.
  12. Gentag trin 1.11 for hver virtuel grænseflade (VI) fil af systemdesign software, der skal bruges under test (fx "Experiment_2.vi "," Experiment_3.vi "osv).

Figur 2
Figur 2. Accelerometer Monteret til Motor. Tri-akse accelerometer (grøn) er monteret på mønten motor med sin z-aksen vinkelret på den flade overflade af motoren til kalibrering. Hver motor blev aktiveret ved hjælp af forskellige duty cycles, og de ​​tilsvarende vibrationsfrekvenser blev registreret af accelerometer. Klik her for at se en større version af dette tal.

2. Placering af Motors

  1. Når alle motorer er blevet kalibreret (afsnit 2), montere dem til låret.
    1. At opnå de resultater, der er beskrevet i dette manuskript, placere en motor på hver af den forreste, bageste, mediale og laterale overflader af låret, omtrent midtvejs værelem den store lårbensknude og laterale femurkondyl (eller distale ende af benet til ovenfor knæet amputerede).
      Bemærk: De specifikke placeringer af hver motor kan variere, afhængigt af forskningsspørgsmål og regioner af interesse, og kan påvirkes af anatomiske og fysiologiske faktorer, såsom typen og rumlige fordeling af mekanoreceptorer i huden.
  2. Vedhæfte motorer direkte på huden ved hjælp af dobbeltklæbende tape.
    Bemærk: Barbering regionen omkring hver motor er ikke nødvendig, men kan forbedre sammenklæbning med huden (figur 3). Til anvendelser, hvor virkningerne af tøj, en protese liner, eller et andet materiale på brugerens opfattelse er af interesse, anbringe motorerne oven på nævnte materiale, snarere end mod huden.

Figur 3
Figur 3. Test Platform for eksperimenter. En brugerdefineret test-platform blev bygget til at huse than microcontroller bestyrelser og trykknapper. Motorer kan fastgøres direkte på huden (som vist), eller med en protese liner mellem motor og hud. Klik her for at se en større version af dette tal.

3. Eksperiment 1: Anvendelse Stimuli og Recording Reaction Time

  1. Re-flash microcontroller board med firmwaren for at muliggøre kontrol af bestyrelsen gennem dataopsamlingssoftware ved at åbne "LVIFA_Base.pde" fil med controllerens medfølgende softwarepakke, og gentage trin 1.1, erstatter "Motor_and_Accelerometer_Test.ino" med " LVIFA_Base.pde "script.
  2. Slut trykknappen direkte til en af ​​computerens USB-porte ved hjælp af en seriel-til-USB-stik. Kontroller, at alle nødvendige drivere er installeret.
  3. Åbn "Experiment_1.vi" interface.
  4. Angiv den serielleporte til microcontroller board forbundet med motorer, og trykknap ved at vælge de tilsvarende serienummer port numre fra dropdown menuer mærket "Motor Input" og "Green Button", hhv. Identificer de serielle identifikationsnumre port numre ved hjælp af computerens operativsystem hjælpeprogrammet Enhedshåndtering.
  5. Vælg den fil, registrere resultaterne og start programmet.
  6. Vælg de motorer og frekvenser, der skal aktiveres, ved at vælge fra dropdown menuer for hver motor i "Experiment_1.vi" interface. Har deltageren trykke trykknappen med benet, som den feedback anvendes, når en vibration mærkes. Efter der er trykket på knappen, bekræfter reaktion i datafangst software interface ved at bemærke, at uret er stoppet optælling, og nulstille motorer til det næste forsøg ved at vælge det nye sæt af frekvenser fra dropdown menuer.
  7. Når eksperimentet er afsluttet, skal du bruge dropdown menuer til at returnere alle motoriske frekvenser til stillingen nul og vælg knappen "Stop Program" for at afslutte forbindelsen til motorprintkortet.

4. Forsøg 2: At skelne mellem Stimuli

Bemærk: Dette forsøg kan udføres helt uafhængigt fra forsøg 1. Der kan anvendes en enkelt motor eller flere motorer. De specifikke placeringer af motorerne kan variere efter ansøgning og forskningsspørgsmål.

  1. Tilslut en anden trykknap til en anden USB-port ved hjælp af en seriel-USB-stik.
  2. Åbn "Experiment_2.vi" datafangst interface.
  3. Placer motorerne i de steder og konfigurationer, der er nødvendige for den specifikke forskning ansøgningen. For eksempel placere single motorer på låret, midtvejs mellem den store lårbensknude og laterale lårbenskno (eller den distale ende af benet for amputerede), på hver af den forreste, bageste, laterale og mediale overflader af låret til examine frekvensen følsomhed ved hver af disse dele af benet 10,11.
  4. Angiv de serielle porte til microcontroller bord og begge trykknapper ved hjælp af den samme procedure som trin 3.4. Vær sikker på at notere hvilken trykknap er tildelt hver port.
  5. Vælg de specifikke motorer, der skal aktiveres, og den ønskede sekvens af frekvenser ved at klikke på "Motor" ikoner i software interface. For eksempel antage tre frekvenser testes, såsom 140 Hz, 180 Hz, og 220 Hz. En række tests kan være (1) 180 Hz efterfulgt af 140 Hz, (2) 220 Hz efterfulgt af 140 Hz, og (3) 180 Hz efterfulgt af 220 Hz.
  6. Input det forsinkede starttidspunkt og stimulering varighed. 1,5 sek er typisk for både forsinkelsen og stimulering gange.
  7. Starte programmet.
    Bemærk: efter forsinkelsen angivet i trin 4.6, vil programmet aktivere motoren (r) med sekvensen af ​​parrede frekvenser valgt i trin 4.5. For eksempel, hvis 180 Hz vs. 220 Hz var sevalgt i trin 4.5, vil den tilsvarende motor først vibrere ved 180 Hz for den angivne periode, før du skifter til 220 Hz.
  8. Har deltageren trykke på en af ​​trykknapperne to at vælge, om den anden opfattede frekvens er større eller mindre end den første. Svarene vil automatisk blive registreret af programmet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 4 illustrerer kalibreringskurverne identificerer PWM værdi for en 180 Hz vibrationsfrekvens af en enkelt motor. Allerede ved en 50% arbejdscyklus, er PWM værdier gentages indtil den primære frekvens spike forekommer ved 180 Hz. Vellykkede kalibrering forsøg skal vise en klar spike på den primære vibration frekvens. Dårlig fiksering af accelerometer til motoren, eller af motoren til en støtteflade, kan resultere i en mere diffus FFT uden et klart spike. I denne situation bør kalibreringen forsøget gentages efter mounts er blevet tilpasset for at sikre en bedre forbindelse.

Figur 5A viser reaktionstider mellem knap stimulus og skub respons registreres for forsøg 1 i tre vibrationsfrekvenser, 140 Hz, 180 Hz, og 220 Hz, anvendes på den forreste overflade af låret i ti raske deltagere og tre amputerede 10. Gentagen foranstaltninger variansanalyse (ANOVA) ogTukey post-hoc analyse ved hjælp af Bonferroni korrektion blev anvendt til at identificere de specifikke virkninger af hver frekvens. Disse data viser en relativt stram spredning af data for hver frekvens i raske befolkning, og en betydelig frekvens effekt. Reaktionstider for en skelnen mellem par af vibrationsfrekvenser er vist i figur 5B, og kan analyseres under anvendelse af samme procedure som de enkeltfrekvensskærme tests. Tilsvarende analyser kan udføres for at identificere virkningerne af motorens placering, respons mekanisme (f.eks trykke trykknappen med hænder eller ben), eller andre testbetingelser.

Figur 4
Figur 4. Typiske kalibreringskurver. Resultaterne af Fast Fourier Transform af accelerationsdataene er vist for en enkelt motor undergår kalibrering. Fire forsøg blev udført for at identificere PWM niveau corresponding til 180 Hz vibrationer (solid blå linje). Bemærk, at vibrationer varierer mellem de forskellige frekvenser. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Reaction Time Repræsentative resultater. (A) Svartider for individuelle frekvenser vises. Den linje-forbundet data viser dataene for raske deltagere (middelværdi ± SD), mens de enkelte datapunkter repræsenterer de tre personer med transfemoral amputationer. Reaktionstider signifikant nedsat frekvens. '*' Betegner en signifikant forskel fra de 140 Hz reaktionstider, og '#' en forskel fra 180 Hz frekvens, både på signifikans p <0,05. (B) Svartider for at skelne mellem pars af frekvenser er plottet for både raske og rørige personer og personer med transfemoral amputationer. Bemærk, at spredningen af ​​data på hvert par er meget større end for de enkelt-frekvens data, der angiver flere variable resultater. Dette tal er blevet ændret fra data, der oprindeligt offentliggjort af Sharma et al. 10.. Klik her for at se en større version af dette tal.

PWM Value (impulser) 64 127 191 255
Driftscyklus (%) 25 50 75 100

Tabel 1. PWM Værdier og Tilsvarende Duty Cycles. Sample PWM niveauer og de ​​tilsvarende duty cycles vises. Than 0-255 interval for PWM værdi angiver antallet af bytes i hver puls (ud af 255 mulige) for hvilken signalet er tændt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Formålet med denne protokol er at skabe rammerne for at vurdere stimuleringsparametre i vibrotactile ASF applikationer. Konkret undersøger virkningerne af vibrationer frekvens, amplitude, placering og rækkefølge på brugerens sensomotoriske respons. Denne ramme kan bygges videre på, og udvidet til at omfatte yderligere eller alternative typer af brugerens svar, der kan være mere klinisk relevant, såsom bøjning en fælles eller skiftende vægten fra det ene ben til det andet. Disse typer ændringer ville kræve lidt forskellige hardwarekonfigurationer, nemlig udskiftning af trykknapper med anordninger såsom inertial måleenheder (imus) eller tryksensorer samt de ledsagende ændringer i virtuel grænseflade. Ligeledes selvom den protokol præsenteres her kræver deltageren til at være i en siddende stilling, ville kun små fysiske ændringer være nødvendige for at gøre overgangen til mere klinisk relevante stillinger, såsom stående balance eller walking forsøg.

I begge forsøg kan presses trykknappen (r) med hånden, ben, fod, eller på anden måde, afhængigt af den specifikke problemstilling og ønskede respons. Desuden kan yderligere undersøgelser beskæftiger denne grundlæggende protokol bruges til at udforske virkningerne af forskellige tilbagemeldinger kodning strategier, steder og inkorporering i nye eller eksisterende proteser. For eksempel, når de gennemfører vibrotactile feedback i lavere lemmer proteser, kan det være interessant at undersøge virkningerne af den protetiske sokkel og liner på brugerens følsomhed over for stimuli. Mens de protokoller, der er beskrevet i dette håndskrift kræver semi-manuel aktivering af de vibrerende motorer (gennem grænsefladen), kan de let blive modificeret til at aktivere motoren aktivering som reaktion på kinetiske eller kinematiske målinger fra eksterne sensorer. Brug måleudstyr, såsom Imus, goniometre, pres sensorer, osv, i stedet for trykknappen, kan eksperimenter være coretaget at undersøge mere fysiologisk relevante bruger svartider og nøjagtighed til vibrotactile tilbagemeldinger. Denne type undersøgelse vil ansætte en lignende protokoller til dem, der er beskrevet i forsøg 1 og 2, men ville kræve en ekstra kontrolsystem til at konvertere sensor input til instruktioner, der sendes til de vibrerende motorer, samt ændringer til datafangst softwaren i forbindelse med den nye hardware ændringer.

Et eksempel på at gennemføre en fysiologisk relevant reaktion er at erstatte trykknap med en goniometer til at måle ændringer i knæ vinkel. Til denne type eksperiment, vil goniometer være monteret på den laterale overflade af knæleddet, og snarere end at trykke på knappen, vil deltagerne blive instrueret til at bøje deres knæ til et foruddefineret knæ vinkel (f.eks 90 grader) efter opfattelse af en motor vibrationer. Bruger reaktionstider derefter defineret som tidsrummet mellem anvendt stimulus og når det fælles enGLE lægger sig på eller i nærheden af den ønskede værdi (f.eks 90 ° ± 10 °). Bevægelse nøjagtighed kan også vurderes ved at beregne procent fejl mellem målet og opnåede vinkler.

I løbet af de seneste ti år har en række undersøgelser undersøgt brugen af vibrotactile tilbagemeldinger i en række biomekaniske applikationer, herunder dens effektivitet som et træningsredskab til at forbedre gangart og balance 14,15. De fleste af disse undersøgelser har fokuseret på de kliniske implikationer af biofeedback, undersøge eventuelle ændringer i specifikke kinetiske eller kinematiske parametre, når vibrotactile tilbagemeldinger anvendes. Som sådan fleste protokoller vælge et enkelt sæt stimuleringsparametre, med få undersøge bruger følsomhed over for vibrationer placering, amplitude eller mønster. Protokollen præsenteres her tjener som et første skridt i retning af at forstå brugerens opfattelse at vibrotactile stimuli, der skal udføres, før en vurdering af virkningerne af disse stimuli på specifikke Clingiske forhold. Yderligere arbejde, som den, der ved Goodworth et al. 7,16, hvilket udforskede forskellige kodning strategier for at oversætte sensorisk information i vibrerende stimuli, og Crea et al. 12, der evaluerede bruger følsomhed over for ændringer i vibrationsmønstre, supplerer disse eksperimenter for at give en mere komplet forståelse af, hvordan du optimerer vibrotactile feedback til specifikke biomekanik applikationer.

Det skal bemærkes, at en grundlæggende begrænsning af denne eksperimentelle system, som med andre systemer beskrevet i litteraturen 5,6, ligger i de vibrerende motorer, hvilket par vibrationsfrekvens og størrelse. Det vil sige, stigninger eller fald i vibrationer frekvens er ledsaget af proportionale ændringer i amplitude. Adskillelse af disse to parametre kræver en anden type motor, såsom lineære resonans aktuatorer, samt mere avancerede motordrev til at drive de mere sofistikerede motorer. Additville være påkrævet ional opdateringer til den eksisterende grænseflade til at rumme den nye hardware og ekstra amplitude parameter.

Kalibreringsproceduren er afgørende for en vellykket gennemførelse af disse forsøg, og bør udføres uafhængigt for hver motor anvendt i de efterfølgende eksperimenter. Mens duty cycle-frekvens forhold skal være nominelt samme type for identiske motorer, kan små forskelle i motor konstruktion resultere i ikke-trivielle ændringer som følge frekvenser. For eksempel, mens udviklingen af ​​denne procedure blev en 180 Hz mål frekvens opnås ved hjælp af PWM værdier i området 103-143 til forskellige motorer.

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