Un dispositivo de retroalimentación vibrotáctil evaluación equilibrio sentado y formación

Resumen

Ha sido desarrollada y montado una plataforma de sentarse pasivamente que desestabiliza la posición sentada en los seres humanos. Durante la tarea del usuario estabilizador, una unidad de medición inercial registra movimiento del dispositivo y elementos vibrantes entregan retroalimentación basado en resultados para el asiento. El dispositivo portátil y versátil puede utilizarse en rehabilitación, evaluación y paradigmas de formación.

Resumen

Las perturbaciones posturales, seguimiento del movimiento y retroalimentación sensorial son técnicas modernas utilizadas para cuestionar, evaluar y capacitar sentada vertical, respectivamente. El objetivo del protocolo desarrollado es construir y operar una plataforma de sesión que puede ser pasivamente desestabilizada y una unidad de medición inercial cuantifica su movimiento vibratorios elementos entregan retroalimentación táctil al usuario. Accesorios asiento intercambiable alteran el nivel de estabilidad del dispositivo a con seguridad desafío sentado equilibrio. Un microcontrolador integrado permite ajuste de los parámetros de retroalimentación para aumentar la función sensorial. Medidas posturográficas, típicas de los protocolos de evaluación de equilibrio, un resumen de las señales de movimiento adquiridas durante los estudios de equilibrio tiempo. Ningún protocolo de sesión dinámico hasta la fecha ofrece desafío variable, cuantificación y regeneración sensorial de las limitaciones de laboratorio. Nuestros resultados demuestran que los no discapacitados usuarios de los cambios significativos de la exposición dispositivo posturográficas medidas cuando se altera el equilibrio dificultad o vibración feedback proporcionado. El dispositivo portátil y versátil tiene potenciales aplicaciones en rehabilitación (después de lesión esquelética, muscular o neurológico), capacitación (para deportes o conciencia espacial), entretenimiento (via virtual o aumentada realidad) e investigación (de trastornos relacionados con la sesión).

Introducción

Vertical es un requisito previo para otras funciones sensoriomotoras humanas, incluyendo los movimientos calificados (p. ej., escribir) y perturbado equilibrio tareas (por ejemplo, montar en un tren). Para rehabilitar y mejorar las funciones de sentarse y relacionadas, se utilizan técnicas de entrenamiento de balance modernas: superficies inestables perturban sesión^1,2 y seguimiento del movimiento cuantifica equilibrio competencia^3,4 . Los resultados de entrenamiento de equilibrio mejoran cuando la vibración al cuerpo utilizando patrones que partido de actuación⁵. Tal retroalimentación sensorial es evidentemente eficaz como rehabilitación y método de entrenamiento; sin embargo, los métodos actuales de la regeneración sensorial están orientados hacia el equilibrio de pie y requieren equipos de laboratorio^6,7.

El propósito del trabajo presentado aquí es construir un dispositivo portátil que se montaba y pasivamente desestabilizó a los varios grados incorporados instrumentos registran su posición y ofrecen retroalimentación de vibración a la superficie que se sienta. Esta combinación de herramientas integra trabajos previos en bamboleo sillas^2,4 y regeneración vibracional^5,6,7, haciendo que los beneficios de estas herramientas más de gran alcance y accesible. Se presentan también un procedimiento para capacitar a estar vertical y un análisis de los resultados cuantitativos, siguiendo la literatura establecida en posturográficas medidas⁸. Estos métodos son apropiados para estudiar los efectos de sentarse ejercicios de equilibrio con una superficie inestable cuando se combina con la regeneración vibracional. Usos previstos incluyen entrenamiento deportivo, mejora general de la coordinación motriz, evaluación de equilibrio habilidad y a raíz de la rehabilitación esquelética, muscular o neurológico lesiones.

Protocolo

Todos los métodos aquí descritos han sido aprobados por el Consejo de ética de investigación de salud de la Universidad de Alberta.

1. construcción y montaje de componentes estructurales

1. Construir una interfaz de accesorio para bases hemisféricas intercambiables: soldar una tuerca en base a una placa de acero de la soldadura.
2. Utilizar un controlado por ordenador numérico (CNC) fresadora para construir un chasis cilíndrico, tapa y base de polietileno como se muestra en la figura 1. Perno de la placa base a la base y la base para el chasis.
   Nota: Las características de la molino para fijación de pernos y otras piezas son de acuerdo a los archivos de dibujos y modelo sólido 3D archivos siempre (véase complementaria archivos 1 y 2). Todos los componentes estructurales tienen un modelo sólido correspondiente y el dibujo que están disponibles para su descarga y puede utilizarse para replicar el proceso de construcción.
3. Utilizar una fresadora para construir una manga cilíndrica cloruro de polivinilo que encaja en un vástago roscado, como se muestra en la figura 1. Hacer la manga larga, con un diámetro exterior de 32 mm 37 mm.
4. Soldadura de bridas de acero a cada lado de un enganche de acero, como se muestra en la figura 1. Perno de enganche a la parte delantera de la base.
5. Utilice una máquina de torneado CNC para construir 5 cilindros idénticos de polietileno, cada uno con una altura de 63 mm y 152 mm de diámetro. En el centro de la superficie superior de cada cilindro, cortar un agujero de 32 mm a una profundidad de 38 mm para que se ajuste el manguito cilíndrico (véase el paso 1.3. encima de) con algunas interferencias.
6. En la superficie inferior de cada cilindro, utilice un máquina de torneado del CNC para cortar una base uniformemente curvada con un único radio de curvatura para cada uno de los 5 cilindros, manteniendo la altura total de 63 mm, como se muestra en la figura 2.
   Nota: El radio de curvatura y la altura de la base de determinar la estabilidad del aparato. El sugerido radios de curvatura para esta altura son entre 110 mm (muy inestable) y 250 mm (ligeramente inestable), como se muestra en la tabla 1.
7. Construcción de un accesorio de soporte de pierna como se muestra en la figura 3, por la primera soldadura de un acero de 70 mm enganche insertar perpendicular a uno de los extremos de una extrusión de 575 mm de acero. En el otro extremo de la abrazadera un reposapiés acero cilíndrica de 300 mm a la extrusión.
   Nota: Para dimensiones parte detallada, ver archivo suplementario 1 (dibujos) y archivo adicional 2 (modelos sólidos 3D).
8. Utilice una sierra para cortar rectangular de acero de la barra (29 mm por 100 mm) a una longitud de aproximadamente 160 mm que pesa 3,6 kg. Inserte la barra de acero en la parte trasera del chasis para contrarrestar el accesorio de soporte de pierna, como se muestra en la figura 1.
9. Montar el dispositivo como se muestra en la figura 4. Conecte el soporte de las patas mediante la inserción de pasadores de horquilla a través del enganche y parte movible del enganche. Ajuste la ubicación de la pinza a la altura del resto de pie deseado. Enrosque la varilla en el montante base tal que aproximadamente 35 mm de la varilla sobresale de la base.  Inserte la varilla que sobresale en la base de la curva deseada.
10. Aplique cinta de agarre u otra tapicería conveniente a la tapa. Ponga la tapa.

2. equipar el dispositivo

1. Adquirir un microcontrolador (ver la Tabla de materiales), una unidad de medición inercial y ocho tactors vibrantes. Conectar la tactors de unidad y vibrante de medición inercial para el microcontrolador.
2. Programa el microcontrolador Lee antero-posterior (AP) y mediolateral (ML) inclinación ángulo de la unidad de medición inercial y enciende o apaga la tactors vibrante basado en la inclinación. Ver archivo complementario 3 (guión de microcontrolador ejemplar) y paso 2.2.1.
   Nota: Unidades de medida inercial que utilizan acelerómetros y giroscopios son propensas al error. Realizar una calibración de posición de los sensores: apoyar el aparato sobre una superficie plana y utilizar esta posición como referencia para todas las mediciones siguientes. Utilice un sistema de captura de movimiento o enfoque similar para validar las mediciones de ángulo de inclinación y asegurarse de que son suficientemente exactos a lo largo del rango de uso (espacial y temporal). Asegúrese de que la vibración tactors operar a una frecuencia de no más de 200 Hz, con el fin de inducir una respuesta unívoca de receptores sensoriales en la piel humana o músculo⁹.
   1. Añadir el script del microcontrolador que genera señales vibrotáctil basados en una señal de control de retroalimentación que representa una suma ponderada de la velocidad y ángulo de inclinación del AP (o ML).
      Nota: La computadora activa tres tactors más cercanos a la parte delantera derecha, izquierda, o la parte posterior de la superficie cuando la señal supera un umbral en esa dirección; o cinco tactors si un umbral de AP y ML son superados simultáneamente; ninguno de los tactors están activo cuando la señal de control está por debajo del umbral en ambas direcciones (es decir, en la zona no-feedback).
3. Asegure la unidad de medición inercial en el centro del chasis. Organizar la tactors vibratorio en un octágono regular con un radio de 10 cm, centrado en el centro del chasis anterior 8 cm para que mienten debajo del asiento de una persona de tamaño promedio¹⁰. Una fotografía de un potencial arreglo se muestra en la figura 4.
   Nota: Si tactors vibrantes no es suficientemente potentes como para vibrar al usuario, mejorar la interfaz entre la piel y tactor por cortar los agujeros en la tapa y fijación los vibradores para descansar al ras con la superficie. Si el método utilizado para garantizar los vibradores en su lugar causa humedecimiento de la vibración, considere el uso de un gabinete de montaje de dos piezas con una espiga de posición de ajuste flojo, como se muestra en la figura 5.
4. Conectar el microcontrolador a un ordenador portátil o escritorio computadora vía un bus serie universal (USB) u otro método de comunicación adecuado. Abra la interfaz de usuario, que se muestra en la figura 6.
   Nota: Alternativamente, conectar el microcontrolador a una batería u otra fuente de energía. Esto mejora la portabilidad del dispositivo, pero excluye una interfaz de usuario.

3. ejemplar evaluación y Protocolo de entrenamiento

1. Reclutar a los participantes consienten que están libres de trastornos neurológicos o músculo-esqueléticos y dolor de espalda agudo o crónico. Anote la edad, peso y altura de cada participante. Entonces, para cada participante, llevar a cabo el siguiente procedimiento.
2. Abra la interfaz de usuario (figura 6). El compás gráfico muestra ángulo de inclinación del dispositivo más de la mitad su velocidad de inclinación en la dirección de AP (eje vertical) y ML (eje horizontal).
3. Antes de cada prueba de equilibrio, instruir a los participantes a don auriculares con cancelación de ruido, doble su o sus brazos en el pecho, mantener una postura erguida al máximo y cue verbalmente el experimentador de ser listo.
4. Realizar veinte 30 segundos sentados equilibrio ensayos en serie¹¹, tomar descansos como garantía para evitar la fatiga, parar en cualquier momento si es necesario.
   1. Los ensayos de la secuencia como sigue (ejemplo solamente): seleccione al azar una de dos combinaciones de "condición de ojo nivel de estabilidad de la base", en lo sucesivo las condiciones de equilibrio (más difícil base y base de ojos abiertos; o menos difícil y ojos cerrados)¹². Realización de cuatro ensayos de la primera condición de equilibrio para familiarizar al participante con la tarea y para identificar los umbrales de señal de control apropiado para el tactors vibratorio en el asiento (ver paso siguiente 3.4.5).
      Nota: Es más difícil mantener el equilibrio sobre una base con un pequeño radio de curvatura que sobre una base con un gran radio de curvatura (la tabla 1 muestra la estabilidad relativa de las cinco bases intercambiables). Cuatro estudios clínicos se han encontrado para ser suficiente para lograr un funcionamiento estable del balance de la tarea².
   2. Seleccionar al azar tres de los seis ensayos ensayos de control: Apague la tactors vibrante para la duración de estos ensayos. Para activar la regeneración vibracional o desactivar, cambiar el regulador de retroalimentación para el ajuste deseado en la interfaz de usuario. Repita esta secuencia de diez ensayos para la segunda condición de equilibrio.
   3. La condición actual de dificultad y ojo la etiqueta seleccionando desde el menú desplegable en la sección de Parámetros de prueba de la interfaz de usuario. Haga clic en registro para iniciar el juicio.
      Nota: Seguridad de los participantes es fundamental. El experimentador debe supervisar todas las actividades de equilibrio y estar preparado para ayudar en caso de pérdida de equilibrio. Limpiar el área de cualquier peligro potencial y ser conscientes de los protocolos de emergencia locales.
   4. Ensayos con los ojos abiertos, instruir a los participantes a centrarse en un punto fijo hacia adelante para ayudar a mantener el equilibrio. Los ensayos con los ojos cerrados, utilizar una venda para que el participante carece totalmente de información visual.
      Nota: Paradigmas de equilibrio donde el movimiento de los pies debe ser restringido, fije el soporte de pie y coloque el contrapeso debajo de la tapa.
   5. Un algoritmo calcula que AP y ML comentarios los umbrales a utilizar y los muestra en la columna de la Q3 de la interfaz de usuario. Después de cuatro pruebas de familiarización, copiar los valores indicados en la columna de la Q3 en la columna de escritura y haga clic en Actualizar para actualizar los umbrales de respuesta que se muestra en el gráfico de compás (rosados) basados en la familiarización cuarta juicio.
      Nota: Los valores de umbral computada muestra en la columna de la Q3 de la interfaz son iguales el tercer cuartil para cada dirección de inclinación (AP, ML) durante el juicio anterior. Este esquema de retroalimentación se basa en la idea de que la función equilibrio se mejora cuando feedback está optimizado para cada individual^13,14, mientras que proporciona demasiada información puede detrimento aprendizaje¹⁵. Una vez que los valores de dos umbral han sido seleccionados para un individuo determinado, se pueden mantener constantes para eso individual poder evaluar mejoras en el tiempo o con una intervención.
5. Como el AP y ML ángulos de inclinación se almacenan automáticamente, en tiempo real, en un archivo de texto para el análisis, analizar las señales AP y ML para caracterizar el desempeño de la sesión para cada una de las condiciones experimentales.
   1. En dominio del tiempo, calcular las siguientes medidas posturográficas de cada serie de tiempo⁸: raíz cuadrada media (una medida de la variación del movimiento) y la velocidad media (una medida de la velocidad angular media del movimiento).
   2. En el dominio de la frecuencia, calcular las siguientes medidas posturográficas de cada serie de tiempo⁸: frecuencia centroidal (una medida de la frecuencia total de la propuesta) y la dispersión de la frecuencia (una medida de la varianza en la frecuencia de movimiento)⁸ .
6. Utilizar un modelo mixto lineal para estimar y caracterizar los efectos de dos factores de efectos fijos, (1) la condición de equilibrio (estabilidad nivel ojo condición y combinada) y comentarios (2) vibrotáctil, en cada una de las medidas posturográficas (variables dependientes), teniendo en cuenta la correlación de mediciones repetidas de cada participante¹⁶ (un factor de efectos aleatorios).
   1. Prueba de significación de los efectos fijos calculando la proporción de la varianza entre las medias de grupo para la varianza de los residuales, y comparando el resultado de una distribución F.

Resultados

Tabla 2 se muestra, para cada condición experimental, las medidas posturográficas derivadas de observaciones de la AP y ML soporte superficie inclinada, un promedio de 144 sobre ensayos de equilibrio realizados por 12 participantes (2 x 2 x 3 ensayos por participante).

Efecto de cambiar la condición de equilibrio: La condición de base fue elegida para ser dependiente en la condición de ojo ...

Discusión

Se presentan métodos para la construcción de un dispositivo portátil, equipada, sala de estar. El aparato es portátil y durable, construcción en estudios previos de bamboleo sillas^2,4 y regeneración vibracional^5,6,7 para que los beneficios de estas herramientas más potentes y accesibles . Seguir el protocolo de montaje en sentido contrario para preparar el disposi...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Chassis	McMaster-Carr	8657K421	Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1-1/2" Thick, 24" X 24"
Lid	McMaster-Carr	8657K414	Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1/4" Thick, 24" X 24"
Base	McMaster-Carr	8657K414	Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1/4" Thick, 24" X 24"
Grip-Tape	McMaster-Carr	6243T471	Nonabrasive Antislip Tape, Textured, 6" Wide Strip, 2' Long, Black
Base Nut	McMaster-Carr	90596A039	Steel Round-Base Weld Nut, 5/8"-11 Thread Size
Weld Plate	McMaster-Carr	1388K142	Low-Carbon Steel Sheet 1/16" Thick, 3" X 3", Ground Finish
Threaded Rod	McMaster-Carr	90322A170	3" 5/16"-18 Medium-Strength Alloy Steel Threaded Stud
Sleeve	McMaster-Carr	8745K19	Chemical-Resistant PVC (Type I) Rod 1-1/4" Diameter
Square Flange	McMaster-Carr	8910K395	Low Carbon Steel Bar, 1/8" Thick, 1" Wide
Hitch	McMaster-Carr	4931T123	Bolt-Together Framing Heavy-Duty Steel, 1-1/2" Square
Curved Base	McMaster-Carr	8745K48	PVC Rod, 6" Diameter
Hitch Insert	McMaster-Carr	6535K313	Bolt-Together Framing Heavy-Duty Steel, 1" Square
Extrusion	McMaster-Carr	6545K7	1045 Cold Drawn Steel Square Bar Stock, 1' X 1" Wide, Unpolished
Clamp	Vlier	TH103A	Adjustable Torque Knob
Footrest	McMaster-Carr	6582K431	4130 Steel Tubing, 1" X 1" Wide, 0.065" Wall Thickness, Unpolished Mill Finish
Counterwieght	McMaster-Carr	8910K67	Low-Carbon Steel Rectangular Bar 1-1/8" Thick, 4" Width
Clevis Pin	McMaster-Carr	97245A616	Zinc-Plated Steel Clevis Pin with Hairpin Cotter Pin, 3/16" Diameter, 1-9/16" Usable Length
Microprocessor	Arduino	MEGA 2560	Microcontroller board with 54 digital I/O pins and USB connection
Inertial Measurement Unit	x-io Technologies Ltd.	x-IMU	Inertial Measurement Unit and Attitude Heading Reference System with enclosure
Vibrating Tactor	Precision Microdrives	DEV-11008	Lilypad Vibe Board, available from SparkFun Electronics