Um dispositivo Vibrotactile Feedback para avaliação do equilíbrio sentado e formação

Resumo

Uma plataforma de sessão foi desenvolvida e montada que desestabiliza passivamente a postura de assento em seres humanos. Durante a tarefa de estabilização do usuário, uma unidade de medida inercial registra o movimento do dispositivo, e elementos vibratórios entregam feedback baseado em desempenho para o assento. O dispositivo portátil, versátil pode ser usado em paradigmas de formação, avaliação e reabilitação.

Resumo

Perturbações posturais, rastreamento de movimento e feedback sensorial são modernas técnicas utilizadas para desafiar, avaliar e treinar sentado na posição vertical, respectivamente. O objetivo do protocolo desenvolvido é construir e operar uma plataforma de sessão que pode ser passivamente desestabilizada, enquanto uma unidade de medida inercial quantifica seu movimento e vibração elementos fornecer feedback tátil para o usuário. Acessórios intercambiáveis assento alteram o nível de estabilidade do dispositivo com segurança desafio sentado equilíbrio. Um microcontrolador interno permite ajuste fino dos parâmetros gabarito para aumentar a função sensorial. Medidas posturographic, típicas dos protocolos de avaliação do equilíbrio, resumem os sinais de movimento adquiridos durante os ensaios de equilíbrio cronometrado. Nenhum protocolo de sentar dinâmico à data fornece desafio variável, quantificação e livre de restrições de laboratório sensorial feedback. Nossos resultados demonstram que os usuários sem deficiência das alterações significativas dispositivo exposição em posturographic medidas quando a dificuldade de equilíbrio é alterada ou vibracional feedback fornecido. O dispositivo portátil, versátil tem aplicações potenciais na reabilitação (após lesão neurológica, muscular ou esquelético), formação (para esportes ou consciência espacial), entretenimento (via virtual ou aumentada realidade) e pesquisa (de distúrbios relacionados com a sessão).

Introdução

Sentado ereto é um pré-requisito para outras funções sensório humanos, incluindo movimentos qualificados (por exemplo, digitando) e perturbado o equilíbrio tarefas (por exemplo, andar de trem). Para reabilitar e melhorar funções sentadas e afins, são utilizadas técnicas de treinamento de equilíbrio moderno: superfícies instáveis perturbam sessão^1,2 e rastreamento de movimento quantifica equilíbrio proficiência^3,4 . Os resultados de treinamento de equilíbrio melhoram quando a vibração é entregue ao corpo usando os padrões que combinam desempenho⁵. Tal feedback sensorial é evidentemente eficaz como uma reabilitação e método de treinamento; ainda, métodos atuais de feedback sensorial são voltados para o equilíbrio em pé e exigem equipamentos baseados em laboratório^6,7.

O objetivo do trabalho aqui apresentado é construir um dispositivo portátil que pode ser sentou e passivamente desestabilizou a vários graus enquanto instrumentos internos gravar a sua posição e entregam o gabarito vibracional para a superfície do assento. Esta combinação de ferramentas integra trabalhos anteriores na oscilação cadeiras^2,4 e vibracional gabarito^5,6,7, tornando os benefícios dessas ferramentas mais poderosa e acessível. Também apresentados são um procedimento para treinar sentado na posição vertical e a análise dos resultados quantitativos, seguindo a literatura estabelecida em medidas posturographic⁸. Estes métodos são apropriados para estudar os efeitos da sessão de exercício de equilíbrio, com uma superfície instável, quando combinado com feedback vibracional. Antecipado de aplicações incluem formação desportiva, melhoria geral de coordenação motora, avaliação do equilíbrio proficiência e reabilitação seguindo esquelético, muscular, neurológica ou de prejuízo.

Protocolo

Todos os métodos descritos aqui foram aprovados pelo Conselho de ética de pesquisa de saúde da Universidade de Alberta.

1. construção e montagem de componentes estruturais

1. Construir uma interface de fixação para bases hemisféricas intercambiáveis: soldar uma porca de base a uma placa de aço da solda.
2. Use um controlada por computador numérico (CNC) máquina de trituração para construir um chassi cilíndrico, tampa e base de polietileno, conforme mostrado na Figura 1. Parafuso da placa de base para a base e a base para o chassi.
   Nota: As características do moinho para fixação dos parafusos e outras partes estão de acordo com os arquivos de desenho e arquivos de modelo sólido 3D fornecido (ver complementares arquivos 1 e 2). Todos os componentes estruturais têm um modelo sólido correspondente e desenho que estão disponíveis para download e pode ser usada para replicar o processo de construção.
3. Use uma máquina de trituração para construir uma manga de PVH cilíndrica que se encaixa em uma haste rosqueada, conforme mostrado na Figura 1. Fazer a manga de 37 mm de comprimento, com um diâmetro externo de 32 mm.
4. Soldagem de flanges de aço de cada lado de um engate de aço, conforme mostrado na Figura 1. Parafuso o engate para a frente da base.
5. Use uma máquina de giro do CNC para construir 5 cilindros idênticos de polietileno, cada um com uma altura de 63 mm e um diâmetro de 152 mm. No centro da superfície superior de cada cilindro, cortar um furo de 32 mm até uma profundidade de 38 mm, para que ele caiba a luva cilíndrica (ver etapa 1.3. acima de) com algumas interferências.
6. Na superfície inferior de cada cilindro, use um CNC virando a máquina para cortar uma base uniformemente curvada com um único raio de curvatura para cada um dos 5 cilindros, mantendo a altura total de 63 mm, como mostrado na Figura 2.
   Nota: O raio de curvatura e altura da base determinar a estabilidade do dispositivo. Sugerido raios de curvatura para esta altura estão entre 110 mm (muito instável) e 250 mm (ligeiramente instável), como mostrado na tabela 1.
7. Construção de um anexo de apoio de perna como mostrado na Figura 3, por primeiro soldagem de um aço de 70mm hitch inserir perpendicularmente a uma extremidade de uma extrusão de 575 mm de aço. No outro extremo, grampeie um 300mm cilíndrica aço apoio para os pés para a extrusão.
   Nota: Para dimensões parte detalhada, consulte complementar arquivo 1 (desenhos) e complementar arquivo 2 (modelos sólidos 3D).
8. Use uma serra para cortar um barra (29 mm por 100 mm) de aço retangular para um comprimento de cerca de 160 mm para que pesa 3,6 kg. Insira a barra de aço na parte traseira do chassi para contrabalançar o acessório de suporte de perna, conforme mostrado na Figura 1.
9. Monte o dispositivo, como mostrado na Figura 4. Conecte o suporte de perna inserindo alfinetes de gancho através do engate e inserção de engate. Ajuste a localização da mordaça para a altura do descanso de pé desejado. Rosqueie a haste na base parafuso prisioneiro tal que cerca de 35 mm da haste que se projeta da base.  Insira a haste saliente na base curva desejada.
10. Aplica fita de aperto ou outro apropriado estofos para a tampa. Coloque a tampa.

2. o dispositivo da instrumentação

1. Adquirir um microcontrolador (consulte a Tabela de materiais), uma unidade de medida inercial e oito tactors de vibração. Conectar-se a tactors de unidade e vibração de medida inercial para o microcontrolador.
2. Programa o microcontrolador tal que ele lê antero-posterior (AP) e medio-lateral (ML) inclinação ângulos da unidade de medida inercial e ativa ou desativa o tactors vibratória baseia os ângulos de inclinação. Ver complementar 3 arquivo (script de microcontrolador exemplar) e passo 2.2.1.
   Nota: As unidades de medida inercial que utilizam acelerômetros e giroscópios são propensas a erro. Realizar uma calibração posicional dos sensores: descansar o aparelho sobre uma superfície plana e usar esta posição como uma linha de base para todas as medições seguintes. Use um sistema de captura de movimento ou uma abordagem similar para validar as medidas do ângulo de inclinação e certifique-se de que eles são suficientemente precisos durante todo a escala prevista de utilização (espacial e temporal). Garantir que as vibração tactors operar a uma frequência de não mais de 200 Hz, a fim de induzir uma resposta individual dos receptores sensoriais na pele humana ou músculo⁹.
   1. Carregue o script do microcontrolador que gera vibrotactile sugestões com base em um sinal de controle de gabarito que representa uma soma ponderada de AP (ou ML) com ângulo de inclinação e velocidade.
      Nota: O computador ativa três tactors mais próximos para a frente de esquerda, direita, ou para trás na superfície quando o sinal de controle excede o limite nessa direção; ou cinco tactors se um limiar de AP e ML são superadas simultaneamente; nenhum do tactors está ativo quando o sinal de controle é inferior ao limiar em ambas as direções (ou seja, na zona não-gabarito).
3. Fixe a unidade de medida inercial no centro do chassi. Organize o tactors vibratória em um octógono regular com um raio de 10 cm, centrado 8 cm anterior do centro do chassi, para que eles vou mentir sob o assento de uma pessoa de tamanho médio de¹⁰. Uma fotografia de um potencial acordo é mostrado na Figura 4.
   Nota: Se o tactors de vibração não são poderosos o suficiente para vibrar o usuário, melhorar a interface entre a pele e tactor cortando buracos na tampa e fixando os vibradores para descansar nivelada com a superfície. Se o método utilizado para fixar os vibradores no lugar faz com que o amortecimento da vibração, considere o uso de um gabinete de montagem de duas partes com um pino de localização de ajuste frouxo, conforme mostrado na Figura 5.
4. Conecte o microcontrolador para um laptop ou desktop computador através de um barramento serial universal (USB) ou outro método adequado de comunicação. Abra a interface de usuário, mostrada na Figura 6.
   Nota: Como alternativa, ligue o microcontrolador de uma bateria ou outra fonte de energia. Isto melhora a portabilidade do aparelho, mas se opõe a uma interface de usuário.

3. exemplar avaliação e protocolo de treinamento

1. Recrute participantes consentiram que estão livres de perturbações neurológicas ou músculo-esqueléticas e dor lombar aguda ou crônica. Grave da cada participante idade, peso e altura. Então, para cada participante, realizar o procedimento a seguir.
2. Abra a interface do usuário (Figura 6). O bússola gráfico mostra o ângulo de inclinação do dispositivo mais metade sua velocidade de inclinação na direção de AP (eixo vertical) e direção de ML (eixo horizontal).
3. Antes de cada teste de equilíbrio, instruir o participante a don auscultadores com cancelamento de ruído, dobre seu ou seus braços sobre o peito, manter uma postura ereta tanto quanto possível e cue verbalmente o experimentador de estar pronto.
4. Realizar vinte 30 segundo assentado julgamentos de equilíbrio na série¹¹, levando a quebras conforme garantido para evitar a fadiga, parando a qualquer momento, se necessário.
   1. Sequência dos ensaios como segue (exemplo apenas): selecionar aleatoriamente uma das duas combinações de "condição de estabilidade nível/olho de base", doravante chamadas de condições de equilíbrio (base mais difícil e os olhos abertos; ou menos difícil base e olhos fechados)¹². Realize quatro ensaios da primeira condição de equilíbrio para familiarizar o participante com a tarefa e identificar limites de sinal controle apropriado para o tactors vibrando no banco traseiro (consulte a etapa 3.4.5 abaixo).
      Nota: É mais difícil de manter o equilíbrio sobre uma base com um pequeno raio de curvatura do que sobre uma base com um grande raio de curvatura (a tabela 1 mostra a estabilidade relativa de todos os cinco bases intercambiáveis). Quatro ensaios foram encontrados para ser suficiente para assegurar um desempenho estável do equilíbrio tarefa².
   2. Selecionar aleatoriamente três dos julgamentos das próximas seis ser ensaios de controle: desligar o tactors de vibração para a duração desses ensaios. Para ativar ou desativar a vibração feedback, alterne o controle deslizante de Feedback para o ajuste desejado na interface do usuário. Repita esta sequência de dez ensaios para a segunda condição de equilíbrio.
   3. Rotule a condição atual de dificuldade e olho, selecionando os menus drop-down na seção Parâmetros de teste da interface do usuário. Clique em gravar para iniciar o julgamento.
      Nota: A segurança dos participantes é fundamental. O experimentador deve supervisionar todas as atividades de equilíbrio e estar preparado para ajudar em caso de perda de equilíbrio. Limpar a área de quaisquer perigos potenciais e estar ciente dos protocolos de emergência locais.
   4. Para ensaios com os olhos abertos, instrua o participante a se concentrar em um ponto fixo para a frente para ajudar a manter o equilíbrio. Para ensaios com os olhos fechados, use uma venda para assegurar que o participante é completamente privado de feedback visual.
      Nota: Para paradigmas de equilíbrio onde o movimento dos pés deve ser restrito, anexar o apoio de pé e inserir o contrapeso sob a tampa.
   5. Um algoritmo calcula quais limiares de gabarito AP e ML para usar e exibe-os na coluna Q3 da interface do usuário. Depois de quatro ensaios de familiarização, copiar os valores mostrados na coluna Q3 na coluna de escrever e clique em Atualizar para atualizar os limiares de gabarito, mostrados no gráfico a bússola (rosa) com base na familiarização quarta julgamento.
      Nota: Os valores de limiar calculado exibidos na coluna Q3 da interface são iguais para o terceiro quartil para cada direção de inclinação (AP, ML) durante o julgamento anterior. Este esquema de gabarito é baseada na noção de que equilíbrio função aperfeiçoada ao gabarito é otimizado para cada individual^13,14, proporcionando muito gabarito pode detrimento¹⁵de aprendizagem. Uma vez que os dois limiares foram selecionados para um determinado indivíduo, eles podem ser mantidos constantes para que o indivíduo poder avaliar melhorias ao longo do tempo ou com uma intervenção.
5. Como o AP e ML ângulos de inclinação são armazenados automaticamente, em tempo real, em um arquivo de texto para análise, analisar os sinais AP e ML para caracterizar o desempenho de sessão para cada uma das condições experimentais.
   1. No domínio do tempo, calcular as seguintes medidas posturographic de cada tempo série⁸: root-mean-square (uma medida da variância do movimento) e a velocidade média (uma medida da velocidade angular média do movimento).
   2. No domínio da frequência, calcular as seguintes medidas posturographic de cada tempo série⁸: frequência centroidal (uma medida de frequência global do movimento) e dispersão de frequência (uma medida da variância na frequência do movimento)⁸ .
6. Usar um modelo linear misto para estimar e caracterizar os efeitos de dois fatores de efeitos fixos, (1) a condição de equilíbrio (estabilidade nível olho condição e combinada) e (2) vibrotactile feedback, em cada uma das medidas posturographic (variáveis dependentes), tendo em conta a correlação de medições repetidas de cada participante¹⁶ (um fator aleatório-efeitos).
   1. Teste de significância dos efeitos fixos a proporção da variância entre os meios do grupo para a variância dos resíduos de computação, e comparando o resultado de uma distribuição F.

Resultados

A tabela 2 mostra, para cada condição experimental, as medidas posturographic derivadas de observações do AP e ML suporte superfície inclina-se, em média, mais 144 ensaios de equilíbrio realizados por 12 participantes (2 x 2 x 3 ensaios por participante).

Efeito da alteração da condição de equilíbrio: A condição de base foi escolhida para ser dependente da condição de olho (i...

Discussão

São apresentados métodos para a construção de um dispositivo portátil, instrumentado, sentado. O aparelho é portátil e durável, construção em estudos anteriores de wobble cadeiras^2,4 e vibracional gabarito^5,6,7 para tornar os benefícios dessas ferramentas mais poderoso e acessível . Segui o protocolo de montagem na ordem inversa para preparar o dispositivo pa...

Materiais

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