Name: a method for evaluating timeliness and accuracy of volitional motor responses to vibrotactile stimuli
Uploaded: 2016-08-02T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli at JoVE.com

This protocol was developed for research supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (grant RGPIN 401963).

Het volgende protocol werd goedgekeurd door de Research Ethics Board in Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital. 1. Motor Calibration <ol><li> Sluit de microcontroller board op de computer met behulp van een USB-poort. </li><li> Met behulp van de originele microcontroller software, het uploaden van de aangepaste script, &quot;Motor_and_AccelerometerTest.ino&quot; aan de raad via de USB-verbinding door te klikken op het pictogram &quot;Upload&quot;, aangeduid met de omcirkelde pijl naar rechts. <o...

<ol>
	<li>Tate, J. J., Milner, C. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Real-time+kinematic,+temporospatial,+and+kinetic+biofeedback+during+gait+retraining+in+patients:+a+systematic+review.">Real-time kinematic, temporospatial, and kinetic biofeedback during gait retraining in patients: a systematic review.</a> Phys. Ther. 90 (8), 1123-1134 (2010).</li><li>Onate, J. A., Guskiewicz, K. M., Sullivan, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Augmented+feedback+reduces+jump+landing+forces.">Augmented feedback reduces jump landing forces.</a> J. Orthop. Sports Phys. Ther. 31 (9), 511-517 (2001).</li><li>Cholewiak, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+perception+of+tactile+distance:+Influences+of+body+site,+space,+and+time.">The perception of tactile distance: Influences of body site, space, and time.</a> Perception. 28 (7), 851-875 (1999).</li><li>Zhang, Z., Wu, H., Wang, W., Wang, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+smartphone+based+respiratory+biofeedback+system.">A smartphone based respiratory biofeedback system.</a> Proc. 2010 3rd Int. Conf. Biomed. Eng. Informatics. 2, 717-720 (2010).</li><li>Wentink, E. C., Mulder, A., Rietman, J. S., Veltink, P. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vibrotactile+stimulation+of+the+upper+leg:+Effects+of+location,+stimulation+method+and+habituation.">Vibrotactile stimulation of the upper leg: Effects of location, stimulation method and habituation.</a> Proc. Annu. Int. Conf. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. , 1668-1671 (2011).</li><li>Rusaw, D., Hagberg, K., Nolan, L., Ramstrand, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Can+vibratory+feedback+be+used+to+improve+postural+stability+in+persons+with+transtibial+limb+loss?.">Can vibratory feedback be used to improve postural stability in persons with transtibial limb loss?.</a> J. Rehabil. Res. Dev. 49 (8), 1239-1254 (2012).</li><li>Goodworth, A. D., Wall, C., Peterka, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+feedback+parameters+on+performance+of+a+vibrotactile+balance+prosthesis.">Influence of feedback parameters on performance of a vibrotactile balance prosthesis.</a> IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 17 (4), 397-408 (2009).</li><li>Asseman, F., Bronstein, A. M., Gresty, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+vibrotactile+feedback+of+instability+to+trigger+a+forward+compensatory+stepping+response.">Using vibrotactile feedback of instability to trigger a forward compensatory stepping response.</a> J. Neurol. 254 (11), 1555-1561 (2007).</li><li>Fan, R. E., Culjat, M. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+haptic+feedback+system+for+lower-limb+prostheses.">A haptic feedback system for lower-limb prostheses.</a> IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 16 (3), 270-277 (2008).</li><li>Sharma, A., Torres-moreno, R., Zabjek, K., Andrysek, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+an+artificial+sensory+feedback+system+for+prosthetic+mobility+rehabilitation:+Examination+of+sensorimotor+responses.">Toward an artificial sensory feedback system for prosthetic mobility rehabilitation: Examination of sensorimotor responses.</a> J. Rehabil. Res. Dev. 51 (6), 416-425 (2014).</li><li>Sharma, A., Leineweber, M. J., Andrysek, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effects+of+cognitive+load+and+prosthetic+liner+on+volitional+response+times+to+vibrotactile+feedback.">The effects of cognitive load and prosthetic liner on volitional response times to vibrotactile feedback.</a> J. Rehabil. Res. Dev. , (2016).</li><li>Crea, S., Cipriani, C., Donati, M., Carrozza, M. C., Vitiello, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Providing+Time-Discrete+Gait+Information+by+Wearable+Feedback+Apparatus+for+Lower-Limb+Amputees:+Usability+and+Functional+Validation.">Providing Time-Discrete Gait Information by Wearable Feedback Apparatus for Lower-Limb Amputees: Usability and Functional Validation.</a> IEEE Trans. Neural Syst. Rehabil. Eng. 23 (2), 250-257 (2015).</li><li>Bolanowski, S. J., Gescheider, G. A., Verrillo, R. T., Checkosky, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Four+channels+mediate+the+mechanical+aspects+of+touch.">Four channels mediate the mechanical aspects of touch.</a> J. Acoust. Soc. Am. 84 (5), 1680-1694 (1988).</li><li>Giggins, O. M., Persson, U. M., Caulfield, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biofeedback+in+rehabilitation.">Biofeedback in rehabilitation.</a> J. Neuroeng. Rehabil. 10 (1), 60 (2013).</li><li>Shull, P. B., Jirattigalachote, W., Hunt, M. A., Cutkosky, M. R., Delp, S. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantified+self+and+human+movement:+A+review+on+the+clinical+impact+of+wearable+sensing+and+feedback+for+gait+analysis+and+intervention.">Quantified self and human movement: A review on the clinical impact of wearable sensing and feedback for gait analysis and intervention.</a> Gait Posture. 40 (1), 11-19 (2014).</li><li>Goodworth, A. D., Peterka, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sensorimotor+integration+for+multisegmental+frontal+plane+balance+control+in+humans.">Sensorimotor integration for multisegmental frontal plane balance control in humans.</a> J. Neurophysiol. 107 (1), 12-28 (2012).</li></ol>

Het doel van dit protocol is het kader voor het evalueren stimulatieparameters in vibrotactiele ASF toepassingen. In het bijzonder, onderzoekt de effecten van trillingen frequentie, amplitude, de locatie en volgorde op de gebruiker sensomotorische reactie. Dit kader kan worden uitgebouwd en uitgebreid met extra of alternatieve soorten gebruikersrespons die meer klinisch relevant, zoals een gemeenschappelijke buigen of gewichtsverplaatsing van het ene been naar het andere kan zijn opgenomen. Dit soort wijzigingen zou iet...

Kunstmatige zintuiglijke feedback (ASF) kan worden gedefinieerd als het gebruik van real-time biologische informatie aan individuen, vaak compenseren gecompromitteerd proprioceptie of andere zintuiglijke mechanisme. ASF is al lang gebruikt op het gebied van revalidatie van gewonde of personen met een handicap te helpen bij het ​​herstellen van de aspecten van de fysieke functie en beweging 1-3, waardoor individuen om fysische processen die ooit een onwillekeurige reactie van het autonome zenuwstelsel 4 waren onder controle. Een subcategorie van ASF, biomechanische biofeedback, maakt gebruik van externe sensoren om parameters met betrekking tot evenwicht of gait kinematica meten en communiceren van deze informatie aan het individu door middel van een soort van toegepaste stimulus. Een steeds populairder benadering biomechanische feedback telt kleine trilmotoren of magneetschakelaar, geplaatst op verschillende lichaamsdelen ruimtelijke en temporele feedback. Vorige literatuur p toondenromising resultaten die het gebruik van vibrotactiele feedback in toepassingen aan personen met een lagere ledematen amputaties, vestibulaire stoornissen, en veroudering gerelateerde verlies van evenwicht 5-9. Een goed begrip van de mechanismen die individuele perceptie en de reactie op specifieke stimuli noodzakelijk voor het informeren effectieve implementatie van ASF voor verschillende toepassingen. Voor vibrotactiele feedback, leider onder deze mechanismen proprioceptie en de sensorimotorische respons, specifiek de gebruiker gevoeligheid voor de toegepaste trillingen en de tijd die nodig is om de gewenste reactie uit te voeren. Elke sensorische informatie verstrekt via trillingen stimuli worden gecodeerd als specifieke combinaties van vibratie frequentie, amplitude, locatie en sequentie. Daarom moet het ontwerp van vibrotactiele ASF systemen combinaties van parameters te selecteren om de perceptie gebruiker en interpretatie van de stimuli te maximaliseren, zoalsen de tijdigheid en nauwkeurigheid van de resulterende motorische respons. Het doel van dit protocol is een platform om reactietijden en nauwkeurigheid reactie op verschillende stimuli vibrationele evalueren om het ontwerp van systemen ASF hoogte voor gebruik met verschillende sensorische verminderde bevolkingen. De hier beschreven methoden gebaseerd op eerder onderzoek verkennen menselijke waarneming van tactiele feedback en vibrotactiele 3,5,6, en is ontwikkeld voor gebruik in twee eerdere studies 10,11. De laatste twee studies gebruikt dit protocol om de effecten van trillingsfrequentie en op de nauwkeurigheid en actualiteit van gebruikerreacties in de onderste ledematen amputatie onderzoeken blijkt dat beide parameters significante invloed op de uitkomst maatregelen, en dat een hoge mate van nauwkeurigheid te kunnen reageren bereikt. Deze resultaten kunnen worden gebruikt om de ideale plaatsing van magneetschakelaar informeren toekomstige studies en klinische toepassingen van vibrotactiele ASF systemen. Ander recent werk vanCrea et al. 12 onderzocht gebruiker gevoeligheid voor veranderingen in vibratie patronen aangebracht op de dij gedurende het lopen, via verbale reacties op waargenomen veranderingen in de vibratie patronen in plaats van een motorische respons betekenen. Hoewel deze verbale reacties kunnen worden gebruikt om detectie nauwkeurigheid meten ze geen rekening met vertragingen en fouten die in de motorbesturing proces kan zijn. De primaire opstelling voor de volgende experimenten uit een aantal trilmotoren verbonden puls-breedte gemoduleerde output pinnen van een microcontroller board. Het bestuur is op zijn beurt gecontroleerd door middel van een Universal Serial Bus (USB) aansluiting op een computer met in de handel verkrijgbare systeemontwerp software. De motoren vereisen een extra versterkingschakeling om voldoende spanning te waarborgen en stroom wordt toegevoerd over een groot bereik van trillingsfrequenties. Een voorbeeld versterkerschakeling figuur 1. De bipolaire transistor (BJR) In de figuur kan worden vervangen door kleinere metaal-oxide-halfgeleider veldeffecttransistor (MOSFET) voor een efficiëntere werking en een kleiner formaat. Evenzo kan de gehele versterkerschakeling worden vervangen door een off-the-shelf haptische aandrijver extra en lagere grootte. Elke motor vereist een eigen circuit en met de in dit artikel vermelde apparatuur, tot tien motoren kunnen worden bediend met één microcontrollerbordje. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig1.jpg" /> Figuur 1. motorbedrading. (A) Het versterkingscircuit voor een vibratiemotor weergegeven. Elke motor is een apart circuit en moet worden aangesloten op een unieke PWM-uitgang van de microcontroller. De V DD hier staat voor de 3.3 V macht door de microcontroller raad van bestuur, en voor de weerstand R2 dient als een pull-down resister aan de transistor switch te garanderen blijft open wanneer nul spanning appgelogen. (B) Een voorbeeld van de fysieke bedrading van twee motoren. Hoewel acht afzonderlijke amplificatie circuits getoond, slechts twee zijn verbonden trilmotoren. In dit protocol R1 = 4,7 kOhm en R2 = 100 kOhm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54223/54223fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.</a>

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="849">
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Vibrating Pager Motors</td>
			<td style="width:107px;">Precision Microdrives</td>
			<td style="width:119px;">Model 310-101</td>
			<td style="width:407px;">Coin eccentric rotating mass motors.&#160; As many as necessary to test all locations and interactions of interest</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Tri-axis Accelerometer</td>
			<td style="width:107px;">Dimension Engineering</td>
			<td style="width:119px;">ADXL 335</td>
			<td style="width:407px;">Advanced analog accelerometer. 500Hz bandwidth, 3.5-15V input.&#160; Designed for motion, tilt, and slope measurement, as well as vibration and shock sensing</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Arduino Uno</td>
			<td style="width:107px;">Arduino</td>
			<td style="width:119px;">DEV-11021</td>
			<td style="width:407px;">Microcontroller board for communicating with the tri-axis accelerometer</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Arduion Mega 2560</td>
			<td style="width:107px;">Arduino</td>
			<td style="width:119px;">DEV-11061</td>
			<td style="width:407px;">Microcontroller board for interfacing with the vibration motors.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">LabVIEW</td>
			<td style="width:107px;">National Instruments</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:407px;">Data acquisition software used to control motors and display accelerometer signals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Arduino IDE Software</td>
			<td style="width:107px;">Arduino</td>
			<td style="width:119px;">v. 1.6.5</td>
			<td style="width:407px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Push-Button</td>
			<td style="width:107px;">Bridges</td>
			<td style="width:119px;">Buddy Button</td>
			<td style="width:407px;">Wired switch featuring a 2.5in/6.35cm activation surface that provides an auditory click and tactile feedback.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Optional:</td>
			<td style="width:107px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Dedicated haptic motor driver</td>
			<td style="width:107px;">Texas Instruments</td>
			<td>DRV2605L</td>
			<td style="width:407px;">Can be used to replace the entire amplification circuit described in Step 1.</td>
		</tr>
		<tr height="105">
			<td height="105" style="height:105px;width:216px;">Flexible wearable goniometer</td>
			<td style="width:107px;">Biometrics Ltd.</td>
			<td style="width:119px;">SG110</td>
			<td style="width:407px;">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</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a method for evaluating timeliness and accuracy of volitional motor responses to vibrotactile stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments. Effective design of these ASF systems requires an in-depth understanding of how the parameters of specific feedback mechanism affect user perception and reaction to stimuli. This article presents a method for applying vibrotactile stimuli to human participants and measuring their response. Rotating mass vibratory motors are placed at pre-defined locations on the participant's thigh, and controlled through custom hardware and software. The speed and accuracy of participants' volitional responses to vibrotactile stimuli are measured for researcher-specified combinations of motor placement and vibration frequency. While the protocol described here uses push-buttons to collect a simple binary response to the vibrotactile stimuli, the technique can be extended to other response mechanisms using inertial measurement units or pressure sensors to measure joint angle and weight bearing ratios, respectively. Similarly, the application of vibrotactile stimuli can be explored for body segments other than the thigh.

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

Watch this Scientific Journal Video about A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli at JoVE.com

A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli

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

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

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments.  Effective design ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioluminescence Imaging for Assessment of Immune Responses Following Implantation of Engineered Heart Tissue (EHT)

Bioluminescence Imaging for Assessment of Immune Responses Following Implantation of Engineered Heart Tissue EHT

Bioluminescentie Imaging voor beoordeling van immuunreacties na implantatie van Engineered hartweefsel (EHT)

Various techniques of cardiac tissue engineering have been pursued in the past decades including scaffolding strategies using either native or ...

Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Haptic / Grafische Revalidatie: Het integreren van een robot in een virtuele omgeving bibliotheek en toe te passen Stroke Therapy

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other ...

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

Ontwerp van een Cyclic Pressure Bioreactor voor de Ex Vivo Studie van Aorta hartkleppen

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

Using Microfluidics Chips for Live Imaging and Study of Injury Responses in Drosophila Larvae

Using Microfluidics Chips for Live Imaging and Study of Injury Responses in Drosophila Larvae

Met behulp van Microfluidics Chips voor Live Imaging en Studie van Injury Reacties in<em&gt; Drosophila</em&gt; Larven

Live imaging is an important technique for studying cell biological processes, however this can be challenging in live animals. The translucent cuticle of ...

An Improved Method for the Preparation of Type I Collagen From Skin

Een verbeterde werkwijze voor de bereiding van type I collageen van de huid

Soluble type 1 collagen (COL1) is used extensively as an adhesive substrate for cell cultures and as a cellular scaffold for regenerative applications. ...

Designing Microfluidic Devices for Studying Cellular Responses Under Single or Coexisting Chemical/Electrical/Shear Stress Stimuli

Het ontwerpen van microfluïdische apparaten voor het bestuderen van cellulaire reacties Onder Single of bestaande chemische / Elektro / Shear Stress Stimuli

Microfluidic devices are capable of creating a precise and controllable cellular micro-environment of pH, temperature, salt concentration, and other ...

Applications of In Vivo Functional Testing of the Rat Tibialis Anterior for Evaluating Tissue Engineered Skeletal Muscle Repair

Applications of In Vivo Functional Testing of the Rat Tibialis Anterior for Evaluating Tissue Engineered Skeletal Muscle Repair

toepassingen van<em&gt; In Vivo</em&gt; Functioneel testen van de Rat tibialis anterior voor de evaluatie van Tissue Engineered Skeletal Muscle Repair

Despite the regenerative capacity of skeletal muscle, permanent functional and/or cosmetic deficits (e.g., volumetric muscle loss (VML) resulting from ...

Evaluating Primary Blast Effects In Vitro

Evaluating Primary Blast Effects In Vitro

Beoordelende primaire Blast effecten In Vitro

Exposure to blast events can cause severe trauma to vital organs such as the lungs, ears, and brain. Understanding the mechanisms behind such ...

Dendrimer-based Uneven Nanopatterns to Locally Control Surface Adhesiveness: A Method to Direct Chondrogenic Differentiation

Dendrimeer gebaseerde ongelijke Nanopatterns naar lokaal controle oppervlak hechting: een methode om directe Chondrogenic differentiatie

Cellular adhesion and differentiation is conditioned by the nanoscale disposition of the extracellular matrix (ECM) components, with local concentrations ...