Name: a method for evaluating timeliness and accuracy of volitional motor responses to vibrotactile stimuli
Uploaded: 2016-08-02T14:00:00
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This protocol was developed for research supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (grant RGPIN 401963).

Il seguente protocollo è stato approvato dal Comitato Etico di ricerca presso Olanda Bloorview bambini Rehabilitation Hospital. 1. La calibrazione del motore <ol><li> Collegare la scheda microcontrollore al computer tramite una porta USB. </li><li> Utilizzando il software microcontrollore originale, caricare lo script personalizzato, &quot;Motor_and_AccelerometerTest.ino&quot; per la scheda utilizzando la connessione USB facendo clic sull&#39;icona &quot;Carica&quot;, indicata con la freccia a destra c...

<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>

Lo scopo di questo protocollo è quello di fornire il quadro per la valutazione dei parametri di stimolazione in applicazioni ASF vibrotattili. In particolare, esamina gli effetti della frequenza di vibrazione, l&#39;ampiezza, l&#39;ubicazione, e la sequenza di risposta degli utenti sensomotoria. Questo quadro può essere costruito su e ampliato per incorporare tipi aggiuntivi o alternativi di risposta degli utenti che possono essere più clinicamente rilevanti, come ad esempio la piegatura di un comune o spostando il p...

feedback sensoriale artificiale (ASF) può essere definita come la pratica di fornire in tempo reale informazioni biologiche di individui, spesso compensare proprioception compromesso o altro meccanismo sensoriale. ASF è stato a lungo utilizzato nel campo della riabilitazione di feriti o disabili, per aiutare nel recupero di aspetti della funzione fisica e di movimento 1-3, consentendo ai singoli di controllare i processi fisici che un tempo erano una risposta involontaria del sistema nervoso autonomo 4. Una sottocategoria di ASF, biofeedback biomeccanico, utilizza sensori esterni per misurare i parametri relativi al pareggio o andatura cinematica, e comunica tali informazioni alla persona attraverso una sorta di stimolo applicato. Un approccio sempre più popolare al feedback biomeccanico impiega motori piccoli vibranti o contattori, collocati a diverse parti del corpo per fornire spaziale e temporale risposte. la letteratura precedente ha mostrato promising risultati supportano l&#39;uso del feedback vibro-tattile nelle applicazioni per le persone con amputazioni degli arti inferiori, disturbi vestibolari, e l&#39;invecchiamento relative perdita di equilibrio 5-9. Una conoscenza approfondita dei meccanismi che controllano la percezione e la risposta di un individuo a stimoli specifici è necessaria per informare l&#39;effettiva attuazione di sistemi ASF per diverse applicazioni. Per feedback vibrotattile, primo fra questi meccanismi sono propriocettiva e la risposta motoria, in particolare la sensibilità utente alle vibrazioni applicate e il tempo necessario per eseguire la reazione desiderata. Tutte le informazioni sensoriali comunicati attraverso stimoli di vibrazione deve essere codificato come specifiche combinazioni di frequenza di vibrazione, l&#39;ampiezza, la posizione e la sequenza. Pertanto, progettazione di sistemi ASF vibrotattili dovrebbe selezionare combinazioni di parametri per ottimizzare la percezione dell&#39;utente e l&#39;interpretazione degli stimoli, comenonché la tempestività e l&#39;accuratezza della risposta motoria risultante. L&#39;obiettivo di questo protocollo è quello di fornire una piattaforma da cui partire per valutare i tempi di risposta e precisione di risposta a vari stimoli vibrazionali per informare la progettazione di sistemi ASF per l&#39;uso con diverse popolazioni sensoriali ridotta. I metodi descritti qui si basa su ricerche prima di esplorare la percezione umana di tattile e vibro-tattile di feedback 3,5,6, e &#39;stato sviluppato per l&#39;uso in due studi precedenti 10,11. Gli ultimi due studi impiegate questo protocollo per esaminare gli effetti della frequenza di vibrazione e posizione sulla precisione e la tempestività delle risposte degli utenti in amputati degli arti inferiori, dimostrando che entrambi i parametri influenzano in modo significativo le misure di esito, e che un alto grado di precisione di risposta possono essere raggiunto. Questi risultati possono essere utilizzati per informare la collocazione ideale di contattori in studi futuri e le applicazioni cliniche dei sistemi vibro-tattile ASF. Altri lavori recenteCrea et al. 12 esaminato sensibilità all&#39;utente di cambiamenti nei modelli di vibrazione applicate alla coscia durante la deambulazione, con risposte verbali per indicare cambiamenti percepiti ai modelli di vibrazione, piuttosto che una risposta motoria. Mentre queste risposte verbali possono essere utilizzati per misurare la precisione di rilevamento, non rappresentano errori e ritardi che possono essere presenti nel processo di controllo del motore. La configurazione principale per i seguenti esperimenti consiste di un numero di motori vibranti collegati a impulsi a larghezza modulata pin di uscita di un microcontrollore. La scheda è, a sua volta, controllato attraverso una connessione Universal Serial Bus (USB) a un computer che esegue il software di progettazione di sistema disponibile in commercio. I motori richiedono un circuito amplificatore aggiuntivo per assicurare una tensione sufficiente e la corrente viene fornita in un ampio intervallo di frequenze di vibrazione. Un circuito amplificatore esempio è mostrato in Figura 1. Il transistor bipolare a giunzione (BJR) In figura può essere sostituito con transistor a effetto di campo più piccolo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET) per un funzionamento più efficiente e più piccolo formato. Allo stesso modo, l&#39;intero circuito amplificatore può essere sostituito da un driver del motore aptico off-the-shelf per fornire un controllo supplementare e dimensioni ridotte. Ogni motore richiede un proprio circuito, e utilizzando le attrezzature elencate in questo documento, fino a dieci motori può essere controllato da un singolo microcontrollore. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig1.jpg" /> È mostrato Figura 1. Il motore elettrico. (A) Il circuito di amplificazione di un singolo motore di vibrazione. Ogni motore richiede un circuito separato e deve essere collegato ad una porta di uscita PWM unico sul microcontrollore. Il V DD qui rappresenta la potenza 3,3 V fornita dalla scheda microcontrollore, e la resistenza R2 serve come un oppositore di pull-down per garantire l&#39;interruttore a transistor rimane aperto quando la tensione zero è appmentito. (B) Un esempio di cablaggio fisico di due motori. Sebbene otto circuiti di amplificazione individuali sono mostrati solo due sono collegati a motori a vibrazione. In questo protocollo R1 = 4,7 kΩ e R2 = 100 k. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54223/54223fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</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.

La figura 4 illustra le curve di calibrazione che identificano il valore di PWM per una frequenza di vibrazione 180 Hz di un unico motore. A partire da un duty cycle del 50%, i valori PWM sono iterate fino al picco di frequenza primaria avviene a 180 Hz. le prove di calibrazione di successo dovrebbero mostrare un netto picco alla frequenza di vibrazione primaria. Scarsa fissaggio dell&#39;accelerometro al motore, o del motore ad una superficie di supporto può risultare in un FFT più diffuso senza un p...

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

Questo articolo descrive una tecnica per applicare stimoli vibrotattili alla coscia di un partecipante umana, e misurando il tempo accuratezza e la reazione della risposta volitional del partecipante per varie combinazioni di posizione stimolazione e frequenza.

Un metodo per la valutazione tempestività e l&#39;accuratezza delle risposte volitivo motore a vibrotattili stimoli

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)

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Imaging bioluminescenza per la valutazione delle risposte immunitarie A seguito di impianto di tessuto cardiaco Composti (EHT)

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

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Bioingegneria

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Haptic / grafica di riabilitazione: integrazione di un robot in un ambiente di biblioteca virtuale e sua applicazione alla terapia Corsa

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

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

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

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