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).

Følgende protokoll ble godkjent av Forskningsetisk styret i Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital. 1. Motor Calibration <ol><li> Koble mikrokortet til datamaskinen ved hjelp av en USB-port. </li><li> Bruke den opprinnelige mikrokontroller programvare, laste opp egendefinert skript, &quot;Motor_and_AccelerometerTest.ino&quot; til styret ved hjelp av USB-tilkoblingen ved å klikke på &quot;Last opp&quot; -ikonet, merket med sirkel pil høyre. <ol><li> Sørg for at vibrasjonsnivået er satt til ...

<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>

Hensikten med denne protokollen er å gi rammeverk for å evaluere stimuleringsparametre i vibrotactile ASF applikasjoner. Konkret undersøker den effekten av vibrasjonsfrekvens, amplitude, plassering og rekkefølge på bruker sensorisk respons. Dette rammeverket kan bygges på og utvidet til å omfatte ytterligere eller alternative typer brukerrespons som kan være mer klinisk relevant som å bøye en joint eller flytte vekten fra det ene benet til en annen. Disse typer endringer vil kreve litt forskjellige maskinvarek...

Kunstig sensorisk feedback (ASF) kan defineres som den praksisen med å gi sanntid biologisk informasjon til enkeltpersoner, ofte kompensere for nedsatt propriosepsjon eller andre sensoriske mekanisme. ASF har vært lenge brukt i riket av rehabilitering av skadde eller funksjonshemmede personer til å bistå i å utvinne fra aspekter av fysisk funksjon og bevegelse 1-3, slik at enkeltpersoner til å kontrollere fysiske prosesser som en gang var en ufrivillig reaksjon av det autonome nervesystemet 4. En underkategori av ASF, biomekaniske biofeedback, bruker eksterne sensorer for å måle parametere knyttet til å balansere eller gangart kinematikk, og formidle denne informasjonen til den enkelte gjennom noen form for anvendt stimulans. En stadig mer populær måte å biomekaniske tilbakemeldinger syssels små vibrerende motorer, eller tactors lagt inn på ulike deler av kroppen for å gi romlig samt time tilbakemeldinger. Forrige litteratur har vist promising resultater som støtter bruk av vibrotactile tilbakemeldinger på søknader til personer med lavere lem amputasjoner, vestibular svekkelser, og aldring-relaterte tap av balanse 5-9. En grundig forståelse av mekanismene som styrer den enkeltes oppfatning og svar på spesifikke stimuli er nødvendig for å informere effektiv gjennomføring av ASF systemer for ulike bruksområder. For vibrotactile tilbakemeldinger, høvding blant disse mekanismene er propriosepsjon og sensorimotor respons, spesielt brukeren følsomhet mot de tilførte vibrasjoner og tiden det tar å utføre den ønskede reaksjon. Enhver sensorisk informasjon formidles gjennom vibrasjons stimuli må kodes som spesifikke kombinasjoner av vibrasjonsfrekvens, amplitude, plassering og rekkefølge. Derfor utforming av vibrotactile ASF systemer bør velge kombinasjoner av parametere for å maksimere brukerens oppfatning og tolkning av stimuli, somvel som aktualitet og nøyaktigheten av den resulterende motorisk respons. Målet med denne protokollen er å tilby en plattform for å vurdere responstid og respons nøyaktighet til ulike vibrasjons stimuli for å informere utformingen av ASF-systemer for bruk med ulike sansehemninger populasjoner. Metodene som beskrives her bygger på tidligere forskning utforsking human oppfatning av taktil tilbakemelding og vibrotactile 3,5,6, og er utviklet for bruk i to tidligere studier 10,11. De to sistnevnte studiene ansatt denne protokollen for å undersøke effekten av vibrasjon frekvens og plassering på nøyaktigheten og aktualitet av bruker responser i underekstremitets amputerte, viser at begge parametrene signifikant påvirke utfallsmål, og at en høy grad av respons nøyaktighet kan være oppnådd. Disse resultatene kan brukes til å informere den ideelle plasseringen av tactors i fremtidige studier og kliniske anvendelser av vibrotactile ASF systemer. Andre nyere verk avCrea et al., 12 kontrollert brukeren følsomhet overfor endringer i vibrasjonsmønstre påføres på lår under gange, ved hjelp av verbale responser for å betegne oppfattes endringer i vibrasjonsmønstre, i stedet for en motorisk respons. Selv om disse verbale responser kan brukes til å måle deteksjon nøyaktighet, har de ikke hensyn til feil og forsinkelser som kan være til stede i motorstyreprosessen. Den primære oppsett for de følgende eksperimenter består av et antall vibrerende motorer som er koblet til puls-breddemodulerte utgang pinner av en mikrokontroller bord. Styret er i sin tur kontrolleres gjennom en Universal Serial Bus (USB) til en datamaskin som kjører kommersielt tilgjengelig system design software. Motorene krever en ekstra forsterkerkrets for å sikre tilstrekkelig spenning og strøm tilføres over et bredt spekter av vibrasjonsfrekvenser. Et eksempel forsterkerkretsen er vist på figur 1. Den bipolar junction transistor (BJR) I figuren kan erstattes med mindre metall-oksyd-halvlederfelteffekttransistor (MOSFET) for mer effektiv drift og mindre størrelse. På samme måte kan hele forsterkerkrets bli erstattet av en off-the-sokkel haptisk motor driver for å gi ytterligere kontroll og redusert størrelse. Hver motor krever sin egen krets, og ved bruk av utstyret som er oppført i dette papir, opp til ti motorene kan styres av en enkelt mikrokontroller bord. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig1.jpg" /> Figur 1. Motor Kabling. (A) Forsterkningen krets for en enkelt vibrasjonsmotoren er vist. Hver motor krever en separat krets og må være koblet til en unik PWM utgang på mikrokontrolleren. V DD her representerer 3,3 V strøm levert av mikrokontrolleren bord, og motstanden R2 fungerer som en rullegardin resister å sikre transistoren bryter forblir åpen når null spenning er ca.løy. (B) Et eksempel på en fysisk kobling av to motorer. Selv om åtte individuelle forsterkerkretser er vist, bare to er koblet til vibrasjonsmotorer. I denne protokollen R1 = 4,7 kohm og R2 = 100 kohm. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54223/54223fig1large.jpg" target="_blank">Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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.

Figur 4 viser kalibreringskurvene som identifiserer PWM verdi for en 180 Hz vibrasjonsfrekvens av en enkelt motor. Allerede ved en 50% arbeidssyklus, er PWM-verdiene itereres inntil den primære frekvens pigg skjer på 180 Hz. Vellykket kalibreringsforsøk bør vise en klar pigg på barnevibrasjonsfrekvens. Dårlig fiksering av akselerometeret til motoren, eller av motoren til en bæreflate, kan resultere i en mer diffus FFT uten en klar pigg. I denne situasjonen bør kalibreringen rettssaken gjentas et...

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

Denne artikkelen beskriver en teknikk for påføring vibrotactile stimuli til låret av en human deltaker, og måling av nøyaktighet og reaksjonstiden av deltakernes viljebestemt respons for forskjellige kombinasjoner av stimulering plassering og frekvens.

En metode for å evaluere Aktualitet og nøyaktighet av vilje 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 ...

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

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

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

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

Bruke Microfluidics Chips for Live Imaging and Study of Injury Responses i<em&gt; Drosophila</em&gt; Larver

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

En forbedret fremgangsmåte for fremstillingen av type I kollagen fra hud

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

Designing mikrofluid Enheter for å studere cellulære responser Under Singel eller andre sykdoms Kjemisk / 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

anvendelser av<em&gt; I Vivo</em&gt; Functional Testing av Rat tibialis anterior for Vurderer Tissue Konstruert Skeletal Muscle Reparasjon

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

Evaluering primære Blast effekter 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

Dendrimer-baserte ujevn Nanopatterns til lokalt kontroll overflaten feste: en metode for å direkte Chondrogenic differensiering

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