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).

El siguiente protocolo fue aprobado por el Consejo de Ética de Investigación en Holanda Bloorview hospital de la rehabilitación de los niños. 1. Motor de calibración <ol><li> Conectar la placa microcontrolador al ordenador mediante un puerto USB. </li><li> Usando el software microcontrolador original, cargar el script personalizado, &quot;Motor_and_AccelerometerTest.ino&quot; a la placa mediante la conexión USB haciendo clic en el icono &quot;Subir&quot;, denotado por la flecha hacia la derecha co...

<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>

El objetivo de este protocolo es proporcionar el marco para evaluar los parámetros de estimulación en aplicaciones ASF vibrotactile. En concreto, se examinan los efectos de la frecuencia de vibración, la amplitud, la ubicación y la secuencia en respuesta sensomotora usuario. Este marco se puede construir y ampliado para incorporar tipos adicionales o alternativos de respuesta del usuario que puede ser más clínicamente relevante, como doblar una articulación o cambiar el peso de una pierna a otra. Estos tipos de c...

retroalimentación sensorial Artificial (ASF) se puede definir como la práctica de proporcionar información biológica en tiempo real a los individuos, a menudo la compensación de la propiocepción comprometida u otro mecanismo sensorial. ASF se ha utilizado durante mucho tiempo en el ámbito de la rehabilitación de las personas heridas o discapacitadas para ayudar en la recuperación de los aspectos de la función física y el movimiento de 1 - 3, lo que permite a las personas controlar los procesos físicos que una vez fueron una respuesta involuntaria del sistema nervioso autónomo 4. Una subcategoría de peste porcina africana, la biorretroalimentación biomecánico, utiliza sensores externos para medir parámetros relativos al equilibrio o de la marcha cinemática, y comunicar esta información a la persona a través de algún tipo de estímulo aplicado. Un enfoque cada vez más popular a la retroalimentación biomecánico emplea pequeños motores de vibración, o contactores, colocados en diferentes partes del cuerpo para proporcionar espacial, así como la retroalimentación temporal. La literatura previa ha mostrado promising resultados apoyan el uso de la retroalimentación vibrotáctil en las aplicaciones a las personas con amputaciones de miembros inferiores, alteraciones vestibulares, y el envejecimiento relacionada con la pérdida de equilibrio 5 - 9. es necesario para informar a la aplicación efectiva de los sistemas de ASF para diferentes aplicaciones Una comprensión profunda de los mecanismos que controlan la percepción y la respuesta de un individuo a estímulos específicos. Para comentarios vibrotáctil, el principal de estos mecanismos son la propiocepción y la respuesta sensoriomotor, específicamente la sensibilidad del usuario a las vibraciones aplicadas y el tiempo necesario para ejecutar la reacción deseada. Cualquier información sensorial comunicada a través de estímulos de vibración debe ser codificada como combinaciones específicas de frecuencia de vibración, la amplitud, la ubicación y secuencia. Por lo tanto, el diseño de los sistemas de ASF vibrotactile debe seleccionar combinaciones de parámetros para maximizar la percepción del usuario y la interpretación de los estímulos, comoasí como la puntualidad y la exactitud de la respuesta motora resultante. El objetivo de este protocolo es proporcionar una plataforma desde la cual evaluar los tiempos de respuesta y la precisión de la respuesta a diversos estímulos vibratorios para informar el diseño de los sistemas de ASF para su uso con diferentes poblaciones con discapacidad sensorial. Los métodos descritos aquí se basa en investigaciones antes de explorar la percepción humana de retroalimentación táctil y vibrotáctil 3,5,6, y fue desarrollado para uso en dos estudios previos 10,11. Los últimos dos estudios emplean este protocolo para examinar los efectos de la frecuencia de vibración y la ubicación en la precisión y puntualidad de las respuestas del usuario en amputados de miembros inferiores, lo que demuestra que ambos parámetros afectan de manera significativa las medidas de resultado, y que un alto grado de precisión de respuesta pueden ser alcanzado. Estos resultados se pueden utilizar para informar a la colocación ideal de contactores en futuros estudios clínicos y aplicaciones de los sistemas vibrotáctil ASF. Otros trabajos recientes deCrea et al. 12 examinó la sensibilidad del usuario a los cambios en los patrones de vibración aplicada en el muslo durante la marcha, usando respuestas verbales para indicar cambios percibidos a los patrones de vibración, en lugar de una respuesta motor. Aunque estas respuestas verbales pueden ser utilizados para medir la precisión de detección, que no tienen en cuenta errores y retrasos que pueden estar presentes en el proceso de control del motor. La configuración primaria para los siguientes experimentos se compone de una serie de motores de vibración conectados a por ancho de pulso modulado pines de salida de una placa electronica. El tablero está, a su vez, controla a través de una conexión de bus serie universal (USB) a un equipo que ejecuta el software de diseño de sistemas disponibles en el mercado. Los motores requieren un circuito amplificador adicional para asegurar la suficiente tensión y la corriente se suministra a través de una amplia gama de frecuencias de vibración. Un circuito amplificador de ejemplo se muestra en la Figura 1. El transistor de unión bipolar (BJR) En la figura puede ser reemplazado con más pequeña de metal-óxido-semiconductor de efecto de campo transistor (MOSFET) para un funcionamiento más eficiente y el tamaño más pequeño. Del mismo modo, todo el circuito de amplificación puede ser sustituido por un controlador de motor háptica off-the-shelf para proporcionar un control adicional y la reducción de tamaño. Cada motor requiere su propio circuito, y el uso de los equipos mencionados en este documento, hasta diez motores puede ser controlado por una sola placa electronica. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig1.jpg" /> Figura 1. Motor de cableado. (A) El circuito de amplificación para un solo motor de vibración se muestra. Cada motor requiere un circuito separado y debe estar conectado a un puerto de salida PWM único en el microcontrolador. El V DD aquí representa la potencia de 3,3 V suministrada por la placa de desarrollo, y la resistencia R2 sirve como un resistente desplegable para garantizar el conmutador de transistor permanece abierto cuando el voltaje es cero aplicaciónmintió. (B) Un ejemplo del cableado físico de dos motores. Aunque se muestran ocho circuitos de amplificación individuales, sólo dos están conectados a motores de vibración. En este protocolo R1 = 4,7 kW y R2 = 100 kW. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54223/54223fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta 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 ilustra las curvas de calibración que identifican el valor de PWM para una frecuencia de vibración 180 Hz de un solo motor. A partir de un ciclo de trabajo del 50%, los valores de PWM son iterados hasta que el pico de frecuencia primaria se produce a 180 Hz. ensayos de calibración exitosas deben mostrar un pico claro en la frecuencia de vibración primaria. Mala fijación del acelerómetro al motor, o del motor a una superficie de soporte puede resultar en una FFT más difusa sin un pico ...

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

En este artículo se describe una técnica para la aplicación de estímulos vibrotáctiles en el muslo de un participante humano, y midiendo el tiempo la precisión y la reacción de la respuesta volitivo del participante para diversas combinaciones de ubicación estimulación y frecuencia.

Un método para evaluar puntualidad y la exactitud de las respuestas Volitiva Motorizados para vibrotáctil Estímulos

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

Research

JoVE Journal

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