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Ha sido desarrollada y montado una plataforma de sentarse pasivamente que desestabiliza la posición sentada en los seres humanos. Durante la tarea del usuario estabilizador, una unidad de medición inercial registra movimiento del dispositivo y elementos vibrantes entregan retroalimentación basado en resultados para el asiento. El dispositivo portátil y versátil puede utilizarse en rehabilitación, evaluación y paradigmas de formación.
Las perturbaciones posturales, seguimiento del movimiento y retroalimentación sensorial son técnicas modernas utilizadas para cuestionar, evaluar y capacitar sentada vertical, respectivamente. El objetivo del protocolo desarrollado es construir y operar una plataforma de sesión que puede ser pasivamente desestabilizada y una unidad de medición inercial cuantifica su movimiento vibratorios elementos entregan retroalimentación táctil al usuario. Accesorios asiento intercambiable alteran el nivel de estabilidad del dispositivo a con seguridad desafío sentado equilibrio. Un microcontrolador integrado permite ajuste de los parámetros de retroalimentación para aumentar la función sensorial. Medidas posturográficas, típicas de los protocolos de evaluación de equilibrio, un resumen de las señales de movimiento adquiridas durante los estudios de equilibrio tiempo. Ningún protocolo de sesión dinámico hasta la fecha ofrece desafío variable, cuantificación y regeneración sensorial de las limitaciones de laboratorio. Nuestros resultados demuestran que los no discapacitados usuarios de los cambios significativos de la exposición dispositivo posturográficas medidas cuando se altera el equilibrio dificultad o vibración feedback proporcionado. El dispositivo portátil y versátil tiene potenciales aplicaciones en rehabilitación (después de lesión esquelética, muscular o neurológico), capacitación (para deportes o conciencia espacial), entretenimiento (via virtual o aumentada realidad) e investigación (de trastornos relacionados con la sesión).
Vertical es un requisito previo para otras funciones sensoriomotoras humanas, incluyendo los movimientos calificados (p. ej., escribir) y perturbado equilibrio tareas (por ejemplo, montar en un tren). Para rehabilitar y mejorar las funciones de sentarse y relacionadas, se utilizan técnicas de entrenamiento de balance modernas: superficies inestables perturban sesión1,2 y seguimiento del movimiento cuantifica equilibrio competencia3,4 . Los resultados de entrenamiento de equilibrio mejoran cuando la vibración al cuerpo utilizando patrones que partido de actuación5. Tal retroalimentación sensorial es evidentemente eficaz como rehabilitación y método de entrenamiento; sin embargo, los métodos actuales de la regeneración sensorial están orientados hacia el equilibrio de pie y requieren equipos de laboratorio6,7.
El propósito del trabajo presentado aquí es construir un dispositivo portátil que se montaba y pasivamente desestabilizó a los varios grados incorporados instrumentos registran su posición y ofrecen retroalimentación de vibración a la superficie que se sienta. Esta combinación de herramientas integra trabajos previos en bamboleo sillas2,4 y regeneración vibracional5,6,7, haciendo que los beneficios de estas herramientas más de gran alcance y accesible. Se presentan también un procedimiento para capacitar a estar vertical y un análisis de los resultados cuantitativos, siguiendo la literatura establecida en posturográficas medidas8. Estos métodos son apropiados para estudiar los efectos de sentarse ejercicios de equilibrio con una superficie inestable cuando se combina con la regeneración vibracional. Usos previstos incluyen entrenamiento deportivo, mejora general de la coordinación motriz, evaluación de equilibrio habilidad y a raíz de la rehabilitación esquelética, muscular o neurológico lesiones.
Todos los métodos aquí descritos han sido aprobados por el Consejo de ética de investigación de salud de la Universidad de Alberta.
1. construcción y montaje de componentes estructurales
2. equipar el dispositivo
3. ejemplar evaluación y Protocolo de entrenamiento
Tabla 2 se muestra, para cada condición experimental, las medidas posturográficas derivadas de observaciones de la AP y ML soporte superficie inclinada, un promedio de 144 sobre ensayos de equilibrio realizados por 12 participantes (2 x 2 x 3 ensayos por participante).
Efecto de cambiar la condición de equilibrio: La condición de base fue elegida para ser dependiente en la condición de ojo (es decir, cuando se cerraron los ojos, la base era más estable). Así, la condición base y ojo juntos se considera una variable independiente (condición de equilibrio). Observaciones de la inclinación de la AP fueron significativamente diferentes entre las condiciones de dos equilibrio por raíz cuadrada media, frecuencia centroidal y dispersión de la frecuencia (según F-pruebas del cambio estimado, α = 0.05). El cambio computado en cada una de las medidas (media y desviación estándar) se muestra en la figura 7 y figura 8. Consistente con otros informes, estas medidas posturográficas pueden discriminar entre equilibrio de tareas4.
Efecto de cambiar la condición de Feedback: Durante los ensayos cuando estaba activo, el sistema de retroalimentación vibrotáctil la centroidal frecuencia de observaciones inclinación de AP fue significativamente más elevada que durante las pruebas de control (según F-pruebas del cambio estimado, α = 0.05). El cambio computado en cada una de las medidas posturográficas (media y desviación estándar) se muestra en la figura 9 y figura 10. Consistente con otros informes, este protocolo de regeneración vibrotáctil tiene un efecto mensurable sobre equilibrio rendimiento17.
Figura 1: despiece de la Asamblea chasis. Componentes estructurales incluyen: (1) tapa; (2) contrapeso; (3) chasis cilíndrico; (4) base stud; (5) enganche para fijar el accesorio de soporte de pierna (figura 3); (6) base; y barra (7,8) y manga para la fijación de uno de los cinco cilindros intercambiables (figura 2). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: vista lateral de un módulo base curvado. Cada uno de los cinco módulos tiene una altura total de 63 mm y un único radio de curvatura, que modula la dificultad de mantener el equilibrio en la superficie de descanso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: despiece del accesorio de soporte pierna. La ayuda de la pierna, que consiste en un enganche abrazadera y acabado el enchufe, la Plaza es de 600 mm de largo y puede quitarse durante el transporte del aparato o para permitir que el usuario haga pivotar las piernas libremente durante el ejercicio de equilibrio. Dimensiones parte detallada, ver 1 archivos complementarios (dibujos) y 2 (modelos sólidos 3D). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: un dispositivo de retroalimentación vibrotáctil equilibrio sentado evaluación y formación. (A) despiece de accesorios del dispositivo. Los componentes son: (1) la base, el chasis y la tapa; (2) la extrusión de acero para fijación del reposapiés; (3) dos pasadores de horquilla para asegurar el apoyapies; (4) el accesorio reposapiés de altura regulable; y (5) una de las cinco curvas módulos base. Estos componentes se pueden separar para facilitar el transporte o el almacenamiento. Dimensiones parte detallada, ver 1 archivos complementarios (dibujos) y 2 (modelos sólidos 3D). (B) fotografía vista superior del dispositivo. La tapa ha sido removida para ver la instrumentación electrónica, incluyendo: una unidad de medición inercial ubicada en un recinto personalizado impreso (centro); una placa de microcontrolador con conexión de bus serie universal (izquierda); ocho vibradores electrónicos en cajas impresas aduana (región media); y una barra (arriba) para contrarrestar el reposapiés de acero esta figura ha sido modificada de Williams et al. 18 . Republicado con el permiso de ASME, de "Diseño y evaluación de un instrumentados bamboleo Junta para evaluación y entrenamiento sentado equilibrio dinámico" en la revista de ingeniería biomecánica, AD Williams, Boser de QA, como Kumawat, K Agarwal, H Rouhani, AH Vette, vol. 140, abril de 2018; permiso a través de Copyright espacio centro, Inc. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: montaje de recinto para el vibrante tactors de dos partes. Un agujero de 4 mm en el recinto de tactor (arriba) instalado en una localización de pin en la plataforma de montaje (abajo) de 3 mm para reducir al mínimo la amortiguación de vibración. Dimensiones parte detallada, ver 1 archivos complementarios (dibujos) y 2 (modelos sólidos 3D). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: interfaz de usuario. Esta interfaz de usuario permite a los usuarios seleccionar los umbrales de respuesta vibrotáctil y adquirir datos. La longitud y la dirección del vector en el gráfico están proporcionales a la cinemática del dispositivo. El rectángulo refleja los umbrales AP y ML para retroalimentación. Esta figura ha sido modificada de Williams et al. 18 . Republicado con el permiso de ASME, de "Diseño y evaluación de un instrumentados bamboleo Junta para evaluación y entrenamiento sentado equilibrio dinámico" en la revista de ingeniería biomecánica, AD Williams, Boser de QA, como Kumawat, K Agarwal, H Rouhani, AH Vette, vol. 140, abril de 2018; permiso a través de Copyright espacio centro, Inc. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: resultados de la manipulación de la tarea en dominio de tiempo. Cambio en el dominio del tiempo posturográficas medidas cuando los participantes cierran los ojos y al mismo tiempo cambie a una base más estable (media y desviación estándar; asterisco representa cambio significativo según la prueba F, α = 0.05). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: resultados de la manipulación de la tarea en el dominio de la frecuencia. Cambio en las medidas posturográficas del dominio de la frecuencia cuando los participantes cierran los ojos y al mismo tiempo cambie a una base más estable (desviación media y estándar, los asteriscos representan cambios significativos según la prueba F, α = 0.05). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: resultados de retroalimentación vibrotáctil en dominio del tiempo. Cambio en el dominio del tiempo posturográficas medidas cuando los participantes cuentan con retroalimentación basada en rendimiento vibrotáctil (media y desviación estándar; cambios no eran estadísticamente significativos según la prueba F, α = 0.05). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10: resultados de retroalimentación vibrotáctil en dominio de la frecuencia. Cambiar de medidas posturográficas dominio de la frecuencia cuando los participantes cuentan con retroalimentación basada en rendimiento vibrotáctil (media y desviación estándar; asterisco representa cambio significativo según la prueba F, α = 0.05). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Radio de curvatura (cm) | ||
Más estable | 25 | Menos difícil de equilibrar |
20 | ||
15 | ||
13 | ||
Menos estable | 11 | Más difícil de equilibrar |
Tabla 1: propiedades geométricas de las bases intercambiables. La altura total de cada módulo base es 63 mm; así, una base con un menor radio de curvatura, cuando conectado al dispositivo, es menos estable que una base con un mayor radio de curvatura.
Medida posturográficas | Dirección de inclinación | Condición experimental | |||
Ojos abiertos | Ojos cerrados | ||||
Superficie muy inestable | Superficie ligeramente inestable | ||||
Vibración | Vibración | Vibración | Vibración | ||
De | En | De | En | ||
Raíz cuadrada media | Antero-Posterior | 1.60 | 1.62 | 2.01 | 1,70 |
[grados] | Mediolateral | 1.53 | 1.61 | 1,80 | 1.74 |
Significa velocidad | Antero-Posterior | 2.75 | 3.01 | 2.85 | 2.94 |
[grados/s] | Mediolateral | 3.04 | 3.14 | 3.38 | 3.44 |
Frecuencia centroidal | Antero-Posterior | 0.418 | 0.449 | 0.370 | 0.423 |
[Hz] | Mediolateral | 0.462 | 0,467 | 0.465 | 0.471 |
Dispersión de frecuencia | Antero-Posterior | 0.659 | 0.654 | 0.685 | 0.661 |
[-] | Mediolateral | 0.651 | 0.651 | 0.662 | 0.669 |
Tabla 2: resultados por las condiciones de equilibrio y regeneración. Medidas de Resumen derivadas de AP y ML se inclina durante ensayos de estar inestable. Apoyo estabilidad superficial más afección ocular, así como nivel de vibración son las variables manipuladas. Las medidas promedio fueron calculadas a través de todos los participantes.
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Archivo adicional 2: Haga clic aquí para descargar este archivo.
Archivo complementario 3: Haga clic aquí para descargar este archivo.
Se presentan métodos para la construcción de un dispositivo portátil, equipada, sala de estar. El aparato es portátil y durable, construcción en estudios previos de bamboleo sillas2,4 y regeneración vibracional5,6,7 para que los beneficios de estas herramientas más potentes y accesibles . Seguir el protocolo de montaje en sentido contrario para preparar el dispositivo para el transporte o el almacenamiento. La dificultad de la tarea de equilibrio puede ser modulada colocando bases con curvaturas diferentes. La selección de dificultad de la tarea es crítica; los usuarios deben desestabilizados para facilitar la formación activa sin correr el riesgo de lesiones.
Observación en tiempo real y el ajuste de los instrumentos integrados se basa en la comunicación serial entre el microcontrolador y la interfaz de usuario; disfunción del dispositivo requiere software y solución de problemas de hardware. Asegúrese de que todas las conexiones de hardware son seguras. Monitorizar la salida serial del microcontrolador para inesperado bytes. Probe el programa de interfaz de usuario para errores. Si un problema persiste, consulte a un diseñador de experiencia de Mecatrónica.
Competencia de equilibrio se caracteriza por medidas posturográficas derivadas de observaciones cinemáticas de la superficie de descanso. También puede observar el centro de la presión ejercida sobre una placa de fuerza, que se correlaciona con el ángulo de inclinación superficial2, pero requiere equipo adicional. Medidas posturográficas tienen diversa confiabilidad entre las sesiones2 y variable sensibilidad a la mejora del balance o trastorno19. La velocidad cuadrática media, media frecuencia centroidal y dispersión de frecuencia son medidas posturográficas comunes que se observaron al ser linealmente independientes entre sí. Considere la posibilidad de modificar el protocolo de análisis de señal para abordar objetivos de evaluación particular.
El dispositivo proporciona estímulo vibrotáctil el asiento según desempeño de tarea de equilibrio. La configuración óptima de control retroalimentación háptica es objeto de estudio continuo y un paso crítico en este protocolo, como ciertas estrategias de retroalimentación pueden deteriorar aprendizaje motor20. Métodos de regeneración vibrotáctil existentes han demostrado para mejorar la función del balance de situación y muchas otras tareas motor6,7. Tactors asiento incorporado hacer la técnica de retroalimentación vibrotáctil accesibles para paradigmas de equilibrio sentado. Aplicaciones futuras pueden incluir deportes entrenamiento, entrenamiento de orientación espacial, juegos de realidad virtual o aumentada, evaluación del nivel de equilibrio, investigación de equilibrio trastornos y rehabilitación después esquelética, muscular o neurológico lesiones.
Los autores no tienen nada que revelar.
Los autores reconocen los esfuerzos de diseño de los estudiantes de pregrado Animesh Singh Kumawat, Kshitij Agarwal, Quinn Boser, Benjamin Cheung, Caroline Collins, Sarah Lojczyc, Derek Schlenker, Katherine Schoepp y Arthur Zielinski. Este estudio fue financiado parcialmente con una subvención de descubrimiento de las ciencias naturales y Consejo de investigación de ingeniería de Canadá (RGPIN-2014-04666).
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 |
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