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 cerchiata. <ol><li> Assicurarsi che il livello di vibrazione è impostato a zero per mettere il motore in posizione di OFF con il comando &quot;analogWrite&quot;. Il codice dovrebbe leggere &quot;analogWrite (vibe1,0);&quot;. </li><li> Nel codice microcontrollore, specificare l&#39;ampiezza d&#39;impulso modulata pin (PWM) di uscita corrispondente al motore di interesse inizializzando la variabile &quot;vibe1&quot;. Nota: segnali PWM generare uscite analogiche approssimate dai segnali digitali generati dal microcontrollore. I perni sono labeled numericamente sulla scheda microcontrollore fisico. Ad esempio, se il motore è collegato all&#39;uscita PWM pin &#39;3&#39;, quindi garantire che il &quot;int vibe1 = 3;&quot; è specificato nel codice. </li></ol></li><li> Collegare l&#39;uscita asse z dell&#39;accelerometro triassiale per una delle porte di ingresso analogici del microcontrollore, e collegare il positivo e massa conduce dall&#39;accelerometro al 5V e porte massa (GND) del microcontrollore, rispettivamente. </li><li> Montare l&#39;accelerometro al motore a vibrazione, assicurando che il suo asse z è ortogonale alla superficie piana del motore, come mostrato nella Figura 2, e posizionare il motore su una superficie dura. </li><li> Aprire il file &quot;Motor_Calibration.vi&quot; nel software di acquisizione dati e collegare il microcontrollore al computer tramite una porta USB. </li><li> Utilizzando appositi campi, specificare la porta seriale per l&#39;ingresso microcontrollore, utilizzando il menu a discesa, così come la frequenza di campionamento, e numBER di campioni da raccogliere. Nota: frequenza di campionamento di 500 Hz è standard per questi esperimenti per evitare aliasing dei dati di accelerazione, e 1.000 campioni sono comunemente registrate. </li><li> Utilizzando il codice &quot;Motor_and_Accelerometer.ino&quot;, specificare il ciclo di lavoro desiderato degli impulsi PWM in dotazione al motore vibrante, ancora una volta con il comando &quot;analogWrite&quot;, e ri-scaricare il programma alla scheda microcontrollore controllo dei motori (vedi punto 1.1 ). Ad esempio, per impostare il numero di impulsi a 100, il codice dovrebbe leggere &quot;analogWrite (vibe1,100);&quot;. La tabella 1 elenca i valori PWM ed i loro cicli di lavoro corrispondente. </li><li> Utilizzando la trasformazione visualizzazione Fourier veloce (FFT) sull&#39;interfaccia &quot;MotorCalibration.vi&quot;, identificare il picco più grande e registrare il valore della frequenza di vibrazione corrispondente (dall&#39;asse orizzontale). </li><li> Ripetere i passaggi 1,7-1,8, regolando i livelli PWM fino a raggiungere la frequenza desiderata, registrando ogni pai PWM frequenzar. Ad esempio, se il targeting una frequenza di 100 Hz, eseguire i passaggi 1,7-1,8 fino alla più grande picco si verifica sopra i 100 Hz sull&#39;asse orizzontale. Nota: Per i motori vibrazionali utilizzati in questo protocollo, le vibrazioni mirate dovrebbero essere comprese nella banda 60-400 Hz per adattarsi meglio le frequenze di risposta dei meccanocettori nella pelle descritti in letteratura 5,10,13. </li><li> Ripetere i punti 1.2.2 a 1.8 per ogni motore, la registrazione manualmente il rapporto PWM-frequenza per ogni motore con un foglio di calcolo o di carta e matita. </li><li> Aprire il file &quot;Experiment_1.vi&quot;. Per ogni motore, fare clic destro sul menu a discesa e selezionare la frequenza &quot;Proprietà&quot;. Nella scheda &quot;Modifica elementi&quot;, utilizzare la tabella per inserire le frequenze desiderate e livelli PWM corrispondenti indicati nei passaggi 1,8-1,9. Selezionare &quot;OK&quot; per uscire. </li><li> Ripetere il punto 1.11 per ogni file di interfaccia virtuale (VI) del software di progettazione del sistema da utilizzare durante i test (ad esempio, &quot;Experiment_2.vi &quot;,&quot; Experiment_3.vi &quot;, etc.). </li></ol><img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig2.jpg" /> Figura 2. accelerometro montato al motore. L&#39;accelerometro tri-asse (verde) è montato sul motore moneta con il suo asse z ortogonale alla superficie piatta del motore per la calibrazione. Ogni motore è stato attivato utilizzando diversi cicli di lavoro, e le frequenze di vibrazione corrispondenti sono stati registrati dall&#39;accelerometro. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54223/54223fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> 2. Posizionamento dei Motori <ol><li> Una volta che tutti i motori sono stati tarati (sezione 2), montarli alla coscia. <ol><li> Per ottenere i risultati descritti in questo manoscritto, collocare un motore su ciascuno dei anteriore, posteriore, mediale, e superfici laterali della coscia, circa a metà essereinterpolare il grande trocantere e condilo femorale laterale (o distale dell&#39;arto per amputati sopra-ginocchio). Nota: Le posizioni specifiche di ciascun motore può variare, a seconda delle domande di ricerca e le regioni di interesse, e possono essere influenzate da fattori anatomici e fisiologici, quali il tipo e la distribuzione spaziale dei meccanocettori nella pelle. </li></ol></li><li> Fissare i motori direttamente sulla pelle con del nastro biadesivo. Nota: rasatura nella zona di ciascun motore non è necessario, ma può migliorare la loro adesione alla cute (figura 3). Per applicazioni in cui gli effetti di abbigliamento, una fodera protesi, o qualche altro materiale sulla percezione dell&#39;utente sono di interesse, posizionare i motori sopra di detto materiale, piuttosto che contro la pelle. </li></ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig3.jpg" /> Figura Piattaforma 3. prova per esperimenti. Una piattaforma di test personalizzato è stato costruito per ospitare tegli microcontrollore schede e pulsanti. I motori possono essere collegati direttamente sulla pelle (come indicato), o con una fodera protesico tra il motore e la pelle. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54223/54223fig3large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> 3. Esperimento 1: L&#39;applicazione di stimoli e di reazione Tempo di registrazione <ol><li> Re-flash della scheda microcontrollore con il firmware per consentire il controllo della tavola attraverso il software di acquisizione dati aprendo il file &quot;LVIFA_Base.pde&quot; con il pacchetto software che accompagna il controller, e ripetendo Passo 1.1, sostituendo &quot;Motor_and_Accelerometer_Test.ino&quot; con la &quot; LVIFA_Base.pde script &quot;. </li><li> Collegare il pulsante direttamente a una delle porte USB del computer utilizzando un connettore seriale-a-USB. Assicurarsi che tutti i driver necessari sono installati. </li><li> Aprire l&#39;interfaccia &quot;Experiment_1.vi&quot;. </li><li> Specificare il numero di serieporte per la scheda microcontrollore collegato ai motori e pulsante selezionando il numero di identificazione della porta seriale corrispondente dal menu a discesa con l&#39;etichetta &quot;di ingresso del motore&quot; e &quot;Green Button&quot;, rispettivamente. Identificare i numeri di identificazione porta seriale con sistema operativo utilità di gestione periferiche del computer. </li><li> Selezionare il file per registrare i risultati e avviare il programma. </li><li> Selezionare i motori e le frequenze da attivare scegliendo tra i menu a discesa per ogni motore nell&#39;interfaccia &quot;Experiment_1.vi&quot;. Avere il partecipante stampa il pulsante con la gamba su cui è applicato il feedback quando una vibrazione è sentito. Dopo che il pulsante è stato premuto, confermare la risposta nell&#39;interfaccia software di acquisizione dati notando che l&#39;orologio si è fermato il conteggio, e reimpostare i motori per la prova successiva selezionando la nuova serie di frequenze dai menu a discesa. </li><li> Una volta che l&#39;esperimento è concluso, utilizzare il drmenu opdown per tornare tutte le frequenze del motore in posizione zero e selezionare il pulsante &quot;Stop programma&quot; per terminare la connessione alla scheda di controllo del motore. </li></ol> 4. Esperimento 2: Distinguere tra gli stimoli Nota: Questo esperimento può essere condotto del tutto indipendente dal Esperimento 1. Un singolo o più motori multipli possono essere utilizzati. Le posizioni specifiche dei motori possono variare a seconda delle questioni di applicazione e di ricerca. <ol><li> Collegare un secondo pulsante a un&#39;altra porta USB utilizzando un connettore seriale-USB. </li><li> Aprire l&#39;interfaccia di acquisizione dati &quot;Experiment_2.vi&quot;. </li><li> Mettere i motori nelle posizioni e configurazioni necessarie per l&#39;applicazione di ricerca specifico. Ad esempio, inserire motori a singola sulla coscia, a metà strada tra il grande trocantere e condilo femorale laterale (o l&#39;estremità distale dell&#39;arto per utenti), su ciascuna delle anteriore, posteriore, laterale e superfici mediale della coscia all&#39;examine la sensibilità di frequenza in ciascuna di queste porzioni di gamba 10,11. </li><li> Specificare le porte seriali per la scheda microcontrollore e due pulsanti che utilizzano la stessa procedura Fase 3.4. Assicurati di notare che a pulsante viene assegnato a ogni porta. </li><li> Selezionare i motori specifici da attivare e la sequenza desiderata di frequenze, cliccando sulle icone &quot;a motore&quot; nell&#39;interfaccia software. Ad esempio, si supponga tre frequenze sono in fase di test, come ad esempio 140 Hz, 180 Hz, e 220 Hz. Una serie di test può essere (1) 180 Hz seguito da 140 Hz, (2) 220 Hz seguito da 140 Hz, e (3) 180 Hz seguito da 220 Hz. </li><li> Inserire il ritardo ora di inizio e la durata di stimolazione. 1.5 sec è tipica sia per il ritardo e tempi di stimolazione. </li><li> Avviare il programma. Nota: Il dopo il ritardo specificato nel passo 4.6, il programma attiverà il motore (s) con la sequenza di frequenze accoppiate scelti nel passo 4.5. Ad esempio, se 180 Hz vs 220 Hz era sezionato al punto 4.5, il motore corrispondente prima vibra a 180 Hz per la durata specificata prima di passare a 220 Hz. </li><li> Avere il partecipante premere uno dei due pulsanti per scegliere se la seconda frequenza percepita è superiore o inferiore al primo. Le risposte saranno automaticamente registrati dal programma. </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

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 peso da una gamba all&#39;altra. Questi tipi di modifiche richiederebbero leggermente diverse configurazioni hardware, ovvero la sostituzione dei tasti con dispositivi come unità di misura inerziale (IMUS) o sensori di pressione, nonché le modifiche allegate all&#39;interfaccia virtuale. Allo stesso modo, anche se il protocollo presentato qui richiede ai partecipanti di essere in posizione seduta, sarebbero necessarie solo piccole modifiche hardware per rendere la transizione a più clinicamente posizioni rilevanti, come il bilanciamento in piedi o walprove re. In entrambi gli esperimenti, il pulsante (s) può essere premuto con la mano, gamba, piede, o con altri mezzi, a seconda della specifica domanda di ricerca e risposta desiderata. Inoltre, ulteriori studi che impiegano questo protocollo di base possono essere utilizzati per esplorare gli effetti di differenti retroazione codifica strategie, località, e l&#39;incorporazione in protesi nuove o esistenti. Ad esempio, in sede di attuazione di feedback vibro-tattile in protesi degli arti inferiori, può essere interessante per esaminare gli effetti della presa protesica e liner sulla sensibilità utente agli stimoli. Mentre i protocolli descritti in questo manoscritto richiedono l&#39;attivazione semi-manuale dei motori vibranti (attraverso l&#39;interfaccia), essi possono essere facilmente modificati per consentire l&#39;attivazione del motore in risposta a misurazioni cinetiche o cinematici da sensori esterni. Utilizzando dispositivi di misurazione, come Imus, goniometri, sensori pressioni, ecc, al posto del pulsante, esperimenti possono essere conducted per esaminare i tempi di risposta utente più fisiologicamente rilevanti e la precisione al feedback vibro-tattile fornito. Questo tipo di studio dovrebbe impiegare un protocolli simili a quelli descritti negli esperimenti 1 e 2, ma richiederebbe un sistema di controllo aggiuntivo per convertire l&#39;ingresso del sensore in istruzioni inviate ai motori vibratori, nonché modifiche al software di acquisizione dati per interfacciarsi con le nuove modifiche hardware. Un esempio di implementazione di una risposta fisiologicamente rilevanti è quello di sostituire il pulsante con un goniometro per misurare variazioni di angolo del ginocchio. Per questo tipo di esperimento, il goniometro sarebbe montato sulla superficie laterale del ginocchio, e piuttosto che premendo il pulsante, partecipanti sarebbe incaricato di piegare il ginocchio ad un angolo di ginocchio pre-definito (ad esempio, 90 gradi) su percezione di una vibrazione del motore. tempi di reazione utente vengono definite come il tempo trascorso tra stimolo applicata e quando il un giuntoGLE deposita su o vicino al valore desiderato (ad esempio, 90 ° ± 10 °). la precisione Il movimento può anche essere valutata calcolando l&#39;errore per cento tra il bersaglio e gli angoli raggiunti. Negli ultimi dieci anni, numerosi studi hanno esplorato l&#39;uso del feedback vibrotattile in una varietà di applicazioni biomeccaniche, compresa la sua efficacia come strumento di formazione per migliorare deambulazione e dell&#39;equilibrio 14,15. La maggior parte di questi studi si sono concentrati sulle implicazioni cliniche di biofeedback, esaminare eventuali modifiche a specifici parametri cinetici o cinematici quando viene applicato il feedback vibro-tattile. Come tale, la maggior parte dei protocolli selezionare un singolo set di parametri di stimolazione, con poche esaminando sensibilità all&#39;utente di posizione vibrazioni, ampiezza o pattern. Il protocollo presentato qui serve come un primo passo verso la percezione dell&#39;utente intesa per vibrotattili stimoli che devono essere eseguite prima di valutare gli effetti di questi stimoli su specifica clincondizioni di iCal. Lavoro in più, come quello di Goodworth et al. 7,16, che ha esplorato varie strategie di codifica per tradurre le informazioni sensoriali in stimoli vibratori, e Crea et al. 12, che ha valutato la sensibilità all&#39;utente di cambiamenti nei modelli di vibrazione, integrare questi esperimenti di fornire una comprensione più completa di come ottimizzare il feedback vibro-tattile per applicazioni specifiche biomeccanica. Va notato che una limitazione fondamentale di questo sistema sperimentale, come con altri sistemi riportati in letteratura 5,6, spetta ai motori vibranti, la cui frequenza coppia vibrazioni e grandezza. Cioè, aumenti o diminuzioni di frequenza di vibrazione sono accompagnati da variazioni proporzionali ampiezza. La separazione di questi due parametri richiede un tipo differente di motore, ad esempio attuatori lineari risonanza, così come driver del motore più avanzate per alimentare i motori più sofisticati. Additaggiornamenti ionale all&#39;interfaccia esistente sarebbe necessario per ospitare il nuovo hardware e il parametro di ampiezza aggiuntivo. La procedura di calibrazione è fondamentale per il buon esito di questi esperimenti, e dovrebbe essere eseguita indipendentemente per ogni motore utilizzato negli esperimenti successivi. Mentre il rapporto ciclo di frequenza dazio deve essere nominalmente lo stesso tipo per motori identici, piccole differenze nella costruzione del motore possono tradursi in variazioni non banali alle frequenze risultanti. Ad esempio, mentre lo sviluppo di questa procedura, una frequenza di 180 Hz bersaglio è stato raggiunto utilizzando valori PWM vanno da 103-143 per i diversi motori.

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.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54223/54223fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a>

<table><tbody><tr><td>Vibrating Pager Motors</td><td>Precision Microdrives</td><td>Model 310-101</td><td>Coin eccentric rotating mass motors.&amp;nbsp; As many as necessary to test all locations and interactions of interest</td></tr><tr><td>Tri-axis Accelerometer</td><td>Dimension Engineering</td><td>ADXL 335</td><td>Advanced analog accelerometer. 500&amp;nbsp;Hz bandwidth, 3.5-15&amp;nbsp;V input. Designed for motion, tilt, and slope measurement, as well as vibration and shock sensing.</td></tr><tr><td>Arduino Uno</td><td>Arduino</td><td>DEV-11021</td><td>Microcontroller board for communicating with the tri-axis accelerometer</td></tr><tr><td>Arduion Mega 2560</td><td>Arduino</td><td>DEV-11061</td><td>Microcontroller board for interfacing with the vibration motors.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments</td><td></td><td>Data acquisition software used to control motors and display accelerometer signals</td></tr><tr><td>Arduino IDE Software</td><td>Arduino</td><td>v. 1.6.5</td><td></td></tr><tr><td>Push-Button</td><td>Bridges</td><td>Buddy Button</td><td>Wired switch featuring a 2.5&amp;nbsp;in/6.35&amp;nbsp;cm activation surface that provides an auditory click and tactile feedback.</td></tr><tr><td>Optional:</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dedicated haptic motor driver</td><td>Texas Instruments</td><td>DRV2605L</td><td>Can be used to replace the entire amplification circuit described in Step 1.</td></tr><tr><td>Flexible wearable goniometer</td><td>Biometrics Ltd.</td><td>SG110</td><td>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.&lt;br/&gt; 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 picco chiara. In questa situazione, il processo di calibrazione va ripetuta dopo i supporti sono state regolate per assicurare una migliore connessione. La figura 5A mostra i tempi di reazione tra la risposta stimolo e spinta tasto registrato per Esperimento 1 per tre frequenze di vibrazione, 140 Hz, 180 Hz, e 220 ​​Hz, applicati sulla superficie anteriore della coscia per dieci partecipanti normodotati e tre amputati 10. Ripetute analisi della varianza per misure (ANOVA) eanalisi Tukey post-hoc utilizzando la correzione di Bonferroni è stato utilizzato per identificare gli effetti specifici di ogni frequenza. Questi dati mostrano una relativamente stretto diffusione dei dati per ogni frequenza nella popolazione abili, e un effetto frequenza significativa. I tempi di reazione per distinguere tra coppie di frequenze di vibrazione sono mostrati in Figura 5B, e possono essere analizzati utilizzando la stessa procedura delle prove a singola frequenza. Analisi simili possono essere condotte per identificare gli effetti di posizionamento del motore, meccanismo di risposta (ad esempio, premendo il pulsante con mani o gambe), o altre condizioni di prova. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig4.jpg" /> Figura 4. Curve di calibrazione tipici. I risultati della trasformata rapida di Fourier dei dati di accelerazione sono presenti in una singola fase di calibrazione del motore. Quattro studi sono stati condotti per identificare il livello di corri PWMding a 180 Hz vibrazioni (solida linea blu). Si noti che la vibrazione varia tra le diverse frequenze. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54223/54223fig4large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig5.jpg" /> Sono mostrati Figura 5. Tempo di reazione Rappresentante dei risultati. I tempi di (A) di risposta per le singole frequenze. I dati line-collegato mostra i dati per i partecipanti normodotati (media ± SD), mentre i singoli punti di dati rappresentano i tre individui con amputazioni transfemorali. I tempi di reazione sono diminuite in modo significativo la frequenza. &#39;*&#39; Indica una differenza significativa dai tempi di reazione Hz 140, e &#39;#&#39; una differenza rispetto alla frequenza di 180 Hz, sia a significatività p &lt;0.05. (B) I tempi di risposta per distinguere tra coppias di frequenze sono tracciate sia per gli individui normodotati e quelli con amputazioni transfemorali. Si noti che la diffusione dei dati a ciascuna coppia è molto più grande di quello per i dati a frequenza singola, indicando risultati più variabili. Questa cifra è stata modificata dai dati originariamente pubblicati da Sharma et al. 10. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54223/54223fig5large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> PWM Valore (impulsi) </td><td> 64 </td><td> 127 </td><td> 191 </td><td> 255 </td></tr><tr><td> Duty Cycle (%) </td><td> 25 </td><td> 50 </td><td> 75 </td><td> 100 </td></tr></tbody></table> Tabella 1. Valori PWM e Cicli dovere corrispondente. Livelli PWM campione e il cicli di lavoro corrispondenti vengono mostrati. Tegli 0-255 intervallo per il valore PWM specifica il numero di byte in ciascun impulso (su 255 possibili) per i quali il segnale è attivo.

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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 ...

a-method-for-evaluating-timeliness-accuracy-volitional-motor

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

7.2K Views.  Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital.  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. 

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

Methods to Quantify Pharmacologically Induced Alterations in Motor Function in Human Incomplete SCI

Spinal cord injury (SCI) is a debilitating disorder, which produces profound deficits in volitional motor control. Following medical stabilization, recovery from SCI typically involves long term rehabilitation. While recovery of walking ability is a primary goal in many patients early after injury, those with a motor incomplete SCI, indicating partial preservation of volitional control, may have the sufficient residual descending pathways necessary to attain this goal. However, despite physical interventions, motor impairments including weakness, and the manifestation of abnormal involuntary reflex activity, called spasticity or spasms, are thought to contribute to reduced walking recovery. Doctrinaire thought suggests that remediation of this abnormal motor reflexes associated with SCI will produce functional benefits to the patient. For example, physicians and therapists will provide specific pharmacological or physical interventions directed towards reducing spasticity or spasms, although there continues to be little empirical data suggesting that these strategies improve walking ability.
In the past few decades, accumulating data has suggested that specific neuromodulatory agents, including agents which mimic or facilitate the actions of the monoamines, including serotonin (5HT) and norepinephrine (NE), can initiate or augment walking behaviors in animal models of SCI. Interestingly, many of these agents, particularly 5HTergic agonists, can markedly increase spinal excitability, which in turn also increases reflex activity in these animals. Counterintuitive to traditional theories of recovery following human SCI, the empirical evidence from basic science experiments suggest that this reflex hyper excitability and generation of locomotor behaviors are driven in parallel by neuromodulatory inputs (5HT) and may be necessary for functional recovery following SCI. 
The application of this novel concept derived from basic scientific studies to promote recovery following human SCI would appear to be seamless, although the direct translation of the findings can be extremely challenging. Specifically, in the animal models, an implanted catheter facilitates delivery of very specific 5HT agonist compounds directly onto the spinal circuitry. The translation of this technique to humans is hindered by the lack of specific surgical techniques or available pharmacological agents directed towards 5HT receptor subtypes that are safe and effective for human clinical trials. However, oral administration of commonly available 5HTergic agents, such as selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs), may be a viable option to increase central 5HT concentrations in order to facilitate walking recovery in humans. Systematic quantification of how these SSRIs modulate human motor behaviors following SCI, with a specific focus on strength, reflexes, and the recovery of walking ability, are missing.
This video demonstration is a progressive attempt to systematically and quantitatively assess the modulation of reflex activity, volitional strength and ambulation following the acute oral administration of an SSRI in human SCI. Agents are applied on single days to assess the immediate effects on motor function in this patient population, with long-term studies involving repeated drug administration combined with intensive physical interventions.

This video demonstrates modulation of reflex activity, volitional strength and ambulation through clinical and quantitative assessments in individuals with motor incomplete SCI as a result of acute oral administration of a serotonin reuptake inhibitor (SSRI).

I metodi per quantificare alterazioni indotta farmacologicamente in funzione motoria in Human incompleta SCI

Spinal cord injury (SCI) is a debilitating disorder, which produces profound deficits in volitional motor control. Following medical stabilization, ...

Ricerca

Medicina

Measurement of Vibration Detection Threshold and Tactile Spatial Acuity in Human Subjects

Tests that allow the precise determination of psychophysical thresholds for vibration and grating orientation provide valuable information about mechanosensory function that are relevant for clinical diagnosis as well as for basic research. Here, we describe two psychophysical tests designed to determine the vibration detection threshold (automated system) and tactile spatial acuity (handheld device). Both procedures implement a two-interval forced-choice and a transformed-rule up and down experimental paradigm. These tests have been used to obtain mechanosensory profiles for individuals from distinct human cohorts such as twins or people with sensorineural deafness.

Here, we present protocols to determine vibration detection thresholds and tactile acuity using psychophysical methods in man.

Misura di rilevamento delle vibrazioni Soglia e tattile spaziale Acuity in soggetti umani

Tests that allow the precise determination of psychophysical thresholds for vibration and grating orientation provide valuable information about ...

Comportamento

Testing Tactile Masking between the Forearms

Masking, in which one stimulus affects the detection of another, is a classic technique that has been used in visual, auditory, and tactile research, usually using stimuli that are close together to reveal local interactions. Masking effects have also been demonstrated in which a tactile stimulus alters the perception of a touch at a distant location. Such effects can provide insight into how components of the body's representations in the brain may be linked. Occasional reports have indicated that touches on one hand or forearm can affect tactile sensitivity at corresponding contralateral locations. To explore the matching of corresponding points across the body, we can measure the spatial tuning and effect of posture on contralateral masking. Careful controls are required to rule out direct effects of the remote stimulus, for example by mechanical transmission, and also attention effects in which thresholds may be altered by the participant's attention being drawn away from the stimulus of interest. The use of this technique is beneficial as a behavioural measure for exploring which parts of the body are functionally connected and whether the two sides of the body interact in a somatotopic representation. This manuscript describes a behavioural protocol that can be used for studying contralateral tactile masking.

Here we explore contralateral tactile masking between the forearms in which tactile detection thresholds are modulated by vibration applied to a remote site. The details of which remote sites have an effect can tell us about how the body is represented in the brain.

Test tattile mascheramento tra gli avambracci

Masking, in which one stimulus affects the detection of another, is a classic technique that has been used in visual, auditory, and tactile research, ...

A Simple Non-invasive Method for Temporary Knockdown of Upper Limb Proprioception

Proprioception may be the least well measured of all contributors to the neural control of movement. New precise, reliable measures of proprioception are needed for clinical diagnosis of impairment, and to measure outcomes of proprioceptive training. The purpose of this simple, non-invasive method is to temporarily knockdown upper limb proprioception in healthy adults, to an extent that would be useful in the development and testing of upper limb proprioception measures. Knockdown models have two main advantages over studying humans with impaired proprioception: participant availability and the ability to control the extent of impairment across participants. Current published methods of temporary proprioception knockdown of the upper limb, such as ischemic nerve blocks and cryotherapy, are invasive, impractical, or uncomfortable for the participant. Here, vibration over the ulnar groove was used to reduce upper limb proprioception. High frequency vibration may reduce proprioceptive acuity by inhibiting pacinian corpuscle-induced input. The effect of vibration used in this protocol was confirmed using two quantitative measures. This method was simple to administer, comfortable for participants, and practical.

The goal of this protocol is to demonstrate a practical method to temporarily interfere with proprioception in the upper limb of healthy humans.

Un metodo semplice e Non invasivo per atterramento temporaneo di propriocezione degli arti superiori

Proprioception may be the least well measured of all contributors to the neural control of movement. New precise, reliable measures of proprioception are ...

Characterization of the Sense of Agency over the Actions of Neural-machine Interface-operated Prostheses

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the neural-machine interface (NMI) control of sensate virtual or robotic prosthetic hands. The formation of agency is fundamental in distinguishing the actions that we perform with our limbs as being our own. By striving to incorporate advanced upper-limb prostheses into these same perceptual mechanisms, we can begin to integrate an artificial limb more closely into the user&#39;s existing cognitive framework for limb control. This has important implications in promoting user acceptance, use, and effective control of advanced upper-limb prostheses. In this protocol, participants control a virtual prosthetic hand and receive kinesthetic sensory feedback through their preexisting NMIs. A series of virtual grasping tasks are performed and perturbations are systematically introduced to the kinesthetic feedback and virtual hand movements. Two separate measures of agency are employed: established psychophysical questionnaires (to capture the explicit experience of agency) and a time interval estimate task to capture the implicit sense of agency (intentional binding). Results of this protocol (questionnaire scores and time interval estimates) can be analyzed to quantify the extent of agency formation.

Here we present a protocol which characterizes the sense of agency developed over the control of sensate virtual or robotic prosthetic hands. Psychophysical questionnaires are employed to capture the explicit experience of agency, and time interval estimates (intentional binding) are employed to implicitly measure the sense of agency.

Caratterizzazione del senso dell'Agenzia sulle azioni della protesi operati interfaccia neurale-macchina

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the ...

Applying Incongruent Visual-Tactile Stimuli during Object Transfer with Vibro-Tactile Feedback

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile feedback (VTF). This protocol aims to test the effect of VTF on the response to incongruent visual-tactile stimuli. The tactile feedback is acquired by grasping a block and moving it across a partition. The visual feedback is a real-time virtual presentation of the moving block, acquired using a motion capture system. The congruent feedback is the reliable presentation of the movement of the block, so that the subject feels that the block is grasped and see it move along with the path of the hand. The incongruent feedback appears as the movement of the block diverts from the actual movement path, so that it seems to drop from the hand when it is actually still held by the subject, thereby contradicting the tactile feedback. Twenty subjects (age 30.2 &#177; 16.3) repeated 16 block transfers, while their hand was hidden. These were repeated with VTF and without VTF (total of 32 block transfers). Incongruent stimuli were presented randomly twice within the 16 repetitions in each condition (with and without VTF). Each subject was asked to rate the difficulty level of performing the task with and without the VTF. There were no statistically significant differences in the length of the hand paths and durations between transfers recorded with congruent and incongruent visual-tactile signals &#8211; with and without the VTF. The perceived difficulty level of performing the task with the VTF significantly correlated with the normalized path length of the block with VTF (r = 0.675, p = 0.002). This setup is used to quantify the additive or reductive value of VTF during motor function that involves incongruent visual-tactile stimuli. Possible applications are prosthetics design, smart sport-wear, or any other garments that incorporate VTF.

We present a protocol to apply incongruent visual-tactile stimuli during an object transfer task. Specifically, during block transfers, performed while the hand is hidden, a virtual presentation of the block shows random occurrences of false block drops. The protocol also describes adding vibrotactile feedback while performing the motor task.

Applicazione di stimoli visivi e tattili incongruenti durante il trasferimento di oggetti con feedback vibro-tattile

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile ...

Using the Race Model Inequality to Quantify Behavioral Multisensory Integration Effects

Multisensory integration research investigates how the brain processes simultaneous sensory information. Research on animals (mainly cats and primates) and humans reveal that intact multisensory integration is crucial for functioning in the real world, including both cognitive and physical activities. Much of the research conducted over the past several decades documents multisensory integration effects using diverse psychophysical, electrophysiological, and neuroimaging techniques. While its presence has been reported, the methods used to determine the magnitude of multisensory integration effects varies and typically faces much criticism. In what follows, limitations of previous behavioral studies are outlined and a step-by-step tutorial for calculating the magnitude of multisensory integration effects using robust probability models is provided.

The current study aims to provide a step-by-step tutorial for calculating the magnitude of multisensory integration effects in an effort to facilitate the production of translational research studies across diverse clinical populations.

Utilizzo della disuguaglianza del modello di gara per quantificare gli effetti di integrazione multisensoriali comportamentali

Multisensory integration research investigates how the brain processes simultaneous sensory information. Research on animals (mainly cats and primates) ...

A Modified Lean and Release Technique to Emphasize Response Inhibition and Action Selection in Reactive Balance

Assessment of reactive balance traditionally imposes some type of perturbation to upright stance or gait followed by measurement of the resultant corrective behavior. These measures include muscle responses, limb movements, ground reaction forces, and even direct neurophysiological measures such as electroencephalography. Using this approach, researchers and clinicians can infer some basic principles regarding how the nervous system controls balance to avoid a fall. One limitation with the way in which these assessments are currently used is that they heavily emphasize reflexive actions without any need to revise automatic postural reactions. Such an exclusive focus on these highly stereotypical reactions would fail to adequately address how we can modify these reactions should the need arise (e.g., avoiding an obstacle with a recovery step). This would appear to be a glaring omission when one considers the enormous complexity of the environments we face daily. Overall, the status quo when evaluating the neural control of balance fails to truly expose how higher brain resources contribute to preventing falls in complex settings. The present protocol offers a way to require suppression of automatic, but inappropriate corrective balance reactions, and force a selection among alternative action choices to successfully recover balance following postural perturbation.

Here we offer a protocol that allows the user to selectively change affordances and/or constraints on movements that are relevant for recovering balance after postural perturbation.

Una tecnica di magra e di rilascio modificata per enfatizzare l'inibizione della risposta e la selezione dell'azione in equilibrio reattivo

Assessment of reactive balance traditionally imposes some type of perturbation to upright stance or gait followed by measurement of the resultant ...

Tactile Vibrating Toolkit and Driving Simulation Platform for Driving-Related Research

Collision warning system plays a key role in the prevention of driving distractions and drowsy driving. Previous studies have proven the advantages of tactile warnings in reducing driver&#8217;s brake response time. At the same time, tactile warnings have been proved effective in take-over request (TOR) for partially autonomous vehicles.
How the performance of tactile warnings can be optimized is an ongoing hot research topic in this field. Thus, the presented low-cost driving simulation software and methods are introduced to attract more researchers to take part in the investigation. The presented protocol has been divided into five sections: 1) participants, 2) driving simulation software configuration, 3) driving simulator preparation, 4) vibrating toolkit configuration and preparation, and 5) conducting the experiment.
In the exemplar study, participants wore the tactile vibrating toolkit and performed an established car-following task using the customized driving simulation software. The front vehicle braked intermittently, and vibrating warnings were delivered whenever the front vehicle was braking. Participants were instructed to respond as quickly as possible to the sudden brakes of the front vehicle. Driving dynamics, such as the brake response time and brake response rate, were recorded by the simulation software for data analysis.
The presented protocol offers insight into the exploration of the effectiveness of tactile warnings on different body locations. In addition to the car-following task that is demonstrated in the exemplar experiment, this protocol also provides options&#160;to apply other paradigms to the driving simulation studies by making simple software configuration without any code development. However, it is important to note that due to its affordable price, the driving simulation software and hardware introduced here may not be able to fully compete with other high-fidelity commercial driving simulators. Nevertheless, this protocol can act as an affordable and user-friendly alternative to the general high-fidelity commercial driving simulators.

This protocol describes a driving simulation platform and a tactile vibrating toolkit for the investigation of driving-related research. An exemplar experiment exploring the effectiveness of tactile warnings is also presented.&#160;

Toolkit vibrante tattile e piattaforma di simulazione di guida per la ricerca relativa alla guida

Collision warning system plays a key role in the prevention of driving distractions and drowsy driving. Previous studies have proven the advantages of ...

Assessment and Communication for People with Disorders of Consciousness

In this experiment, we demonstrate a suite of hybrid Brain-Computer Interface (BCI)-based paradigms that are designed for two applications: assessing the level of consciousness of people unable to provide motor response and, in a second stage, establishing a communication channel for these people that enables them to answer questions with either &#39;yes&#39; or &#39;no&#39;. The suite of paradigms is designed to test basic responses in the first step and to continue to more comprehensive tasks if the first tests are successful. The latter tasks require more cognitive functions, but they could provide communication, which is not possible with the basic tests. All assessment tests produce accuracy plots that show whether the algorithms were able to detect the patient&#39;s brain&#39;s response to the given tasks. If the accuracy level is beyond the significance level, we assume that the subject understood the task and was able to follow the sequence of commands presented via earphones to the subject. The tasks require users to concentrate on certain stimuli or to imagine moving either the left or right hand. All tasks are designed around the assumption that the user is unable to use the visual modality, and thus, all stimuli presented to the user (including instructions, cues, and feedback) are auditory or tactile.

With this experiment, one might be able to detect consciousness in people with disorders of consciousness. Furthermore, the approach can create a simple communication channel that enables people to give simple YES/NO answers to questions.

Valutazione e comunicazione per le persone con disturbi della coscienza

In this experiment, we demonstrate a suite of hybrid Brain-Computer Interface (BCI)-based paradigms that are designed for two applications: assessing the ...

Un metodo per la valutazione tempestività e l'accuratezza delle risposte volitivo motore a vibrotattili stimoli

Riepilogo

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