Вібротактильний пристрій зворотного зв’язку для оцінки рівноваги в сидінні та протоколу тренувань (перекладено на
Резюме
Розроблена та зібрана сидяча платформа, яка пасивно дестабілізує сидяче положення у людей. Під час завдання стабілізації користувача інерційний блок вимірювання реєструє рухи пристрою, а вібраційні елементи виконують зворотний зв'язок на основі продуктивності з сидінням. Портативний універсальний пристрій можна використовувати в реабілітаційних, оціночних та навчальних парадигмах.
Анотація
Вступ
Сидіти у вертикальному положенні є необхідною умовою для інших сенсомоторних функцій людини, включаючи кваліфіковані рухи (наприклад, друкування) та порушений баланс завдань (наприклад, їзда на поїзді). Для реабілітації та вдосконалення функцій сидіння та пов’язаних з ними функцій використовуються сучасні техніки тренування рівноваги: нестійкі поверхні порушують заняття 1, 2, а відстеження руху кількісно визначає баланс навичок 3, 4. Результати рекордів покращуються, коли вібрація подається на тіло за допомогою моделей, які відповідають характеристикам 5. Цей сенсорний зворотний зв'язок, очевидно, ефективний як реабілітаційний та тренувальний метод; Проте сучасні методи сенсорного зворотного зв'язку спрямовані на постійний баланс і потребують лабораторного обладнання 6, 7 .
Метою роботи, представленої тут, є побудова портативного пристрою, який можна різним чином сидіти та пасивно дестабілізувати, в той час як інтегровані прилади реєструють своє положення та забезпечують зворотний зв'язок з вібрацією на сидіння. Ця комбінація інструментів включає попередню роботу над коливальними кріслами 2, 4 та зворотним зв’язком 5, 6, 7, роблячи переваги цих інструментів більш потужними та доступними. Також представлена процедура формування вертикального сидіння та аналіз кількісних результатів відповідно до документації, встановленої щодо постурографічних вимірювань 8. Ці методи не підходять для вивчення ефекту балансування вправи з нестійкою поверхнею в поєднанні з вібраційним зворотним зв’язком. Заплановані програми включають спортивні тренування, загальне поліпшення рухової координації, оцінку навичок рівноваги травм та подальшу реабілітацію скелета, м’язів або неврологів.
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Протокол
Усі методи, описані тут, схвалені Комісією з питань етики досліджень охорони здоров’я Університету Альберти.
1. побудова та складання конструктивних елементів
2. контрольно-вимірювальний прилад
3. Приклад протоколу оцінки та навчання
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Репрезентативні результати
Таблиця 2 показує, що для кожного експериментального стану постурографічні вимірювання, отримані в результаті спостережень за нахилами поверхні AP та ML, в середньому перевищують 144 випробування рівноваги, проведені 12 учасниками (2 x 2 x 3 випробування на кожного учасника).
Ефект модифікації умови рівноваги: Базовий стан був обраний таким, що залежав від стану ока (тобто, коли очі закриті, вихідна лінія була більш стабільною). Таким чином, базовий стан та очі разом вважалися незалежною змінною (умова рівноваги). Спостереження за нахилом AP суттєво відрізнялись між двома умовами рівноваги для середньоквадратичної, нейтральної частоти та дисперсії частоти (згідно з F-тестами оціненої варіації, α = 0,05). Розрахункова зміна кожного з вимірювань (середнє та стандартне відхилення) наведена на рисунку 7 та малюнок 8. Відповідно до інших звітів, ці постурографічні заходи дозволяють розрізнити завдання балансу 4 .
Ефект зміни умови ваших коментарів: Під час тестування з активною системою вібротактильного зворотного зв'язку нейтральна частота спостережень за нахилом AP значно вища під час контрольних випробувань (на основі F-тестів оцінених змін, α = 0,05). Розрахункова зміна кожного з постурографічних вимірювань (середнє та стандартне відхилення) наведена на малюнку 9 та малюнок 10. Сумісний з іншими звітами, цей протокол зворотного зв’язку з вібротактилом має помітний вплив на показники балансу 17 .
Рисунок 2: вид збоку вигнутого базового модуля. Кожен із п’яти модулів має загальну висоту 63 мм та унікальний радіус кривизни, що модулює труднощі утримання рівноваги на сидінній поверхні. Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Малюнок 3: Розгорнутий вигляд кріплення опори для ніг. Опора для ніг, що складається із зчіпки, хомута та місця фінішної пробки, має довжину 600 мм і може бути знята під час транспортування пристрою або дозволена користувачеві вільно розмахувати ногами під час вправи на баланс. Розміри детальної частини див додаткові файли 1 (креслення) і 2 (3D тверді моделі). Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Малюнок 5: дві частини установки корпусу для вібраційних такторів. 4-мм отвір у корпусі тактора (зверху), вільно встановлений на місці штифта на монтажній платформі (знизу), щоб мінімізувати демпфування вібрації. Розміри детальної частини див додаткові файли 1 (креслення) і 2 (3D тверді моделі). Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 7: Результати маніпулювання завданнями у часовій області. Постурографічні часові варіації вимірюють, коли учасники закривають очі і одночасно переходять на більш стабільну базу (середнє значення та діапазон; зірочка представляє значну зміну згідно з тестом F, α = 0,05). Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 8: Результати обробки завдання в частотній області. Зміна в постурографічних вимірюваннях частоти, коли учасники закривають очі і одночасно переходять на більш стабільну базу (середнє значення та відхилення; зірочки представляють велику зміну згідно з тестом F, α = 0,05). Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 9: Результати вібротактильного зворотного зв'язку у часовій області. Постурографічні вимірювання часових змін, коли учасники отримують вібротактильний зворотний зв'язок на основі результатів (середнє та стандартне відхилення; відсутні статистично значущі зміни згідно з тестом F, α = 0,05). Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
Рисунок 10: Вібротактильний зворотний зв'язок призводить до частотної області. Зміна частоти постурографічних вимірювань, коли учасники отримують вібротактильний зворотний зв'язок на основі результатів (середнє значення та відхилення; зірочка представляє значну зміну згідно з тестом F, α = 0,05). Натисніть тут, щоб переглянути збільшену версію цього малюнка.
| Радіус кривизни (см) | ||
| Більш стабільний | 25 | Менш важко збалансувати |
| 20 | ||
| 15 | ||
| 13 | ||
| Менш стабільний | 11 | Складніше збалансувати |
Таблиця 1: геометричні властивості взаємозамінних основ. Загальна висота кожного базового модуля - 63 мм; таким чином, основа з меншим радіусом кривизни, прикріплена до пристрою, менш стабільна, ніж основа з більшим радіусом кривизни.
| Постурографічне вимірювання | Напрямок нахилу | Умови експерименту | |||
| Очі відкриті | Заплющені очі | ||||
| Дуже нестійка поверхня | Трохи нестійка поверхня | ||||
| Вібрація | Вібрація | Вібрація | Вібрація | ||
| З | Звичайно | З | Звичайно | ||
| Середньоквадратичне | Передньо-задній | 1,60 | 1,62 | 2.01 | 1,70 |
| [градусів] | Посередньобічний | 1,53 | 1.61 | 1.80 | 1,74 |
| Середня швидкість | Передньо-задній | 2,75 | 3.01 | 2,85 | 2.94 |
| [градусів/с] | Посередньобічний | 3.04 | 3.14 | 3.38 | 3.44 |
| Нейтральна частота | Передньо-задній | 0,418 | 0,449 | 0,370 | 0,423 |
| [Гц] | Посередньобічний | 0,462 | 0,467 | 0,465 | 0,471 |
| Частотна дисперсія | Передньо-задній | 0,659 | 0,654 | 0,685 | 0,661 |
| [-] | Посередньобічний | 0,651 | 0,651 | 0,662 | 0,669 |
Таблиця 2: Результати рівноважних умов та зворотній зв'язок. Сумарні вимірювання, отримані від нахилів AP та ML під час нестабільних випробувань сидячи. Підтримувані стабільність поверхні плюс стан очей, а також рівень вібрації є оброблюваними змінними. Середні вимірювання розраховували для всіх учасників.
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Обговорення
Представлені методи побудови портативного пристрою, інструментальні, сесійні. Пристрій є портативним та довговічним, спираючись на попередні дослідження коливальних крісел 2, 4 та вібраційних зворотних зв’язків 5, 6, 7, щоб зробити переваги цих інструментів більш потужними та доступними. Зворотний протокол складання для підготовки пристрою до транспортування або зберігання. Складність завдання балансування можна модулювати, пов’язуючи основи з різною кривизною. Вибір складності завдання є критичним; користувачів слід дестабілізувати для полегшення активних тренувань, не ризикуючи отримати травму.
Спостереження та налаштування вбудованих приладів у реальному часі залежать від послідовного зв'язку між мікроконтролером та користувальницьким інтерфейсом; Несправність пристрою вимагає усунення несправностей програмним та апаратним забезпеченням. Переконайтесь, що всі з'єднання захищені. Відстежуйте послідовний вихід мікроконтролера на наявність несподіваних байтів. Програма інтерфейсу користувача для помилок зонда. Якщо проблема не зникає, зверніться до досвідченого дизайнера мехатроніки.
Контроль рівноваги характеризується постурографічними вимірами, отриманими в результаті кінематичних спостережень поверхні сидіння. Ви також можете спостерігати центр тиску, що діє на силову пластину, який корелює з кутом нахилу поверхні 2, але потребує додаткового обладнання. Постурографічні вимірювання мають різну надійність між 2 сеансами та змінну чутливість до поліпшення рівноваги або розладу 19. Середньоквадратичне значення, середньоквадратичне значення, нейтральна частота та дисперсія частоти - загальні постурографічні вимірювання, які, як спостерігається, лінійно не залежать одне від одного. Розгляньте можливість модифікації протоколу аналізу сигналів для атаки конкретних цілей оцінки.
Пристрій доставляє вібротактильні подразники до сидіння відповідно до виконання завдань балансу. Оптимальна конфігурація тактильного контролю є предметом постійного вивчення та важливим кроком у цьому протоколі, оскільки деякі стратегії зворотного зв'язку можуть змінити моторне навчання 20. Існуючі методи вібротактильного зворотного зв'язку визнані для поліпшення функції стаціонарного балансу та багатьох інших рухових завдань 6, 7. Вбудовані тактори сидінь роблять техніку вібротактильного зворотного зв'язку доступною для парадигм сидячих рівноваг. Подальші програми можуть включати спортивне тренування, просторову орієнтацію, гру у віртуальну або доповнену реальність, тренування, оцінку навичок балансу, порушення пошуку балансу та реабілітацію від скелетних, м’язових або неврологічних пошкоджень.
Потрібна передплата. Будь ласка, порекомендуйте JoVE своєму бібліотекареві.
Розкриття інформації
Авторам нічого розкривати.
Подяка
Автори відзначають зусилля дизайнерів Анімеша Сінгха Кумавата, Кшітія Агарваля, Квін Босер, Бенджаміна Ченга, Керолайн Коллінз, Сари Лойчиц, Дерека Шленкера, Кетрін Шопп та Артура Зелінського. Це дослідження частково фінансувалось грантом Discovery від Ради природничих та технічних досліджень Канади (RGPIN-2014-04666).