Een Vibrotactile Feedback apparaat voor zittende evenwicht beoordeling en opleiding
Summary
Een vergadering-platform heeft ontwikkeld en geassembleerd dat passief destabiliseert vergadering houding bij de mens. Tijdens de stabiliserende taak van de gebruiker, een inertial maateenheid registreert de beweging van het apparaat en trillende elementen leveren prestaties gebaseerde feedback aan de stoel. De draagbare, veelzijdig apparaat kan worden gebruikt in revalidatie, beoordeling en opleiding paradigma’s.
Abstract
Posturale verstoringen, volgen van beweging en sensorische feedback zijn moderne technieken gebruikt om te vechten, beoordelen en trainen rechtop zittend, respectievelijk. Het doel van het ontwikkelde protocol is bouwen en exploiteren van een vergadering-platform dat passief gedestabiliseerd worden kan, terwijl een inertial maateenheid de beweging kwantificeert en trillende elementen tactiele feedback aan de gebruiker leveren. Verwisselbare zetel bijlagen wijzigen het niveau van de stabiliteit van het apparaat veilig uitdaging zitten evenwicht. Een ingebouwde microcontroller kunt “fine-tuning” van de parameters van de feedback om te vergroten van sensorische functie. Posturographic maatregelen, typisch voor de protocollen van de beoordeling van de balans, vatten de signalen van de motie verworven tijdens getimede evenwicht proeven. Geen dynamisch zitten protocol tot op heden biedt variabele uitdaging, kwantificering en sensorische feedback vrij van laboratorium beperkingen. Onze resultaten tonen aan dat niet-gehandicapte gebruikers van het apparaat vertonen aanzienlijke veranderingen in posturographic maatregelen wanneer evenwicht moeilijk is gewijzigd of vibratie feedback geboden. Het draagbare, veelzijdig apparaat heeft toepassingsmogelijkheden in revalidatie (na skelet, gespierd of neurologische schade), opleiding (voor sport of ruimtelijke bewustzijn), entertainment (via virtuele of augmented reality) en onderzoek (van vergadering-gerelateerde aandoeningen).
Introduction
Rechtop zitten is een voorwaarde voor andere menselijke sensomotorische functies, waaronder geschoolde bewegingen (b.v.te typen) en verstoord evenwicht taken (bijvoorbeeld, rijden op een trein). Om te rehabiliteren en zittend en verwante functies te verbeteren, de technieken van de opleiding van de moderne evenwicht worden gebruikt: unstable oppervlakken erover vergadering1,2 en volgen van beweging kwantificeert evenwicht vaardigheid3,4 . Evenwicht opleiding resultaten verbeteren wanneer trillingen aan het lichaam met behulp van patronen die overeenkomen met de prestaties5wordt geleverd. Dergelijke sensorische feedback is blijkbaar effectief als revalidatie en trainingsmethode; nog, huidige sensorische feedback methoden zijn gericht op permanente evenwicht en vereisen op basis van laboratorium apparatuur6,7.
Het doel van het werk hier gepresenteerd is om te bouwen van een draagbaar apparaat dat kan worden op zat en passief gedestabiliseerd tot verschillende graden terwijl ingebouwde instrumenten zijn standpunt opnemen en vibratie feedback te aan het oppervlak van de vergadering leveren. Deze combinatie van instrumenten integreert vorige werk op wiebelen stoelen2,4 en vibratie feedback5,6,7, krachtiger en toegankelijk maken van de voordelen van deze hulpprogramma’s. Ook presenteerde zijn een procedure om te trainen rechtop zitten en een analyse van de kwantitatieve resultaten, na de bestaande literatuur over posturographic maatregelen8. Deze methoden zijn geschikt voor de studie van de effecten van de vergadering van balans oefening met een unstable oppervlak wanneer gecombineerd met vibratie feedback. Verwachte toepassingen omvatten sporttrainingen, algemene verbetering van de coördinatie van de motor, beoordeling van de balans vaardigheid, en rehabilitatie na skelet, gespierd, of neurologische schade.
Protocol
Representative Results
Discussion
Methoden voor de bouw van een draagbare, geïnstrumenteerde, vergadering apparaat worden gepresenteerd. Het apparaat is draagbaar en duurzaam, gebouw op eerdere studies van wiebelen stoelen2,4 en6,7 van de5,van de vibrationele feedback om krachtiger en toegankelijk maken van de voordelen van deze hulpprogramma ‘s . Volg het protocol van de vergadering in omgekeerde ter v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de inspanningen van het ontwerp van de studenten Animesh Singh Kumawat, Kshitij Agarwal, Quinn Böser Benjamin Cheung, Caroline Collins, Sarah Lojczyc, Derek Schlenker, Katherine Schoepp en Arthur Zielinski. Deze studie werd gedeeltelijk gefinancierd door een subsidie van de ontdekking van de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (RGPIN-2014-04666).
Materials
| 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 |
References
- Behm, D. G., Muehlbauer, T., Kibele, A., Granacher, U. Effects of Strength Training Using Unstable Surfaces on Strength, Power and Balance Performance Across the Lifespan: A Systematic Review and Meta-analysis. Sports Medicine. 45, 1645-1669 (2015).
- Larivière, C., Mecheri, H., Shahvarpour, A., Gagnon, D., Shirazi-Adl, A. Criterion validity and between-day reliability of an inertial-sensor-based trunk postural stability test during unstable sitting. Journal of Electromyography and Kinesiology. 23, 899-907 (2013).
- Paillard, T., Noé, F. Techniques and Methods for Testing the Postural Function in Healthy and Pathological Subjects. BioMed Research International. 2015, (2015).
- Williams, J., Bentman, S. An investigation into the reliability and variability of wobble board performance in a healthy population using the SMARTwobble instrumented wobble board. Physical Therapy in Sport. 25, 108 (2017).
- Wall, C., Kentala, E. Effect of displacement, velocity, and combined vibrotactile tilt feedback on postural control of vestibulopathic subjects. Journal of Vestibular Research. 20, 61-69 (2010).
- Alahakone, A. U., Arosha Senanayake, ., N, S. M. Vibrotactile feedback systems: Current trends in rehabilitation, sports and information display. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. , 1148-1153 (2009).
- Shull, P. B., Damian, D. D. Haptic wearables as sensory replacement, sensory augmentation and trainer – a review. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 12, 12-59 (2015).
- Prieto, T. E., Myklebust, J. B., Hoffmann, R. G., Lovett, E. G., Myklebust, B. M. Measures of postural steadiness: Differences between healthy young and elderly adults. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 43, 956-966 (1996).
- Ribot-Ciscar, E., Vedel, J. P., Roll, J. P. Vibration sensitivity of slowly and rapidly adapting cutaneous mechanoreceptors in the human foot and leg. Neuroscience Letters. , 130-135 (1989).
- Churchill, E., McConville, J. T. . Sampling and Data Gathering Strategies for Future USAF Anthropometry. , (1976).
- Lee, H., Granata, K. P. Process stationarity and reliability of trunk postural stability. Clinical Biomechanics. 23, 735-742 (2008).
- Silfies, S. P., Cholewicki, J., Radebold, A. The effects of visual input on postural control of the lumbar spine in unstable sitting. Human Movement Science. 22, 237-252 (2003).
- Loughlin, P., Mahboobin, A., Furman, J. Designing vibrotactile balance feedback for desired body sway reductions. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , 1310-1313 (2011).
- Goodworth, A. D., Wall, C., Peterka, R. J. Influence of feedback parameters on performance of a vibrotactile balance prosthesis. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 17, 397-408 (2009).
- Marchal-Crespo, L., Reinkensmeyer, D. J. Review of control strategies for robotic movement training after neurologic injury. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 6, 20-35 (2009).
- Lee, B., Kim, J., Chen, S., Sienko, K. H. Cell phone based balance trainer. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 9, 1-14 (2012).
- Sienko, K. H., Balkwill, M. D., Wall, C. Biofeedback improves postural control recovery from multi-axis discrete perturbations. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 9, 53-64 (2012).
- Williams, A., et al. Design and Evaluation of an Instrumented Wobble Board for Assessing and Training Dynamic Seated Balance. Journal of Biomechanical Engineering. 140, 1-10 (2017).
- van Dieën, J. H., Koppes, L. L. J., Twisk, J. W. R. Postural sway parameters in seated balancing; their reliability and relationship with balancing performance. Gait Posture. 31, 42-46 (2010).
- Sigrist, R., Rauter, G., Riener, R., Wolf, P. Augmented visual, auditory, haptic, and multimodal feedback in motor learning: A review. Psychonomic Bulletin and Review. 20, 21-53 (2013).
