Un dispositivo di Vibrotactile Feedback per la valutazione di equilibrio seduti e formazione
Summary
Una piattaforma di seduta è stata sviluppata e assemblata che destabilizza passivamente la postura da seduti in esseri umani. Durante la stabilizzazione dell’attività dell’utente, un’unità di misura inerziale registra movimento del dispositivo ed elementi vibranti forniscono feedback basato su prestazioni al sedile. Il dispositivo portatile e versatile può essere utilizzato in paradigmi di formazione, valutazione e riabilitazione.
Abstract
Perturbazioni posturali, tracciamento del movimento e feedback sensoriale sono moderne tecniche utilizzate per sfida, valutare e treno seduto in posizione verticale, rispettivamente. L’obiettivo del protocollo sviluppato è quello di costruire e gestire una piattaforma di seduta che può essere passivamente destabilizzata, mentre un’unità di misura inerziale quantifica il suo moto ed elementi vibranti forniscono feedback tattile all’utente. Gli allegati intercambiabili sedile alterano il livello di stabilità del dispositivo in modo sicuro sfida seduta equilibrio. Un microcontrollore integrato permette di fine-tuning dei parametri feedback per aumentare la funzione sensitiva. Misure posturographic, tipici dei protocolli di valutazione di equilibrio, di riassumono i segnali di movimento acquisiti durante le prove cronometrate equilibrio. Nessun protocollo di seduta dinamica per data fornisce sfida variabile, quantificazione e feedback sensoriale senza vincoli di laboratorio. I nostri risultati dimostrano che gli utenti non disabili delle modifiche significative mostre dispositivo nelle misure degli quando difficoltà di equilibrio è alterato o vibrazionale feedback fornito. Il dispositivo portatile e versatile ha applicazioni potenziali in riabilitazione (dopo lesione scheletrica, muscolare o neurologica), formazione (per sport o consapevolezza spaziale), intrattenimento (via virtuale o augmented reality) e ricerca (di disordini di seduta).
Introduction
Seduta dritta è un prerequisito per altre funzioni sensitivo-motorie umane, compresi i movimenti esperti (ad esempio, digitando) e perturbato equilibrio attività (ad es., cavalcando un treno). Per riabilitare e migliorare le funzioni di seduta e correlate, vengono utilizzate tecniche di allenamento moderno equilibrio: superfici instabili perturbano seduta1,2 e tracciamento del movimento quantifica equilibrio competenza3,4 . Esiti di formazione equilibrio migliorano quando vibrazione viene consegnato al corpo con modelli che corrispondono a prestazioni5. Tale feedback sensoriale è evidentemente efficace come una riabilitazione e metodo di allenamento; ancora, gli attuali metodi di feedback sensoriale sono orientati verso l’equilibrio in piedi e richiedono apparecchiature basate su laboratorio6,7.
Lo scopo del lavoro qui presentato è quello di costruire un dispositivo portatile che può essere seduto sopra e destabilizzato passivamente ai vari gradi, mentre strumenti integrati registrare la propria posizione e forniscono feedback vibrazionale per la superficie di seduta. Questa combinazione di strumenti integra il lavoro precedente il wobble sedie2,4 e vibrazionale feedback5,6,7, rendendo i benefici di questi strumenti, più potente e accessibile. Sono anche presentati una procedura addestrare seduta dritta e un’analisi dei risultati quantitativi, seguendo la letteratura stabilita su misure degli8. Questi metodi sono adatti per lo studio degli effetti della seduta equilibrio esercizio con una superficie instabile quando combinato con feedback vibrazionale. Attese applicazioni includono formazione sportiva, generale miglioramento della coordinazione motoria, valutazione del pregiudizio equilibrio competenza e in seguito di riabilitazione scheletrico, muscolare o neurologica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metodi per la costruzione di un dispositivo portatile, strumentato, seduta sono presentati. Il dispositivo è portatile e durevole, costruzione su precedenti studi di vacillazione sedie2,4 e vibrazionale feedback5,6,7 per rendere i benefici di questi strumenti più potenti e accessibili . Seguire il protocollo dell’Assemblea in senso inverso per preparare il dispositivo …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono gli sforzi di progettazione degli studenti universitari Animesh Singh Kumawat, Kshitij Agarwal, Quinn Boser, Benjamin Cheung, Caroline Collins, Sarah Lojczyc, Derek Schlenker, Katherine Schoepp e Arthur Zielinski. Questo studio è stato parzialmente finanziato attraverso una sovvenzione di scoperta da scienze naturali e ingegneria 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).
