在听觉反馈的作用符合卒中后运动训练:文献之回顾

文摘

本文的目的是解决一个话题很少在文献调查的技术辅助运动康复,也就是说,听觉反馈的康复设备的集成。康复机器人技术简要介绍后,听觉反馈的主要概念,连同相关的方法,技术和技术在这一领域。当前使用的上下文中的听觉反馈技术辅助康复了。特别是,比较定量分析了大型语料库的最近的文献表明,潜在的听觉反馈目前很大程度上underexploited康复系统。最后,提出几个场景中使用听觉反馈可能有助于克服当前康复系统的主要限制,用户参与度,急性期和家庭康复设备的发展,学习更复杂的运动任务,提高日常生活活动。

1。介绍

中风是运动残疾的主要原因在美国和欧洲1,2]。在欧盟,有200到300例中风病例每年每100000人中,约30%生存与主要电动机赤字(3]。这些令人印象深刻的数字正在增加由于老化和生活方式在发达国家。改善卒中后运动治疗的结果是一个重大的社会目标,收到了很多来自很多研究者的兴趣在过去十年在医学和工程领域。

急性期后,中风患者需要连续医疗和康复治疗,后者通常被作为个人和团体治疗。做运动康复的基本原理是电动机系统塑料中风后,可以影响运动训练(4]。

运动学习是一个复杂的过程,至今仍有缺乏知识的感觉运动系统进行针对运动训练(5]。运动学习可以被描述为“一组过程与实践和经验导致相对永久性的变化能力生产技术行动”(6]。早期中风后,大脑可以发生戏剧性的塑料的变化(7,8),可以进一步增强环境刺激。动物研究表明,丰富了卒中后复苏的环境可以诱导结构塑料大脑的变化,如减少梗死体积和树突分支,增加脊柱密度、神经营养因子、细胞增殖和神经发生(9,10]。

在卒中后康复运动的结果和功能障碍与创伤事件之间的时间有关,治疗的开始。几项研究表明,传统的干预急性期简化运动活动的复苏,因为大多数汽车和功能恢复发生在卒中后3到6个月(11,12]。

卒中后康复的最终目标是独立允许患者进行日常生活活动(ADLs),从而促进融入社会和家庭生活,在安全的条件下。在这方面,胳膊和手功能康复是基础,吸引科研界的关注。

当前活跃的研究方向涉及使用新技术手段的康复治疗,主要是机器人和虚拟现实系统(13]。在大多数情况下,使用的物理接口不是孤立和至少需要一个计算机接口和虚拟环境提供治疗。这两种方法之间的主要区别是,机器人系统可以积极协助病人完成电机的任务,而虚拟现实系统只能为病人提供反馈在性能增强。从这个角度来看,robot-mediated康复可以在所有阶段的康复,而虚拟现实系统更容易被雇佣在慢性阶段。

本文提出连续听觉反馈作为机器人援助neurorehabilitation卒中后患者的新技术。将显示,这种反馈方式主要是underexploited在当前系统14),它可以用来帮助用户动机,提高运动学习过程,以替代其他的反馈形式,以防他们的缺席。

1.1。Robot-Aided康复

三个电机复苏的决定因素是早期干预,以工作为导向的培训,和重复强度(15]。有强有力的证据表明高度重复运动训练,与参与者的积极参与,促进重组和可能导致改善卒中后康复16,17]。机械设备有可能帮助自动化重复一种受控的方式在卒中后的培训,提高治疗依从性引入激励病人,如游戏(18]。莱茵肯斯迈耶推测与机械设备运动实践可以促进动机、参与、和努力,只要提供某种形式的互动反馈关于病人的参与19]。作为一个例子,参与提供视觉反馈措施,如对设备接触力的大小,可以促使患者更加努力20.]。此外,病人治疗期间的努力可以测量,加上一些运动参数(如位置,速度,加速度),提供了一个定量测量病人的行为和恢复(21]。

最近提出了机器人系统用于电动机中风患者的康复22]。这些可分为两大类:机器人末端执行器和外骨骼。前类的一个典型的例子是MIT-Manus, arm-training平面机器人的先驱克雷布斯等人提出的。23,24),patient-robot接触是在末端执行器的水平。外骨骼是可穿戴机器人设备,可以在联合控制的交互水平(其中,Pnew-Wrex [25和手臂26]上肢,和Lokomat [20.和亚历克斯27下肢)。

卒中后机器人培训的实际效果仍在讨论。最近评论第一个随机对照试验(相关的)显示,患者接受机器人协助部门培训后中风更不可能改善他们的日常生活活动(ADLs)对患者接受了标准的康复治疗,但手臂运动机能和强度的局部麻痹的手臂可能改善(18,28- - - - - -30.]。尽管如此,这些结果必须非常仔细地解释,因为有几个试验之间的差异,主要集中在机械设备使用,治疗持续时间、数量的训练,类型的治疗,病人的特点。

一个域是探索机器人在急性期康复治疗的作用31日,32]。根据欧盟中心最近的一项研究[33),急性期患者通常在前置时间> 72%的日常活动,主要活动和没有任何互动,即使从可塑性的角度来看这个时间窗口是理想的康复训练(8]。据Mehrholz et al。28),急性和亚急性阶段(即机器人培训。,within three months from stroke onset) has a greater impact on the ADLs of participants, compared to therapy in the subsequent chronic phase.

更一般来说,一个关键问题是机器人系统可以帮助患者学习复杂的自然运动(就像那些典型的ADLs),而不是训练患者简单示意图演习(与大多数的机器人设备发展到目前为止)。

一个进一步的研究挑战担忧家庭康复系统的发展,这可能帮助病人在出院后继续治疗31日),因为大多数医疗体系可以只有很短时间内的个人治疗在慢性阶段。

1.2。神经可塑性和声音

许多最近的工作在神经科学表明,听觉刺激能增强大脑可塑性影响的具体机制,最重要的是有助于康复神经损伤。脑成像研究[34]表明,神经活动与音乐听超出听觉皮层和涉及广泛的双边网络的额叶,颞顶叶,,和皮质下区域相关的注意,语义和music-syntactic加工、记忆和运动功能(35,36),以及边缘和旁边缘地区相关情绪处理(37- - - - - -39]。

Sarkamo et al。40)表明,听音乐提高认知恢复和卒中后患者的情绪。最近的证据也表明,听愉快的音乐与认知任务无关甚至可能暂时提高性能在时空能力的测试41),注意42),和语言流畅43在健康受试者。

在动物身上发现了有趣的结果在塑性接触声刺激。它表明,反馈了音乐刺激能增强大脑可塑性通过(1)增加海马的神经发生(44),(2)修改GluR2谷氨酸受体的表达在听觉皮层和前扣带(45),(3)增加海马脑源性神经营养因子(BDNF)水平(46)和下丘脑(47),(4)增加酪氨酸激酶受体B的水平(TrkB脑源性神经营养因子受体)在大脑皮层48]。谷氨酸peri-infarct地区传播的变化(49)和提高BDNF水平(50]也至关重要的可塑性机制有助于中风康复。因此,增强认知复苏可能归因于结构塑性变化引起的音乐刺激大脑中恢复。

快速适应塑料由于听觉刺激并不局限于皮质运动区,但它也涉及到听觉和综合auditory-sensorimotor电路(51,52]。熟悉的声音可以促进和完善汽车响应之前一直与那些听起来(53]。音乐是一个极其复杂的过程的特定情况下听觉系统之间的集成,本体感受的反馈和电机控制54]。积极影响听觉刺激的运动障碍患者的步行能力在帕金森病已报告(55)和多发性硬化(56)由于中风或轻偏瘫(57]。音乐电动机反馈能够改善中风患者的行走在选定参数(步态速度,持续时间步,步态对称性,步幅和脚翻转路径长度)与传统步态疗法(58]。有节奏的声音模式可能会增加通过reticulospinal脊髓运动神经元兴奋性的途径,从而减少肌肉所需的时间对一个给定的电机命令(59]。

此外,听觉刺激增加姿势稳定安静站任务和结果在一个更突出的作用(闭环)控制前馈反馈控制(开环)(60]。

塑料适应由于听觉刺激大脑中也能导致修改总体总值结构(61年]。众所周知,音乐练习提高髓鞘形成,灰质增长和纤维形成的大脑结构参与特定音乐任务(62年]。Altenmuller [61年)断言,有两个可能的解释为什么这些影响器乐表现的更加明显比其他技术活动:首先,音乐训练通常很早就开始,有时在六岁之前,当中枢神经系统的适应性较高;其次,音乐活动与积极情绪密切相关,这是已知的增强塑料改编。比较熟练的音乐家的大脑解剖与大脑表明,延长仪器实践会导致一个扩大的手部运动皮层和灰质密度相应增加更多和/或更大的神经元在各自的区域(63年,64年]。

1.3。听觉反馈Robot-Aided康复

分析当前使用的听觉反馈在卒中后运动康复并提出策略为提高机器人和虚拟康复系统通过尖端音频技术。在这种背景下,听觉反馈这个词表示一个音频信号,自动生成和回放来响应一个动作或一个系统的内部状态,理解为机械设备和用户本身。这个定义后,声音或音乐刺激,不是自动生成的,而不是直接相关的行为或状态,如听起来旨在放松肌肉或音乐疗法,不是本文的对象。

听觉反馈的设计需要一组传感器捕获系统的状态反馈函数来自传感器的信号映射到声学参数和触发事件,触发和渲染引擎来生成音频和反馈控制的功能。渲染引擎可以实现大量的声信号,从简单的声音或噪音复杂的音乐内容。

反馈可以被归类到知识的结果(即。,about the outcome of performing a skill or about achieving a goal) or知识的性能(即。,about the movement characteristics that led to the performance outcome) [65年,66年]。信息反馈错误运动可以(1)促进运动的成就目标通过增加技能水平达到或通过加速学习过程和(2)维持在学习动机。

本文的其余部分组织如下。部分2提出了相关的方法、技术和技术文献的听觉显示和反馈。部分3审查现有的使用技术辅助康复的听觉反馈和显示其潜在目前没有完全利用在这一领域。部分4提出了一些创新的听觉反馈的使用与当前挑战机器人协助运动训练。

2。听觉反馈

系统技术辅助康复往往将某种形式的视觉,并可能多通道,反馈。虽然视频渲染是一个研究的课题,尤其是在虚拟环境中康复,很少关注听觉反馈。在本节中,我们介绍听觉显示和调查相关的概念,方法,技术和技术在这一领域。

2.1。听觉显示

听觉显示担忧用声音传达信息给用户的计算设备的状态。Mountford和给67年]提供了几个例子来说明最相关类型的声音可以传达的信息。(我)信息物理事件我们可以听到了玻璃是否有反弹或粉碎。(2)墙上的信息看不见structures-tapping帮助寻找,挂一个沉重的画面。(3)动态变化的信息——我们填补玻璃液体时我们听到达到顶部。(iv)信息结构异常故障引擎声音不同于健康的人。(v)事件信息space-footsteps警告我们的另一个人的方法。

用声音提供信息是吸引人的原因有几个。首先,可以显著提高通信的带宽,因为不止一个感官通道使用。第二,声音所传递的信息是可用视觉补充;因此,声音提供了一个显示的信息是很难形象化。McGookin和布儒斯特68年)确定了四个主要的数据可以被编码成音频:听觉图标,earcons,演讲,sonification。

2.1.1。听觉的图标

听觉给定义的图标(69年]“日常与日常发音听起来通过类比映射到计算机事件的事件。“一个基本的例子是使用嘎吱嘎吱的声音代表一个清空废纸篓。给提出了多种算法,允许日常声音合成和控制意义维度的来源。从声音的三个基本物理类事件(固体、液体、气体),他指出几个类别的声音事件的时间和光谱的复杂性增加,如断裂、跳跃、溢出、和几个(见图1)。

而听觉图标适合交流信息,其中有一个直观的数据和声音之间的关系用来表示,他们不太有用的情况下没有直观的声音来表示数据。

2.1.2。Earcons

Earcons最初是由布拉特纳和同事(70年],将他们定义为“短暂的场地安排等方式产生足够独特的色调模式允许它功能作为一个个体认可的实体。“Earcons文摘,合成音调可以用于结构化组合创造听觉信息。许多声和音乐功能可以用来交流信息的结构化的声音:音高、强度、音色、节奏,空间(71年]。

作为一个例子,图2显示了一个分层菜单增强earcons:每一层不同的听觉线索是用来区分选择。Earcons必须明白,由于没有直观的声音和它代表之间的联系:他们是抽象/音乐信号,而不是听觉的图标。

2.1.3。Sonification

Sonification可以被定义为一个多维数据集的映射成一个声学领域的目的解释,理解,或交流关系领域正在研究[72年]。因此,它可以被认为是听觉相当于数据可视化。

sonification的特定情况下信号“audification”:这种技术相当于直接考虑的信号转化为音频领域,没有任何额外的映射函数。的一个例子使用audification听觉地震学[73年),地震波转化为声音允许轻松地识别等相关方面的地震距离,和构造类型。另一个例子是可视化的信息与用户的生理状态,如脑电图信号或血压(74年]。此外,听觉反馈已被证明有有趣的潜力发展的在线BCI接口(75年]。

Sonification用于非可视化界面设计(76年),应用程序交互控制(77年),和数据报告(78年]。研究表明,可以提高数字数据理解(79年),听众可以解释一个快速转化的概述简单的数据图(80年]。然而,尽管这些技术是有效的在大型数据集显示趋势中,他们不太有用的绝对值进行沟通。

互动sonification技术利用听觉场景中用户动作。例子包括导航在转化的图和表80年有声的),和一个连续的鼠标移动探头二维散点图(81年]。亨特et al。82年)强调,促进用户参与互动sonification技术模仿与真实世界的物理对象的交互(例如,乐器)。他们因此建议使用声音的复杂性高、实时声音一代,通过有形的和先进的交互接口,而不是标准输入设备(如鼠标或键盘)。

几个软件包sonification和听觉显示(83年- - - - - -85年),所有这些都对数据格式做出不同的选择,这种可视化模型,隐式地假定,和允许交互。

2.1.4。演讲

虽然本文的重点是在非言语听觉反馈,合成语音也可以用于特定的用途,例如,信号给定任务的成就。演讲可以有利的非语言声音的易于设计和易学性。另一方面,高级认知过程和需要更多的精神资源处理演讲:这可能是不利的特别是在虚拟环境中康复。

口头的反馈可以用来增加病人的动机通过消息的鼓励和支持,类似于人类的治疗师。此外,熟悉的声音(如声音的亲戚)也可能提出以模拟忠实地熟悉的(例如,国内)环境。然而当前语音系统内在局限在这些方面:合成语音通常是通过所谓的衔接合成方法,即话语的连接序列已被先前记录的。自然的演讲可以获得只有通过收购大型数据库为每个声音合成。目前的技术不允许直接克隆“语音”,也就是说,合成任意语言信息使用一个人的声音。

2.2。良好的空间化

空间化是指一组声音处理技术的声音几乎可以定位在某些点周围的空间一个侦听器。听觉的上下文中显示、空间声音渲染可以用来提高虚拟环境的真实性和帮助用户导航(86年]。它也可以用来帮助隔离和认可的多个并发earcons或sonification流提出了同时在不同的虚拟位置(87年]。

空间化获得使用多通道系统(扬声器阵列)或耳机繁殖。多通道系统呈现虚拟声源在空间中使用各种技术,包括ambisonics和波场的合成(88年]。喇叭Headphone-based系统相比具有一些缺点:耳机是侵入性的,可以不穿很长一段时间;他们有nonflat频率响应;他们不赔偿侦听器运动,除非使用跟踪系统。另一方面,他们有两个主要优点:消除混响和背景噪音的聆听空间和允许交付不同的信号每只耳朵,大大简化了渲染技术。显然headphone-based系统是有利的成本和灵活性和可伸缩性。

Headphone-based 3 d音频系统使用头相关传输函数(电火花冲激)(89年),这取决于声源位置相对于侦听器,并描述如何透过声音衍射和反射的头,耳廓,躯干前到达耳膜。考虑到声源的位置,双耳信号合成根据计划勾勒出图3。电火花冲激集通常记录使用“假头”,也就是说,人体模型由平均人体测量。记录个人头需要特殊设备和仔细的校准和是一个既昂贵又耗时的任务。

一个有前途的方法是基于模拟电火花冲激的组合过滤块分别占身体的影响,头,羽片(90年]。这些的一个优点结构模型原则上是滤波器参数可以与单个人体测量(例如,两耳距离或空洞的直径贝壳状结构),因此可以适应一个特定的侦听器(91年]。然而迄今为止他们已经很少应用于虚拟现实应用程序(92年]。

3所示。听觉反馈技术辅助康复和医疗保健

使用各种类型学的听觉反馈技术辅助康复,在康复机器人和虚拟康复系统。部分3所示。1在这些领域评审的相关工作。部分3所示。2只关注康复机器人,提出了一种比较分析大量系统报告一些使用听觉反馈:结果分析表明,在许多情况下听觉反馈不充分利用的潜力。部分3所示。3讨论一组其他医学研究和治疗仍然有用的应用程序可能使用的听觉显示在运动康复。

3.1。听觉反馈康复系统

音频是用于许多康复系统,利用游戏隐喻激发病人来执行他们的任务。作为一个例子,Cameirao et al。93年)开发了一个系统康复的病人患有各种神经病理学所带来的诸如中风和创伤性脑损伤。系统使用一个动作捕捉系统和游戏技术,和音频采用奖励功能:每次病人截获一个球体,这反弹回来,病人接受听觉反馈的“积极的声音。“作者不指定声音的性质,但他们认为这是一个事先录制好,事件驱动的样本。使用语音和声音也Loureiro et al。94年)作为奖励反馈给鼓励的话语和声音当人试图执行一个任务和庆祝或慰藉的单词任务完成。

GenVirtual [95年)是另一个游戏应用程序设计为学习障碍患者。我们的目标是帮助患者提高几个技能,包括运动协调。游戏要求模仿声音/颜色序列。用户,听到或看到一个例子后,必须重复序列在虚拟环境中通过选择数据集。听觉反馈用于简化记忆序列。前面的例子,听起来更相关的用户操作(选择一个立方体),但是系统使用预先录好的声音,触发一个事件。类似的方法,使用的声音空间化,吉尔et al。96年]。他们的系统允许定制的发展站练习。任务是跨过一些街区,移动在一个虚拟的地毯。病人的街区,一篇合成声音呈现从相应的方向。一个游戏所使用的隐喻与听觉反馈也克雷布斯et al。97年,98年),他开发了一个虚拟环境刺激病人跟踪轨迹之间的两个或两个以上的目标。

其他系统使用听觉反馈来增强虚拟现实环境的现实主义。Johnson et al。99年)模拟汽车转向环境上肢中风治疗:完成驾驶场景与听觉、视觉和力反馈为了渲染任务有意义和功能活动。Boian et al。One hundred.)与罗格斯脚踝触觉界面两个虚拟环境,模拟飞机和船只:天气和能见度条件下可以改变声音效果(闪电和雷声)添加增加了现实主义。Nef et al。26)尝试使用“阿明”机器人装置与几个虚拟环境,通过视听信号定义,允许病人火车在饮食等日常生活活动,把握,或者玩一个球。机器人根据需要提供援助。希尔顿et al。101年)在一个虚拟环境中使用声音和语言开发等支持卒中后康复和日常活动排练准备热饮。自动口头指示邀请参与者在水龙头下把水壶。如果检测到正确的用户响应,视听的模拟活动。在这些作品中,听觉反馈试图呈现尽可能现实虚拟物体出现在现场的声音。然而,与听起来是不现实的,因为没有一个持续的用户的动作和声音之间的关系。

在某些情况下,听觉反馈用于提供信息指导任务执行。Masiero et al。102年)发明了一种机器人装置,治疗期间,同时提供视觉和听觉反馈。声音强度增加到信号的开始和结束阶段运动,但它不是病人相关的性能。然而,作者报道,这种反馈是非常有用的在维持高水平的患者的关注。以类似的方式,1 -和二自由度机械手设计的科伦坡et al。103年)为病人提供视觉和听觉反馈来显示任务(启动/目标位置,指定路径),并提供反馈的任务执行(开始,当前处理位置、休止期和结束的运动)。如果患者不能自主完成任务,机器人提供援助。

为数不多的研究,明确评估听觉反馈的有效性是由于Schaufelberger et al。104年)(参见[105年]),世卫组织评估使用earcons运动交流相关信息。上下文中的一个障碍的情况下,障碍距离听起来重复率有关,和障碍高度相关的声音。17名健康受试者的研究没有声音的反馈(控制条件)相比,距离反馈,反馈,高度和反馈结合视觉反馈在所有条件。结果表明,受试者走得更快,当声反馈存在的障碍。

许多其他系统包括音频,但他们不描述声音的特点,无论是设计标准。作为一个例子,威尔逊et al。106年报告的虚拟桌面环境的发展对创伤性脑损伤上肢功能的评估使用一个入门级虚拟现实系统。系统利用Wii界面和听觉反馈,但本文并不给任何其他细节音频信号。相反,有利和迪茨(107年给反馈的详细描述,但没有理由的设计选择。

3.2。听觉显示在康复机器人技术的比较分析

上述例子表明,很少关注致力于设计并在康复机器人听觉反馈的作用。为了定量地支持这一观察,我们分析了很多机器人援助康复系统报告一些使用听觉反馈。我们的分析包括所有最近的评论文章中引用的论文(108年- - - - - -112年),相关的所有论文的特刊《IEEE (31日)和两个相关的国际会议(ICORR-Int的诉讼。Conf.康复机器人,ICVR-Int。自2006年以来Conf.虚拟康复)。

60论文了,42机器人援助康复系统有关。对于每个系统,我们确定了类型学的听觉显示,实现基于提供的描述文件。结果在图进行了总结4。它可以注意到,大多数的系统不报告任何使用听觉反馈。为其余的利用earcons相对多数,约三分之一实现真实的声音,比如听觉图标或环境的声音。没什么用的空间化和语言,而没有系统实现了一个基于sonification听觉显示。事实上,几乎所有的系统使用非常简单的声音控制(例如,声音由单一事件或录制好的声音相关的虚拟对象)。表1提供了额外的详细信息系统,使用某些形式的听觉显示。

这种分析的结果,结合初步实验等(113年,114年),表明潜在的听觉反馈在康复系统很大程度上低估了在当前文学。节4,我们建议听觉反馈可能会采用更有效的方法,特别是使用连续的用户运动。

3.3。在其他医学应用听觉反馈

本节讨论的一组研究,虽然不是集中在运动康复,仍然提供相关的例子可能使用听觉显示(其他的例子可以发现在文学的大型语料库由国际社会在听觉显示(http://www.icad.org/)。)

3.3.1。警告和警报

听觉显示被广泛用于警告和警报。医疗设备警报的新国际标准IEC 60601-1-8,包含一套长期的调查关于声波警报(即应该表明他们的来源。,设备生成的警报)通过独特的旋律(earcons)。设计earcons在医疗环境中出现了许多问题,如需要及时识别同时警报当多个并发设备功能在同一个房间里,和一个分类基于报警的紧迫性。而不是使用melody-based earcons,桑德森et al。115年]表明,警报和紧迫性映射到声学特性(音高、速度、音色)更有效地传达事件的紧迫性。Edworthy et al。116年)提供一个验证研究设计原则。

3.3.2。持续的监控

在医疗环境中,不仅需要监控警报,而且不同状态或水平的生理信号暗示earcons的延伸,可伸缩earcons命名。可伸缩earcons扩展层次结构的概念earcons生产断断续续的声音能够表示时间序列的测量。一组可伸缩earcons监测血压由沃森(117年24日],测试的结果受试者显示,可伸缩earcons可以用很好的传达大量的信息准确性。

Pauletto和狩猎118年)尝试使用连续听觉反馈来呈现听觉上从三个腿部肌肉肌电图信号。实时听觉显示肌电图有两个主要优势图形表示:它使理疗师的眼睛,可以听到的病人也可以试着与他/她的运动目标的一个健康的人。在[118年),每个EMG传感器都映射到一个正弦波振荡器的振幅,和振荡器频率的谐波关系的目标产生一个令人愉快的声音。由此产生的听觉显示验证与测试组21科目。

3.3.3。视力受损的用户接口

听觉显示已经被用于表达空间信息与视觉障碍受试者。许多研究处理使用回声定位设备向用户提供听觉信号,根据方向,距离,附近的对象的大小。等设备研究了为盲人假肢。

时et al。119年)设计了一种基于调频发射超声波障碍检测装置和检测的反射障碍。听觉反馈是通过反射信号的audification生成的,按比例缩小的声音频率范围。心理物理实验表明,听觉反馈成功地用于识别和歧视的障碍。

梅耶尔(120年)开发了一个系统的视频,与应用程序为盲人视觉替代设备。视频流的图像采样和转换成光谱图中灰度级图像的对应振幅谱组件。虽然映射是高度抽象和不直观,用户的设备确实证明转让的形式发生。

托尔伯特和考恩121年)四个编码相比,允许用户感知几个对象的同步运动。他们比较了结果通过使用各种组合水平运动的平移,垂直运动球场(利用所谓的普拉特的影响(122年通过头]),和声音空间化。他们得出的结论是,用户盲人或视觉注意力的否则占领,从听觉获得的信息对象运动的代表他们的周围环境。

4所示。未来前景

分析部分3表明,在大多数情况下,听觉反馈作为听觉图标,信号一个特殊事件(例如,玻璃下降)或虚拟场景中物体的存在。一些系统使用连续反馈相关用户动作和大多是基于非常基本的映射功能。只有一个(123年)综述研究包括实验来验证实际的听觉反馈的有效性。设计标准不指定。

我们相信技术辅助康复系统可以画优势更了解听觉反馈的使用。在本节中,我们讨论一些这样的用途,与目前的研究挑战技术辅助康复。实现这样的前景需要强烈的实验工作,为了验证听觉反馈运动学习过程的影响,以及结合其他形式,如视觉和触觉反馈。此外,设计标准定义来选择合适的听觉信号与一个给定的任务。

4.1。存在和参与

节1我们强调高度重复运动训练可能会导致重复的恢复和改善,与参与者的积极参与,促进重组。在常规康复设置,口头反馈是广泛应用于patient-physiotherapist互动增加动力和加强对病人的信息。因此,支持参与和动机在技术辅助康复至关重要。

激励方面所带来的听觉反馈在运动是已知的和一些实验表明,声音(有关运动时)有好处包括提高情绪,认为努力降低评级,实现最优激励在体力活动(124年]。此外,提供了一个忠实的空间表征的音频事件增加了强烈的现场感,即感知虚拟环境是真实的。亨德里克斯和巴菲尔德125年]报告两项研究中,受试者被要求在虚拟环境和完成问卷的水平存在经验的虚拟世界中。结果表明,添加予声音显著增加强烈的现场感。Rauterberg和Styger126年)进行了一项实验来估计的影响听觉反馈面向任务的虚拟环境。结果表明,这种反馈显著提高操作员的性能和增加积极情绪方面,如准备奋进号和宁静。

另一方面,设计糟糕的听觉反馈可以适得其反。如果声音是单调的,有趣的或声音对象不相关的虚拟场景或发生了什么如果听觉显示很少或根本不丰富,用户有时倾向于消除它(例如,许多用户禁用声音在PC接口)。因此,指导方针,音频的设计反馈是必要的。这是证明,例如,通过布儒斯特et al。127年在不同区域的情况下增强的图形用户界面。

音质是另一个重要的问题:使用心理声学模型促进了主观听觉刺激反应的预测。茨威格和Fastl128年]目前感觉愉快的模型,基于心理声学参数的组合。许多研究[129年]领域的声音质量表明,心理声学的尺度可以更好地预测人类声音的评价比物理信号测量。

第三个元素是听觉反馈的延迟响应用户的输入。快速响应反馈提高用户参与度,这样用户可以更容易地在探索过程中完善控制活动(130年]。此外,听觉反馈应该同步与其他显示模式允许一个连贯统一的认知。同时也必须注意的声音呈现给用户。虽然人类擅长选择性倾听,同时参加多个听起来是困难的和准确的信息,可以同时提取声音流是有限的(131年]。

最后,评估策略是必要的。最近的一项研究Secoli et al。132年)使用错误选择任务来评估病人的参与和努力在跟踪任务。结果表明,使用听觉反馈跟踪误差使病人同时执行有效地跟踪和视觉错误选择任务,最小化的减少病人的努力造成的错误选择当没有听觉反馈。

4.2。急性期康复

使用康复系统的一个主要问题在急性期,急性卒中后病人躺在床上,不能集中注意力在屏幕上。在这种情况下,听觉反馈可以是一个有用的工具,代替视觉显示和集成触觉反馈。

用视觉与听觉的可能性是由一些研究支持感觉替换。这个概念基础上的质量一个感觉形态并不源于特定的感官输入通道或神经活动参与,而是法律的感觉运动技能锻炼,这样可以获得听觉或触觉输入的视觉体验,感觉运动提供了法律被遵守的法律视野。各种研究[119年,120年,133年- - - - - -135年]研究视觉与触觉和/或替换试镜通过视频转化为触觉或声音模式。

反馈内容应调整阶段,学习的主题。中风后,内在反馈系统可能会受到损害,使人很难确定需要做什么来提高性能。与愿景,我们假设试镜产生更少依赖外在反馈,可以为患者提供更好的机会使用自己的内在反馈(136年]。

4.3。家庭康复

使用汽车卒中后康复机器人系统有很多优势,但这些系统的定制和高成本很难进行治疗后出院。家庭康复需要低成本的设备和独立于硬件的虚拟环境。在这种背景下,音频形态提供了有趣的机会。音频通常是一种低成本的资源与最低硬件要求(见,例如,(137年):中等质量耳机或普通家庭影院系统是足够的对于几乎所有的应用程序。

此外,音频可以集成模式更加昂贵。正确设计的多通道(haptic-auditory)显示可能会提供更大的比一个高保真的视觉沉浸在虚拟环境中单独显示。这特别适用于低成本系统,视觉显示的质量是有限的。它是知道的感觉集成(即。,interaction between redundant sensory signals) depends on the features to be evaluated and on the task [138年]。

甚至触觉显示可以通过其他形式补偿。Lecuyer [139年]表明,适当设计的视觉反馈可以在一定程度上为用户提供触觉幻想,一个“pseudohaptic”的反馈。提出了类似的想法在140年]关于游标接口光标位置的积极操纵引起触觉感觉(粘性、刚度、质量)。同样的方法可以进行试镜应用于开发的低成本系统pseudohaptic反馈(如惯性效应)提供通过正确设计听觉反馈(141年]。

最后,视觉和听觉反馈可以发挥关键作用的发展共享用户界面,创建一个特征之间的英国航空公司d急性,postacute,和慢性阶段康复机器人系统和家庭康复设备,从而促进患者配合康复治疗的恢复过程。

4.4。运动学习

从工程的角度来看,为了最佳刺激卒中后病人的运动学习,每个人都应该知道什么样的刺激。作为一个例子,一些实验结果表明运动学误差驱动电机适应(142年]。这需要控制策略允许用户犯错,同时意识到这些错误。

通常,这类信息通过视觉反馈,呈现,用于复制虚拟任务(例如拖一个对象并将其放入一个盒子)或显示一个标志,在一个虚拟空间,紧随其后的是用户。听觉反馈可以用来放大和强调小运动错误,由于有限的决议是不可见的视频反馈。同时,声音是非常适合显示velocity-related信息143年),推导的视觉反馈需要一个复杂的精化的病人。声音可以提供关于事件的信息可能不是视觉上出席,以及事件模糊或难以想象144年]。的集成音频也可能是一种很有前途的解决方案来克服一些常见的可视化的挑战,如视觉遮挡,和视觉上的隐藏方面并行过程在后台可以明显的听觉反馈。

比较通过视觉反馈与控制直立安静的姿态表明冗余的角色在多感官集成控制的姿势(145年]。而视觉提供环境信息,并允许预测即将到来的事件,听觉信息处理时间明显快于视觉反应时间,使其更重要的姿势反应令人不安的刺激。

所有这些研究表明听觉反馈可以提高病人刺激通过提供丰富的任务相关信息和性能(错误)相关的线索。

4.5。日常生活活动

卒中后运动康复的主要目标之一是经济复苏的能力执行ADLs,促进融入社会和家庭生活。这些功能运动通常涉及大量的自由度的手臂和手,需要更复杂的发展,多个自由度机器人治疗设备(146年]。此外,由于涉及电动机任务的复杂性,他们表示病人比简单的点对点更具挑战性的康复练习,仅仅涉及一些人类手臂的自由度。

ADLs期间,我们与世界的相互作用本质上是连续的。复杂的任务,比如走路或骑bycicle,甚至是相对简单的,如达到和把握,依靠视觉的混合物,动觉和听觉线索,不断提供信息。作为讨论的部分3ADLs培训,目前系统主要利用触发预先录制好的声音。这种方法不允许来模拟连续反馈可用在现实世界中。这个目的,需要使用合适的合成模型,它允许一个连续控制的音频渲染相关用户手势。在自然环境中连续的一个例子,互动反馈是由巴兰(143年),有形设备由一公尺长跟踪,加速度计和sonification技术,模拟一个球的运动在跑道上。用户平衡球通过倾斜跟踪(见图5)。球滚动的声音在通过一个实时跟踪表面合成算法基于一个系统的物理模型(147年]。用户测试表明,该连续听觉反馈减少所需的时间平衡球。虽然没有明确为康复的情况下,这个应用程序演示了潜在的连续声音反馈支持复杂的任务学习。

连续的声反馈也可以基于更抽象的映射。在这种情况下,sonification技术可用于呈现听力的某些线索复杂运动几乎重现在视觉领域。有关的一个有趣的例子是由Kleiman-Weiner和伯杰(148年]。他们检测了高尔夫球挥杆的案例研究,并考虑俱乐部的头和肩膀旋转的速度相对于臀部最相关的两个运动线索。这些二维映射到独立谐振滤波器来模拟元音共振峰等(见彼得森的元音表(149年])。这样一个复杂的手势,质量很难通过视觉可感知的由于其高速,映射到一个声学元音序列,更容易通过试镜可感知的。

5。结论

本文回顾了听觉的文献显示了演示的目标听觉反馈robot-aided康复的潜力。研究讨论了这项工作表明,正确设计听觉反馈可以帮助用户在执行任务导向马达运动动机;可以表示时间和空间信息,可以提高运动学习过程;可以替代其他的反馈形式,以防他们的缺席。此外,低成本设备的可用性来实现听觉反馈使它特别适合家庭康复系统。

尽管这些证据,很少关注致力于在当前研究卒中后康复机器人协助听觉反馈。大部分的审查系统本文不利用音频,而其他人只利用一组有限的可能性,如earcons或听觉图标。听觉反馈主要是实现在虚拟现实系统中,再现现实的环境声音,目的是增加用户的强烈的现场感。只有在极少数情况下,它是利用支持运动学习过程,提供了一个增强的反馈给用户。

听觉感官通道的正确使用,支持进一步研究其对运动技能学习的影响过程中,可能会增加当前康复机器人系统的能力来帮助患者了解更多复杂的运动任务和可能帮助他们更有效地恢复执行ADLs的能力。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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