文摘
衰老、损伤或疾病可以导致受损的平衡控制和增加下降的风险。提供轻触增强平衡感和可以减少身体的影响。在这项研究中,一个可穿戴的反应wheel-based系统用于提供光触摸式平衡生物反馈在这个问题上。系统可以感知身体倾斜,轮子使用反应,生成轻触。第七的一群健康的年轻个人执行12试验组合基于两个条件下平衡任务每个人站的立场和表面类型和三种生物反馈设备状态。躯干倾角数据,收集从waist-mounted智能手机在所有的试验,分析了确定系统的功效。提供生物反馈的设备大大降低了RMS中侧的(ML)树干倾斜()和ML树干加速度()。重复测量方差分析显示重要的立场之间的相互作用和表面减少RMS毫升树干倾斜,美联社树干倾斜,ML树干加速度,美联社树干加速度。设备显示承诺为进一步的应用,如虚拟现实交互和步态康复。
1。介绍
站在一个稳定的姿态是一种能力,我们大多数人认为是理所当然的,因此被认为是一个简单的任务。相反,现实是完全相反的假设。实现稳定的站立姿势是可以通过人体的各种能力的协同作用的合作。维持姿势稳定的机制可分为三个部分:传感、处理、驱动。平衡的感觉是通过前庭系统的利用率,从眼睛的视觉输入,输入从下肢本体感受的1]。沟通和处理所有的传感器数据是由中枢神经系统(CNS),根据这些数据产生驱动信号,也传达了中枢神经系统。驱动信号是由肌肉骨骼系统实现(2]。弱点、伤害或疾病的任何这些系统涉及可能会妨碍平衡维护任务的执行,导致姿势不稳定(3]。可能涉及的能力弱由于先天性疾病或退化由于衰老,疾病,或伤害,造成姿势不稳定。降低姿态控制,除了导致缺乏自信和独立,减少也可能下降的原因,造成伤害(4]。因此,需要采取补救措施以改善姿势控制。
补救措施包括各种康复策略的实现(5]。康复策略包括练习或任务,提高姿态控制和定制根据特定的病人和修改根据他们的进展6]。任务的性能有时伴随着各种辅助设备如矫正器的使用,系统产生一个特定的运动模式和生物反馈系统(7]。在这些设备的领域,现代工程技术现在被广泛应用8- - - - - -10]。将自动化系统在康复过程中可以减少医生参与,使他们能够为更多的病人提供服务。紧凑的和成本有效的系统甚至可能允许用户使用它们,并执行康复任务在自己舒适的家里,增加病人坚持规定的机会练习,直到所需的康复水平已经达到(11]。
一组自动康复康复设备,进行生物反馈一代设备(12]。这些设备提供反馈给用户根据他们的表现。这个反馈是一种可以被用户使用一个或更多的感官。反馈的不同的模式通常用于平衡康复是视觉(13- - - - - -16)、音频(17- - - - - -19)、触觉(20.- - - - - -22]。触觉反馈进一步分为触觉和动觉反馈。这些模式也可以使用相互结合,形成一个多通道系统。这样的多通道系统,一个系统之前由我们(23),也表明积极成果对于平衡康复(24]。视觉提示系统需要显示设备,使整个系统繁琐和不适当的使用可穿戴设备。以听力系统更紧凑,但它利用听觉已被用户利用听医生的命令和其他环境的声音。因此,haptic-based系统最适合不引人注目的生物反馈。
动觉触觉领域的生物反馈,极大的兴趣点之一是“轻触的概念。“轻触指的指尖接触刚性表面,包括力量不足以提供机械支持的人但足够强大感知躯体感觉系统。这个非常低的力刺激当由中枢神经系统处理行为增强本体感受的输入到大脑,从而弥补弱平衡的感知能力。轻触,改善姿势控制(25- - - - - -27]。我们之前已经开发出了一个系统,利用宽松生物反馈幻影Omni®设备交付给手平衡训练(28]。我们还设计了一种多通道生物反馈生成系统平衡训练结合宽松生物反馈从幻Omni设备提供视觉生物反馈系统(23,29日]。与这两个系统实验取得了可喜的成果,但在这两种情况下的最大限制是系统是不可移植的。轻触的进一步变化人际轻触。这是指非常低的力量产生接触的身体部位与另一个人或一个静态或移动物体。人际轻触不仅仅是局限于指尖接触还包括触摸身体的其他部位。已经看到,人际轻触还可以减少身体左右(30.]。Johannsen等人表明,在一些测试条件下,人际关系比指尖轻触肩膀产量更好的效果联系在性能平衡的任务(31日]。Krishnamoorthy等人表明,宽松与颈部和头部固定装置的接口有更深远的影响在提高手指的姿势稳定性比(32]。因此,进一步探索人际轻触,管理的一部分身体以外的手指,如主体的背部,平衡康复工具是必要的。此外,最好的作者的知识,可穿戴系统诱导轻触在一个主题的背上没有另一个人的参与尚未评估。嵌入式系统中,由于其耐磨性,通常是更容易使用比固定或便携式系统,减少麻烦。因此,探索这种可能性应用现有技术来设计一个可穿戴,控制光touch-inducing系统也是必要的。这种可穿戴系统可能受益与平衡障碍康复的主题。可穿戴的触觉生物反馈系统也可以使用家里的人发现很难去诊所治疗。
系统提出了利用人际关系的概念被诱导部队轻触在回给他们反馈用户的身体的影响。它是一种可穿戴系统,而不是使用文具对象或另一个人来生成反应部队,我们利用轮子(RWs)的反应。躯干倾斜是感觉到使用机载惯性测量单元(IMU),由机载单片机和数据处理然后四个遥控武器站的启动来生成所需的转矩引起的轻触。在本文中,我们评估这些线索的影响作为一个平衡生物反馈对年轻健康受试者执行各种任务。
2。材料和方法
2.1。系统描述
我们设计了一个相当简单、易于使用的系统,包括一个可穿戴RW-based生成生物反馈设备和基于pc的系统设备配置和查看传感器数据和日志记录(33]。尽管生物反馈设备设计功能作为一个独立的设备没有连接到电脑,在试验中,它是连接到PC监控目的。分享服务躯干倾角传感模块也被用于实验试验;它不是生物反馈系统的一部分,只是用来收集实验数据。生物反馈设备和智能手机与PC通信允许完全的wi - fi连接上无线操作。它使用的反馈装置有一个车载IMU感觉任何的变化方向。IMU的读出的值是传达给单片机处理,他们决定身体倾斜的中侧的(ML)飞机。在此基础上计算倾角,单片机生成RW马达的控制信号。也传达到PC的数据储存的地方,如果需要进一步的处理。身体影响值衡量智能手机也传达到个人电脑存储任何进一步的分析。 The block diagram of the complete experimental setup with indication of data flow is shown in Figure1(一)。
(一)
(b)
反馈装置生成直观的平衡信号的形式轻触产生的感应RW的扭矩。设备由四个遥控武器站连接到一个成衣利用。轮马达连接到电子速度控制器(30 HW25 \ ESC)允许车载Arduino单片机(由DFRobot Arduino莱昂纳多)来控制汽车。IMU的单片机以感官输入由Invensense(微控制器- 6050)。锂聚合物电池作为电源模块,使用XBee无线收发器和通信处理。生物反馈设备原型与参与者所穿的标签部分如图1 (b)。
遥控武器站通常用于航天器姿态控制,但其紧凑的设计使它们适合使用在应用程序级低扭矩是必需的。每个RW用于我们的系统由无刷直流电机(A2212/13T 1000 KV)附加到对象飞轮。当这个飞轮加速或减速时,反应力是感应电机(34]。一个简单的表示这种现象如图2(一个)。
(一)
(b)
(c)
反应扭矩感应电机,由于与越来越多的利用电动机的连接,转化为一个线性力感知用户轻触。所穿的设备是用户用两个肩带一个背包和一个带在腰上。RW表现为力量所产生的扭矩作用于这些肩带与用户的接触区域的身体。这些力量,而不是觉得个人点,总感觉轻试图提供一个用户的倾斜身体,右手或左手边。
我们的反馈装置由4遥控武器站安排在一个“X”形配置。RW对位于每个对角串联工作的结束在一个方向上产生扭矩,所以“X”形配置允许力矩的产生两个不同的方向。RW伴随的安排维标签如图2 (b)。接触力生成的这些力矩对应中侧的(ML)树干倾斜在左、右两个方向(33]。当用户的躯干倾向右边超过设定的阈值,生成leftward-directed线索,反之亦然。的线索本身由一个奇异脉冲应用力每次躯干倾斜超过设定阈值。力矩电动机经历的数量取决于数量的加速度和转动惯量发生RW(图3(一个))。一个旋转身体的惯性矩是衡量其质量和转动轴的距离。轮子的转动惯量计算用于本研究使用(1)。这个方程中使用的变量在图中定义2 (c)。由于设备设计为可穿戴,其大小是有限的,因此,使用组件的大小也会受到限制。因此,所选的车轮直径10厘米:
(一)
(b)
使用(1),转动惯量的RW用于这项研究 。
分离车轮的中心之间的距离= 19.5厘米。的总质量惯性矩RW阵列对其中心被发现使用平行轴定理,得出以下方程: 在哪里轮的距离中心的旋转中心的设备和是轮子的质量发现使用以下方程:
每个RW被发现的质量 。因此,从(2的总质量惯性矩),完成RW数组 。夫妇的遥控武器站在实证检验来验证设计。每个RW夫妇所产生的最大力量1.24 N,因此可以视为轻触。设备的总重量4.20公斤包容它所有的组件。图3 (b)系统显示生成的合力与躯干倾斜。
2.2。实验装置
基于pc的模块的虚拟仪器系统运行环境中开发应用程序接收数据从生物反馈设备和智能手机的倾斜传感器显示和记录,并允许操作员配置生物反馈设备。该项目利用双向UDP通信wi - fi与设备进行通信。它可以接收传感器反馈的数据设备,可以用来切换RW汽车开关和控制速度。与智能手机通信是单向的;个人电脑只接收身体摇摆的数据模块。本研究中使用的智能手机是一个泛泰织女星IM-A850L有四核1.5 GHz CPU处理器、2 GB内存并运行Android®操作系统。我们以前使用智能手机作为一个可靠的身体影响评估工具在立场和步态条件(23,28,29日,35- - - - - -37]。智能手机运行一个应用程序,该应用程序措施树干倾斜的ML和前后的(美联社)角度和发送这些数据通过UDP / wi - fi的电脑。
七个健康的年轻参与者参加了实验研究和执行规定的平衡任务来检查我们的系统提供的生物反馈的有效性。这些参与者在表的细节1。所有的患者有任何感觉运动障碍的历史。这项研究是根据赫尔辛基宣言,并进行伦理制度审查委员会批准在光州科学技术学院。所有科目数据收集前给予书面知情同意。
受试者被要求穿的反馈设备和智能手机以进行实验测试。肩带提供的反馈装置,这样就可以将穿的像一个背包,和智能手机连接到腰部的帮助下一个弹性腰带。这里介绍的目的进行实验,树干倾斜线索生成阈值被设定为±1°垂直。所有的硬件,配置完成后,受试者被要求保持他们的平衡而站在两个截然不同的立场的姿势在两个不同的表面每30秒。获得的数据在第一个和最后一个5秒的审判过程中没有利用分析。规定的姿态姿势是tandem-Romberg和单腿。在tandem-Romberg立场,一只脚放在另一只脚的前面的脚跟前的脚触摸脚趾后,和非惯用脚后的位置。在单腿立场,主题站在非惯用的腿同侧肢体在大约20°的髋关节屈曲,45°的膝盖弯曲,额平面和中立的立场。主体的踢的偏好是用来确定腿主导地位。这些测试中使用的表面是坚实的基础和泡沫制成的一个平台。 The platform was used to simulate soft ground conditions. It had the dimensions of 600 × 600 × 150 mm and was made using high resilience foam that had a density of 48 kg/m3和83 kPa的抗拉强度。动觉的受试者解释适当利用生物反馈平衡控制实验开始前试验。生物反馈设备交付的对象所穿的宽松信号平衡。研究对象,利用这些线索,试图实现的目标平衡自己的规定指定表面上的立场。立场条件和表面条件将使我们能够识别的有效性提出了系统在不同条件下操作。我们预期,该系统将有更大的功效,当用户执行平衡任务在相对更不稳定的条件。
每个参与者进行平衡任务下共有12个试验组合组成的三个条件的生物反馈装置,两个地面条件,两种截然不同的站立姿势(3×2×2 = 12)。三个生物反馈设备条件如下:不穿,穿这个设备,但是它是不提供任何生物反馈,和穿着设备时提供生物反馈。参与者站在正常稳定的支持和地面上一个泡沫平台,模拟不稳定条件。两个站的姿势由参与者承担tandem-Romberg立场和一条腿的姿态。
平衡试验在提到的12个不同的条件下进行的条件被应用到所有的参与者在一个随机的顺序。与测试相关的缩写条件列在下表中2。“N”是指试验没有穿生物反馈设备。“O”是指试验完成穿设备但不开启。“B”是指试验完成时穿着设备开启和提供生物反馈。
2.3。数据收集和分析
身体左右是一项有意义的指标,可以用来识别一个人的平衡在直立的姿势(38]。智能手机连接到测量受试者的腰树干倾斜角度在试验和传达他们无线电脑。毫升,美联社,树干倾斜和加速度数据被记录在电脑。postexperimental分析,有效值毫升树干倾斜,美联社树干倾斜,ML树干加速度,美联社树干加速度计算。之后,我们进行了统计分析的记录数据进行详细观察平衡性能(39]。使用的依赖t以及,我们比较下的身体影响N和O与统计学意义定义为条件 。三通进行重复测量方差分析(因素:反馈(O, B),立场(T, S),和表面(G、F))进行分析的树干倾斜和加速度参数。此外,我们减少毫升的有效值计算树干倾斜(RMS-ML-tilt-R),美联社树干倾斜(RMS-AP-tilt-R),毫升树干加速度(RMS-ML-acceleration-R)和美联社树干加速度(RMS-AP-acceleration-R)通过计算O和B之间的绝对差的条件。双向重复测量方差分析进行调查的立场(因素)的影响和减少表面(因素)的有效值毫升树干倾斜,美联社树干倾斜,ML树干加速度,美联社树干加速度。事后多重比较使用Bonferroni调整方法进行了测试。
3所示。结果与讨论
平均值±标准偏差(SD)对所有受试者的RMS的ML树干倾斜,RMS的美联社树干倾斜,RMS的ML树干加速度,和RMS美联社树干加速度表所示3。的结果t测试表明,N之间没有统计上的显著差异(没有穿生物反馈设备)和O(戴着设备,但它不是开启)为因变量(ML树干倾斜,美联社树干倾斜,毫升树干加速度,和美联社树干加速度)在所有试验条件(表4)。这表明穿设备并没有显着影响用户的平衡。
表5显示了三通与因素重复测量方差分析:统计反馈,立场,和表面。我家的重复测量方差分析结果显示所有主效应和交互显著的RMS毫升树干倾斜。事后分析发现显著差异的RMS毫升树干倾斜各级之间的每个因素和因素。然而,美联社的RMS树干倾斜方面表现出显著的主效应和交互的立场和表面因素。RMS的事后分析发现显著差异美联社树干倾斜各级因素以及这些因素之间的表面和立场。RMS的ML树干加速度反馈的主要影响方面表现出显著的,立场,立场和表面的表面和交互。事后分析发现显著差异的RMS毫升树干加速度之间的每个因素和各级因素。RMS的美联社树干加速度方面表现出显著的主效应和交互的立场和表面因素。事后分析显示显著差异美联社各级树干加速度均方根的表面和立场因素以及这些因素之间的关系。
双向重复测量方差分析结果显示主效应和交互作用为RMS-ML-acceleration-R微不足道,RMS-AP-tilt-R, RMS-AP-acceleration-R。然而,主要的立场的影响(值= 0.012),表面(值= 0.003)和立场×表面相互作用(值= 0.005)是RMS-ML-tilt-R统计学意义。由于显著的交互,进行事后分析评价简单主要影响RMS-ML-tilt-R(图4)。统计上的显著差异被发现在减少毫升的有效值树干倾斜tandem-Romberg和单腿立场之间的地面(值= 0.020)和泡沫(值= 0.039)的表面。统计上的显著差异减少也发现了RMS值之间的ML树干倾斜地面和泡沫tandem-Romberg立场的条件()。然而,没有统计上的显著差异减少毫升树干倾斜的RMS值被发现之间的地面和泡沫条件单腿立场。从这个结果中,我们可以观察到,减少RMS毫升树干倾斜是在泡沫表面相对于地面。条件,然而,当比较立场毫升树干倾斜的RMS的减少是在tandem-Romberg立场相比单腿立场。这一结果可以归因于缺少美联社方向线索/援助系统。
本文提供动觉生物反馈的效果在这个问题上的平衡。的均值和标准差(SD)收集的数据在实验试验观察,结果表明,提供生物反馈由我们的系统减少身体摇摆的参与者。这可能是由于躯体感觉增强触觉所提供的生物反馈。躯体感觉增强是提高站稳定(40]。为了评估生物反馈设备的影响,RMS毫升和美联社树干倾斜和RMS毫升和美联社树干加速度。设备目前提供平衡线索毫升方向在树干毫升方向的影响。因此,毫升的结果是本研究的重点方向。RMS的ML树干倾斜已被证明是可靠的姿势控制多个标记之前的研究(41- - - - - -43]。同样,RMS的ML树干加速度已被证明是可靠的判断平衡测量站试验期间(44- - - - - -46]。在研究过程中,参与者表现出无显著差异的RMS毫升树干倾斜和RMS毫升树干加速度,不穿装置之间(N),穿着没有反馈的设备条件(O)。这表明设备的穿着并不影响参与者的姿势稳定。相反,虽然比较均方根毫升树干倾斜在任何反馈(O)和生物反馈(B)条件下,统计上显著差异被发现在所有的立场和表面条件。类似的结果的均方根毫升树干加速度观察。因此,动觉生物反馈由系统生成的姿势稳定性有显著影响。这是符合我们的假设,应用宽松信号一个主题的作品后,以减少他们的身体摇摆。立场之间双向重复测量方差分析显示显著的交互和减少表面的RMS毫升树干倾斜之间没有设备和生物反馈条件。这表明姿势稳定性改善的数量变化与立场和地表条件。相比之下,没有明显的立场和表面之间的相互作用对减少毫升树干的均方根加速度,美联社树干倾斜的RMS,美联社树干加速度的均方根之间没有设备和生物反馈条件。
系统生成力的大小1.24 N可视为站光触摸式生物反馈和足够平衡的任务就是明证在以前相关的工作(26,27]。它可能需要增加力大小为了申请这个生物反馈法在运动之前的相关工作任务期间处理宽松反馈走利用了4 N力(47,48]。一些最近的研究已经报道了承诺vibrotactile生物反馈对站平衡的影响(49,50]。因此,它是一个点感兴趣的研究这个系统提供动觉生物反馈相比,vibrotactile平衡生物反馈系统来确定他们的表现的差异。比较神经生理学的研究效果,这些系统可能对一组特定的用户也设想。
本研究的一个限制是小数量的参与者,但其他几个发表作品相关效应的生物反馈设备也和小样本大小(试验报告51,52]。通过测试进行了在这个研究,我们不仅能够判断的影响规定的设备性能平衡的任务也能够发现一些缺点当前设备的原型。参与者能够穿设备轻松,但他们并不熟悉它的重量。他们通常认为穿装置长时间将变得不舒服由于其重量。因此,重量减轻系统的考虑我们的未来的工作。这可能通过材料选择的变化,这样系统会变得适合应用扩展的康复计划。其中一个方案是使用触觉生物反馈设备与虚拟现实增强卒中后资产和流动性53]。平衡系统提供线索的ML方向,增强其功能,需要二维信号传输系统,可以提供线索毫升和美联社的方向。为了做到这一点,适当的反应车轮布局需要决心和硬件需要开发能产生所需的力量又不会太重。当前的研究不确定系统的增加重量的影响恢复平衡的用户在大的影响。在未来的工作中,我们还将详细观察用户的姿势控制姿态扰动的条件下。
4所示。结论
可穿戴式生物反馈设备产生宽松生物反馈对应毫升躯干运动的方向是本研究评估。进行了测试与参与者没有任何平衡障碍,和使用不平衡引起的不平衡是导致站的立场,一个不稳定的表面。水平的平衡通过参与者判断是基于他们的身体摇摆毫升和美联社。初步试验中观察到的结果与健康的年轻学科指向一个重要的附加平衡训练程序。我们观察到交付动觉生物反馈法可以应用于平衡康复任务通过使用专门设计的平衡。可穿戴,系统具有较高的潜在使用在家里或在门诊平衡训练。与年轻健康受试者实验试验进行支持的可行性系统平衡培训援助。在未来的原型,系统设计应最大程度地减少当前的局限性。我们计划使用这个系统来执行长期平衡训练的直立平衡问题。此外,利用可穿戴系统的性质,我们还计划研究利用这个设备的好处在步态平衡援助援助。
数据可用性
数据支持本研究的结论是包含在这篇文章。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
本研究工作得到了韩国国家研究基金会(NRF) (2017 r1a2b4011704),双重使用民用和军事技术项目,项目(GUP) 2018年全球大学授予要点。