This protocol was developed for research supported by the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (grant RGPIN 401963).

以下のプロトコルは、オランダBloorviewキッズリハビリテーション病院で研究倫理委員会によって承認されました。 1.モーター校正<ol><li> USBポートを使用してコンピュータにマイコンボードを接続します。 </li><li>オリジナルのマイクロコントローラ・ソフトウェアを使用して、丸で囲んだ右矢印で示される「アップロード」アイコンをクリックして、USB接続を使用してボードにカスタムスクリプト、「Motor_and_AccelerometerTest.ino」をアップロードします。 <ol><li>振動レベルが「analogWrite」コマンドを使用して、オフの位置にモーターを置くためにゼロに設定されていることを確認。 「analogWrite（vibe1,0を）;」のコードを読んでください。 </li><li>マイクロコントローラのコードでは、「vibe1」変数を初期化することにより、関心のモータに対応するパルス幅変調（PWM）出力端子を指定します。 注：PWM信号はマイクロコントローラによって生成されたデジタル信号から近似アナログ出力を生成します。ピンはlabeleあります物理的なマイコンボード上の数値日間。モータをPWM出力端子 &#39;から3&#39;に接続されている場合、次にことを確認し「INT vibe1 = 3;」コー​​ド内で指定されています。 </li></ol></li><li>マイコンボードのアナログ入力ポートのいずれかに3軸加速度計のz軸の出力を接続し、正を接続して、地面には、それぞれ、マイコンボードの5Vとグランド（GND）のポートに加速度計からつながります。 </li><li> 図2に示すように、そのz軸は、モータの平面に直交することを保証し、振動モータに加速度計を取り付けて、ハード面にモーターを配置。 </li><li>データ収集ソフトに「Motor_Calibration.vi」ファイルを開き、USBポートを介してコンピュータにマイクロコントローラを接続します。 </li><li>表示されたフィールドを使用して、ドロップダウンメニューだけでなく、サンプリングレートを使用して、マイクロコントローラ入力用のシリアルポートを指定し、numは収集するサンプルのBER。注：500 Hzのサンプリングレートは、これらの実験は、加速度データのエイリアシングを防止するための標準であり、1000のサンプルは、一般に記録されています。 </li><li> 「Motor_and_Accelerometer.ino」コードを使用すると、振動モータに供給されるPWMパルスの所望のデューティサイクルを指定して、もう一度「analogWrite」コマンドを使用して、モータを制御するマイコンボードにプログラムを再ダウンロードする（ステップ1.1を参照してください。 ）。例えば、100パルス数を設定するには、コードを読み取る必要があります」analogWrite（vibe1,100）; &quot;。 表1のPWM値とそれに対応するデューティ・サイクル。 </li><li> 「MotorCalibration.vi「インターフェイス上で高速フーリエ変換（FFT）ディスプレイを使用して、最大のピークを特定し、（横軸）から対応する振動周波数値を記録します。 </li><li>反復は、各PWM周波数パイ記録、所望の周波数に到達するまでのPWMレベルを調整する、1.7〜1.8手順rを。最大ピークは、横軸に100 Hzのマークの上に発生するまで、例えば、100 Hzの周波数をターゲット場合は、ステップ1.7から1.8を実行します。 注：このプロトコルで使用される振動モータの場合、対象となる振動がより良い文献5,10,13に記載された皮膚中の機械の応答周波数を一致させるために60から400 Hzの範囲であるべきです。 </li><li>手動でスプレッドシートや鉛筆と紙と各モータのPWM周波数の関係を記録し、各モータのために1.8〜ステップ1.2.2を繰り返します。 </li><li> 「Experiment_1.vi &quot;ファイルを開きます。各モータの場合は、ドロップダウン周波数メニューを右クリックして「プロパティ」を選択します。 「アイテムの編集」タブの下で、ステップ1.8から1.9に決定される所望の周波数と対応するPWMレベルを入力するためにテーブルを使用しています。終了するには「OK」を選択します。 </li><li>システム設計ソフトウェアの各仮想インタフェース（VI）ファイルを繰り返し、ステップ1.11がテスト中に使用される（ 例えば、 &quot;Experiment_2.vi &quot;、&quot; Experiment_3.vi」 など ）。 </li></ol><img alt="図2" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig2.jpg" /> モータに取り付けられた 図2の 加速度計。三軸加速度計（緑）は、キャリブレーション用のモータの平面に、そのZ軸と直交してコインモータに取り付けられています。各モータは、異なるデューティサイクルを用いて活性化し、対応する振動周波数は、加速度計によって記録した。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54223/54223fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 2.モーターを配置します<ol><li>すべてのモーターが（セクション2）を校正されたら、太ももにそれらをマウントします。 <ol><li>この原稿に記載された結果を達成するために、ほぼ中間である、前方、後方、内側、及び大腿部の側面のそれぞれに一つのモータを配置大転子と外側大腿顆（または膝上切断者のために手足の先端を）トゥイーン。 注：各モータの特定の位置は、関心のある研究課題や地域によって異なります、そして、皮膚中の機械の種類や空間分布などの解剖学的および生理的要因によって影響を受けることができます。 </li></ol></li><li>両面テープを使用して皮膚に直接モータを取り付けます。 注：各モータの周囲の領域を剃ることは必要ではないが、皮膚（ 図3）への接着性を向上させることができます。衣類、補綴ライナー、またはユーザの知覚上のいくつかの他の材料の効果が注目されているアプリケーションの場合、むしろ皮膚に対するよりも、前記材料の上にモータを配置します。 </li></ol><img alt="図3" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig3.jpg" /> 実験図3.テストプラットフォーム。カスタムテストプラットフォームはハウストンに建てられました彼はボードやプッシュボタンをマイクロコントローラ。モーターは、（示されるように）皮膚に直接取り付け、またはモータと皮膚との間補綴ライナーを有することができる。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54223/54223fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 3.実験1：刺激を適用し、反応時間を記録します<ol><li> &quot;と&quot; Motor_and_Accelerometer_Test.ino」を置き換えるコントローラの付属のソフトウェアパッケージで「LVIFA_Base.pde」ファイルを開き、ステップ1.1を繰り返すことによって、データ集録ソフトウェアを介してボードの制御を可能にするファームウェアで再フラッシュマイコンボード、 LVIFA_Base.pde &quot;スクリプト。 </li><li>シリアル - USBコネクタを使用してコンピュータのUSBポートに直接プッシュボタンを接続します。必要なすべてのドライバがインストールされていることを確認してください。 </li><li> 「Experiment_1.vi」インターフェースを開きます。 </li><li>シリアルを指定しますそれぞれ、「モーターの入力」と「グリーンボタン」と表示されたドロップダウンメニューから該当するシリアルポートの識別番号を選択することにより、モータに接続されたマイクロコントローラボードのポート、およびプッシュボタン。コンピュータのオペレーティングシステムのデバイスマネージャユーティリティを使用して、シリアルポートの識別番号を特定します。 </li><li>結果を記録し、プログラムを起動するファイルを選択します。 </li><li> 「Experiment_1.vi &quot;インターフェイスで各モータのドロップダウンメニューから選択することによって活性化されるモータと周波数を選択します。参加者プレスに振動が感じられるときにフィードバックが適用された脚部とのプッシュボタンがあります。ボタンが押された後、クロックがカウントを停止していることに注目することにより、データ収集ソフトウェアインターフェイスで応答を確認し、ドロップダウンメニューから周波数の新しいセットを選択することによって、次の試行のためのモーターをリセットします。 </li><li>実験が終了したら、DRを使用opdownメニューがゼロ位置に全てのモータの周波数を返し、モータ制御ボードへの接続を終了するために「停止プログラム」ボタンを選択します。 </li></ol> 4.実験2：刺激の区別注記：この実験は、単一のモータまたは複数のモータを使用することができ、実験1から完全に独立して行うことができます。モータの特定の位置は、用途および研究の質問に応じて変えることができます。 <ol><li>シリアルUSBコネクタを使用して、別のUSBポートに第2のプッシュボタンを接続します。 </li><li> 「Experiment_2.vi「データ取得インタフェースを開きます。 </li><li>特定の研究アプリケーションに必要な場所と構成でモータを配置します。例えば、前方、後方、横方向のそれぞれに、途中大転子と外側大腿顆（または切断者のために手足の先端部）との間で、大腿部に単一のモータを配置し、太ももの内側表面は、電子します脚部10,11のこれらの部 ​​分のそれぞれの周波数感度をxamine。 </li><li>ステップ3.4と同じ手順を使用して、マイクロコントローラボードのシリアルポートとの両方のプッシュボタンを指定します。各ポートに割り当てられているプッシュボタンに注意してください。 </li><li>ソフトウェアインターフェースで「モーター」のアイコンをクリックすることでアクティブにできるのは、特定のモータと周波数の所望の配列を選択します。例えば、3つの周波数は、140ヘルツ、180ヘルツ、220ヘルツのように、試験されていると仮定します。一連のテストは、140ヘルツが続く（1）180ヘルツ、140ヘルツが続く（2）220ヘルツ、220ヘルツに続いて（3）180 Hzのかもしれません。 </li><li>入力遅延開始時間と刺激の持続時間。 1.5秒の遅延と刺激時間の両方に典型的です。 </li><li>プログラムを起動します。 注：ステップ4.6で指定した遅延の後、プログラムは、ステップ4.5で選択したペアリング周波数の配列を有するモーター（複数可）をアクティブにします。たとえば、180 Hzの対220ヘルツがseだった場合ステップ4.5で択、対応するモータは、最初の220 Hzに切り替える前に、指定された期間のために180 Hzで振動します。 </li><li>第二の知覚される周波数が最初よりも高いか低いだったかどうかを選択するには、2つのプッシュボタンの参加者プレス1を持っています。応答は、プログラムによって自動的に記録されます。 </li></ol>

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The authors have nothing to disclose.

このプロトコルの目的は、振動触覚ASFアプリケーションで刺激パラメータを評価するための枠組みを提供することです。具体的には、ユーザの感覚応答の振動数、振幅、位置、および配列の効果を調べます。このフレームワークは、上に構築され、より臨床的に関連する、そのような関節を曲げたり別の脚から体重をシフトするなどしてもよいユーザ応答の追加または代替タイプを組み込むように拡張することができます。変更これらのタイプの、すなわちこのような慣性測定ユニット（のIMU）または圧力センサなどのデバイスとのプッシュボタンの交換、ならびに仮想インタフェースに付随変更をわずかに異なるハードウェア構成を必要とするであろう。同様に、ここで紹介するプロトコルは、わずかなハードウェアの変更は、遷移は、立ってバランスやウォルマートなど、より臨床的に関連する姿勢にすることが必要であろうが、着座位置にあることが参加者を必要とするが王試験。 両方の実験において、押しボタン（複数可）は、特定の研究の質問および所望の応答に応じて、手、脚、足で押され、またはいくつかの他の手段によってもよいです。また、この基本的なプロトコルを用いたさらなる研究が、新規または既存のプロテーゼに異なるフィードバック符号化戦略、位置、および組み込みの影響を調査するために使用することができます。下肢の義肢に振動触覚フィードバックを実装する場合たとえば、刺激に対するユーザの感受性に補綴ソケットとライナーの影響を調べることは興味深いかもしれません。この原稿で詳述したプロトコルは、振動モータ（インタフェースを介して）の半手動の活性化を必要とするが、彼らは簡単に外部センサからの動力学的または運動学的測定に応じて、モータ起動を可能にするように変更することができます。プッシュボタンの代わりに、 等のIMU、ゴニオメータ、圧力センサなどの測定装置を用いて、実験は、Cであることができます提供振動触覚フィードバックにより生理学的に関連するユーザーの応答時間と精度を調べるためにonducted。研究のこのタイプは、実験1及び2で説明したものと同様のプロトコルを使用するであろう、しかしとインターフェースするためのデータ収集ソフトウェアの変更だけでなく、振動モータに送られる命令にセンサ入力を変換するために追加の制御システムを必要とします新しいハードウェアの変更。 生理的に適切な応答を実現する一例は、膝角度の変化を測定するゴニオメータとプッシュボタンを交換することです。実験のこのタイプの場合、ゴニオメータは、膝関節の側面に搭載される、むしろ、プッシュボタンを押すよりも、参加者は、事前定義された膝角度（ 例えば、90度）への膝を曲げるように指示される時モータ振動の知覚。ユーザの反応時間は、その後、適用された刺激と共同ANとの間の経過時間として定義されGLEが所望の値にまたはその近くに落ち着く（ 例えば、90°±10°）。動きの精度は、標的と達成角度の間のパーセント誤差を計算することにより評価することができます。 過去10年間で、多くの研究は、歩行とバランス14,15を向上させるためのトレーニングツールとしての有効性を含む、生体力学、様々な用途で振動触覚フィードバックの使用を検討しています。振動触覚フィードバックが適用されるとき、これらの研究の大部分は、特定の運動または運動学的パラメータの変更を検討、バイオフィードバックの臨床的意義に焦点を当てています。このように、ほとんどのプロトコルは、いくつかの振動場所、振幅、またはパターンにユーザー感度を調べることで、刺激パラメータのセットを1つ選択します。ここで紹介するプロトコルは、特定のCLIN上でこれらの刺激の効果を評価する前に行われるべき刺激を振動触覚ために理解ユーザーの知覚に向けた最初のステップとして働きますiCalの条件。追加の振動刺激に感覚情報を翻訳するための様々な符号化戦略を検討し、このようなGoodworth らによるそのような作業、。7,16、およびクレアら 12、振動パターンの変化に対するユーザの感度を評価し、提供するために、これらの実験を補完します特定の生体力学アプリケーション用の振動触覚フィードバックを最適化する方法のより完全な理解。 この実験系の基本的な制限は、文献5,6に報告され、他のシステムと同様に、振動モータ、カップルの振動周波数と大きさであることに留意すべきです。つまり、振動数の増加​​または減少は、振幅の比例変化を伴っている、です。これら2つのパラメータの分離はより洗練されたモーターに電力を供給するために、このようなリニア共振アクチュエータとしてのモータの異なるタイプの、だけでなく、より高度なモータドライバを必要とします。 ADDIT既存のインターフェイスへのionalの更新は、新しいハードウェアや追加の振幅パラメータに対応するために必要とされるであろう。 較正手順は、これらの実験の実行が成功するために重要であり、その後の実験で使用される各モータのために独立して行われるべきです。デューティサイクル周波数の関係は、同一モータの名目上は同じタイプである必要がありますが、モータの構造のわずかな違いが生じた周波数に非自明な変化をもたらす可能性があります。この手順を開発しながら、例えば、180 Hzの目標周波数が異なるモータに103から143までの範囲のPWM値を使用して達成されました。

人工感覚フィードバック（ASF）は、しばしば妥協固有受容または他の感覚機構を補償する、個人にリアルタイムの生体情報を提供するの実践として定義することができます。個人が一度自律神経系4の無意識の反応であった物理過程を制御することを可能にする、3 - ASFは長い身体機能と運動1の側面の回復を支援するために負傷したまたは障害者のリハビリテーションの分野で使用されてきました。 ASF、生体力学的バイオフィードバックのサブカテゴリは、運動のバランスをとるか、歩行に関連するパラメータを測定し、印加された刺激のいくつかの並べ替えを介して個別にこの情報を通信するために外部センサを使用しています。生体力学的フィードバックにますます人気アプローチは、空間だけでなく、時間的なフィードバックを提供するために、身体のさまざまな部分に配置された、小さな振動モータ、またはtactorsを採用しています。前の文献は、pを示しています9 -下肢切断術、前庭障害、およびバランス5の老化関連の損失で個人への用途における振動触覚フィードバックの使用を支持するromising結果。 特定の刺激に個々の認識と応答を制御するメカニズムの完全な理解は、異なるアプリケーションのためのASFシステムの効果的な実施を通知するために必要です。振動触覚フィードバックのために、これらの機構のうち主に固有感覚及び感覚応答、特に適用される振動に対するユーザの感度および所望の反応を実行するのに必要な時間です​​。振動刺激を介して通信どれ感覚情報は、振動周波数、振幅、位置、および配列の特定の組合せとしてエンコードする必要があります。したがって、振動触覚ASFシステムの設計は、ユーザの知覚と刺激の解釈を最大化するためのパラメータの組み合わせを選択する必要がありますよく、得られた運動反応の適時性や正確性など。このプロトコルの目的は、異なる感覚障害集団で使用するためのASFシステムの設計を知らせるために、様々な振動刺激に対する応答時間と応答の精度を評価するためのプラットフォームを提供することです。 ここで説明する方法は、触覚や振動触覚フィードバック3,5,6の人間の知覚を探索前に研究に基づいて構築され、前の2つの研究10,11で使用するために開発されました。後者の二つの研究では、両方のパラメータが有意にアウトカム指標に影響を与えることを示し、下肢切断者の精度およびユーザ応答の適時上の振動数と位置の効果を調べるために、このプロトコルを採用し、応答を高精度であることができること達成しました。これらの結果は、今後の研究および振動触覚ASFシステムの臨床応用にtactorsの理想的な配置を通知するために使用することができます。による他の最近の研究クレアら 12は、知覚される振動パターンに変化はなく、モータの応答を意味する言葉の応答を用いて、歩行時に大腿部に適用される振動パターンの変化に対するユーザの感度を調べました。これらの言葉の応答が検出精度を測定するために使用することができるが、それらは、モータ制御処理中に存在し得るエラーや遅延を考慮していません。 以下の実験のための主要なセットアップは、パルス幅変調するためのマイクロコントローラボードの出力端子を接続し、振動モータの数で構成されています。基板は、次に、市販のシステム設計ソフトウェアを実行するコンピュータにユニバーサルシリアルバス（USB）接続を介して制御されます。モータは、十分な電圧を確保するために、追加の増幅回路を必要とし、現在の振動周波数の広い範囲にわたって供給されます。例えば増幅回路は、図1に示されている。バイポーラ接合トランジスタ（BJR）図に、より効率的な動作、より小さなサイズに小さい金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）で置き換えることができます。同様に、全体の増幅回路は、追加の制御及び小型化を提供するために、既製のハプティックモータドライバに置き換えることができます。各モータには、専用の回路を必要とし、10モータまで、この論文に記載されている機器を使用することは、単一のマイクロコントローラ・ボードによって制御することができます。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig1.jpg" /> 図1モータ配線（A）単一振動モータ用の増幅回路が示されています。各モータは別個の回路を必要とし、マイクロコントローラ上で一意のPWM出力ポートに接続する必要があります。ここで、V DDは、マイクロコントローラ・ボードから供給された3.3 V電源を表し、ゼロ電圧がアプリのときにトランジスタスイッチを確保するために、プルダウン抵抗が開いているように、抵抗R2が提供しています嘘をつきました。 （B）は、2つのモータの物理的な配線の例を示します。 8つの個別の増幅回路が示されているが、2つだけは、振動モータに接続されています。このプロトコルR1 = 4.7kΩのとR2 = 100kΩのでは。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54223/54223fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

<table><tbody><tr><td>Vibrating Pager Motors</td><td>Precision Microdrives</td><td>Model 310-101</td><td>Coin eccentric rotating mass motors.&amp;nbsp; As many as necessary to test all locations and interactions of interest</td></tr><tr><td>Tri-axis Accelerometer</td><td>Dimension Engineering</td><td>ADXL 335</td><td>Advanced analog accelerometer. 500&amp;nbsp;Hz bandwidth, 3.5-15&amp;nbsp;V input. Designed for motion, tilt, and slope measurement, as well as vibration and shock sensing.</td></tr><tr><td>Arduino Uno</td><td>Arduino</td><td>DEV-11021</td><td>Microcontroller board for communicating with the tri-axis accelerometer</td></tr><tr><td>Arduion Mega 2560</td><td>Arduino</td><td>DEV-11061</td><td>Microcontroller board for interfacing with the vibration motors.&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>LabVIEW</td><td>National Instruments</td><td></td><td>Data acquisition software used to control motors and display accelerometer signals</td></tr><tr><td>Arduino IDE Software</td><td>Arduino</td><td>v. 1.6.5</td><td></td></tr><tr><td>Push-Button</td><td>Bridges</td><td>Buddy Button</td><td>Wired switch featuring a 2.5&amp;nbsp;in/6.35&amp;nbsp;cm activation surface that provides an auditory click and tactile feedback.</td></tr><tr><td>Optional:</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dedicated haptic motor driver</td><td>Texas Instruments</td><td>DRV2605L</td><td>Can be used to replace the entire amplification circuit described in Step 1.</td></tr><tr><td>Flexible wearable goniometer</td><td>Biometrics Ltd.</td><td>SG110</td><td>Twin axis flexible goniometers to measure angles in up to two planes of movement that can be used in lieu of the push button to measure joint movement in response to stimuli.&lt;br/&gt; www.biometricsltd.com/gonio.htm</td></tr></tbody></table>

a method for evaluating timeliness and accuracy of volitional motor responses to vibrotactile stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments. Effective design of these ASF systems requires an in-depth understanding of how the parameters of specific feedback mechanism affect user perception and reaction to stimuli. This article presents a method for applying vibrotactile stimuli to human participants and measuring their response. Rotating mass vibratory motors are placed at pre-defined locations on the participant's thigh, and controlled through custom hardware and software. The speed and accuracy of participants' volitional responses to vibrotactile stimuli are measured for researcher-specified combinations of motor placement and vibration frequency. While the protocol described here uses push-buttons to collect a simple binary response to the vibrotactile stimuli, the technique can be extended to other response mechanisms using inertial measurement units or pressure sensors to measure joint angle and weight bearing ratios, respectively. Similarly, the application of vibrotactile stimuli can be explored for body segments other than the thigh.

図4は、単一のモータ180 Hzの振動周波数に対するPWM値を特定の較正曲線を示します。一次周波数スパイクは、180 Hzで発生するまで、50％のデューティサイクルで開始、PWM値が繰り返されます。成功したキャリブレーション試験は次振動周波数で明確なスパイクを表示する必要があります。モータへの、または支持体表面へのモータの加速度計の悪い固定は、明確なスパイクなしでより拡散FFTになることがあります。マウントは、より良い接続を保証するように調整された後にこのような状況では、キャリブレーション試験は繰り返されるべきです。 図5Aは、10健常者と3切断者10のために太ももの前面に適用される3振動周波数、140ヘルツ、180ヘルツ、220ヘルツ、のために実験1のために記録刺激とプッシュボタンの応答との間の反応時間を示しています。反復測定分散分析（ANOVA）およびボンフェローニ補正を用いてチューキー事後分析は、それぞれの周波数の特定の効果を同定するために使用しました。これらのデータは、健常集団の各周波数のデータの比較的タイトなスプレッド、および重要な周波数効果を示します。振動周波数の対の間を区別するための反応時間は、 図5Bに示されており、単一の周波数試験と同様の手順を用いて分析することができます。同様の分析は、モータの配置、応答メカニズム（ 例えば 、手や足でプッシュボタンを押す）、または他の試験条件の効果を同定するために実施することができます。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig4.jpg" /> 図4の典型的な較正曲線。高速フーリエ変換の結果は、加速度データの変換は、単一のモータ受け較正のために示されています。 4件の試験は、PWMレベルcorresponを識別するために行きました180 Hzの振動に丁（青の実線）。振動は、異なる周波数間で変化することに注意してください。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54223/54223fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/54223/54223fig5.jpg" /> 個々の周波数図5.反応時間代表的な結果。（A）応答時間が示されています。個々のデータポイントがtransfemoral切断術と3人を表しているラインに接続されたデータは、健常者（平均±SD）のデータを示しています。反応時間は大幅に周波数を減少させました。両方の有意性はp &lt;0.05で、180 Hzの周波数との差を「*」140 Hzの反応時間の有意な差を示し、 &#39;＃&#39;。 （B）の対の間を区別するための応答時間を周波数のsが健常人とtransfemoral切断術とのそれらの両方のためにプロットされています。多くの変数の結果を示し、各対のデータの広がりは、単一周波数のデータに比べてはるかに大きいことに留意されたいです。この図は、もともとシャルマらによって公表されたデータから変更されている。10。 <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/54223/54223fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> PWM値（パルス） </td><td> 64 </td><td> 127 </td><td> 191 </td><td> 255 </td></tr><tr><td> デューティ・サイクル（％） </td><td> 25 </td><td> 50 </td><td> 75 </td><td> 100 </td></tr></tbody></table> 表1のPWM値と対応するデューティサイクル。サンプルPWMレベルとそれに対応するデューティサイクルが示されています。 T彼は、PWM値の0〜255の範囲は、信号がオンになっている（255可能性のうちの）各パルスのバイト数を指定します。

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A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli

この記事では、人間の参加者の大腿部に振動触覚刺激を適用し、刺激の位置と周波数のさまざまな組み合わせのための参加者の意志の応答の精度と反応時間を測定するための技術が記載されています。

振動触覚刺激に随意運動反応の適時性と精度の評価方法

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments.  Effective design ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

7.2K ビュー.  Holland Bloorview Kids Rehabilitation Hospital. この記事では、人間の参加者の大腿部に振動触覚刺激を適用し、刺激の位置と周波数のさまざまな組み合わせのための参加者の意志の応答の精度と反応時間を測定するための技術が記載されています。 

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Methods to Quantify Pharmacologically Induced Alterations in Motor Function in Human Incomplete SCI

Spinal cord injury (SCI) is a debilitating disorder, which produces profound deficits in volitional motor control. Following medical stabilization, recovery from SCI typically involves long term rehabilitation. While recovery of walking ability is a primary goal in many patients early after injury, those with a motor incomplete SCI, indicating partial preservation of volitional control, may have the sufficient residual descending pathways necessary to attain this goal. However, despite physical interventions, motor impairments including weakness, and the manifestation of abnormal involuntary reflex activity, called spasticity or spasms, are thought to contribute to reduced walking recovery. Doctrinaire thought suggests that remediation of this abnormal motor reflexes associated with SCI will produce functional benefits to the patient. For example, physicians and therapists will provide specific pharmacological or physical interventions directed towards reducing spasticity or spasms, although there continues to be little empirical data suggesting that these strategies improve walking ability.
In the past few decades, accumulating data has suggested that specific neuromodulatory agents, including agents which mimic or facilitate the actions of the monoamines, including serotonin (5HT) and norepinephrine (NE), can initiate or augment walking behaviors in animal models of SCI. Interestingly, many of these agents, particularly 5HTergic agonists, can markedly increase spinal excitability, which in turn also increases reflex activity in these animals. Counterintuitive to traditional theories of recovery following human SCI, the empirical evidence from basic science experiments suggest that this reflex hyper excitability and generation of locomotor behaviors are driven in parallel by neuromodulatory inputs (5HT) and may be necessary for functional recovery following SCI. 
The application of this novel concept derived from basic scientific studies to promote recovery following human SCI would appear to be seamless, although the direct translation of the findings can be extremely challenging. Specifically, in the animal models, an implanted catheter facilitates delivery of very specific 5HT agonist compounds directly onto the spinal circuitry. The translation of this technique to humans is hindered by the lack of specific surgical techniques or available pharmacological agents directed towards 5HT receptor subtypes that are safe and effective for human clinical trials. However, oral administration of commonly available 5HTergic agents, such as selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs), may be a viable option to increase central 5HT concentrations in order to facilitate walking recovery in humans. Systematic quantification of how these SSRIs modulate human motor behaviors following SCI, with a specific focus on strength, reflexes, and the recovery of walking ability, are missing.
This video demonstration is a progressive attempt to systematically and quantitatively assess the modulation of reflex activity, volitional strength and ambulation following the acute oral administration of an SSRI in human SCI. Agents are applied on single days to assess the immediate effects on motor function in this patient population, with long-term studies involving repeated drug administration combined with intensive physical interventions.

This video demonstrates modulation of reflex activity, volitional strength and ambulation through clinical and quantitative assessments in individuals with motor incomplete SCI as a result of acute oral administration of a serotonin reuptake inhibitor (SSRI).

人間の不完全なSCIにおける運動機能の薬理学的に誘起される変化を定量化する方法

Spinal cord injury (SCI) is a debilitating disorder, which produces profound deficits in volitional motor control. Following medical stabilization, ...

医学

Measurement of Vibration Detection Threshold and Tactile Spatial Acuity in Human Subjects

Tests that allow the precise determination of psychophysical thresholds for vibration and grating orientation provide valuable information about mechanosensory function that are relevant for clinical diagnosis as well as for basic research. Here, we describe two psychophysical tests designed to determine the vibration detection threshold (automated system) and tactile spatial acuity (handheld device). Both procedures implement a two-interval forced-choice and a transformed-rule up and down experimental paradigm. These tests have been used to obtain mechanosensory profiles for individuals from distinct human cohorts such as twins or people with sensorineural deafness.

Here, we present protocols to determine vibration detection thresholds and tactile acuity using psychophysical methods in man.

ヒト対象における振動検出しきい値と触覚空間視力の測定

Tests that allow the precise determination of psychophysical thresholds for vibration and grating orientation provide valuable information about ...

行動学

Acute and Chronic Tactile Sensory Testing after Spinal Cord Injury in Rats

Spinal cord injury (SCI) impairs sensory systems causing allodynia1-8. To identify cellular and molecular causes of allodynia, sensitive and valid sensory testing in rat SCI models is needed. However, until recently, no single testing approach had been validated for SCI so that standardized methods have not been implemented across labs. Additionally, available testing methods could not be implemented acutely or when severe motor impairments existed, preventing studies of the development of SCI-induced allodynia3. Here we present two validated sensory testing methods using von Frey Hair (VFH) monofilaments which quantify changes in tactile sensory thresholds after SCI4-5. One test is the well-established Up-Down test which demonstrates high sensitivity and specificity across different SCI severities when tested chronically5. The other test is a newly-developed dorsal VFH test that can be applied acutely after SCI when allodynia develops, prior to motor recovery4-5. Each VFH monofilament applies a calibrated force when touched to the skin of the hind paw until it bends. In the up-down method, alternating VFHs of higher or lower forces are used on the plantar L5 dermatome to delineate flexor withdrawal thresholds. Successively higher forces are applied until withdrawal occurs then lower force VFHs are used until withdrawal ceases. The tactile threshold reflects the force required to elicit withdrawal in 50% of the stimuli. For the new test, each VFH is applied to the dorsal L5 dermatome of the paw while the rat is supported by the examiner. The VFH stimulation occurs in ascending order of force until at least 2 of 3 applications at a given force produces paw withdrawal. Tactile sensory threshold is the lowest force to elicit withdrawal 66% of the time. Acclimation, testing and scoring procedures are described. Aberrant trials that require a retest and typical trials are defined. Animal use was approved by Ohio State University Animal Care and Use Committee.

We describe two tactile sensory testing methods for acute or chronic periods of spinal cord injury in rats. These validated procedures can detect the development and maintenance of allodynia-like sensations.

ラット脊髄損傷後の急性および慢性の触覚官能検査

Spinal cord injury (SCI) impairs sensory systems causing allodynia1-8. To identify cellular and molecular causes of allodynia, sensitive and valid sensory ...

Testing Tactile Masking between the Forearms

Masking, in which one stimulus affects the detection of another, is a classic technique that has been used in visual, auditory, and tactile research, usually using stimuli that are close together to reveal local interactions. Masking effects have also been demonstrated in which a tactile stimulus alters the perception of a touch at a distant location. Such effects can provide insight into how components of the body's representations in the brain may be linked. Occasional reports have indicated that touches on one hand or forearm can affect tactile sensitivity at corresponding contralateral locations. To explore the matching of corresponding points across the body, we can measure the spatial tuning and effect of posture on contralateral masking. Careful controls are required to rule out direct effects of the remote stimulus, for example by mechanical transmission, and also attention effects in which thresholds may be altered by the participant's attention being drawn away from the stimulus of interest. The use of this technique is beneficial as a behavioural measure for exploring which parts of the body are functionally connected and whether the two sides of the body interact in a somatotopic representation. This manuscript describes a behavioural protocol that can be used for studying contralateral tactile masking.

Here we explore contralateral tactile masking between the forearms in which tactile detection thresholds are modulated by vibration applied to a remote site. The details of which remote sites have an effect can tell us about how the body is represented in the brain.

前腕の間のテスト触覚マスキング

Masking, in which one stimulus affects the detection of another, is a classic technique that has been used in visual, auditory, and tactile research, ...

A Simple Non-invasive Method for Temporary Knockdown of Upper Limb Proprioception

Proprioception may be the least well measured of all contributors to the neural control of movement. New precise, reliable measures of proprioception are needed for clinical diagnosis of impairment, and to measure outcomes of proprioceptive training. The purpose of this simple, non-invasive method is to temporarily knockdown upper limb proprioception in healthy adults, to an extent that would be useful in the development and testing of upper limb proprioception measures. Knockdown models have two main advantages over studying humans with impaired proprioception: participant availability and the ability to control the extent of impairment across participants. Current published methods of temporary proprioception knockdown of the upper limb, such as ischemic nerve blocks and cryotherapy, are invasive, impractical, or uncomfortable for the participant. Here, vibration over the ulnar groove was used to reduce upper limb proprioception. High frequency vibration may reduce proprioceptive acuity by inhibiting pacinian corpuscle-induced input. The effect of vibration used in this protocol was confirmed using two quantitative measures. This method was simple to administer, comfortable for participants, and practical.

The goal of this protocol is to demonstrate a practical method to temporarily interfere with proprioception in the upper limb of healthy humans.

単純な非侵襲的上肢感覚の一時的なノックダウン法

Proprioception may be the least well measured of all contributors to the neural control of movement. New precise, reliable measures of proprioception are ...

A Vibrotactile Feedback Device for Seated Balance Assessment and Training

Postural perturbations, motion tracking, and sensory feedback are modern techniques used to challenge, assess, and train upright sitting, respectively. The goal of the developed protocol is to construct and operate a sitting platform that can be passively destabilized while an inertial measurement unit quantifies its motion and vibrating elements deliver tactile feedback to the user. Interchangeable seat attachments alter the stability level of the device to safely challenge sitting balance. A built-in microcontroller allows fine-tuning of the feedback parameters to augment sensory function. Posturographic measures, typical of balance assessment protocols, summarize the motion signals acquired during timed balance trials. No dynamic sitting protocol to date provides variable challenge, quantification, and sensory feedback free of laboratory constraints. Our results demonstrate that non-disabled users of the device exhibit significant changes in posturographic measures when balance difficulty is altered or vibrational feedback provided. The portable, versatile device has potential applications in rehabilitation (following skeletal, muscular, or neurological injury), training (for sports or spatial awareness), entertainment (via virtual or augmented reality), and research (of sitting-related disorders).

A sitting platform has been developed and assembled that passively destabilizes sitting posture in humans. During the user&#39;s stabilizing task, an inertial measurement unit records the device&#39;s motion, and vibrating elements deliver performance-based feedback to the seat. The portable, versatile device may be used in rehabilitation, assessment, and training paradigms.

座位バランス評価と訓練のための触覚フィードバック装置

Postural perturbations, motion tracking, and sensory feedback are modern techniques used to challenge, assess, and train upright sitting, respectively. ...

Applying Incongruent Visual-Tactile Stimuli during Object Transfer with Vibro-Tactile Feedback

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile feedback (VTF). This protocol aims to test the effect of VTF on the response to incongruent visual-tactile stimuli. The tactile feedback is acquired by grasping a block and moving it across a partition. The visual feedback is a real-time virtual presentation of the moving block, acquired using a motion capture system. The congruent feedback is the reliable presentation of the movement of the block, so that the subject feels that the block is grasped and see it move along with the path of the hand. The incongruent feedback appears as the movement of the block diverts from the actual movement path, so that it seems to drop from the hand when it is actually still held by the subject, thereby contradicting the tactile feedback. Twenty subjects (age 30.2 &#177; 16.3) repeated 16 block transfers, while their hand was hidden. These were repeated with VTF and without VTF (total of 32 block transfers). Incongruent stimuli were presented randomly twice within the 16 repetitions in each condition (with and without VTF). Each subject was asked to rate the difficulty level of performing the task with and without the VTF. There were no statistically significant differences in the length of the hand paths and durations between transfers recorded with congruent and incongruent visual-tactile signals &#8211; with and without the VTF. The perceived difficulty level of performing the task with the VTF significantly correlated with the normalized path length of the block with VTF (r = 0.675, p = 0.002). This setup is used to quantify the additive or reductive value of VTF during motor function that involves incongruent visual-tactile stimuli. Possible applications are prosthetics design, smart sport-wear, or any other garments that incorporate VTF.

We present a protocol to apply incongruent visual-tactile stimuli during an object transfer task. Specifically, during block transfers, performed while the hand is hidden, a virtual presentation of the block shows random occurrences of false block drops. The protocol also describes adding vibrotactile feedback while performing the motor task.

振動触覚フィードバックを用いた物体移動時の不適合視覚触覚刺激の適用

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile ...

A Standardized Method for Measurement of Elbow Kinesthesia

Proprioception is an important component of controlled movement. The threshold to detection of passive movement (TDPM) is a commonly used method for quantifying the proprioceptive submodality of kinesthesia in research settings. The TDPM paradigm has been found to be valid and reliable; however, the equipment and methods used for TDPM vary between studies. In particular, the research laboratory apparatuses for producing passive movement of an extremity are often custom designed by individual laboratories or inaccessible due to high cost. There is a need for a standardized, valid, and reliable method for measuring TDPM using readily available equipment. The purpose of this protocol is to provide a standardized method for measurement of TDPM at the elbow that is economical, easy to administer, and that produces quantitative results for measurement purposes in research-based settings. This method was tested on 20 healthy adults without neurological impairment, and eight adults with chronic stroke. The results obtained suggest this method is a reliable way to quantify elbow TDPM in healthy adults, and provides initial support for validity. Researchers seeking a balance between equipment affordability and measurement precision are most likely to find this protocol of benefit.

Here, we present a standardized method for measurement of elbow passive kinesthesia using the threshold to detection of passive movement (TDPM) that is appropriate for a research setting.

エルボー運動症の測定のための標準化された方法

Proprioception is an important component of controlled movement. The threshold to detection of passive movement (TDPM) is a commonly used method for ...

Tactile Vibrating Toolkit and Driving Simulation Platform for Driving-Related Research

Collision warning system plays a key role in the prevention of driving distractions and drowsy driving. Previous studies have proven the advantages of tactile warnings in reducing driver&#8217;s brake response time. At the same time, tactile warnings have been proved effective in take-over request (TOR) for partially autonomous vehicles.
How the performance of tactile warnings can be optimized is an ongoing hot research topic in this field. Thus, the presented low-cost driving simulation software and methods are introduced to attract more researchers to take part in the investigation. The presented protocol has been divided into five sections: 1) participants, 2) driving simulation software configuration, 3) driving simulator preparation, 4) vibrating toolkit configuration and preparation, and 5) conducting the experiment.
In the exemplar study, participants wore the tactile vibrating toolkit and performed an established car-following task using the customized driving simulation software. The front vehicle braked intermittently, and vibrating warnings were delivered whenever the front vehicle was braking. Participants were instructed to respond as quickly as possible to the sudden brakes of the front vehicle. Driving dynamics, such as the brake response time and brake response rate, were recorded by the simulation software for data analysis.
The presented protocol offers insight into the exploration of the effectiveness of tactile warnings on different body locations. In addition to the car-following task that is demonstrated in the exemplar experiment, this protocol also provides options&#160;to apply other paradigms to the driving simulation studies by making simple software configuration without any code development. However, it is important to note that due to its affordable price, the driving simulation software and hardware introduced here may not be able to fully compete with other high-fidelity commercial driving simulators. Nevertheless, this protocol can act as an affordable and user-friendly alternative to the general high-fidelity commercial driving simulators.

This protocol describes a driving simulation platform and a tactile vibrating toolkit for the investigation of driving-related research. An exemplar experiment exploring the effectiveness of tactile warnings is also presented.&#160;

走行関連研究のための触覚振動ツールキットとドライビングシミュレーションプラットフォーム

Collision warning system plays a key role in the prevention of driving distractions and drowsy driving. Previous studies have proven the advantages of ...

Assessment of Neuromuscular Function Using Percutaneous Electrical Nerve Stimulation

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels). The present protocol describes how this method can be used to stimulate the posterior tibial nerve that activates plantar flexor muscles. Percutaneous electrical nerve stimulation consists of inducing an electrical stimulus to a motor nerve to evoke a muscular response. Direct (M-wave) and/or indirect (H-reflex) electrophysiological responses can be recorded at rest using surface electromyography. Mechanical (twitch torque) responses can be quantified with a force/torque ergometer. M-wave and twitch torque reflect neuromuscular transmission and excitation-contraction coupling, whereas H-reflex provides an index of spinal excitability. EMG activity and mechanical (superimposed twitch) responses can also be recorded during maximal voluntary contractions to evaluate voluntary activation level. Percutaneous nerve stimulation provides an assessment of neuromuscular function in humans, and is highly beneficial especially for studies evaluating neuromuscular plasticity following acute (fatigue) or chronic (training/detraining) exercise.

We present a protocol to assess changes in neuromuscular function. Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method that evokes muscular responses. Electrophysiological and mechanical properties of these responses permit the evaluation of neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, spinal and peripheral levels).

経皮的電気神経刺激を使用した神経筋機能の評価

Percutaneous electrical nerve stimulation is a non-invasive method commonly used to evaluate neuromuscular function from brain to muscle (supra-spinal, ...