改进姿势控制使用便携式脚掌压力为基础的振动触觉生物反馈系统Word下载.docx
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证据表明，平衡失调是跌倒的第二个主要原因，只是偶然发生[9]。
老年人通常具有皮肤跖面表面敏感性，视觉功能和本体感觉的下降[10,11]，这可能导致平衡障碍。
有许多研究支持皮肤感觉从足底表面和视觉输入，在平衡控制中的重要贡献[10-13]。
由于缺乏平衡是摔倒的主要原因之一，一些生物反馈系统提供身体运动的附加线索演变以改善平衡，以防止跌倒[14-20]。
这些装置的基本原理是通过增强体感输入来改善平衡。
提供不同类型的感觉增强以补充天然感觉输入，包括振动触觉[16,20]，电触觉[15,19]，视觉[18]和听觉[17]。
其中，振动触觉感觉增强被证明是最优惠的，因为该系统不干扰说话，进食，观看和听力的任务[16,20]。
然而，文献中提出的大多数振动触觉生物反馈系统包括处理模拟和数字信号的计算机，以及安装在受试者背部的大体积倾斜模块[16,20-25]。
这种设计是麻烦的，并且限制了其在实验室或康复社区中的应用。
在本文中，我们介绍一种新的便携和轻量级的振动触觉生物反馈系统，可以作为一个实时的平衡帮助，提醒用户基于测量的足底压力的身体摇摆的程度。
本文还介绍了关于使用这种新的生物反馈系统的初步积极发现。
2方法
A生物反馈系统
振动触觉生物反馈系统由连接有六个力传感器，微控制器单元，无线发射器和接收器系统，四个振动器和两个电池的平坦鞋垫（图1和图2）组成。
整个生物反馈系统重量小于100克。
微控制器（长度11cm，宽度2cm，高度2.5cm）处理足底力数据，并通过蓝牙通信向振动器提供适当的振动信号。
三个力传感器（厚度为0.2mm，长度为25.4mm，宽度为14mm，感测区域直径为9.5mm，力范围为0-445N）附接到每一侧，测量第一和第五跖骨头部以及跟部处的力。
在第一跖骨头以及脚跟上检测到的力在左侧和右侧被平均，其分别用于指示向前和向后的姿势摆动。
在左和右第五跖骨头测量的力量用于指示左和右姿势摇摆。
提供振动刺激的四个振动器附接到前躯干的前，后，左和右侧（图3）。
振动的产生基于由传感器检测的足底压力。
一旦由传感器检测到的力超过阈值就引发完全幅度的振动，这在过程部分中进一步描述。
产生振动以提醒受试者他们的身体摇摆。
图1振动触觉生物反馈系统的流程图
B试点测试
主题
在本研究中招募了两个健康的年轻成年人（年龄25±
2.8岁，身高169±
5.7cm，体重73±
15.6kg）和一个健康的老年人（年龄78岁，身高161.5cm，体重59kg）。
受试者是完全独立的，并且生活在基于社区的环境中，他们都没有被诊断出任何神经病学或前庭病症，糖尿病，严重的心血管或肺部疾病。
该实验已获香港理工大学人类受试者伦理小组委员会批准，并获得所有受试者的书面知情同意书。
图2振动触觉生物反馈系统的组件，包括平板鞋垫，力传感器，振动器，微控制器单元，无线发射器和接收机系统。
图3安装在受试者的上躯干上的振动触觉生物反馈系统。
流程
在实验之前，指导所有受试者如何使用生物反馈系统来提供关于其静态平衡状态的附加信息。
他们被告知每个振动器对应于在一个特定方向即向前，向后，向左和向右的身体运动。
指示受试者向前，向后和侧向移动以经历四个不同方向的振动，以确保受试者能够使用振动信号作为平衡辅助。
受试者被给予10分钟以熟悉新的生物反馈系统。
在练习期结束时，要求受试者在生物反馈系统打开90秒的情况下进行静置，进行3次重复试验。
阈值定义为在3个试验中在每个力传感器处记录的平均力乘以110％。
生物反馈系统通过通过振动器施加振动来工作，只要相应的力传感器测量到超过计算的阈值的力。
在实验期间，使用Romberg测试来测量平衡对照（图4）。
指示受试者静静地站立，双臂交叉放置在力平台上的相对肩上。
要求受试者尽可能静止，在所有这三个实验条件下，他们的头部直立：
1）裸脚和眼睛打开（基线），2）用羊毛袜，闭眼和生物反馈系统关闭，3）与羊毛袜，眼睛闭合和生物反馈系统开启。
穿着的羊毛袜和眼睛闭合的干预被用于模拟减少的感觉输入。
当进行Romberg试验时，受试者被指示每次试验放置90秒。
图4.罗姆伯格测试：
受试者胳膊平静地站着
基于对面的肩膀
每个条件重复3次，因此9次试验。
在每个条件之间受试者休息10分钟以消除可能疲劳的影响。
测试三种不同的条件随机化。
在每个条件下，测试试验连续。
测量
使用力平台（OR6，AdvancedMechanicalTechnology，Inc.PA，USA）测量COP信号的位移，指示姿势稳定性。
COP被定义为地面反应矢量的点[26]。
记录来自一个力平台的COP网并用于计算基于COP的测量值。
在双足静态支持，在AP或ML方向上的COP净如在等式
（1）中计算：
COPnet=COPl×
Rvl/（Rvl+Rvr）+COPr×
Rvr/（Rvl+Rvr）
（1）
其中COPI和COPr是左右脚下的COP分别。
Rvl和Rvr是下面的垂直反作用力左脚和右脚[26]。
在平衡测试之前，使用5.07/10-g单丝（5级，WESTTMNerveTester，ConnecticutBio-instrumentsInc.NY，USA）评估在穿着羊毛袜干预之前和之后的脚的种植体接触压力。
单丝的得分越高，受试者在足底表面上具有较低的感觉。
记录在大脚趾，第一跖骨头，第五跖骨头和脚跟处的单丝评分。
使用视觉模拟量表（VAS，10cm）问卷来评估受试者在不同类型的干预后其平衡状态的主观感觉。
要求每个受试者阅读用于视觉模拟量表的标准化说明书。
VAS由描述符锚定，最容易保持平衡在0和'
最难以保持平衡'
在10，分别。
受试者在完成一个特定条件后需要填写问卷一次。
数据分析
从AP和ML方向的每个试验的COP位移计算几种COP测量值：
（1）COP位移（mm）的范围表示COP的最大偏差。
（2）COP均方根（RMS）振幅，以及（3）变异系数（CV）。
计算COP的范围，RMS和CV计算前后（AP）和中间（ML）方向的平均值，并计算AP和ML方向之间的这些值的平均值。
3结果
穿着羊毛袜之前和之后的单丝得分的结果示于表I中。
在穿着羊毛袜之后，可以观察到单丝得分的增加所有三个受试者，这表明降低的脚底感觉。
问卷显示，穿着羊毛袜后VAS不稳定性分数从0.25增加到2.65，在两个年轻科目中开启生物反馈系统后降至1.55。
这表明当穿着羊毛袜时，年轻的对象感到更难保持平衡，并且感觉更容易与生物反馈系统的应用保持平衡。
老年受试者在所有3个条件下得分为0，表明受试者认为在所有三种条件下保持平衡非常容易。
在所有三种条件下的COP轨迹的典型示例如图3所示。
当比较穿着羊毛袜前后COP偏移的面积时，如图5所示。
如图5A和5B所示，眼睛闭合和袜子干预明显增加了姿势摇摆的偏移。
并且使用生物反馈后COP的偏移面积减少，如图1所示。
5C。
相当稳定期间的COP位移的数值结果总结在表III中。
眼睛闭合和穿羊毛袜后，所有三个受试者的RMS，CV和范围增加。
对于年轻受试者，振动触觉生物反馈系统将闭眼和袜子的RMS，CV和COP范围分别降低了17.17％，17.99％和13.94％。
对于老年人，生物反馈系统将RMS和CV分别降低了12.55％和8.16％，并将范围略微增加了2.03％。
表I.前/后磨损羊毛口的单丝纤维评分的结果
4讨论
在本实验中，我们调查了振动触觉生物反馈系统在改善姿势控制的有效性。
该系统的基本原理是通过其上部干线的振动触觉刺激，向用户提供基于足底压力分布的他/她的身体运动的附加信息。
测量COP偏移的参数，包括RMS，CV和范围，通常用于评估姿势稳定性[27]。
基于COP的措施的增加通常被描述为姿势稳定性的总体恶化[28]。
使用具有眼睛闭合和袜子的生物反馈系统后的RMS的CV，CV的降低表明受试者能够利用这种振动触觉生物反馈系统来改善在站立期间的姿势控制，当他们的感觉输入减少时。
关于生物反馈系统的应用，我们的研究证实了以前的研究报告了不同种类的生物反馈的可用性，包括振动触觉[16,20]，电触觉[15,19]，视觉[18]和听觉[17]姿势控制。
此外，考虑到该系统作为康复平衡训练工具以及用于日常使用的平衡辅助的潜在应用，我们认为使用振动触觉感官增强具有不干扰讲话，进食，观看和听觉的任务的优点。
此外，这种生物反馈系统是便携式的，重量轻，易于操作。
所有这些因素使得该系统的应用在临床设施，康复中心，甚至日常使用中更适合和可接受。
A.睁眼时的COP位移，无羊毛
袜子条件（基线）
B.眼睛闭合期间的COP位移，用羊毛
袜子，无生物反馈系统条件
C.眼睛闭合期间的COP位移，用羊毛
袜子，具有生物反馈系统条件
图5.一个年轻人在3种不同条件下的COP位移
学科。
A：
基线;
B：
闭上眼睛，有羊毛袜，没有生物反馈系统;
C：
闭上眼睛，用羊毛袜子，用生物反馈系统。
表II。
在3种不同条件下的比较
受试者口头报告他们倾向于防止所有振动器振动。
每当有一个振动器振动，他们潜意识往往移动一点相反的方向。
这与以前的报告一致，某些躯干肌肉的振动可能导致不自主的倾斜运动[29,30]。
然而，在这个实验中，这种现象是否由反射调节引起的对象试图补偿振动肌肉的模拟伸展，或者受试者倾向于基于振动潜意识调节姿势仍然不清楚，需要进一步研究。
穿着羊毛袜后，增加的单丝得分表明受试者的脚的足底触摸压力感觉输入减少。
穿着羊毛袜和闭合眼睛的干预可以显着增加姿势摆动，这也与问卷和COP测量的结果一致。
相当可观在袜子干预后增加的单丝得分和姿势摇摆表明了脚底的机械感受器对姿势控制的重要性。
这证实了以前的研究报告在减少足底皮肤感觉的干预后减少的姿势控制，主要通过皮内注射麻醉药溶液[31]或将受试者的脚暴露于冰几分钟[32]。
此外，这也可以帮助提供一种新的方法来模拟减少的足底皮肤感觉的状况。
考虑到脚底的机械感受器对姿势控制的重要性，我们的系统获得足底压力信息，并且基于它作为感觉增强提供生物反馈。
在这一点上，我们相信这种设计将有利于加强姿势控制。
受试者数量有限。
在未来的研究将招聘更多的科目。
平衡障碍患者如糖尿病，中风，多发性硬化和帕金森病中该系统的有效性也需要调查。
进一步调查应确定振动触觉生物反馈系统在增强动态姿势控制，如日常生活中的运动和其他活动的有效性。
5结论
这项试点研究表明，应用振动触觉生物反馈系统是有效的提高姿势控制。
凭借其便携式设计，该系统可用作医院和康复中心的平衡训练器，以及实时平衡辅助日常活动的活动。
致谢
作者要感谢参与研究的所有受试者。
这项工作得到了香港理工大学研究生和香港创新科技委员会（ITS/030/13）的支持。
该实验已获香港理工大学人类学科伦理小组委员会批准（申请编号：
HSEARS20140211002）。
这项研究是由香港理工大学的支持研究助学金。
C.Z.MaiswiththeInterdisciplinaryDivisionofBiomedical
Engineering,TheHongKongPolytechnicUniversity,HongKong,China
（e-mail:
**************************.hk）.
A.H.P.WaniswiththeInterdisciplinaryDivisionofBiomedical
**********************.hk）.
D.W.C.WongiswiththeInterdisciplinaryDivisionofBiomedical
******************.hk）.
Y.P.ZhengisaProfessorofInterdisciplinaryDivisionofBiomedical
************************.hk）.
W.C.C.LeeisanAssistantProfessoroftheInterdisciplinaryDivisionof
BiomedicalEngineering,TheHongKongPolytechnicUniversity,Hong
Kong,China（correspondingauthor,phone:
852-2766-4942;
fax:
852-2334-
2429;
e-mail:
********************.hk）..
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