外文翻译 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

1、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Christina Z.Ma,Anson H.P.Wan, Duo W.C.Wong,Yong-Ping. Zheng,IEEE Senior Member,andWinson C.C.Lee摘 要这里引入了一种便携和轻质的振动触觉生物反馈系统，其作为实时平衡辅助。生物反馈系统为用户提供了基于足底压力分布变化的振动触觉刺激。进行实验以研究其改善姿势控制的有效性。进行Romberg试验，要求受试者尽可能静止，同时通过力平台测量身体摇摆程度。两个年轻健康受试者和一个更老的健康受试者参与研究。使用穿着羊毛袜和闭眼干预来模拟减少的感觉输入，并研

2、究提供振动触觉反馈的效果。实验在3个条件下进行：1）裸脚，眼睛打开（基线），2）穿着5层羊毛袜，闭上眼睛，3）穿5层袜子，闭上眼睛，用生物反馈系统打开。研究了压力中心（COP）的范围，均方根（RMS）和方差系数（CV）。结果表明在干预减少感觉输入后姿势摇摆的显着增加，并且在使用振动触觉反馈提醒四个方向的身体运动时，姿势摇摆的显着减少。这些结果表明，振动触觉生物反馈系统有效改善受试者的姿势控制。需要关于这种生物反馈系统对动态平衡控制和步态的影响的未来研究。1 介绍年人跌倒和跌倒造成的伤害已成为世界各地的主要公共卫生问题1。居住在社区中的65岁或以上的人群中约30的人和居住在护理机构或养老院中的人

3、群的50以上每年都有衰退1,2。证据显示伤害是老年人口中第五大死亡原因，这些伤害大多与跌倒有关2,3。跌倒的后果的负担沉重。经历跌倒的人中约20需要医疗，5导致骨折，5至10导致其他严重的伤害，例如严重的头部损伤，关节扭曲和脱位，软组织擦伤，挫伤和撕裂2 ，4。对于那些患有髋骨骨折的长者，14至36将在受伤后1年内死亡，并且存活的那些将对独立性和生活质量具有深刻的临时性，甚至永久性损伤5。跌倒致伤的医疗费用是巨大的。到2020年，老年人的总体成本下降预计在美国为430亿美元6。除了身体伤害，跌倒的历史可能引起恐惧跌倒，自我强加的活动水平下降，对他人的功能依赖，社会隔离，抑郁症和生活质量下降7。

4、已经广泛研究了跌倒的风险因素。 研究表明，其中最重要的危险因素是平衡和步态障碍，肌无力，视力缺陷，以前跌倒的历史，辅助装置的使用，关节炎，日常生活受损的活动，抑郁，认知损伤，多发病 ，多药学和老年人8。 平衡障碍随着衰老而增加，并且似乎是跌倒的独立危险因素8。 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

5、。 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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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，Advanced Mechanical Technology，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：COP net =COP l ×R vl /(R

11、 vl +R vr )+COP r ×R vr /(R vl +R vr ) (1)其中COP I和COP r是左右脚下的COP分别。 R vl和R vr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，WESTTM Nerve Tester，Connecticut Bio-instruments Inc.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

12、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

13、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CO

14、P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

15、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

16、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

17、。 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

18、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

19、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. Ma is with the Interdisciplinary Division of BiomedicalEngineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China(e-mail: christina.maconnect.polyu.hk).A.H.P.Wan is with the Interdiscip

20、linary Division of BiomedicalEngineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China(e-mail: .hk).D.W.C. Wong is with the Interdisciplinary Division of BiomedicalEngineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China(e-mail: .hk).Y.P. Zh

21、eng is a Professor of Interdisciplinary Division of BiomedicalEngineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China(e-mail: Y.hk).W.C.C. Lee is an Assistant Professor of the Interdisciplinary Division ofBiomedical Engineering, The Hong Kong Polytechnic University,

22、 HongKong, China (corresponding author, phone: 852-2766-4942; fax: 852-2334-2429; e-mail: .hk).参考文献1 M. E. Tinetti, "Preventing falls in elderly persons," New EnglandJournal of Medicine, vol. 348, pp. 42-49, 2003.2 P. Kannus, H. Sievänen, M. Palvanen, T. Järvin

23、en, and J. Parkkari,"Prevention of falls and consequent injuries in elderly people," TheLancet, vol. 366, pp. 1885-1893, 2005.3 P. Kannus, J. Parkkari, S. Niemi, and M. Palvanen, "Fall-induceddeaths among elderly people," American journal of public health, vol.95, pp. 422-424, 20

24、05.4 L. Gillespie, W. Gillespie, M. Robertson, S. Lamb, R. Cumming, andB. Rowe, "Interventions for preventing falls in elderly people(Review)," Cochrane Libr, vol. 11, pp. 1-289, 2007.5 N. Simunovic, P. Devereaux, S. Sprague, G. H. Guyatt, E.Schemitsch, J. DeBeer, et al., "Effect of e

25、arly surgery after hipfracture on mortality and complications: systematic review and meta-analysis," Canadian Medical Association Journal, vol. 182, pp. 1609-1616, 2010.6 J. A. Stevens, P. S. Corso, E. A. Finkelstein, and T. R. Miller, "Thecosts of fatal and non-fatal falls among older adu

26、lts," InjuryPrevention, vol. 12, pp. 290-295, 2006.7 E. W. Gregg, M. A. Pereira, and C. J. Caspersen, "Physical activity,falls, and fractures among older adults: a review of the epidemiologicevidence," Journal of the American Geriatrics Society, vol. 48, pp.883-893, 2000.8 M. Piirtola

27、 and P. Era, "Force platform measurements as predictors offalls among older peoplea review," Gerontology, vol. 52, pp. 1-16,2006.9 L. Z. Rubenstein and K. R. Josephson, "The epidemiology of falls andsyncope," Clinics in geriatric medicine, vol. 18, pp. 141-158, 2002.10 T.Y. Wang

28、and S.-I. Lin, "Sensitivity of plantar cutaneous sensationand postural stability," Clinical biomechanics, vol. 23, pp. 493-499,2008.11 E. W. Chen, A. S. Fu, K. Chan, and W. W. Tsang, "Balance control invery old adults with and without visual impairment," Europeanjournal of applie

29、d physiology, vol. 112, pp. 1631-1636, 2012.12 P. F. Meyer, L. I. Oddsson, and C. J. De Luca, "The role of plantarcutaneous sensation in unperturbed stance," Experimental brainresearch, vol. 156, pp. 505-512, 2004.13 E. M. Hennig and T. Sterzing, "Sensitivity mapping of the humanfoot:

30、 thresholds at 30 skin locations," Foot & Ankle International, vol.30, pp. 986-991, 2009.14 K. H. Sienko, M. D. Balkwill, and C. Wall, "Biofeedback improvespostural control recovery from multi-axis discrete perturbations," JNeuroengineering Rehabil, vol. 9, p. 53, 2012.15 N. Vuill

31、erme, O. Chenu, J. Demongeot, and Y. Payan, "Controllingposture using a plantar pressure-based, tongue-placed tactilebiofeedback system," Experimental brain research, vol. 179, pp. 409-414, 2007.16 C. Wall III, "Application of vibrotactile feedback of body motion toimprove rehabilitat

32、ion in individuals with imbalance," Journal ofneurologic physical therapy: JNPT, vol. 34, p. 98, 2010.17 M. Dozza, L. Chiari, and F. B. Horak, "Audio-biofeedback improvesbalance in patients with bilateral vestibular loss," Archives of physicalmedicine and rehabilitation, vol. 86, pp.

33、1401-1403, 2005.18 J. Nitz, S. Kuys, R. Isles, and S. Fu, "Is the Wii Fit a new-generation tool for improving balance, health and well-being? A pilotstudy," Climacteric, vol. 13, pp. 487-491, 2010.19 M. Tyler, Y. Danilov, and P. Bach-y-Rita, "Closing an open-loopcontrol system: vestib

34、ular substitution through the tongue," Journal ofintegrative neuroscience, vol. 2, pp. 159-164, 2003.20 M. Janssen, R. Stokroos, J. Aarts, R. van Lummel, and H. Kingma,"Salient and placebo vibrotactile feedback are equally effective inreducing sway in bilateral vestibular loss patients,&qu

35、ot; Gait & Posture,vol. 31, pp. 213-217, 2010.21 C. Wall and M. S. Weinberg, "Balance prostheses for posturalcontrol," Engineering in Medicine and Biology Magazine, IEEE, vol.22, pp. 84-90, 2003.22 C. Wall III, D. M. Wrisley, and K. D. Statler, "Vibrotactile tiltfeedback improves

36、dynamic gait index: a fall risk indicator in olderadults," Gait & posture, vol. 30, pp. 16-21, 2009.23 S. Haggerty, L.-T. Jiang, A. Galecki, and K. H. Sienko, "Effects ofbiofeedback on secondary-task response time and postural stability inolder adults," Gait & posture, vol. 35

37、, pp. 523-528, 2012.24 C. Wall III, N. Lyford, K. Sienko, and M. Balkwill, "The design anddevelopment of a production prototype Balance Belt," in Engineeringin Medicine and Biology Society, EMBC, 2011 Annual InternationalConference of the IEEE, pp. 3524-3528.25 C. Wall Iii and E. Kentala,

38、"Control of sway using vibrotactilefeedback of body tilt in patients with moderate and severe posturalcontrol deficits," Journal of Vestibular Research, vol. 15, pp. 313-325,2005.26 D. A. Winter, "Human balance and posture control during standingand walking," Gait & posture, vol. 3, pp. 193