可穿戴皮肤拉伸感知反馈设备设计(2)
图5.11不同质量外壳对应的皮肤拉伸量-频率数据..24
表2.1四种触觉感受通道特征表..4
表3.1不同外壳对应的静止部分质量.12
表5.1高速相机拍摄参数18
表5.2卤钨灯管性能指标19
表5.3视频开始帧数数据表..21
表5.4最大拉伸量数据统计..25
表6.1系统参数最佳估计值..25
1 引言
1.1 选题背景及意义 膝骨性关节炎是老年人常见的一种疾病，主要病因是膝关节内侧负载过大导致的软骨损伤。传统的治疗方式主要有口服药物或注射镇定剂缓解疼痛和通过手术杀死膝关节痛觉神经。这些治疗手段只能减少疼痛症状，并不能阻止病情的进一步恶化。 近年来，步态训练技术的发展为治疗膝骨性关节炎提供了一种新的选择。通过训练患者使用一种新的步态行走来降低膝关节内翻力矩（被证明能有效表征膝盖内侧负载大小）使身体负载从患病的膝盖内侧转移到健康的膝盖外侧[1]。 在步态训练过程中，尤其是户外进行的步态训练情况下，人需要视觉反馈和听觉反馈来辅助导航和躲避危险，触觉反馈则相对空闲，因此触觉反馈是步态训练中反馈环节的理想选择。高频振动触觉反馈作为最常见的触觉反馈形式，已广泛应用于可穿戴设备，用于提供反馈信号。但是在步态训练中，由于环境中携带的以及行走本身产生的大量高频振动干扰，高频振动反馈容易被淹没在噪声中，很难被有效感知，尤其是当多通道振动反馈同时工作时[2]。 因此，现有范式存在无法令患者在行走过程中有效感知触觉反馈、训练效果低下等问题。为解决步态训练过程中反馈无法有效感知的问题，有必要探索新的触觉反馈解决方案，如拉伸触觉反馈，以期将步态训练推向户外，帮助膝骨性关节炎患者重获健康，因此本文研究的内容具有一定意义。
1.2 国内外发展现状 将人体皮肤作为信息传递载体的文献最早可以追溯到 60余年前[3]。早在1957年，Frank A.等人就提出，皮肤的机械识别能力可以用于传递信息，并且皮肤信息传递包含三个基本的文度，分别是机械运动振幅、持续时间以及传递位置[4]。在该项研究进行后的 60余年里，科学技术不断发展，触觉反馈背后的理论研究及其实际应用再一次受到重视。这其中，部分的原因在于越来越多的研究者意识到， 触觉反馈可以应用于许多场合向受试者提供简明的有效信息，尤其是在视觉、听觉等其他感官难以发挥有效作用，或是在这些感官正在被使用，无法接收其他额外信号的情况下[3]。 但是，无论是早期还是近十余年对于触觉反馈的研究，其中绝大部分都围绕着振动刺激进行。只有少数研究者对皮肤拉伸触觉反馈进行过研究。
1.2.1 国外研究现状 国外对于触觉反馈的研究起步较早，美国麻省理工学院的 Jones 等人在背部下侧安装高频振动器来指导受试者在户外穿过一系列锥形障碍物[5]。美国哈佛医学院的 Horak等人设计了可穿戴背部振动器，训练受试者在行走中减少躯干的质心摇摆[6 ]。美国斯坦福大学的Wheeler 等人在前臂上安装了可穿戴振动器，当膝关节内翻力矩超过预设阈值时振动，提醒受试者改变步态参数以降低膝关节内翻力矩[7]。瑞士医院大学的 Janssen 等人设计了一个振动面罩来降低行走过程中的躯干摇晃角度和速度[8]。意大利博洛尼亚大学的 Dozza等人设计了振动背心来训练受试者减少躯干摇晃，稳定重心偏移[9 ]。荷兰奈梅亨大学的 Nanhoe-Mahabier 等人展示了一种头戴式振动反馈器来减少受试者在行走过程中的躯干倾斜角[10]。日本庆应义塾大学的 Tsukada 设计了一种振动腕带来为盲人导航[11 ]。美国斯坦福大学的Dowling等人在鞋内嵌入了小型振动器，该振动器能够根据外侧足底压力进行反馈，训练受试者调节步态将足底压力移至脚底中心[12]。 除了围绕高频振动进行的触觉反馈研究外，有少数其他研究者近年来开始尝试其他形式的触觉反馈。 Bark等人设计了一种可穿戴旋转皮肤拉伸设备，用于训练行走过程中的躯干倾斜角和静态实验中的肘部弯曲角度[13][14]。犹他大学的 Provancher 等人设计了一种指尖皮肤拉伸反馈设备，提出在提供静摩擦力的同时，提供一定量的皮肤拉伸量，能增强传统的力反馈的效果[15]。Jirattigalachote 等人设计了一种嵌入鞋垫的虚拟鹅卵石提供低频触觉反馈来训练行走过程中的脚掌前进角[16]。
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