Improving human ankle joint position sense using an artificial tongue-placed tactile biofeedback

18
! "# $%& ’( )*’* &*% +,,-, &( . / 0 ( 1(/ 2 34 5 / 4 6 * 4 &*% +,,-, # *. .7 7 689:; &(70 .< .04 2663 2:3 = 9;, 8;;9 /4 </> / <

Transcript of Improving human ankle joint position sense using an artificial tongue-placed tactile biofeedback

������������������������ ������������������������������

��

���������������� �������������������������

�������������������������������������������������� �

�������������������������� !�����"��#����$����%��&����'�(��)*'*��

����������&�� ���*%������ ��+�,,-,�����&��(���.����

��/��������0���� �������(��1(����/��������2������ ��� �������������34��5�

��/�������� ����4�6�

*�������������������4��

������������������

����������&�� ���*%������ ��+�,,-,���#�����*.�����.�����7�����7�������689:;�

���&��(���7��0��.���<�

.�04�2663�2:3�=�9;�,��8;�;9�

�/���4�������<������/�> �/� <��

������������������������ ������������������������������

-�

����������

)����������������/�������������?��������/��������������������� �/������

���������@��������������� �/����������<�&(�������������(���������0���/���1������

������ ����1(��(���(���������������?���/�1�������������� ����������������������������

����������(�� (������������������/�����������(���� �������/�����������������������?����

�(�������@���<�&����������(�����@�����������?�� �(����(?��������1����������������/���

������������/���(� ������1��(����1��(���������������<�&(������?� �������������(��

�����������������������������?� ����@�����1��(�������/���?����/������������(��

������������(���/���(� ��������������������������(������������������������(�� (���

�� ��������������������������������2&� ���$�����?����3<�������������(���������������?�

����(�����������?�����(���������� �1�������/������� ��(������������������(��

����������������������?<����������(�1���/��������������/������������/���(� �

����/�����1��(��(��1��(������������������������������?�������������������������������

���������������?<�&(�������� ���� �������(����(���������������?���/�1����������������

������ ������������������� ����������������������������������/������(������������������

�(�������@���<�

��� !�"�#�)����������A�B����������A�&� ���$�����?����A�*���A�!�/��

������������������������ ������������������������������

6�

*�����������������������(�������@���������������������?��������������������

����������������������#�����������������������������������������(����1���� ��

�� ������� <�*����������?������ ������������������������1����������������

�����?������@�����������������������������C�-D�����(���� ��������/��/����������

����������������������������� �����������(������������������?�����������������������

�������/������?�����������������@�?�������@�?�C����=�-:�--�-=D<��

������ �����?�� �����(�����������������������������@������������/��������

����?������������/�����������������������������/��������@��������������� �/����

�������C�6��5D<�!�1������� /����E����������������?����/��������������������������

����(���������������?���/�1(���������(������?������������������������/���

����������E���/���E����������1(�����/���?�1��������(����(����������������

�����?����������������/�����������?����� ���������������������������������<�&(�����

�������� �������������(�#������������(������������0���������������������E���������

���������F���1�������������?��������(�������/��?�����/���<�����������������

��������������������/����������1(���?�����������/��������1����������������

��������/������������������������������������#��������/�����C-��-8D<��

*� /����E����������������?��������������1����?���������(?�������(���?����

�(������������/����?��������������(�� (��������C�8�68D����������������?��(�����2�< <��

C�:��,D3<�������� �?�������(����������������/�?��������(���������������������������

(�/��/��(������������2!��3���/���������/���� ��(�����/���������(�������(�� (�

������������<�*/� ��(�/���(��&�������������+���?�+�����������2&�++3��?���/��

�����������?�B��(�?���������(�����������������������������������/�����������?�����

���/����������������1��(��(�������������������������������(��(�/�����?�������� ��(��

����/����(���(������(���������(���(� (���(����1���(���� �����C��6�;��;��9D<�������?���(����

�����(����������������1�!�����(��&� ���$�����?�����2&$�3����� ��(���� ��������

������������������������ ������������������������������

=�

�����������������������������/�������C-�=�,D<�&(���(������������ ����1�����(��

���������/�����������(���� �������������/����/��(���/��������<����(�����(�����(��

�� ������ �����?����������� ��C=�6:D���� ��?����������1��(���(����/�������?�

����0�C-,D�1����(�1��������?�(� (��������������/������(���(���������C-9�6�D<���

�(����(��(�����(���� ���(������0���������������������������������/��������(����

�#��� �����1������� �����������(���(�����#���������(���������������/�������C=D<�

.����?���(���� �������������������������������/�������(��/���(��������/���?��������

�� (�������������(��1�?<��

G(�����(��&$��(���������������������?����(���(�������������������(������0�����

������������������������������ �������������������������������/������������������������

C-�,�;�-9D������������������������������������������(����������0������� �������������

/��(���/��C-�,D<�*�� ��(�����������(�������������(���������0���/���1������������ ����

1(��(���(���������������?���/�1�������������� �������������������������������������

�(�� (������������������/�����������(���� �������/�����������������������?�����(�������

@���<�&����������(�����@�������������@�����������������1���������������� ����������

/���(� ���������������?������?���(���C��D��1��(����1��(���������������<��

����/����?�� �(����(?�/������������2� ��H�-8<6�I�;<��?���A����?�1�� (��H�9:<9�I�

;<6�� A�(�� (��H��95<9�I�,<;��/3���������?����������������(���0���/��<�&(�?� �����(���

���/�������������(���0���/�����������������#������?��(��!�����������������

2�5;=3�����(����������(���� �//�����<���������(�����@��������������?�(����?�����@�?��

�� �?������(��� ?�������(����1���0��/��?��(�����������������(���������?��������/��(��

�����@����������������<�

+��@�����1������������/������?������(���1��(��(���� (�������������������������

�1������� �����������<�&(������@�����1������0��������������:J<�����/���1������������

����(����������(���� ������������1��(���/���/�������� �����(��(��������<�&(���0������

������������������������ ������������������������������

,�

�����������(�������������1������ ���1��(��(���0�����������������(�������<�)������������

�������/����������(��������(������������������������ ������ ���� ������������������(��

�����F�� ���<�*�(��(�������������������1�������� ��(��/���(� <�+� ������/��(��

�������/���������(�������������1�����/���������::�!K�2�-�����*E$��������3���(��

������������������1��(���(��������1�,<���������#���������?���/<��

+��@�����1����������������������� ���������1�����������������(����(���1�����

�����������������/��(�����������(������������������ <�������������������1����������������

�(�����@���F���� ��������/������������������������������(��������������<�

&(���0���/������������(������������������������������/����� ���1(����(��

������������(�������1���/���������?�/����������������C6;D<�+��@������(�������������

�0����?����������/�������(��������������(�������������������������� ��(������������

����������������/� ���/��(������������������(��������������������� ��(�������C6;�69D<�

&1��/���(� �� ������ ������������1�������4�2�3��:J������������0���2)�:J3����2-3��:J�

����������0���2$�:J3<�&(�������������1����������������������(���0��/�������(�������� ��

���/��������/��/�K����������������?��������/�@������������������������C8D<�����

�(������������(���������������������(�������� ���2)�:J�����$�:J3�����@���F�������1������/���(�����

���������?�������?������/�������(���� (���� <�G(���(�?�������(����(�?�(������(����(��

�� ���� ������������2�<�<��1(���(��� (�������1�������/���?���� ���1��(��(�����������3��

�(�?�1������������������(��������(�������(���� (��(�����(���?�� ����� ��(��/���(���

�������<�&(����������/���(� ������1�������/��������1��������������������

B������������0���/�������������<�&(������������������������������������������

�������<����(��B�����������������������@���������/����(���������� ���&$��

�������������?���/<�&(������?� ��������������������������?� ����@�����1��(�

������/���?��������������������(��������������(��/���(� �� (�������������������(��

��������������������������(�� (����� �������������������������������<���������������

������������������������ ������������������������������

;�

���/����1����������������(��������������(���� �������/��������0����������������?��

����������(��/���(��1��(�������������(�����/������������������������������������� ��������

�(��/���(<�&(���?���/���������(���������0���/�����/��������-$������������?�2�<,��

�<,��/3�������� ����6;� ����������������������(�1��(����<=�//����/������� �������;��

;�/���0�2.� ����3<��

�������������������������������������

)�����������.� �����������(���

�������������������������������������

&(�������1� ����� ���(�/������(��&$��1�������4�2�3����������������/�������

1(�����(�������1���������/����� ������������1��(����� ������<,J�2.� ���-*3A�2-3�

���/�������������(���(������������������K�������(��/���0�2-��;�/���03�2�<�<����/�������

������������������������(���� ��3������� ���1(��(���(��/���(� �� (�������1���

����������������0������������0�����������������������(������������������������������?�

2.� ����-B����- ������������?3<�&(����#���?�����(�����/�������1���/���������������

���,:�!K����������@���������� ���������������(��������������/������������(���� ���

������<� ������?���(�����������?�����(�������������������/���������?� ������?����1���

����������������������������������������������(���� ����������������������/��?�

�0���/�����(��������?�����(���������������/����� ������1�����@������������(����@�����

������(�����(�����������������������(���� ��<�

�������������������������������������

)�����������.� ���-�������(���

�������������������������������������

+�����������������1�������/�����������(����������������(������@�����(���

/��������(���������(������1��������� ������������������ �������/�������������� ���

���������1��(��(��&$�<��

������������������������ ������������������������������

9�

.����������������(��� ���� ������������������(��0���/�������������1���

����/����������� ������������-:�������������@���<�&(�����������������������(���1��

�� ����� �������������2)�:J�����$�:J3�����(���1���0���/��������������2���������������

����B����������3�1������/�K��<�+��@�����1������ ��������������������(�������/����

����������(��������������(��� (�������1�������������<�

&1�������������������1������������������/���(� �����/�����C-8D<�2�3�&(��

������������2*�3���(���������������������(��������������1����(��������������(��� (��

/���(� ����������(��������������(�������������������������/����������(���������

������?������������ <�2-3�&(�������������2��3���(���������������(��/����������

��������������/����������(�����������?�����(���������� <�$��������*��������������

����������������������?������������?�����(���������� ������������?�C-8D<�

&(��/��������(�����������������/��������(�����(�������0���/��������������

1��������������������������?���<�-� ��������2�������������������B����������3��-�&� ����

� �������������2)�:J�����$�:J3����?���������������2*���*�3�1��(���������/����������

���(��������1���������������(��*������������<������������ ��������1����������:<:,<�

*��?��������(��*���(�1�����/������������� ��������?����� ��/���������������(��

B������������(�������������������������2�2��83�H�-5<59����L�:<::���.� ���6*3<�&(��

*���*���(�1�����/�������������&� ���� ����������������?������������� �������

�&� ���� ������������2��M�:<:,3<�

*��?��������(�����������(�1�����/������������� �������?����� ��/��������������

�(��B������������(�������������������������2�2��83�H��;<8,����L�:<:���.� ���6B3<�&(��

*���*���(�1�����/�������������&� ���� ����������������?������������� �������

�&� ���� ������������2���M�:<:,3<�

�������������������������������������

)�����������.� ���6�������(���

������������������������ ������������������������������

8�

�������������������������������������

&(�������������(���������0���/���1������������ ����1(��(���(��������������

�?���/�1�������������� ��������������������������������������(�� (���������������

���/�����������(���� �������/�����������������������?�����(�������@���<�&����������(���

��@�����������?�� �(����(?��������1����������������/���������������/���(� �����<�

&(��������1����0�����������1��� ������ ���������������2�3��:J������������0���2)�:J3����

2-3��:J�����������0���2$�:J3��������1���0���/�����������������2�3�������������������

2-3�B����������<����(�����������������������������(��/���(� ������������������(��

������������1������������������� ��������������������������������2&$�3� ����� �

�����������������/�����������6;������2;��;3�/���0�(����� ������(�������������(���� ���

����/�2.� ����3<��������/����������/�(���K���(����������@�������������(����(��������������

1�����/���������������1�?����������� ��(�����/�����1�����������<�������������(��

�������������?�����(�����������?�����(���������� �1�������/������� ��(��*������(��

��������������?�C-8D<�

��������*��2.� ���6*3�������2.� ���6B3�������1��������������(��

B�����������������������(������������������������<���������������(������������

�� ������������������� ��������&� ���� ��������������(������������(�1���/���

�����������/������������/���(� �����/������1(�������(���� ���� �������������

1(��������������1����������(��1(�����1�����<�����(��1�������/�������������

�������������(�������� ��� �������(����(���������������?���/�1����������������

������ ������������������� ����������������������������������/������(������������������

�(�������@���<��

*���(���������������������������(����(��/��������?���� ���������� ��(��������

�������?���/F���������?������/��� ����/�������/� ���/�������������?�

/����������������������/��������������������������(�����?�C5D���#������� ������

������������������������ ������������������������������

5�

�������<�&(������ ��������������������?������������(��/����� ��������/��� ���������

���������������������/���������(�����(�������������B��������������������(���������

��� ������?��(���������������?���/<�*��(�� (��(���0���/��������������(���� /�����

����?����/�����1�������������(�������/���������/����������������������

�� ���� ��(����(��������?������������ (���� ���������(�������������������?����/��������

�/���������������������� ���������#���������� ��������������/��� �C6,D<�*�� �

�(��������������������������(����(�������������?�����(�������������� ������������������

�����������������1� �?�� �(����(?������������/������(��������@�����������������2.� ���

63�����������������������������1(��� � � ������������ ��������������1��(�

����������������� ���/��� ���������������2�< <�������?���������������������3<�+��(���

�����������?������������������1��������������������� �����<�.����?���(���������������

����������(��������������������&$���������������?���/�����/���� ������@������������

���������N�/��O�����������������������2�<�<��1��(�����������������������?�

���/����3<�G(��(���(���������������?���/�1���������������� �����(������������

���/����������/�������������� ���������������������������������������������(��

�0���/�����/�����������C���-6�-;D�����/��C9��=�-=D���/���� � �C-:�6=D������������

C-5�6-�66D�1������������������(������������?���������/��������(�������(<�G ����������

�(������(�������������������?�1����������� �����(�����������������/���������?�

�1�� �(� �/��(���/������������/������������?�����/��� �(�1��(��������������

�?���/���� ����������������������������������/��������1��(�����������?����������������

������(������������/�������������(���������������� ��/�����������?�������� ����������

��������������1(�/��(������#���������������������� �������������/�����/�����

2�< <�������?����������������1��(����������������(?3<�

������������������������ ������������������������������

�:�

��$%! &�"'�(�%���

&(�����(�����������������)�������)����B��(�?���������������� ��������(��&$��

���������������������������?������������<�&(�����(���1��������������(������@����

��������<�+��������(�������������0���������$�/���.��//�������+?����������������

���(�������������������������<���������������������<�

������������������������ ������������������������������

���

��)���%����

C�D )<�B��(�?�������B������(���/����+���?�+������������*����/���)�������1�

'�����59-<�

C-D )<�B��(�?�������&�����������?����������������������*<��<'<�*���<�+��<��:�6�2-::=3�

86�5�<�

C6D )<�B��(�?������� < <� �������.<�+�������B<�G(������<�+�������������������������

�?����������/� ����@�������������--��2�5;53�5;6�5;=<��

C=D )<�B��(�?�������P<*<�P��K/������<�<�&?����"<�%����������.�/����������1��(���

=5�����������������������/�������?����(���� ����"<���(����<����<�$��<�6,�2�5583�

=-9�=6:<��

C,D )<�B��(�?��������+G <�P������+���?�����������������(��(�/��/��(������������

&���� � <�+��<�9�2-::63�,=��,=;<��

C;D )<�B��(�?��������<�<�&?����P<*<�P��K/�����+��� �1��(��(���������<�"<�!�/�

�/���<���<��,�2-::63�-8,�-5,<��

C9D �<�B�������B<&<�������)<"<��������"<� ����*����@�������������������

��������/��(�������������������(�������/��������������*�(����������������4���

��/������1��(�/���(����������� ��<�B��/��(<��5�2-::=3�-8=�-5�<�

C8D $<�B�����+< <�%��������%<��������������������������������/���/��������������

��@������������/����������(��(�/��(����"<�)(?����<�=:-�2�5883�6=9�6;�<�

C5D %<*<� ������� <�+������B<�<�+�����������<�&(��(����������/��������?���������

�/��� ����*����&�)�����-::=<�

C�:D �<�$�KK����<� (�����.<B<�!�����*������������������/�����������������������

1��(��������������������������*�(<�)(?�<����<���(����<�8;�2-::,3��=:���=:6<�

������������������������ ������������������������������

�-�

C��D �<�.���������<�&����������<���� ����*������������(�������������������(�������

��������?�/����������� �����(�/�������<�+��<�+������0��<�6=�2-::-3���9��--<�

C�-D *<+<�.��� <G <�!��� (���*����@����������������������������������������������

���?���1��(����������������������*/<�"<�+��������<�66�2-::,3���9=���8-<�

C�6D + <�%��������P����(����4������������������ �������/������//���<��4��<B<�

��1�����"<&<�+(��(����2���3��!����������)(?����� ?����1�'�����0�����������?�

)������55;����<��-8��9-<��

C�=D &<�!�������*<�P?��� ��*<�&����?���<�B������ (� �����@����������������������

�� �����?���������(�������������������������?��B<�"<�+��������<�65�2-::,3�8�8�

8-=<�

C�,D "<�!� �/���.<�!�� ����<�P������"<!<�*���/��&(���������������������������

����(����������������������@�������������/����/���1��(�������?�����(�����

����������"<�����<����<��,�2-::,3��:5���9<�

C�;D P<*<�P��K/�����)<�B��(�?�������&�������������?����4�G <�B��������&<��.�����������

2���3��*���������������$��� ���������������/������0�����������?�)�����

�55,����<�6=5�=�=<�

C�9D P<*<�P��K/������"<%<�G �������)<�B��(�?�������G <"<�&�/�����������������������

������������������?���������?��������������?���/��������&��<���(����<�� <�68�

2�55�3����;<�

C�8D '<���@�����������������/�����K������������������������ �����������������������

��/�������������������* � � ��<��0�<����<��;�2-::=3�6;6�6;8<�

C�5D $<�<��� �����?��P����(��������������?��)(?����<����<�,8�2�5983�9;6�8-:<�

C-:D *<�<��� �������������� 4�������������������������=�(����������������2G �34�

G B�B�1�Q�B��(/�����556<��

������������������������ ������������������������������

�6�

C-�D +<����(������<P<�+(������������������� �����?�/���������������4���������

��� �����#�������/���/����������0�<�B������<��;=�2-::,3��8�-8<�

C--D $<����(�������<�G ������������<�R��������!?������<������������������������

�����/�������?�������������������������������(��������������"�%������ ?4�

���<�+��<�==�2�5853����8���-9<�

C-6D $<��������<�*������������+<�P���(��������������������K��������������?����

�0���/�����/�����������������@�������������������<�"<�)��<�;�2-::-3�-=,�

-;:<�

C-=D P<*<�)�?���P<�B� ���<G <�������*�����@���������������� �(�����0������?�����

������������������� ����������������?����"<�*�(�<�&��<�6-�2�5593�--��--,<�

C-,D <�)������*<���������+���?����������� ����������������/���"<������� <�,5�

2�5863�98��985<�

C-;D P<�<�)������<�<����� ����<*<��������/���<G <�%� �����/����0��������� ���

�������/���������������������/���������@����/������������������<�����<��;�

2-::,3�5��=<�

C-9D �<�+�/������+<�������)<�B��(�?�������B������������?4�S������F������?���������������

�����(���� ����B������<�5:8�2-::�3�-:=�-:9<�

C-8D �<*<�+�(/���������� ������������ ��-����������!�/��P��������

(�/��� �������588<�

C-5D %<%<�+�/������"<*<�$���"<+<������(����<B<�B������)<�<� ���� (��$��������

����?�������(?���������������@����/���/�������������*�(<�)(?�<����<�

��(����<�99�2�55;3�=,6�=;:<�

C6:D �<�&�������%<P<�����������1��(��(����/��(����������������������(��(�/��

�� ���������"<������(?����<�99�2�5593�969�9=8<�

������������������������ ������������������������������

�=�

C6�D �<G <����B�����P<�<�"�(����&(����/���������������������������������(�/��4�

��� ���������������/����������(���������� ��������� ��������� ?<�==�2�55=3�

-6;��-6;;<�

C6-D <%<�������B���(���<%<�%���� ��+<%<������"<P<����(������"<*<�*�(����������

)���(����������(?������������������������������������������(��(������

*�(<�)(?�<����<���(����<�9;�2�55,3�8,:�8,;<��

C66D �<G <����$�������<�<�+��(�K��"<+<������(���)<�<� ���� (��&(���������/������

���������������/���/��������������(�/�����@�����1��(����������������(?��

�0�<�B������<��-:�2�5583���8<�

C6=D +<�<�����(�����+<�B�/� ���+<)<�+1����)<"<� �����&(������������� � ���

�?�/��������������������(������<�B�(��<�B������<��6;�2-::-3�,56�;:6<�

C6,D �<�������/���B<������������<���� ����*�����������/���������������1��(��(���������

���� (���� ���������(��������������������� �#���������� ���0�<�B������<��;5�

2-::;3�-6-�-6;<�

C6;D �<$<�G ���(�� <G <�!������$<�<��� ����<�)������!�/������/��������������

��������� �������1����0��/�������"<�)(?����<�,,8�2-::=3�9:,�9�,<�

C69D "<�*<�G �����&<�"<�*������<�)���������������������� ������/����1��(��(����������

�������������������/�����������"<�)(?����<�,;8�2-::,3��:6,��:=;<�

C68D %<�G ����������/�����������������?��������� ����?���������������� ���������?�

��������1��(�����(����������(?�������&��<���(����<�� <�,�2�5593�655�=:-�

������������������������ ������������������������������

�,�

�*'+�����,�*!%��

�*'+���-.�)(��� ��(�����(��&� ���$�����?�������������(���������0���/��<����

��/��������-$������������?�2�<,���<,��/3�������� ����6;� ����������������������(�1��(�

���<=�//����/������� �������;��;�/���0<��

�*'+���/.�+���?����� ���(�/�������(��&$��2�����������3�����������������(�������������

�(��/���(� �� (�������������������(�������������������2���������3<�B����������

��������������������������<�&(���1����(���������������/������������������(��&$�4�

�4�����������������������1(�����(�������1���������/����� ������������1��(����� ��

����<,J<��

�4��-�����������2-��;3�����(��������K�������(��/���0��������������2�������� �����(��

���/�����������(����������������(���� �������/3�1(���(��/���(� �� (�������1�������

������������0�����������������������(������������������<��

�4��-�����������2-��;3�����(����������K�������(��/���0��������������2�������� �����(��

���/�����������(���������������(���� �������/3�1(���(��/���(� �� (�������1�������

�����������0�����������������������(������������������<��

�*'+���0.����������������������������(��������������2*3�����(�������������2B3����

�(���1��������������������B�������������������<�&(���1���0���/�����������������

��������1��(����������?/����4����������������2�� ������3����B�����������2����������3<�

&(���� ���������������������/���������1���������������������B��������������������

���������������2TT4��L:<:���TTT4��L:<::�3<�

������������������������ ������������������������������

�;�

�*'+���-�

������������������������ ������������������������������

�9�

�*'+���/�

Anterior

Posterior

A B C

������������������������ ������������������������������

�8�

�*'+���0�

0

2

4

6

8

10

12

Ab

solu

te e

rro

r (°

)

0

1

2

3

4

5

6

Var

iab

le e

rro

r (°

)

*** **

No-biofeedback Biofeedback

BA