Effect of Stimulus Parameters on Quality of Artificial Sense of Touch
No Thumbnail Available
Files
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024-05-26
Department
Major/Subject
Bioinformaatioteknologia
Mcode
ELEC3016
Degree programme
Sähkötekniikan kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
22
Series
Abstract
The sense of touch is a critical part of human balance, movement and interaction with surroundings. Even only a partial loss of feeling can have a significant impact on how one functions in everyday life. Artificial sense of touch would thus be particularly useful for those with an impaired somatosensory system, such as amputees and stroke patients with a need for mobility rehabilitation. The aim of the thesis is to investigate the effects of different stimulus parameters on the quality of sensation as well as to increase understanding and knowledge about how artificial sense of touch functions. This is done through a systematic review and analysis of the stimulus timing, pattern and the refractory period with respect to the sensation of the stimulus. The thesis found that pulse width affects the selectivity of nerve fibers by diameter.Tuntoaisti on kriittinen osa ihmisen toimintaa ja pelkästään tunnon osittaisella menettämisellä voi olla jo merkittävä vaikutus arkielämästä suoriutumiseen. Tuntoaistilla on suuri merkitys tasapainossa, liikkumisessa sekä esineiden käsittelyssä. Keinotekoisesta tuntoaistista olisi täten erityisesti hyötyä niille, joilla on vahingoittunut tuntoaisti, kuten raajaproteesien käyttäjille sekä aivoinfarktipotilaille hermoston kuntoutukseen. Tässä kandidaatintyössä käsitellään tuntoaistin emulointia sähköisesti, mutta erityisesti tutkitaan eri parametrien vaikutusta tuotetun tuntemuksen laatuun sekä tuntoaistin fysiologian merkitykseen sen kannalta. Tavoitteena on tutkia eri parametrien vaikutusta keinotekoisen tuntoaistin tuntemuksien laatuun sekä lisätä ymmärrystä ja tietoa sen toiminnasta. Työ on suoritettu systemaattisella tutkimuskatsauksella ja analyysillä ärsykkeen ajoituksesta, ärsykesarjan kuviosta sekä refraktorisesta vaiheesta tuntoaistimuksen suhteen. Keinotekoisen tuntoaistin kannalta on tärkeää ensin ymmärtää luonnollisen tuntoaistin fysiologiaa ja toimintaa. Ihmisen tuntoaisti koostuu erinäisistä aistinsoluista ja ääreishermoston hermoista - jotka ovat vastuussa aistimuksen kulusta aivoihin - sekä tuntoaistista vastaavasta aivokuoresta. Tässä työssä keskitytään fysiologian kannalta vain aistinsoluihin ja hermoihin, sillä aivokuoren toiminta menisi liikaa tämän työn aiheen ulkopuolelle. Ihmisen suurin aistinelin on iho. Sen verinahkakerroksessa ja ihonalaiskudoksessa on useita erilaisia ja eri ärsykkeitä aistivia aistinsoluja. Aistinsoluja, jotka reagoivat fyysisiin ärsykkeisiin kuten kosketukseen, kutsutaan mekanoreseptoreiksi. Mekanoreseptorit ovat hermopäätteitä, jotka ovat erikoistuneet välittämään saamansa mekaanisen ärsykkeen aivoihin aktiopotentiaalien avulla. Mekanoreseptorit voidaan jakaa kahteen pääryhmään: nopeasti sopeutuvat (engl. rapidly adapting, RA) ja hitaasti sopeutuvat (engl. slowly adapting, SA), joista molemmat voidaan jakaa vielä kahteen alaryhmään, tyyppiin I sekä tyyppiin II. Tyypin I reseptorit sijaitsevat lähellä ihon pintaa verinahkakerroksessa ja omaavat vain pienen aistialan. Tyypin II reseptorit puolestaan sijaitsevat ihon syvemmissä kerroksissa, ja niiden aistialat ovat laajempia, jopa puolikkaan kämmenen kokoisia. SA-säikeet, nimensä mukaisesti, sopeutuvat ärsykkeen muutoksiin hitaasti, joten ne jatkavat aktiopotentiaalien tuottamista koko ärsykkeen ajan. RA-säikeet eroavat edellä mainitusta siten, että ne sopeutuvat stimulaatioon nopeasti eli lopettavat aktiopotentiaalien tuoton pian tasaisen ärsykkeen alkamisen jälkeen, koska ne reagoivat vain muuttuvaan ärsykkeeseen. Keinotekoisen tuntoaistin laatu on riippuvainen sähköisesti aktivoidun hermosäikeen sopeutuvuusnopeudesta sekä tyypistä. Sähköinen stimulaatio ei kuitenkaan vaikuta mekanoreseptoreihin itsessään vaan niissä kiinni oleviin hermoihin. Tämän takia sähköisen stimulaation täytyy vastata oikeiden mekanoreseptorien vasteprofiileja, jotta keinotekoinen tuntoaisti vastaisi luonnollista tuntoaistia. Vasteprofiili sisältää muun muassa stimulaation taajuuden, pulssin leveyden sekä muodon. Keinotekoiselle tuntoaistille on monia eri sovellusmahdollisuuksia, joista ehkä tunnetuimmat ovat elektroniset käsiproteesit. Muita sovelluksia ovat muun muassa aivoinfarktin, aivovamman tai selkärankavamman seurauksena osittain liikuntakykynsä menettäneiden kuntoutus sekä kroonisen kivun helpottaminen. Tutkimuksen perusteella voidaan todeta, että stimulaation taajuus sekä pulssien leveys vaikuttavat tunnetun aistimuksen voimakkuuteen suurenevasti. Taajuus vaikuttaa aktiopotentiaalien tulitustiheyteen, kun taas pulssin leveys vaikuttaa aktiopotentiaaleja tulittavien hermojen määrään. Taajuuden vaikutuksella on kuitenkin yläraja johtuen aktiopotentiaalien refraktorisesta vaiheesta. Pulssin muodolla vaikuttaisi olevan vaikutusta stimulaation selektiivisyyteen sekä aistimuksen laatuun ja sijaintiin. Lisäksi voidaan todeta, että suurin keinotekoisen tuntoaistin laatuun vaikuttava piirre on stimulaation selektiivisyys eli se, mitä reseptoreita stimulaatio aktivoi sekä miltä alueelta ja syvyydeltä. Nykyinen teknologia ei kuitenkaan riitä tarvittavan tarkkaan selektiivisyyteen, jotta aidon kaltaisia tuntemuksia saataisiin tuotettua. Myös tieto reseptorien vasteprofiileista on vielä vajaata. Havainnot osoittavat keinotekoisen tuntoaistin tutkimuksen olevan vielä puutteellista näiltä osa-alueilta.Description
Supervisor
Turunen, MarkusThesis advisor
Vujaklija, IvanKeywords
artificial sense of touch, somatosensation, biomimetic, sense of touch, prostheses, stroke rehabilitation
