الإنسان والآلة واجهة دمج مجسات منخفضة التكلفة مع نظام تحفيز الاعصاب الكهربائية لمرحلة ما بعد السكتة الدماغية تأهيل الرصيد
Summary
A novel low-cost human-machine interface for interactive post-stroke balance rehabilitation system is presented in this article. The system integrates off-the-shelf low-cost sensors towards volitionally driven electrotherapy paradigm. The proof-of-concept software interface is demonstrated on healthy volunteers.
Abstract
وتسبب السكتة الدماغية عند أحد الشرايين التي تحمل الدم من القلب إلى منطقة في الدماغ رشقات نارية أو جلطة يعوق تدفق الدم إلى الدماغ وبالتالي منع إيصال الأوكسجين والمواد المغذية. يتم ترك حوالي نصف الناجين من السكتات الدماغية مع بعض درجة من العجز. مطلوبة منهجيات مبتكرة لneurorehabilitation التصالحية بشكل عاجل للحد من العجز على المدى الطويل. ويطلق على قدرة الجهاز العصبي لإعادة تنظيم هيكلها، وظيفة والاتصالات كرد فعل للمثيرات داخلية كانت أم خارجية المرونة العصبية. وتشارك المرونة العصبية في الاضطرابات الوظيفية بعد السكتة الدماغية، ولكن أيضا في إعادة التأهيل. قد تكون سهلت التغييرات المرونة العصبية المنفعة مع الكهربائي غير الغازية، مثل التحفيز العصبي العضلي الكهربائي (NMES) والتحفيز الكهربائي الحسي (SES). NMES ينطوي على التحفيز الكهربائي منسق الأعصاب الحركية والعضلات لتفعيلها مع نبضات قصيرة المستمرة للتيار الكهربائي في حين SES invoتحفيز التلاميذ من الأعصاب الحسية مع التيار الكهربائي مما أدى إلى الأحاسيس التي تختلف من إدراكه بالكاد إلى غير سارة للغاية. هنا، قد تكون سهلت مشاركة القشرية النشطة في إجراءات إعادة التأهيل من قبل القيادة الكهربائي غير الغازية مع biosignals (كهربية (EMG)، الكهربائي (EEG)، electrooculogram (EOG)) التي تمثل التصور النشط في وقت واحد وجهد ارادي. لتحقيق هذا في وضع فقيرة الموارد، على سبيل المثال، في البلدان المنخفضة والمتوسطة الدخل، نقدم منخفضة التكلفة الإنسان والآلة واجهة (HMI) من خلال الاستفادة من التطورات الحديثة في خارج الجاهزة للاستخدام تكنولوجيا الاستشعار لعبة فيديو. في هذه الورقة، ونحن نناقش واجهة برمجيات المصدر المفتوح الذي يدمج منخفضة التكلفة قبالة الجاهزة للاستخدام أجهزة استشعار لالارتجاع البيولوجي البصرية-السمعية مع الكهربائي غير الغازية لمساعدة السيطرة الوضعي خلال إعادة تأهيل التوازن. ونحن لشرح إثبات صحة مفهوم على متطوعين أصحاء.
Introduction
ويسمى حلقة من خلل عصبي الناجمة عن الشلل البؤري، العمود الفقري، أو احتشاء في شبكية العين السكتة الدماغية 1. السكتة الدماغية هي مشكلة صحية عالمية والسبب الرئيسي الرابع الإعاقة في جميع أنحاء العالم 1. في بلدان مثل الهند والصين، وهما أكثر الدول اكتظاظا بالسكان في العالم، عجز الجهاز العصبي بسبب السكتة الدماغية ويجري وصفها بأنها وباء الخفية 2. واحد من المضاعفات الطبية الأكثر شيوعا بعد السكتة الدماغية هي السقوط مع حدوث ما يصل إلى 73٪ في السنة الأولى ما بعد السكتة الدماغية 3. سقوط ما بعد السكتة الدماغية هو سياقاتها ويشمل كلا من العوامل في العمود الفقري وفوق الشوك مثل التوازن وإبصاري مكاني الإهمال 4. مراجعة من قبل GEURTS وزملاؤه 5 تحديدها 1) ضعف متعددة إتجاهي الوزن الأقصى تحول خلال يمشي على قدمين دائمة، 2) سرعة بطيئة، 3) عدم الدقة الاتجاه، و 4) سعة صغيرة من التحولات وزن الطائرة الأمامية شبه القصوى واحدة ودوري كرصيد عوامل ري الخريفكورونا. أثر ذلك على أنشطة الحياة اليومية يمكن أن تكون كبيرة منذ أظهرت الأعمال السابقة ويرتبط هذا التوازن مع القدرة المتنقلة والاستقلال في وظيفة الحركية 5، 6. وعلاوة على ذلك، اقترح GEURTS وزملاؤه 5 أن التكامل فوق الشوك متعدد الحواس (والعضلات التنسيق 7)، بالإضافة إلى قوة العضلات أمر بالغ الأهمية لاستعادة التوازن الذي يعاني من نقص في البروتوكولات الحالية. نحو التكامل متعدد الحواس، لدينا فرضية 8 على مدفوعة إرادي الكهربائي غير الغازية (NMES / SES) هو أن هذا السلوك التكيفي يمكن أن تكون على شكل ويسر عن طريق تحوير التصور النشط المدخلات الحسية أثناء الحركة بمساعدة SES-NMES / في الطرف المصاب بحيث يكون الدماغ يمكن أن تتضمن هذه الملاحظات إلى الناتج الحركة لاحقا من خلال تجنيد مسارات السيارات بديلة 9، إذا لزم الأمر.
لتحقيق مدفوعة إرادي التدريب التوازن بمساعدة SES-NMES / في مورد-poor الإعداد، وقد وضعت منخفضة التكلفة الإنسان والآلة واجهة (HMI) من خلال الاستفادة من البرمجيات مفتوحة المصدر متاحة والتطورات الحديثة في خارج الجاهزة للاستخدام لعبة فيديو تكنولوجيا الاستشعار عن الارتجاع البيولوجي البصرية-السمعية. NMES ينطوي على التحفيز الكهربائي المنسق للأعصاب والعضلات التي ثبت لتحسين قوة العضلات والحد من التشنج 10. أيضا، SES ينطوي على تحفيز الأعصاب الحسية مع التيار الكهربائي لاستحضار الأحاسيس حيث أظهر الأعمال المنشورة الأولي 11 أن التحفيز subsensory تطبيقها على العضلات الظنبوبي الأمامي وحده فعال في تخفيف التأثير الوضعي. هنا، فإن HMI جعل من الممكن التكامل الحسي الحركي خلال تفاعلي العلاج توازن ما بعد السكتة الدماغية حيث إرادي يحركها NMES / SES لعضلات الكاحل سيكون بمثابة مكبر للصوت العضلات (مع NMES)، فضلا عن تعزيز ردود الفعل وارد (مع SES) ل المساعدة على وضع الاستراتيجيات الكاحل صحية 12،13،14 للحفاظ على موقف تستقيم خلال يترنح الوضعي. هذا هواستنادا إلى فرضية المعروضة في دوتا وآخرون. 8 أن زيادة استثارة القشري للعضلات الكاحل ذات الصلة تنفذ من خلال الكهربائي غير الغازية قد تقرض لتحسين التشكيل فوق الشوك من صلابة الكاحل. في الواقع، أظهرت العمل قبل أن NMES / SES يتسبب تغييرات دائمة في استثارة القشري، ربما نتيجة المحركات تفعيل التعاون والألياف الحسية 15،16. وعلاوة على ذلك، أظهرت Khaslavskaia وSinkjaer 17 في البشر أن المحرك المتزامن القشرية محرك الحالي في وقت NMES / SES تعزيز القشرية السيارات استثارة. لذلك، قد مدفوعة إرادي-NMES / SES لحث على المرونة العصبية على المدى القصير في ردود الفعل في العمود الفقري (على سبيل المثال، متبادل الأول (أ) تثبيط 17) حيث الخلايا العصبية القشري أن المشروع عبر تنازلي مسارات إلى مجموعة العصبون الحركي معين يمكن أن تمنع تجمع العصبون الحركي عدائية عبر interneurons IA-المثبطة في البشر 18، كما هو مبين في الشكل رقم 1، نحو سperant نموذج تكييف (انظر دوتا وآخرون. 8).
الشكل 1: مفهوم (. التفاصيل في دوتا وآخرون 21) الكامنة التفاعلية واجهة الإنسان والآلة (HMI) لقيادة ووسط الضغط (COP) المؤشر إلى الهدف ملقن إلى تحسين التنسيق العضلات الكاحل تحت التحفيز الكهربائي العصبي العضلي مدفوعة إرادي (NMES) -assisted العلاج توازن visuomotor EEG: كهربية، MN: α-العصبون الحركي، IN: عصبون IA-المثبطة، EMG: كهربية، DRG: الظهرية العقدة الجذر. مستنسخة من 8 و 37. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
يتم تنفيذ انتيرو-الخلفي (ا ف ب) النزوح في مركز الكتلة (COM)بواسطة plantarflexors الكاحل (مثل الساق وسطي والنعلية العضلات) وdorsiflexors (مثل العضلات عظام الساق الأمامية)، في حين ميديو الاطراف يتم تنفيذ (ML) التشريد من قبل العاكسون الكاحل (مثل العضلات عظام الساق الأمامية) وevertors (مثل إبهام اليد الشظوي والقصير للعضلات). ونتيجة لذلك، ضعف الكاحل ذات الصلة بما في ذلك السكتة الدماغية ضعف الكاحل dorsiflexor العضلات وزيادة التشنج في الكاحل plantarflexor عضلات تؤدي إلى السيطرة الوضعي ضعف. هنا، وبرامج التدريب خفة الحركة 6 يمكن الاستفادة في الواقع الافتراضي (VR) منصة الألعاب على أساس أن تحدي التوازن الديناميكي حيث يتم زيادة المهام تدريجيا في الصعوبة التي قد تكون أكثر فعالية من ثابت تمتد المكره الوزن برنامج / ممارسة في منع السقوط 6. على سبيل المثال، يمكن للمواضيع أداء مدفوعة إرادي NMES / SES بمساعدة AP والتشريد ML خلال مهمة التوازن visuomotor ديناميكية حيث صعوبة يمكن زيادة تدريجيا إلى amelمشاكل iorate ما بعد السكتة الدماغية الكاحل محددة تحكم في الوزن تحول خلال الوقوف يمشي على قدمين. نحو مدفوعة إرادي NMES / SES العلاج توازن ساعد في إعداد فقيرة الموارد، نقدم منخفضة التكلفة HMI للموبايل الدماغ / التصوير الجسم (موبي) 19، نحو الارتجاع البيولوجي البصرية-السمعية التي يمكن أن تستخدم أيضا لجمع البيانات من البلدان المنخفضة الدخل أجهزة الاستشعار التكلفة للتنقيب البيانات حاليا في MoBILAB (انظر أوخيدا وآخرون. 20).
Protocol
Representative Results
Discussion
وهناك أداة منخفضة التكلفة صالحة سريريا بسيطة للاستخدام، للحركة والتوازن العلاج يكون نقلة نوعية للneurorehabilitation في إعداد المنخفضة الموارد. ومن المرجح أن يكون لها أثر اجتماعي مرتفع جدا منذ الاضطرابات العصبية مثل السكتة الدماغية وزيادة كبيرة في المستقبل بسبب الشيخوخة س?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الأبحاث التي أجريت في إطار المشترك استهدف البرنامج في مجال العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات – ICST، بدعم من CNRS، INRIA، وDST، تحت مظلة CEFIPRA ل. فإن الكتاب أود أن أنوه بدعم الطلاب، وتحديدا رحيمة Sidiboulenouar، ريشابه سيغال، وGorish أجروال، نحو تطوير الإعداد التجريبية.
Materials
| NMES stimulator | Vivaltis, France | PhenixUSBNeo | NMES stimulator cum EMG sensor (Figure 2b) |
| Balance Board | Nintendo, USA | Wii Balance Board | Balance Board (Figure 2b) |
| Motion Capture | Microsoft, USA | XBOX-360 Kinect | Motion Capture (Figure 2b) |
| Eye Tracker | Eye Tribe | The Eye Tribe | SmartEye Tracker (Figure 2a) |
| EEG Data Acquisition System | Emotiv, Australia | Emotiv Neuroheadset | Wireless EEG headset (Figure 2b) |
| EEG passive electrode | Olimex | EEG-PE | EEG passive electrode for EOG and references (6 in number)(Figure 2b) |
| EEG active electrode | Olimex | EEG-AE | EEG active electrode (10 in number)(Figure 2b) |
| Computer with PC monitor | Dell | Data processing and visual feedback (Figure 2) | |
| Softwares, EMG electrodes, NMES electrodes, and cables |
References
- Sacco, R. L., Kasner, S. E. An updated definition of stroke for the 21st century: a statement for healthcare professionals from the American Heart Association/American Stroke Association. Stroke; a journal of cerebral circulation. 44 (7), 2064-2089 (2013).
- Das, A., Botticello, A. L., Wylie, G. R., Radhakrishnan, K. Neurologic Disability: A Hidden Epidemic for India. Neurology. 79 (21), 2146-2147 (2012).
- Verheyden, G. S. A. F., Weerdesteyn, V. Interventions for preventing falls in people after stroke. The Cochrane database of systematic reviews. 5, 008728 (2013).
- Campbell, G. B., Matthews, J. T. An integrative review of factors associated with falls during post-stroke rehabilitation. Journal of Nursing Scholarship: An Official Publication of Sigma Theta Tau International Honor Society of Nursing / Sigma Theta Tau. 42, 395-404 (2010).
- Geurts, A. C. H., de Haart, M., van Nes, I. J. W., Duysens, J. A review of standing balance recovery from stroke. Gait & posture. 22, 267-281 (2005).
- Marigold, D. S., Eng, J. J., Dawson, A. S., Inglis, J. T., Harris, J. E., Gylfadóttir, S. Exercise leads to faster postural reflexes, improved balance and mobility, and fewer falls in older persons with chronic stroke. Journal of the American Geriatrics Society. 53, 416-423 (2005).
- Mansfield, A., Mochizuki, G., Inness, E. L., McIlroy, W. E. Clinical correlates of between-limb synchronization of standing balance control and falls during inpatient stroke rehabilitation. Neurorehabilitation and neural repair. 26, 627-635 (2012).
- Dutta, A., Lahiri, U., Das, A., Nitsche, M. A., Guiraud, D. Post-stroke balance rehabilitation under multi-level electrotherapy: a conceptual review. Neuroprosthetics. 8, 403 (2014).
- Agnes Roby-Brami, S. F. Reaching and Grasping Strategies in Hemiparetic Patients. Human Kinetics Journals. , (2010).
- Sabut, S. K., Sikdar, C., Kumar, R., Mahadevappa, M. Functional electrical stimulation of dorsiflexor muscle: effects on dorsiflexor strength, plantarflexor spasticity, and motor recovery in stroke patients. NeuroRehabilitation. 29, 393-400 (2011).
- Magalhães, F. H., Kohn, A. F. Effectiveness of electrical noise in reducing postural sway: a comparison between imperceptible stimulation applied to the anterior and to the posterior leg muscles. European Journal of Applied Physiology. 114, 1129-1141 (2014).
- Hwang, S., Tae, K., Sohn, R., Kim, J., Son, J., Kim, Y. The balance recovery mechanisms against unexpected forward perturbation. Annals of biomedical engineering. 37, 1629-1637 (2009).
- Gatev, P., Thomas, S., Kepple, T., Hallett, M. Feedforward ankle strategy of balance during quiet stance in adults. The Journal of physiology. 514, 915-928 (1999).
- Cofre Lizama, E. L., Pijnappels, M., Reeves, N. P., Verschueren, S. M. P., van Dieën, J. H. Can explicit visual feedback of postural sway efface the effects of sensory manipulations on mediolateral balance performance. Journal of Neurophysiology. , (2015).
- Knash, M. E., Kido, A., Gorassini, M., Chan, K. M., Stein, R. B. Electrical stimulation of the human common peroneal nerve elicits lasting facilitation of cortical motor-evoked potentials. Experimental brain research. 153, 366-377 (2003).
- Dinse, H. R., Tegenthoff, M. Evoking plasticity through sensory stimulation: Implications for learning and rehabilitation. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 6, 11-20 (2015).
- Khaslavskaia, S., Sinkjaer, T. Motor cortex excitability following repetitive electrical stimulation of the common peroneal nerve depends on the voluntary drive. Experimental brain research. 162, 497-502 (2005).
- Perez, M. A., Field-Fote, E. C., Floeter, M. K. Patterned sensory stimulation induces plasticity in reciprocal ia inhibition in humans. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 23, 2014-2018 (2003).
- Makeig, S. Mind Monitoring via Mobile Brain-Body Imaging. Foundations of Augmented Cognition. Neuroergonomics and Operational. , 749-758 (2009).
- Ojeda, A., Bigdely-Shamlo, N., Makeig, S. MoBILAB: an open source toolbox for analysis and visualization of mobile brain/body imaging data. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 121 (2014).
- Dutta, A., Chugh, S., Banerjee, A., Dutta, A. Point-of-care-testing of standing posture with Wii balance board and microsoft kinect during transcranial direct current stimulation: A feasibility study. NeuroRehabilitation. 34, 789-798 (2014).
- Nataraj, R. . Feedback Control Of Standing Balance Using Functional Neuromuscular Stimulation Following Spinal Cord Injury. , (2011).
- Dutta, A., Paulus, W., Nitsche, A., M, Translational Methods for Non-Invasive Electrical Stimulation to Facilitate Gait Rehabilitation Following Stroke – The Future Directions. Neuroscience and Biomedical Engineering. 1, 22-33 (2013).
- Banerjee, A., Khattar, B., Dutta, A. A Low-Cost Biofeedback System for Electromyogram-Triggered Functional Electrical Stimulation Therapy: An Indo-German Feasibility Study. ISRN Stroke. 2014, e827453 (2014).
- Kerkhoff, G., Reinhart, S., Ziegler, W., Artinger, F., Marquardt, C., Keller, I. Smooth pursuit eye movement training promotes recovery from auditory and visual neglect: a randomized controlled study. Neurorehabilitation and Neural Repair. 27, 789-798 (2013).
- Carl, J. R., Gellman, R. S. Human smooth pursuit: stimulus-dependent responses. Journal of Neurophysiology. 57, 1446-1463 (1987).
- Clark, R. A., Bryant, A. L., Pua, Y., McCrory, P., Bennell, K., Hunt, M. Validity and reliability of the Nintendo Wii Balance Board for assessment of standing balance. Gait & posture. 31, 307-310 (2010).
- Clark, R. A., Pua, Y. -. H. Validity of the Microsoft Kinect for assessment of postural control. Gait & posture. 36, 372-377 (2012).
- Khattar, B., Banerjee, A., Reddi, R., Dutta, A. Feasibility of Functional Electrical Stimulation-Assisted Neurorehabilitation following Stroke in India: A Case Series. Case Reports in Neurological Medicine. 2012, e830873 (2012).
- Sailer, U., Flanagan, J. R., Johansson, R. S. Eye-hand coordination during learning of a novel visuomotor task. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 25, 8833-8842 (2005).
- Herr, H., Popovic, M. Angular momentum in human walking. The Journal of Experimental Biology. 211, 467-481 (2008).
- Taub, E., Morris, D. M. Constraint-induced movement therapy to enhance recovery after stroke. Current atherosclerosis reports. 3, 279-286 (2001).
- Kasten, E., Wuest, S., Sabel, B. A. Residual vision in transition zones in patients with cerebral blindness. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 20, 581-598 (1998).
- Marshall, S. P. Identifying Cognitive State from Eye Metrics. Aviation, Space, and Environmental Medicine. 78, 165-175 (2007).
- Weerdesteyn, V., de Niet, M., van Duijnhoven, H. J. R., Geurts, A. C. H. Falls in individuals with stroke. Journal of Rehabilitation Research and Development. 45, 1195-1213 (2008).
- Stinear, C. M., Barber, P. A., Petoe, M., Anwar, S., Byblow, W. D. The PREP algorithm predicts potential for upper limb recovery after stroke. Brain: A Journal of Neurology. 135 ((Pt 8)), 2527-2535 (2012).
- Dutta, A., Lahiri, D., Kumar, U., Das, A., Padma, M. V. Post-stroke engagement-sensitive balance rehabilitation under an adaptive multi-level electrotherapy: clinical hypothesis and computational framework. Neuroscience and Biomedical Engineering. 2 (2), 68-80 (2015).
