Een mens-machine-interface van Integratie Low-cost sensoren met een neuromusculaire elektrische stimulatie systeem voor Post-stroke Balance Rehabilitation

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

Een beroerte ontstaat wanneer een slagader van hart tot een gebied in de hersenen barst of een klonter de bloedtoevoer naar de hersenen waardoor de levering van zuurstof en voedingsstoffen voorkomen. Ongeveer de helft van de slag overlevenden blijven zitten met een zekere mate van invaliditeit. Innovatieve methoden voor het herstelrecht neurorevalidatie zijn dringend nodig om langdurige arbeidsongeschiktheid te verminderen. Het vermogen van het zenuwstelsel naar de structuur, functie en verbindingen reorganiseren als reactie op intrinsieke of extrinsieke stimuli heet neuroplasticiteit. Neuroplasticiteit is betrokken bij post-stroke functionele stoornissen, maar ook in de revalidatie. Beneficial plastische veranderingen kunnen worden vergemakkelijkt met niet-invasieve elektrotherapie, zoals neuromusculaire elektrische stimulatie (NMES) en sensorische elektrische stimulatie (SES). NMES impliceert gecoördineerde elektrische stimulatie van motorische zenuwen en spieren om ze te activeren met doorlopende korte pulsen van elektrische stroom, terwijl SES involves stimulatie van sensorische zenuwen met elektrische stroom resulteert in sensaties die variëren van nauwelijks waarneembaar tot zeer onaangenaam. Hier kan actief corticale deelname aan procedures revalidatie worden vergemakkelijkt door het besturen van de niet-invasieve elektrotherapie met biosignalen (elektromyogram (EMG), elektro-encefalogram (EEG), elektro-(EOG)), die gelijktijdig actief perceptie en volitionele inspanning te vertegenwoordigen. Om dit te bereiken in een resource-arme omgeving, bijvoorbeeld in lage en midden-inkomens landen, presenteren we een low-cost mens-machine-interface (HMI) door gebruik te maken van de recente ontwikkelingen in de off-the-shelf video game sensortechnologie. In dit artikel bespreken we de open-source software-interface die low-cost off-the-shelf sensoren integreert voor visueel-auditieve biofeedback met niet-invasieve elektrotherapie om orthostatische controle tijdens evenwicht revalidatie te helpen. We tonen de proof-of-concept op gezonde vrijwilligers.

Introduction

Een aflevering van neurologische dysfunctie veroorzaakt door focale cerebrale, spinale of retinale infarct wordt genoemd beroerte ^1. Beroerte is een wereldwijd gezondheidsprobleem en de vierde belangrijkste oorzaak van invaliditeit in de wereld ^1. In landen als India en China, de twee meest bevolkte landen van de wereld, wordt neurologische arbeidsongeschiktheid als gevolg van een beroerte wordt bestempeld als verborgen epidemie ^2. Een van de meest voorkomende medische complicaties na een beroerte wordt op een gerapporteerde incidentie tot 73% in het eerste jaar na een beroerte ^3. De daling van de post-stroke is multifactoriële en omvat zowel de wervelkolom en supraspinale factoren zoals evenwicht en visueel-ruimtelijke verwaarlozing ^4. Een overzicht van Geurts en collega's ⁵ geïdentificeerd 1) multi-directioneel slechtzienden maximale gewicht verschuiven tijdens tweevoetig standing, 2) lage snelheid, 3) directionele onnauwkeurigheid, en 4) kleine amplitudes van enkelvoudige en cyclische sub-maximale frontale vlak gewicht verschuift als het saldo factoren voor de herfst risk. De invloed hiervan op de activiteiten van het dagelijks leven kan aanzienlijk zijn, omdat eerdere werken hebben aangetoond dat de balans wordt geassocieerd met ambulante vermogen en de onafhankelijkheid van het bruto motorische functie ^{5, 6.} Bovendien Geurts en collega's ⁵ suggereerde dat supraspinale multisensorische integratie (en spiercoördinatie ⁷⁾ in aanvulling op spierkracht is van cruciaal belang voor het evenwicht herstel dat ontbreekt in de huidige protocollen. Towards multisensorische integratie, onze hypothese ⁸ op volitionally gedreven niet-invasieve elektrotherapie (NMES / SES) is dat dit adaptief gedrag kan worden gevormd en gefaciliteerd door het moduleren actieve perceptie van zintuiglijke input tijdens NMES / SES-ondersteunde beweging van de getroffen ledemaat zodanig dat de hersenen kan deze feedback in de daaropvolgende beweging uitgang op te nemen door het aantrekken van alternatieve motor trajecten ^9, indien nodig.

Om volitionally gedreven NMES / SES-bijgestaan ​​evenwicht opleiding in een resource te bereiken-Slechte het instellen van een low-cost mens-machine-interface (HMI) is ontwikkeld door gebruik te maken van beschikbare open-source software en de recente ontwikkelingen in de off-the-shelf video game sensortechnologie voor visueel-auditieve biofeedback. NMES omvat gecoördineerde elektrische stimulatie van zenuwen en spieren die is getoond spierkracht verbeteren en spasticiteit ¹⁰ verminderen. Ook SES betreft stimulatie van sensorische zenuwen met elektrische stroom naar sensaties waar de voorbereidende gepubliceerde werk ¹¹ toonde aan dat subsensory stimulatie toegepast over de tibialis anterior spieren alleen effectief is in het verzachtende posturale sway oproepen. Hier zal de HMI mogelijke sensomotorische integratie te maken tijdens interactieve na een beroerte balans therapie waarbij volitionally-driven NMES / SES voor de enkel spieren zal fungeren als een spier versterker (met NMES), alsmede verbeteren afferente feedback (met SES) tot assisteren gezonde enkel strategieën ^12,13,14 te rechte houding te handhaven tijdens orthostatische zwaait. Dit isgebaseerd op de hypothese die in Dutta et al. ⁸ dat een verhoogde prikkelbaarheid corticospinal relevante enkelspieren plaats via niet-invasieve elektrotherapie kan verlenen aan een verbeterde supraspinale modulatie van enkel stijfheid. Inderdaad, eerder werk aangetoond dat NMES / SES opwekt blijvende veranderingen in corticospinal prikkelbaarheid, mogelijk als gevolg van gelijktijdig activeringsmotor en sensorische vezels ^15,16. Bovendien Khaslavskaia en Sinkjaer ¹⁷ toonde in de mens dat gelijktijdige motor corticale schijf aanwezig op het moment van NMES / SES verbeterde motor corticale prikkelbaarheid. Daarom kan volitionally-driven NMES / SES korte termijn neuroplasticiteit in spinale reflexen induceren (bijv wederzijdse Ia remming ^17), waar corticospinal neuronen die projecteren via aflopende wegen naar een bepaalde motoneuron zwembad de antagonistische motoneuron zwembad via Ia-remmende interneuronen in kunnen remmen ¹⁸ mens, zoals weergegeven in figuur 1, naar een operant conditioning paradigma (zie Dutta et al. ^8).

Figuur 1: Het concept (. Details op Dutta et al ²¹⁾ onderliggende interactieve Human Machine Interface (HMI) naar het centrum van de druk (CoP) rijdt cursor naar de cued doelstelling om enkel spiercoördinatie onder volitionally gedreven neuromusculaire elektrische stimulatie te verbeteren (NMES) bijgestane visuomotorische balans therapie EEG:. elektro, MN: α-motorisch, IN: Ia-remmende interneuron, EMG: electromyogram, DRG: dorsale wortel ganglion. Overgenomen van ⁸ en ^37. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De antero-posterior (AP) verplaatsingen in het centrum van de massa (COM) worden uitgevoerddoor enkel plantarflexors (zoals mediale gastrocnemius en soleus spieren) en dorsiflexors (zoals de voorste tibialis spier) terwijl mediolaterale (ML) verplaatsingen worden uitgevoerd door enkel invertors (zoals de voorste tibialis spier) en evertors (zoals peroneus longus en brevis spieren). Bijgevolg-takt gerelateerde enkel waardeverminderingen waaronder zwakte van de enkel dorsiflexor spieren en verhoogde spasticiteit van de enkel plantarflexor spieren leiden tot een verminderde posturale controle. Hier kunnen agility training programma's ⁶ worden ingezet in een virtual reality (VR) based gaming platform dat dynamisch evenwicht waar de taken geleidelijk in moeilijkheden zijn verhoogd, wat effectiever dan statisch rekken / gewicht verschuiven oefenprogramma kan zijn in het voorkomen van valpartijen ⁶ dagen. Zo kan bijvoorbeeld onderwerpen volitionally gedreven NMES / SES bijgestaan ​​AP en ML verplaatsingen uit te voeren tijdens een dynamisch evenwicht visuomotorische taak waar de moeilijkheid geleidelijk kan worden verhoogd Ameliorate na beroerte enkel-specifieke controleproblemen in gewichtsverplaatsing tijdens tweevoetig staan. Op weg naar volitionally gedreven NMES / SES bijgestaan ​​balans therapie in een resource-arme omgeving, presenteren we een low-cost HMI for Mobile Brain / Body Imaging (MOBI) ^19, in de richting van visueel-auditieve biofeedback die ook kan worden gebruikt voor het verzamelen van gegevens van laag- cost sensoren voor offline data exploratie in MOBILAB (zie Ojeda et al. ^20).

Protocol

Let op: De HMI software pijpleiding werd ontwikkeld op basis van vrij beschikbare open-source software en off-the-shelf low-cost video game sensoren (details beschikbaar op: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ en https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). De HMI software pijpleiding is bedoeld voor het verzamelen van gegevens tijdens een gemodificeerde functionele bereik taak (mFRT) 21 in een VR-based gaming platform voor visuomotorische balans therapie (VBT) 8. <p class="jove_con…

Representative Results

Figuur 4 toont de ogen blik functies die niet beschikbaar voor de kwantificering van een fysiek sterke prestaties werden geëxtraheerd gedurende een smooth pursuit taak. De volgende eigenschappen werden geëxtraheerd zoals getoond in tabel 1: Feature 1 = procentuele afwijking tussen doelwit stimulus positie en het zwaartepunt van deelnemer bevestigingspunten wanneer de stimulus veranderende po…

Discussion

Een eenvoudig te gebruiken, klinisch geldige low-cost hulpmiddel voor beweging en balans therapie zal een paradigmaverschuiving voor neurorevalidatie in een low-resource setting. Het is waarschijnlijk een zeer hoge maatschappelijke impact sinds neurologische aandoeningen zoals een beroerte aanzienlijk zal toenemen in de toekomst als gevolg van vergrijzing van de wereldbevolking ² hebben. Er is dan ook dringend behoefte aan cyber-fysische systemen waarin de mogelijkheid om aan te passen, monitoren en ondersteu…

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