Eine Mensch-Maschine-Schnittstelle Integration von Low-Cost-Sensoren mit einem Neuromuskuläre Elektrostimulation System zur 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

Ein Schlaganfall verursacht wird, wenn eine Arterie Blut vom Herzen zu einem Bereich im Gehirn tragenden platzt oder ein Gerinnsel blockiert den Blutfluss zum Gehirn, wodurch Lieferung von Sauerstoff zu verhindern und Nährstoffen. Etwa die Hälfte der Schlaganfallpatienten werden mit einem gewissen Grad der Behinderung nach links. Innovative Methoden für die restaurative Neurorehabilitation sind dringend langfristige Behinderung zu reduzieren, die erforderlich. Die Fähigkeit des Nervensystems, die Struktur, Funktion und Verbindungen als Antwort auf intrinsische oder extrinsische Reize zu reorganisieren wird neuroplasticity genannt. Neuroplastizität ist in post-Takt Funktionsstörungen beteiligt, sondern auch in der Rehabilitation. Vorteilhaft neuroplastische Veränderungen können mit nicht-invasive Elektrotherapie, wie neuromuskuläre elektrische Stimulation (NMES) und sensorische elektrische Stimulation (SES) erleichtert werden. NMES beinhaltet aufeinander abgestimmte elektrische Stimulation der motorischen Nerven und Muskeln, um sie mit kontinuierlichen kurzen Impulsen von elektrischem Strom während SES invo zu aktivierenlves Stimulation der sensorischen Nerven mit elektrischem Strom in Empfindungen führt, die von kaum wahrnehmbaren zu sehr unangenehm variieren. Hier aktive kortikalen Beteiligung an Rehabilitationsmaßnahmen können die Nicht-invasive Elektrotherapie mit Biosignalen (Elektromyographie (EMG), Elektroenzephalogramm (EEG), Elektrookulogramm (EOG)) durch den Antrieb erleichtert werden, die gleichzeitig aktiven Wahrnehmung und willentliche Anstrengung darstellen. Um dies zu erreichen in einem ressourcenarmen Umgebung, zum Beispiel in niedrigem und mittlerem Einkommen Ländern präsentieren wir eine Low-Cost – Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) durch die jüngsten Fortschritte in der off-the-shelf – Videospiel – Sensor – Technologie nutzen. In diesem Beitrag diskutieren wir die Open-Source-Software-Schnittstelle, die Low-Cost-off-the-shelf-Sensoren für die visuelle auditivem Biofeedback mit nicht-invasive Elektrotherapie integriert Haltungskontrolle während Balance Rehabilitation zu unterstützen. Wir zeigen die Proof-of-Concept an gesunden Freiwilligen.

Introduction

Eine Folge von durch fokaler zerebraler verursacht neurologische Dysfunktion, spinale oder retinalen Infarkt Schlaganfall ¹ genannt. Der Schlaganfall ist ein globales Gesundheitsproblem und vierthäufigste Ursache für Behinderungen weltweit ^1. In Ländern wie Indien und China, den beiden bevölkerungsreichsten Ländern der Welt wird neurologische Behinderung aufgrund von Schlaganfall wird als versteckte Epidemie ² bezeichnet. Einer der häufigsten medizinischen Komplikationen nach einem Schlaganfall sind Stürze mit einer Inzidenz von bis zu 73% im ersten Jahr nach Schlaganfall ^3. Der nach Schlaganfall Herbst ist multifaktoriell und umfasst sowohl Wirbelsäulen- und supraspinale Faktoren wie Balance und visuospatial Vernachlässigung ^4. Eine Überprüfung von Geurts und Kollegen ⁵ identifiziert 1) multidirektional langsam maximales Gewicht bei zweibeinigen stehenden Verschiebung, 2) Geschwindigkeit, 3) Richtungs Unschärfen und 4) kleinen Amplituden von Einzel- und zyklische submaximalen Frontalebene Gewichtsverlagerungen als Saldo beeinträchtigt Faktoren für den Herbst risk. Die Auswirkungen auf Aktivitäten des täglichen Lebens können erheblich sein , da vor Arbeiten , die Balance mit der ambulanten Fähigkeit und Unabhängigkeit in Grobmotorik ^{5, 6} zugeordneten gezeigt haben. Darüber hinaus schlug Geurts und Kollegen ⁵ , dass supraspinale multisensorielle Integration (und Muskelkoordination ⁷⁾ zusätzlich zu Muskelkraft für die Balance Erholung entscheidend ist , die in der aktuellen Protokolle fehlt. Towards multisensorielle Integration unsere Hypothese ⁸ auf willentlich angetrieben nichtinvasive Elektro (NMES / SES) ist , daß dieses adaptive Verhalten durch Modulieren aktiven Wahrnehmung sensorischer Eingänge während NMES / SES-unterstützte Bewegung der betroffenen Extremität so geformt und erleichtert werden kann , dass die Gehirn kann durch die Einstellung von alternativen motorischen Bahnen ^9, dieses Feedback in nachfolgende Bewegung Ausgabe übernehmen , wenn nötig.

willentlich angetrieben NMES / SES-unterstützte Balancetraining in einer Ressource zu erreichen,-arme Einstellung, ein Low-Cost-Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) wurde für visuell-auditorischen Biofeedback durch den Einsatz von verfügbaren Open-Source-Software und die jüngsten Fortschritte in der off-the-shelf-Videospiel-Sensor-Technologie entwickelt. NMES beinhaltet aufeinander abgestimmte elektrische Stimulation von Nerven und Muskeln , die Muskelkraft hat sich gezeigt , zu verbessern und Spastik ¹⁰ zu reduzieren. Auch beinhaltet SES Stimulation der sensorischen Nerven mit elektrischem Strom Empfindungen hervorzurufen , wo vorläufigen Veröffentlichungen ¹¹ zeigten , dass subsensory Stimulation über die tibialis anterior Muskeln angewendet allein ist wirksam bei der Haltungs- Schwanken zu dämpfen. Hier wird das HMI ermöglichen sensomotorische Integration während der interaktiven nach Schlaganfall Balance-Therapie, wo willentlich getriebene NMES / SES für den Knöchel Muskeln werden als Muskelverstärker wirken (mit NMES) zu verbessern sowie zuführenden Feedback (mit SES) zu unterstützen gesunde Knöchel Strategien ^12,13,14 aufrecht Haltung während der Haltungs- sways zu halten. Das istbasiert auf der Hypothese in Dutta präsentiert et al. ⁸ , daß eine erhöhte Erregbarkeit corticospinal relevanter Knöchel Muskeln durch nicht-invasive Elektro erfolgen kann zu einer verbesserten supraspinal Modulation der Knöchel Steifigkeit verleihen. Tatsächlich hat sich vor der Arbeit gezeigt , dass NMES / SES dauerhafte Veränderungen in corticospinal Erregbarkeit entlockt, möglicherweise als Folge des Zusammen aktivierenden motorischen und sensorischen Fasern ^15,16. Darüber hinaus zeigte Khaslavskaia und Sinkjaer ¹⁷ beim Menschen , dass die gleichzeitige Motor kortikalen Laufwerk vorhanden zum Zeitpunkt der NMES / SES Motor kortikalen Erregbarkeit verbessert. Daher willentlich getriebene NMES / SES kann kurzfristige neuroplasticity in Spinalreflexe induzieren (zB gegenseitige Ia Hemmung ¹⁷⁾ , wo corticospinal Neuronen , die über absteigende Bahnen zu einem bestimmten Motoneuron Pool projizieren die antagonistische Motoneuron – Pool über Ia-hemmende Interneurone hemmen können in wie in Figur 1, in Richtung einer o Menschen ¹⁸ gezeigtperant Konditionierung (siehe Dutta et al. ^8).

Abbildung 1: Das Konzept (. Details bei Dutta et al ²¹⁾ zugrunde liegende interaktive Mensch – Maschine – Schnittstelle (HMI) , um den Druckzentrum (CoP) Cursor auf das cued Ziel zu fahren Knöchel Muskelkoordination unter willentlich angetrieben neuromuskuläre Elektrostimulation (NMES) zu verbessern -Assistierte visuomotorische Balance – Therapie EEG. Elektroenzephalographie, MN: α-Motoneuron, IN: Ia-hemmenden Interneuron, EMG: Elektromyogramm, DRG: Dorsalwurzelganglion. Übernommen aus ⁸ und ^37. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Die anteroposterioren (AP) Verschiebungen in der Mitte der Masse (CoM) durchgeführtdurch Knöchels Plantarflektoren (wie medial gastrocnemius und Soleus) und Dorsalflexoren (wie der tibialis anterior-Muskel) während medio-lateral (ML) Verschiebungen werden durch Knöchels Invertern (wie der tibialis anterior-Muskel) und evertors (wie peroneus longus ausgeführt und brevis Muskeln). Folglich Schlaganfall bedingte Knöchel Beeinträchtigungen einschließlich Schwäche des Knöchels Flexor Muskeln und erhöht die Spastik des Knöchels plantarflexor Muskeln führen zu einer Beeinträchtigung der Haltungskontrolle. Hier Agilität Trainingsprogramme ⁶ kann in einer virtuellen Realität (VR) basierte Gaming – Plattform genutzt werden , die dynamische Gleichgewicht in Frage stellen , wo Aufgaben werden zunehmend in Schwierigkeiten erhöht , die wirksamer sein kann als statisches Dehnen / Gewichtsverlagerung Trainingsprogramm in Stürze ⁶ zu verhindern. Zum Beispiel kann Probanden während einer dynamischen visuomotorische Balance Aufgabe, bei der die Schwierigkeit progressiv erhöht werden, um willentlich angetrieben NMES / SES unterstützt AP und ML Verschiebungen führen ameliorate nach Schlaganfall knöchel spezifischen Kontrollprobleme in Gewicht während der zweibeinigen stehenden Verschiebung. Auf dem Weg zu willentlich angetrieben NMES / SES unterstützt Balance – Therapie in einem ressourcenarmen Umgebung präsentieren wir ein Low-Cost – HMI für mobile Gehirn / Body Imaging (MoBI) ^19, Richtung visuell-auditorischen Biofeedback , die auch für die Datensammlung verwendet werden können , von Low- Cost – Sensoren für die offline – Datenexploration in MobiLab (siehe Ojeda et al. ^20).

Protocol

Hinweis: Die Pipeline HMI-Software wurde auf Basis frei verfügbarer Open-Source-Software und off-the-shelf Low-Cost-Videospiel-Sensoren (Details finden Sie unter: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ und https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). Die HMI – Software – Pipeline ist für die Datenerfassung während einer modifizierten funktionalen Reichweite Aufgabe (mFRT) 21 in einer VR – basierte Gaming – Plattform für visuomotorische Balance – Therapie (VBT) 8 zur Verfügung gestellt…

Representative Results

Abbildung 4 zeigt die Blickkontakt Features , die offline zur Quantifizierung eines arbeitsfähigen Leistung während einer glatten Streben Aufgabe extrahiert wurden. Die folgenden Funktionen wurden wie in Tabelle 1 gezeigt extrahiert: Merkmal 1 = prozentuale Abweichung zwischen Soll-Stimulus Position und dem Schwerpunkt des Befestigungspunkten des Teilnehmers, wenn der Stimulus Position in ho…

Discussion

Ein einfach zu bedienende, klinisch gültige Low-Cost-Tool für Bewegung und Balance-Therapie wird ein Paradigmenwechsel für Neurorehabilitation in einem Low-Ressource-Einstellung sein. Es ist wahrscheinlich eine sehr hohe gesellschaftliche Auswirkungen , da neurologische Erkrankungen wie Schlaganfall zu haben , wird sich dramatisch in Zukunft noch steigen aufgrund der alternden Weltbevölkerung ^2. Es ist daher dringend notwendig, Cyber-Physical Systems zu nutzen, in denen die Fähigkeit, zu überwachen, zu …

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