Un uomo-macchina-interfaccia Integrazione di sensori a basso costo con una stimolazione del sistema neuromuscolare elettrica per post-ictus Balance riabilitazione

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

Un ictus è causato quando una arteria che trasporta il sangue dal cuore a un'area del cervello scoppia o un coagulo ostruisce il flusso di sangue al cervello, impedendo in tal modo la consegna di ossigeno e nutrienti. Circa la metà dei sopravvissuti ictus sono lasciati con un certo grado di disabilità. Metodologie innovative per neuroriabilitazione restaurativa sono urgentemente necessarie per ridurre la disabilità a lungo termine. La capacità del sistema nervoso di riorganizzare la sua struttura, la funzione e le connessioni in risposta a stimoli intrinseci o estrinseci è chiamato TG. Neuroplasticità è coinvolto in post-ictus disturbi funzionali, ma anche nella riabilitazione. cambiamenti neuroplastici benefici possono essere agevolate con elettroterapia non invasiva, come la stimolazione neuromuscolare elettrica (NMES) e la stimolazione elettrica sensoriale (SES). NMES comporta la stimolazione elettrica dei nervi coordinata a motore e dei muscoli per attivarli con continue brevi impulsi di corrente elettrica mentre SES invostimolazione lves di nervi sensoriali con corrente elettrica causando sensazioni che variano da appena percettibile a altamente sgradevole. Qui, la partecipazione attiva corticale in procedure di riabilitazione può essere facilitata dalla guida del elettroterapia non invasiva con biosegnali (elettromiografia (EMG), elettroencefalogramma (EEG), elettrooculogramma (EOG)) che rappresentano simultanea percezione attiva e lo sforzo volitivo. Per raggiungere questo obiettivo in un ambiente povero di risorse, ad esempio, nei paesi a basso e medio reddito, vi presentiamo un basso costo uomo-macchina-interfaccia (HMI), sfruttando i recenti progressi in off-the-shelf tecnologia dei sensori di videogiochi. In questo lavoro, si discute l'interfaccia del software open-source che integra a basso costo sensori off-the-shelf per biofeedback visivo-uditivo con elettroterapia non invasiva per assistere controllo posturale durante equilibrio riabilitazione. Dimostriamo il proof-of-concept su volontari sani.

Introduction

Un episodio di disfunzione neurologica causata da cerebrale focale, spinale, o infarto retina è chiamato ictus ^1. L'ictus è un problema di salute globale e quarta causa di disabilità in tutto il mondo ^1. In paesi come l'India e la Cina, le due nazioni più popolose del mondo, disabilità neurologica a causa di ictus è stato etichettato come epidemia nascosta ^2. Una delle complicanze mediche più comune dopo un ictus sono cascate con una incidenza fino al 73% nel primo anno post-ictus ^3. Il calo post-ictus è multifattoriale e comprende sia fattori spinali e sopraspinali come equilibrio e visuospaziali abbandono ^4. Una revisione da Geurts e colleghi ⁵ identificati 1) multi-direzionale compromessa peso massimo spostamento durante la standing bipedi, 2) a bassa velocità, 3) imprecisioni direzionali, e 4) piccole ampiezze di spostamento del peso piano frontale sub-massimale singole e ciclici come l'equilibrio fattori per l'autunno risk. Il conseguente impatto sulle attività della vita quotidiana può essere significativo in quanto opere precedenti hanno dimostrato che l'equilibrio è associata con la capacità ambulatoriale e l'indipendenza nella funzione motoria lorda ^{5, 6.} Inoltre, Geurts e colleghi hanno suggerito che ⁵ sovraspinale integrazione multisensoriale (e muscolare coordinamento ⁷⁾ in aggiunta alla forza muscolare è fondamentale per il recupero di equilibrio che manca attuali protocolli. Verso l'integrazione multisensoriale, la nostra ipotesi ⁸ su elettroterapia non invasiva volitionally guidato (NMES / SES) è che questo comportamento adattivo può essere modellato e facilitato modulando percezione attiva di input sensoriali durante il movimento ESNM / SES-assistita dell'arto interessato in modo tale che il cervello può integrare questo feedback in uscita successivo movimento con l'assunzione di vie motorie alternative ^9, se necessario.

Per raggiungere volitionally guidato la formazione del bilancio ESNM / SES-assistita in una risorsa-poor impostazione, a basso costo uomo-macchina-interfaccia (HMI) è stato sviluppato sfruttando disponibile un software open-source e recenti progressi in off-the-shelf videogioco tecnologia dei sensori per il biofeedback visivo-uditiva. NMES comporta la stimolazione elettrica coordinato di nervi e muscoli che ha dimostrato di migliorare la forza muscolare e ridurre la spasticità ^10. Inoltre, SES comporta la stimolazione dei nervi sensoriali con la corrente elettrica per evocare sensazioni dove preliminare lavoro pubblicato ¹¹ ha dimostrato che la stimolazione subsensory applicato sui muscoli tibiale anteriore da solo è efficace nell'attenuare oscillazioni posturali. Qui, l'operatore renderà possibile l'integrazione sensoriale-motoria durante la terapia equilibrio post-ictus interattivo dove volitionally-driven ESNM / SES per i muscoli della caviglia agiranno come un amplificatore muscolare (con NMES), così come migliorare il feedback afferente (con SES) per assistere le strategie caviglia sani ^12,13,14 per mantenere la posizione eretta durante ondeggia posturali. Questo èbasata sull'ipotesi presentato in Dutta et al. ⁸ che un aumento dell'eccitabilità corticospinale dei muscoli della caviglia pertinenti effettuate attraverso elettroterapia non invasiva può prestarsi a una migliore modulazione sovraspinale di rigidità della caviglia. In effetti, il lavoro precedente ha mostrato che ESNM / SES suscita cambiamenti duraturi in eccitabilità corticospinale, probabilmente a causa di motori co-attivazione e le fibre sensoriali ^15,16. Inoltre, Khaslavskaia e Sinkjaer ¹⁷ hanno dimostrato negli esseri umani tale unità corticale motore concorrente presente al momento della NMES / SES esaltata corticale motore eccitabilità. Pertanto, volitionally-driven ESNM / SES può indurre neuroplasticità a breve termine in riflessi spinali (ad esempio, l'inibizione Ia reciproca ¹⁷⁾ dove i neuroni cortico che proiettano tramite vie discendenti di un determinato pool motoneuroni possono inibire la piscina motoneuroni antagonista tramite interneuroni Ia-inibitori in esseri umani ^18, come mostrato in figura 1, verso una ocondizionata paradigma perant (vedi Dutta et al. ^8).

Figura 1: Il concetto (. Dettagli a Dutta et al ²¹⁾ sottostante interfaccia uomo-macchina interattiva (HMI) per guidare il centro di pressione (COP) cursore sul bersaglio cued di migliorare il coordinamento muscolare caviglia sotto stimolazione elettrica neuromuscolare volitionally guidato (NMES) -assistita terapia equilibrio visuomotorio EEG:. elettroencefalografia, MN: α-motoneurone, IN: interneurone Ia-inibitorio, EMG: elettromiografia, DRG: dorsali radice gangliari. Tratto da ⁸ e ^37. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Il antero-posteriore (AP) spostamenti nel centro di massa (COM) vengono eseguiteda plantarflexors caviglia (come mediale gastrocnemio e soleo) e dorsiflessori (come il muscolo tibiale anteriore) mentre medio-laterale (ML) spostamenti vengono eseguite da invertitori caviglia (come il muscolo tibiale anteriore) e evertors (come peroneo lungo e brevis muscoli). Di conseguenza, i danni alla caviglia ictus correlati tra cui la debolezza della caviglia flessori dorsali muscoli e aumento della spasticità della caviglia plantarflexor muscoli portano a controllo posturale compromessa. Qui, i programmi di formazione agilità ⁶ può essere sfruttato in una realtà virtuale (VR) piattaforma di gioco based che sfidano l'equilibrio dinamico, in cui le attività sono progressivamente aumentati in difficoltà che può essere più efficace di allungamento programma di esercizio statico / spostamento del peso nella prevenzione delle cadute ^6. Ad esempio, i soggetti in grado di eseguire volitionally guidato AP assistito NMES / SES e spostamenti ML durante un compito equilibrio visuomotorio dinamico in cui la difficoltà può essere aumentata progressivamente a Amelpost-ictus specifici problemi di controllo alla caviglia iorate di spostamento del peso durante piedi bipede. Verso NMES / SES terapia equilibrio assistito volitionally guidato in un ambiente povero di risorse, vi presentiamo un basso costo HMI per il Mobile del cervello / corpo Imaging (MoBI) ^19, in direzione biofeedback visivo-uditiva che può essere utilizzato anche per la raccolta dati dal basso I sensori di costo per l'esplorazione dei dati in linea in Mobilab (vedi Ojeda et al. ^20).

Protocol

Nota: La pipeline software HMI è stato sviluppato sulla base liberamente disponibili software open-source e off-the-shelf sensori di video a basso costo di gioco (i dettagli sono disponibili presso: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ e https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). Il software HMI gasdotto è previsto per la raccolta dei dati durante un compito portata funzionale modificata (mFRT) 21 in una piattaforma di gioco basata VR per la terapia equilibrio visuomotorio (VBT) 8. <…

Representative Results

La figura 4 mostra le caratteristiche lo sguardo degli occhi che sono stati estratti in linea per la quantificazione di una prestazione in grado di corpo durante un compito inseguimento liscio. Le seguenti caratteristiche sono stati estratti come mostrato in Tabella 1: Caratteristica 1 = percentuale deviazione tra la posizione di destinazione stimolo e il baricentro dei punti di fissaggio del …

Discussion

Uno strumento a basso costo clinicamente valido semplice da usare, per la terapia del movimento e l'equilibrio sarà un cambiamento di paradigma per la neuroriabilitazione in un ambiente a basso risorsa. Si rischia di avere un altissimo impatto sociale da disturbi neurologici come l'ictus drammaticamente aumentare in futuro a causa dell'invecchiamento della popolazione mondiale ^2. Non vi è, quindi, un pressante necessità di sfruttare sistemi fisici informatici in cui la possibilità di personali…

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