脳卒中後のバランスリハビリテーションのための神経筋電気刺激システムで低コストのセンサーを統合ヒューマンマシンインターフェース

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

脳卒中は、脳のバースト内の領域または凝固さ、心臓から血液を運ぶ動脈は、それによって酸素と栄養の供給を防止する脳への血流を妨げたとき。引き起こされます脳卒中生存者の約半数は、障害のいくつかの学位を取得して残されています。修復神経リハビリテーションのための革新的な方法論が緊急長期障害を軽減するために必要とされます。内因性または外因性の刺激への応答として、その構造、機能および接続を再編成する神経系の能力は神経可塑性と呼ばれています。神経可塑性はなく、リハビリで、脳卒中後の機能障害に関与しています。有益neuroplastic変化は、神経筋電気刺激（NMES）及び感覚電気刺激（SES）などの非侵襲的な電気療法を用いて容易に行うことができます。 NMESは、SES invoながら電流を連続的に短いパルスでそれらを有効にするには運動神経と筋肉の協調電気刺激を必要とします非常に不快にかろうじて知覚によって異なる感覚が得られる電流と感覚神経の刺激をLVES。ここでは、リハビリテーションの手続きに積極的に皮質の参加は、アクティブな同時知覚と意志の努力を表す生体信号と非侵襲的電気治療（電（EMG）、脳波（EEG）、電図（EOG））を駆動することにより容易にすることができます。資源の乏しい環境で 、 例えばこれを達成するために、低・中所得国では、我々は、既製のビデオゲームのセンサー技術の最近の進歩を活用することで低コストのヒューマン・マシン・インタフェース（HMI）を提示します。本稿では、バランスのリハビリ中に姿勢制御を支援するための非侵襲的な電気治療と視覚、聴覚バイオフィードバックのための低コストの既製のセンサーを統合するオープン・ソース・ソフトウェア・インタフェースについて説明します。私たちは、概念実証健康なボランティアにを実証します。

Introduction

局所脳、脊髄、または網膜梗塞によって引き起こされる神経機能障害のエピソードは、ストローク¹と呼ばれています。脳卒中は、世界的な健康問題や障害、世界中の¹の第四の主要な原因です。インドや中国、世界の二つの最も人口の多い国のような国では、脳卒中による神経性障害が隠さ流行²としてラベル付けされています。脳卒中後の最も一般的な合併症の一つは、脳卒中後³初年度で最大73％の報告された発生率と滝です。脳卒中後の秋には、多因子であり、バランスと視空間無視⁴のような脊髄と脊柱上の要因の両方が含まれます。 Geurtsと1を同定した同僚⁵による審査）は、多方向二足立ち、2）低速、3）方 ​​向の不正確さ、との間にシフトする最大の重量を損なわ4）バランスのような単一の環状サブ最大前頭面重量シフトの小さな振幅秋の里のための要因SK。前の作品はそのバランスが粗大運動機能^5、6における歩行能力と独立性と関連しているが示されているので、日常生活の活動に必然的な影響が重要になります。また、Geurtsや同僚^5は筋力に加えて、脊柱上の多感覚統合（と筋肉の協調^7）は現在のプロトコルに欠けているバランスの回復のために重要であることを示唆しました。多感覚統合に向けて、volitionally駆動非侵襲的な電気治療上の我々の仮説^8（NMES / SES）は、この適応行動が形となるよう患肢のNMES / SES支援運動時の感覚入力のアクティブな知覚を調節することによって容易にすることができるということです脳は、必要に応じて、代替のモータ経路^9を補充することによって、その後の運動出力にこのフィードバックを組み込むことができます。

リソースでvolitionally駆動NMES / SES支援バランストレーニングを達成するために、乏しい設定、低コストのヒューマン・マシン・インタフェース（HMI）は、利用可能なオープンソースソフトウェアと視覚聴覚バイオフィードバックのための既製のビデオゲームのセンサー技術の最近の進歩を活用して開発されました。 NMESは、筋力を改善し、痙性^10を減少させることが示されている神経と筋肉の協調電気刺激を含みます。また、SESは予備公開されたワーク^11が単独で前脛骨筋の上に適用subsensory刺激が重心動揺を減衰させるのに有効であることが示された感覚を呼び起こすために電流と感覚神経を刺激することを含みます。ここでは、HMIは、（NMES付き）筋肉アンプとして動作するだけでなく、（SESで）求心性フィードバックを強化する足首の筋肉のためのNMES / SESをvolitionally方式の対話的な脳卒中後のバランス療法の中に可能感覚運動統合を行います姿勢の揺れの間に直立姿勢を維持するために、健康的な足関節戦略^12,13,14を支援^します 。これはDuttaさんら ⁸に提示仮説に基づいて、非侵襲的な電気治療を通じてもたらさ関連足首の筋肉の増加皮質興奮は足首剛性の改善された脊柱上の変調に貸すことができること。確かに、従来の研究は、NMES / SESはおそらく共同活性化運動感覚繊維^15,16の結果として、皮質興奮性の持続的な変化を誘発することを示しています。また、KhaslavskaiaとSinkjaer ^17は、NMES / SESの時に存在同時モータ皮質ドライブはモータ皮質の興奮性を高めたこと、ヒトにおいて示されました。したがって、volitionallyドリブンNMES / SESは、脊髄反射の短期的な神経可塑性を誘導することができる（ 例えば 、相反Iaの阻害^17）与えられた運動ニューロンプールに経路を降順を経由して投影する皮質ニューロンがでIA-抑制介在ニューロンを介した拮抗運動ニューロンプールを阻害することができますOに向かって、 図1に示すように^、18の人間perantコンディショニングパラダイム（Duttaさんら ^8を参照^してください）。

図1：volitionally駆動神経筋電気刺激（NMES）の下で足首の筋肉の調整を改善するための概念、基礎となるインタラクティブなヒューマン・マシン・インタフェース（HMI）（Duttaさんら ²¹で詳細は。）圧力中心（COP）を駆動するためのきっかけとターゲットにカーソル-assisted視覚運動バランス療法EEG：脳波、MN：α-運動ニューロン、IN：IA-抑制介在ニューロン、EMG：電、DRG：脊髄後根神経節。 ⁸および³⁷から再生される。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

前後（AP）質量（COM）の中央の変位が行われます足首（例えば内側腓腹筋やヒラメ筋など）plantarflexorsと（そのような前脛骨筋など）背屈筋によって内外方向（ML）の変位が足首（例えば前脛骨筋など）イン​​バータや、長腓骨筋としてevertors（によって行われている間そして、）筋肉をブレビス。その結果、筋肉背屈筋足首の弱さと足首の増加痙性plantarflexor筋肉を含む脳卒中に関連した足首の障害は、障害のある姿勢制御につながります。ここでは、敏捷性のトレーニングプログラム^6は、転倒^6を防止するのに静的ストレッチング/体重移動する運動プログラムよりも効果的かもしれタスクが次第に困難に増加している動的なバランスに挑戦（VR）ベースのゲームのプラットフォームは、仮想現実で活用することができます。例えば、被験者は難易度が次第にアメルする増大させることができる動的な視覚運動バランスタスク中volitionally駆動NMES / SES支援APとMLの変位を行うことができます二足スタンディング時の体重移動でiorate脳卒中後足首固有の制御の問題。資源の乏しい設定でvolitionally駆動NMES / SES支援バランス療法に向けて、我々は提示も低からのデータ収集に使用することができ、視覚的、聴覚バイオフィードバックに向けたモバイル脳/ボディイメージング（モビ^）19、のための低コストのHMI MoBILABでオフラインデータ探索のためのコストセンサ（オヘダら ^。20を参照^のこと ）。

Protocol

注：HMIソフトウェア・パイプラインは、自由に利用できるオープンソース・ソフトウェアのオンとオフザシェルフ低コストのビデオゲームセンサーベースに開発された（で入手可能な詳細：https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/とhttps： //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE）。 HMIソフトウェア・パイプラインは、視覚運動バランス療法（VBT）8のためのVRベースのゲームプラットフォームで修飾さ…

Representative Results

図4は、円滑追跡タスク中に健常性能の定量化のためにオフラインで抽出された視線の機能を示します。 表1に示されるように、以下の特徴を抽出しました。 機能1 =標的刺激位置と刺激が、水平方向の位置を変更している参加者の注視点の重心との間の百分率偏差。 <p class="jove_content" fo:keep-toget…

Discussion

運動とバランスの治療のために簡単に使用できる、臨床的に有効な低コストのツールは、低リソース設定で神経リハビリテーションのためのパラダイムシフトになります。脳卒中のような神経疾患が劇的に起因する世界の人口^2の高齢化に今後も増加するので、非常に高い社会的影響力を持っている可能性があります。能力は、カスタマイズ、モニタ、および最近では通信を介して、?…

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