후 스트로크 균형 재활을위한 신경 근육 전기 자극 시스템과 저가 센서를 통합하는 인간 - 기계 인터페이스

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

뇌 영역에 심장에서 혈액을 운반하는 동맥이 혈전이나 버스트 뇌함으로써 산소 및 영양소의 전달을 방지하는 혈액의 흐름을 방해 할 때 스트로크의 원인이된다. 뇌졸중 생존자의 약 절반은 장애를 어느 정도 남아 있습니다. 회복 neurorehabilitation위한 혁신적인 방법은 긴급 장기 장애를 줄이기 위해 필요합니다. 내장 또는 외부 자극에 대한 응답으로 그 구조, 기능 및 연결을 재구성 신경계의 능력은 신경 가소성 불린다. 신경 가소성은 또한 재활, 뇌졸중 후 기능 장애에 참여하고있다. 유익한 neuroplastic 변경 등의 신경 근육 전기 자극 (신물질) 및 감각 전기 자극 (SES)와 같은 비 침습적 전기 요법으로 촉진 될 수있다. 신물질은 SES의 invo 동안 전류의 연속 짧은 펄스를 활성화 운동 신경과 근육의 조정 전기 자극을 포함한다에 간신히 지각 매우 불쾌한 다를 감각의 결과로 전류와 감각 신경의 아이브 자극. 여기, 재활 과정에 적극적으로 대뇌 피질의 참여는 동시 활성 인식과 의지 노력을 나타내는 생체 신호와 비 침습 전기 요법 (근전도 (EMG), 뇌파 (EEG), electrooculogram (EOG))를 구동에 의해 촉진 될 수있다. 저와 중간 소득 국가에서 자원이 부족한 설정, 예를 들어, 이것을 달성하기 위해, 우리는 기성 비디오 게임 센서 기술의 최근 발전을 활용하여 저가의 인간 – 기계 인터페이스 (HMI)를 제시한다. 본 논문에서는 균형 재활하는 동안 자세 제어를 지원하는 비 침습적 전기 요법과 시각 – 청각 바이오 피드백을위한 저가의 상용 센서를 통합하는 오픈 소스 소프트웨어 인터페이스에 대해 설명합니다. 우리는 개념 증명 건강한 지원자에를 보여줍니다.

Introduction

초점 뇌, 척수, 또는 망막 경색으로 인한 신경 학적 장애의 에피소드는 스트로크 ^{1이라고합니다.} 스트로크는 세계적인 건강 문제 및 장애 전세계 ^1의 네 번째 주요 원인이다. 인도와 중국, 세계 두 번째로 인구가 많은 나라 같은 나라에서, 때문에 스트로크에 신경 학적 장애는 숨겨진 전염병 ^2로 분류되고있다. 뇌졸중 후 가장 흔한 합병증 중 하나는 첫 해 포스트 행정 ^3에서 최대 73 %의보고 빈도와 폭포입니다. 포스트 행정 가을 인성과 균형과 시공간 방치 ^사 등의 척추 및 척 주상 요소를 모두 포함합니다. Geurts 1을 확인 동료 ^(5)에 의해 검토) 다중 방향성 두발 서, 2) 저속, 3) 방향 부정확 한 동안 이동 최대 무게를 손상 4) 균형으로 단일 및 순환 하위 최대 정면 평면 체중 이동의 작은 진폭 가을 리를위한 요소SK. 이전 작품 균형이 심한 운동 기능 ^{5, 6} 외래 능력과 독립성과 연관되어 나타났습니다 때문에 일상 생활의 활동에 필연적 인 영향은 중요 할 수 있습니다. 또한 Geurts 동료 ⁵ 근력 외에 감각적 척 주상 통합 (근육 조정 ^7)은 현재의 프로토콜에 부족한 평형 복원 중요 것을 제안했다. 감각적 통합을 향해, 의지 적 중심의 비 침습적 전기 요법에 대한 우리의 가설 ⁸ (신물질 / SES)이 적응 행동 모양과 그러한 영향을받는 사지의 신물질 / SES를 이용한 이동하는 동안 감각 입력의 활성 인식을 변조에 의해 촉진 될 수 있다는 것이다 뇌는 필요한 경우, 다른 모터 경로 ^(9)를 모집하여 이후의 운동 출력에이 피드백을 통합 할 수 있습니다.

자원의 의지 적 구동 신물질 / SES를 이용한 밸런스 훈련을 달성하기 위해불쌍한 설정, 저렴한 인간 – 기계 인터페이스 (HMI)는 시각 – 청각 바이오 피드백에 대한 기성 비디오 게임 센서 기술에서 사용할 수있는 오픈 소스 소프트웨어와의 최근 발전을 활용하여 개발되었다. 신물질 근력을 향상 경련 ^열을 줄이기 위해 도시 한 신경과 근육의 조정 전기 자극을 포함한다. 또한, SES는 사전 출판 일 ¹¹ subsensory 자극 혼자 경골근 근육에 도포 자세 동요를 감쇠 효과가 있음을 보여 주었다 감각을 연상 전류와 감각 신경의 자극을 포함한다. 여기에서, HMI는 (신물질)와 근​​육 증폭기의 역할뿐만 아니라 (SES와) 구 심성 피드백을 향상 발목 근육에 대한 신물질 / SES를 의지 적 기반의 대화 형 소식 행정 균형 치료하는 동안 수 감각 – 운동 통합을 다할 것입니다 자세 마십시요 동안 직립 자세를 유지하기 위해 건강한 발목 전략 ^12,13,14를 지원합니다. 이것은두타 등. ^팔에서 제시 한 가설에 따라 비 침습적 전기 요법을 통해 영향을 관련 발목 근육의 증가 피질의 흥분은 발목 강성의 향상 척 주상 변조 빌려 수 있음. 실제로, 이전 작업 신물질 / SES 가능성이 공동 활성화 운동 및 감각 섬유 ^{(15, 16)의} 결과로서, 피질 흥분성의 지속적인 변화를 이끌어내는 것으로 나타났다. 또한 Khaslavskaia 및 Sinkjaer ¹⁷ 신물질 / SES시 본 동시 모터 피질 구동 모터 피질 흥분성을 향상하는 것이 인간에서 나타났다. 따라서, 의지 적 기반 신물질 / SES는 척수 반사에 단기 신경 가소성을 유도 할 수있다 (예를 들어, 상호 IA 억제 ¹⁷⁾ 지정된 motoneuron 풀에 경로를 내림차순를 통해 프로젝트 피질 뉴런의 IA-억제의 interneurons을 통해 대립 motoneuron 풀을 억제 할 수 도 1에 도시 된 바와 같은 O를 향해 ¹⁸ 인간perant 에어컨 패러다임 (두타 등의 알을 참조하십시오. ^8).

그림 1 : 의지 적 구동 신경 근육 전기 자극에 따라 발목 근육 조정을 개선하기 위해 큐 대상 (신물질)을 압력 (COP)의 중심을 구동 커서 할 수있는 개념 (. 두타에서 세부 사항 등 ²¹⁾ 기본 상호 작용하는 인간 – 기계 인터페이스 (HMI) -assisted visuomotor 균형 치료 EEG :. 뇌파, MN : α-motoneuron, IN : IA-억제 interneuron, EMG : 근전도, DRG : 지느러미 루트 신경절. ⁸ 및 ^37에서 재현. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

안테 – 후부 (AP) 질량 (COM)의 중심에 변위가 수행된다발목 (예 내측의 비복근과 가자미근의 근육 등) plantarflexors (예 : 전방 경골 근육 등) dorsiflexors 메디 오 – 측면 반면에 의해 (ML) 변위는 발목 (예 : 전방 경골 근육 등)의 인버터 및 peroneus의 longus로 evertors (에 의해 수행된다 등) 근육을 브레비스. 따라서, 근육 dorsiflexor 발목의 약점과 발목의 증가 경련 plantarflexor 근육을 포함한 행정 관련 발목 손상은 손상 자세 제어로 이어집니다. 여기, 민첩성 훈련 프로그램 ⁽⁶⁾ 폭포 ^(6)을 방지하는 정적 스트레칭 / 체중 이동 운동 프로그램보다 더 효과적 일 수 작업이 점차적으로 어려움이 증가되는 동적 균형에 도전 (VR) 기반의 게임 플랫폼은 가상 현실에서 활용 될 수있다. 예를 들어, 주제는 어려움이 점진적으로 아멜 증가 할 수있는 동적 visuomotor 밸런스 작업 중에 의지 적 구동 신물질 / SES 지원 AP와 ML 변위를 수행 할 수 있습니다두발 서있는 동안 이동 무게 iorate 후 뇌졸중 발목 특정 제어 문제. 자원이 부족한 환경에서 의지 적 구동 신물질 / SES 지원 균형 요법을 향해, 우리는 선물도 저에서 데이터 수집에 사용할 수있는 시각적 – 청각 바이오 피드백으로 모바일 두뇌 / 바디 이미징 (MOBI) ^(19)에 대한 저가의 HMI MoBILAB에서 오프라인 데이터 탐색 비용 센서 (오헤다 등의 알을 참조하십시오. ^20).

Protocol

참고 : HMI 소프트웨어 파이프 라인이 자유롭게 사용할 수있는 오픈 소스 소프트웨어를 기반으로하고 기성 저렴한 비용으로 비디오 게임 센서 (자세한 사용할 수에서 개발되었다 https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ 및 HTTPS를 : //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). 를 HMI 소프트웨어 파이프 라인은 visuomotor 균형 요법 (VBT) (8)에 대한 VR 기반 게임 플랫폼에서 수정 된 기능 범위 작업 (mFRT) 21시 …

Representative Results

그림 4는 부드러운 추구 작업 중에 수 바디 성능의 정량화를 위해 오프라인 압축 해제 된 눈의 시선 기능을 보여줍니다. 표 1에 나타낸 바와 같이 다음의 특징을 추출했다 : 기능 1 = 목표 자극 위치 및 자극의 수평 방향의 위치를​​ 변화 참가자의 고정 점의 중심 사이의 백분율 편차. <p class="jove_co…

Discussion

운동과 균형 치료를위한 간단한 사용하기, 임상 적으로 유효한 저가의 도구는 낮은 리소스 설정에서 neurorehabilitation에 대한 패러다임의 변화 일 것이다. 또한 뇌졸중과 같은 신경 질환 극적 의한 세계 인구 ^고령화이 미래에 증가하기 때문에 매우 높은 사회적 영향을 미칠 가능성이있다. 능력, 사용자 모니터, 최근에 통신을 통해 계산, 네트워킹 및 물리적 처리의 통합으로 가능 해졌다 원?…

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