Summary

A-máquina interface humana Integrando sensores de baixo custo com uma estimulação do sistema neuromuscular eléctrico para pós-AVC Reabilitação Balance

Published: April 12, 2016
doi:

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

Um acidente vascular cerebral é causado quando uma artéria que transporta sangue do coração para uma área no cérebro estoura ou um coágulo obstrui o fluxo de sangue para o cérebro impedindo assim a entrega de oxigênio e nutrientes. Cerca de metade dos sobreviventes de AVC ficam com algum grau de deficiência. metodologias inovadoras para neurorehabilitation restaurador são urgentemente necessárias para reduzir a incapacidade a longo prazo. A capacidade do sistema nervoso para reorganizar a sua, função e estrutura de ligações como resposta a estímulos intrínseca ou extrínseca é chamado neuroplasticidade. Neuroplasticidade está envolvido em distúrbios funcionais pós-AVC, mas também na reabilitação. alterações neuroplásticas benéficos pode ser facilitada com electroterapia não-invasiva, tais como a estimulação elétrica neuromuscular (EENM) e estimulação elétrica sensorial (SES). NMES envolve a estimulação elétrica coordenada dos nervos motores e os músculos para ativá-los com pulsos curtos contínuos de corrente elétrica, enquanto SES invoestimulação lves dos nervos sensoriais com corrente elétrica, resultando em sensações que variam de pouco perceptível a altamente desagradável. Aqui, a participação cortical ativa nos processos de reabilitação pode ser facilitada pela condução da eletroterapia não-invasiva com biosinais (eletromiograma (EMG), eletroencefalograma (EEG), eletrooculograma (EOG)) que representam percepção ativa e os esforços simultâneos volitiva. Para conseguir isso em um ambiente pobre em recursos, por exemplo, em países de baixa e média renda, apresentamos um baixo custo homem-máquina interface (HMI), aproveitando os recentes avanços na tecnologia de sensor de jogos de vídeo off-the-shelf. Neste artigo, discutimos a interface de software de fonte aberta que integra sensores de baixo custo off-the-shelf para biofeedback visual-auditivo com electroterapia não-invasivo para auxiliar o controle postural durante o balanço de reabilitação. Nós demonstramos a prova-de-conceito em voluntários saudáveis.

Introduction

Um episódio de disfunção neurológica focal provocado por cerebral, espinal, retina ou enfarte é chamado derrame 1. O AVC é um problema de saúde global e quarta principal causa de incapacidade em todo o mundo 1. Em países como Índia e China, os dois países mais populosos do mundo, incapacidade neurológica devido a acidente vascular cerebral está sendo rotulado como epidemia escondida 2. Uma das complicações médicas mais comuns após um acidente vascular cerebral são quedas, com uma incidência de até 73% no primeiro ano pós-acidente vascular cerebral 3. A queda pós-AVC é multifatorial e inclui ambos os fatores espinhais e supra-como equilíbrio e visuospatial negligência 4. Uma revisão de Geurts e colegas 5 identificadas 1) prejudicada multi-direcional peso máximo de marchas durante bípede pé, 2) baixa velocidade, 3) imprecisão direcional, e 4) pequenas amplitudes de deslocamentos do peso plano frontal sub-máxima individuais e cíclicos como o equilíbrio fatores de ri quedask. O consequente impacto nas actividades da vida diária pode ser significativo pois os trabalhos anteriores mostraram que o equilíbrio está associado à capacidade ambulatorial e independência na função motora grossa 5, 6. Além disso, Geurts e colegas 5 sugeriu que a integração supra-espinhal multissensorial (e coordenação muscular 7), além de força muscular é fundamental para a recuperação do equilíbrio que está faltando em protocolos atuais. Para a integração multissensorial, nossa hipótese 8 na volitivamente impulsionado eletroterapia não-invasiva (EENM / SES) é que este comportamento adaptativo pode ser moldado e facilitado modulando a percepção ativa de entradas sensoriais durante o movimento EENM / SES-assistida do membro afetado de modo que a cérebro pode incorporar esse feedback na saída movimento subsequente através do recrutamento de vias motoras alternados 9, se necessário.

Para alcançar volitivamente conduzido treinamento de equilíbrio EENM / SES-assistida em um recurso-pobres definição, um baixo custo homem-máquina interface (HMI) foi desenvolvida através da alavancagem disponível software de código aberto e os recentes avanços na tecnologia de sensor de off-the-shelf jogo de vídeo para biofeedback visual-auditivo. NMES envolve a estimulação elétrica coordenada dos nervos e músculos que tem sido mostrado para melhorar a força muscular e reduzir a espasticidade 10. Além disso, a SES envolve a estimulação dos nervos sensoriais com corrente elétrica para evocar sensações onde o trabalho publicado preliminar 11 mostraram que a estimulação subsensory aplicada sobre os músculos tibial anterior por si só é eficiente em atenuar oscilação postural. Aqui, a HMI irá tornar possível a integração sensório-motor durante o balanço de terapia pós-AVC interativo onde volitivamente-driven EENM / SES para os músculos do tornozelo irá atuar como um amplificador muscular (com EENM), bem como melhorar o feedback aferente (com SES) para auxiliar estratégias de tornozelo saudáveis ​​12,13,14 para manter a postura ereta durante balanços posturais. Isto ébaseado na hipótese apresentada em Dutta et al. 8, que um aumento na excitabilidade córtico dos músculos do tornozelo relevantes efectuadas através de eletroterapia não-invasiva pode emprestar para uma modulação supra-espinhal melhora da rigidez do tornozelo. De facto, trabalhos anteriores tem mostrado que EENM / SES provoca mudanças duradouras na excitabilidade corticoespinhal, possivelmente como resultado de co-activação do motor e fibras sensoriais 15,16. Além disso, Khaslavskaia e Sinkjaer 17 mostrou em humanos essa unidade cortical motora concorrente presente no momento da EENM / SES aprimorados cortical motora excitabilidade. Portanto, volitivamente-driven EENM / SES pode induzir neuroplasticidade a curto prazo em reflexos espinhais (por exemplo, a inibição Ia recíproco 17) onde os neurônios corticoespinhais que se projetam através de vias descendentes de um determinado agregado neuromotor pode inibir o agregado neuromotor antagônica via interneurônios Ia-inibitórios em seres humanos 18, como mostrado na Figura 1, no sentido de uma juntaparadigma condicionado perant (veja Dutta et al. 8).

figura 1
Figura 1: O conceito (. Detalhes no Dutta et al 21) subjacente interface homem-máquina interativa (HMI) para dirigir o centro de pressão (COP) cursor para o alvo cued para melhorar a coordenação muscular do tornozelo sob estimulação elétrica neuromuscular volitivamente impulsionado (EENM) -assisted equilíbrio visuomotor terapia EEG:. eletroencefalografia, MN: α-motoneurônio, IN: interneurônio Ia-inibitória, EMG: eletromiograma, DRG: gânglio da raiz dorsal. Reproduzido de 8 e 37. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O antero-posterior (AP) deslocamentos no centro de massa (COM) são realizadaspor plantares tornozelo (como músculos gastrocnemius medial e soleus) e dorsiflexores (tais como o músculo tibial anterior), enquanto medio-lateral (ML) deslocamentos são realizadas por inversores de tornozelo (tais como o músculo tibial anterior) e evertors (tais como fibular longo e brevis músculos). Consequentemente, as imparidades do tornozelo relacionadas com o acidente vascular cerebral incluindo fraqueza do tornozelo dorsiflexora músculos e aumento da espasticidade do tornozelo plantares músculos levar ao controle postural prejudicada. Aqui, os programas de formação agilidade 6 pode ser aproveitado em uma realidade virtual (VR) plataforma de jogos baseados que desafiam o equilíbrio dinâmico, onde as tarefas são progressivamente aumentada em dificuldade que pode ser mais eficaz do que o programa de alongamento estático / de mudança de peso exercício na prevenção de quedas 6. Por exemplo, os indivíduos podem realizar volitivamente impulsionado AP assistida EENM / SES e deslocamentos ML durante uma tarefa de equilíbrio visuomotor dinâmico, onde a dificuldade pode ser progressivamente aumentada para amelproblemas iorate pós-AVC específicas do tornozelo de controle de peso deslocando durante a posição bípede. Rumo volitivamente impulsionado equilíbrio terapia assistida por EENM / SES em um ambiente pobre em recursos, apresentamos um baixo custo HMI for Mobile Cérebro / Imagem Corporal (MOBI) 19, no sentido de biofeedback visual e auditiva, que também pode ser usado para a coleta de dados de baixa sensores de custos para exploração de dados offline no Mobilab (ver Ojeda et al 20.).

Protocol

Nota: O gasoduto software HMI foi desenvolvido com base em software open-source disponível gratuitamente e off-the-shelf sensores de jogos de vídeo de baixo custo (detalhes disponíveis em: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ e https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). O gasoduto software HMI é fornecido para coleta de dados durante uma tarefa alcance funcional modificado (mFRT) 21 em uma plataforma de jogos baseados VR para a terapia de equilíbrio visuomotor (VBT) 8. <p clas…

Representative Results

A Figura 4 mostra as características do olhar olho que foram extraídos offline para a quantificação de um desempenho capaz de corpo durante uma tarefa exercício suave. As seguintes características foram extraídos como se mostra no Quadro 1: Característica 1 = percentagem de desvio entre a posição alvo estímulo e o centróide dos pontos de fixação do participante quando o estímulo…

Discussion

Uma ferramenta de baixo custo clinicamente válida simples de usar, para a terapia de movimento e equilíbrio será uma mudança de paradigma para neurorehabilitation em um ambiente de baixos recursos. É provável que tenha um elevado impacto na sociedade desde desordens neurológicas como acidente vascular cerebral irá aumentar dramaticamente no futuro, devido ao envelhecimento da população mundial 2. Há, portanto, uma necessidade premente para alavancar sistemas físicos cibernéticos, onde a capacidad…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

A pesquisa conduzida no contexto da Estratégia Conjunta alvo Programa em Informação e Ciência e Tecnologia Comunicação – ICST, apoiado por CNRS, Inria e DST, sob a égide do CEFIPRA. Os autores gostariam de agradecer o apoio dos estudantes, especificamente Rahima Sidiboulenouar, Rishabh Sehgal, e Gorish Aggarwal, para o desenvolvimento da configuração experimental.

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

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Citer Cet Article
Kumar, D., Das, A., Lahiri, U., Dutta, A. A Human-machine-interface Integrating Low-cost Sensors with a Neuromuscular Electrical Stimulation System for Post-stroke Balance Rehabilitation. J. Vis. Exp. (110), e52394, doi:10.3791/52394 (2016).

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