Человеко-машинного интерфейса Интеграция низкозатратных датчики с Стимуляция системы нейромышечной электростимуляции для постинсультной реабилитации Balance

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

Инсульт возникает, когда артерии, несущие кровь от сердца к области в мозге разрывает или сгусток затрудняет приток крови к мозгу, тем самым предотвращая доставку кислорода и питательных веществ. Около половины выживших после инсульта остается с некоторой степенью инвалидности. Инновационные методики восстановительного нейрореабилитации необходимо срочно сократить длительной инвалидности. Способность нервной системы реорганизовать свою структуру, функции и связи в ответ на внутреннего или внешнего раздражители называется Нейропластичность. Нейропластичность участвует в постинсультных функциональных нарушений, но и в реабилитации. Благотворное neuroplastic изменения могут быть облегчено с неинвазивной электротерапии, таких как нервно-мышечной электростимуляции (НМС) и сенсорной электрической стимуляции (СЭС). NMES предполагает скоординированную электрическую стимуляцию двигательных нервов и мышц, чтобы активировать их с непрерывными короткими импульсами электрического тока в то время как SES INVOльфы стимуляция чувствительных нервов с электрическим током приводит к ощущениям, которые варьируются от едва воспринимаемое до очень неприятно. При этом активное корковое участие в процедурах реабилитации может быть облегчено путем приведения в действие неинвазивный электролечение с биосигналов (ЭМГ (EMG), электроэнцефалограммы (ЭЭГ), electrooculogram (EOG)), которые представляют одновременно активное восприятие и волевых усилий. Для достижения этой цели в бедных ресурсами обстановке, например, в странах с низким и средним уровнем дохода, мы представляем недорогую человеко-машинный интерфейс (HMI) за счет использования последних достижений в области вне-полки сенсорной технологии видеоигр. В этой статье мы рассмотрим программный интерфейс с открытым исходным кодом, который объединяет недорогие вне-полки датчики для визуально-слуховое БОС с неинвазивной электротерапии для оказания помощи постурального контроля во время восстановления баланса. Продемонстрирована доказательство правильности концепции на здоровых добровольцев.

Introduction

Эпизод неврологической дисфункции , вызванной очаговой церебральной, спинальной или инфаркт сетчатки называется инсульт ^1. Инсульт является глобальной проблемой здравоохранения и четвертой ведущей причиной инвалидности во всем мире ^1. В таких странах , как Индия и Китай, двух самых густонаселенных стран мира, неврологическая инвалидность вследствие инсульта быть помечены как скрытой эпидемии ^2. Одним из наиболее распространенных медицинских осложнений после инсульта являются срывов с сообщенным частотой до 73% в течение первого года после инсульта ^3. Падение после инсульта является многофакторной и включает в себя как спинномозговые и супраспинальных факторы , как баланс и безнадзорности ⁴ зрительно – пространственной ориентации. В обзоре Geurts и коллегами ⁵ идентифицированных 1) мульти-направленно обесцененные максимальный вес перемещения во время двуногого положения, 2) медленная скорость, 3) Направленный неточностей, и 4) малые амплитуды одиночных и циклических субмаксимальной сдвигов фронтальной плоскости вес , как баланс факторы падения Р.И.пестрый Последующее влияние на деятельность повседневной жизни может быть значительным , так как предыдущие работы показали , что баланс связан с амбулаторной способности и независимости валовой двигательной функции ^{5, 6.} Кроме того, Geurts и его коллеги предположили , что ⁵ надостный мультисенсорной интеграции (и мышечной координации ⁷⁾ в дополнение к мышечной силы имеет решающее значение для восстановления баланса , который отсутствует в текущих протоколов. На пути к мультисенсорной интеграции, наша гипотеза ⁸ на волюнтаристски ведомой неинвазивной электротерапии (NMES / SES) является то , что это адаптивное поведение может быть сформировано и облегчается за счет модуляции активного восприятия сенсорных входов во время NMES / SES при содействии движения пораженной конечности таким образом, что мозг может включить эту обратную связь в последующем выходе движения путем набора Alternate моторных проводящих путей ^9, в случае необходимости.

Для достижения волюнтаристски приводимый NMES / SES-тренировка равновесия при содействии в качестве ресурсаустановка Бедные, недорогой человек-машина-интерфейс (HMI) был разработан за счет использования доступного программного обеспечения с открытым исходным кодом и последних достижений в области вне-полки видеоигровой технологии датчиков для зрительно-слуховое БОС. NMES предполагает скоординированную электрическую стимуляцию нервов и мышц , что было показано , чтобы улучшить мышечную силу и уменьшить спастичность ^10. Кроме того , SES включает стимуляцию чувствительных нервов с электрическим током , чтобы вызвать ощущения , где предварительные опубликованные работы ¹¹ показали , что стимуляция subsensory наносят поверх передней большеберцовой мышцы в покое эффективен при смягчающих постуральной взмах. Здесь HMI сделает возможным интеграцию сенсорно-моторную во время интерактивного постинсультной баланса терапии, где волюнтаристски приводом NMES / SES для голеностопных мышц будет выступать в качестве усилителя мышц (с NMES), а также повышения афферентный обратной связи (с СЭС) до содействие здоровой стратегии лодыжки ^12,13,14 поддерживать вертикальное позицию во время постуральных качается. Этооснованная на гипотезе , представленной в Датта и др. ⁸ , что повышенная Кортикоспинальных возбудимость соответствующих мышц лодыжки , проведенных через неинвазивного электротерапии может кредитовать улучшенной супраспинальной модуляции лодыжки жесткости. Действительно, до работы показали , что NMES / SES вызывает длительные изменения в корково возбудимости, возможно , в результате совместного активации двигательных и чувствительных волокон ^15,16. Кроме того, Khaslavskaia и Sinkjaer ¹⁷ показали , что в организме человека одновременно двигатель корковое привода присутствует во время НМС / SES усиленных двигателя корковой возбудимости. Таким образом, волюнтаристски приводом NMES / SES может вызвать кратковременное нейропластичность в спинномозговых рефлексов (например, обратная Ia ингибирование ¹⁷⁾ , где Кортикоспинальных нейроны , которые проектируют через нисходящий пути для данного мотонейрона пула может ингибировать антагонистическую бассейн мотонейроном через Iа-ингибирующих интернейронов в человеки ^18, как показано на рисунке 1, по отношению к ортоperant парадигма кондиционирования (см Датта и др. ^8).

Рисунок 1: Понятие (. Подробности в Датта и др ²¹⁾ основной интерактивный интерфейс человек – машина (HMI) для управления центром давления (СОР) курсор к подают реплики цели для улучшения координации лодыжки мышц под волюнтаристски ведомой нервно – мышечной электростимуляции (НМС) -поддерживаемая visuomotor баланс терапия EEG:. электроэнцефалография, MN: α-мотонейронов, IN: Ia-ингибиторной интернейрон, ЭМГ: ЭМГ, DRG: дорсальных корешков ганглий. Воспроизводится с ⁸ и ^37. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Передне-задней (AP) смещения в центре масс (СоМ) выполняютсяпо голеностопных plantarflexors (например, медиальной головки икроножной и камбаловидной мышцы) и dorsiflexors (например, передней большеберцовой мышцы) в то время как медио-латеральной (ML) перемещения выполняются голеностопных инверторами (например, передней большеберцовой мышцы) и evertors (такие как малоберцовой мышцы и Brevis мышцы). Следовательно, инсульт, связанных с лодыжка нарушения, включая слабость мышц лодыжки dorsiflexor и увеличение спастичности лодыжки plantarflexor мышц приводят к нарушению осанки контроля. Здесь, проворство учебные программы ⁶ могут быть использованы в виртуальной реальности (VR) на основе игровой платформы , что вызов динамического равновесия , где задачи постепенно увеличивать трудности , которые могут быть более эффективными , чем статическое растяжение / вес сдвига программы упражнений в предотвращении падения ^6. Например, субъекты могут выполнять волюнтаристски, приводимый NMES / SES при содействии AP и ML смещения во время динамической задачи visuomotor баланса, где трудность может быть постепенно увеличена до AMELiorate постинсультных лодыжки специфические проблемы управления весом перемещения во время двуногого стоя. К волюнтаристски ведомой NMES / SES помощь баланса терапии в условиях с ограниченными ресурсами, мы представляем недорогой HMI для мобильного мозга / визуализации тела (Mobi) ^19, к зрительно-слуховое БОС , который также может быть использован для сбора данных из низко- датчики затрат для автономного исследования данных в MobiLab (см Охеда и др. ^20).

Protocol

Примечание: Программное обеспечение HMI трубопровода был разработан на основе свободно доступного программного обеспечения с открытым исходным кодом и вне готовых датчиков недорогой видеоигры (подробности доступны по адресу: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ и https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). Програ…

Representative Results

На рисунке 4 показаны особенности глаз Gaze , которые были извлечены в автономный режим для квантификации трудоспособного исполнения во время гладкой задачи преследования. Следующие характеристики были извлечены , как показано в таблице 1: <p class="jove_co…

Discussion

Простой в использовании, клинически действенным инструментом низкозатратная движения и баланса терапии будет сдвиг парадигмы для нейрореабилитации в странах с низкими ресурсами. Это, вероятно, имеют очень высокое влияние на общество , так как неврологические расстройства , такие как …

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