A-máquina humana integración de sensores de bajo coste con un sistema de estimulación eléctrica neuromuscular para la Rehabilitación de Balance post-accidente cerebrovascular

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 accidente cerebrovascular se produce cuando una arteria que lleva sangre desde el corazón a un área en el cerebro estalla o un coágulo obstruye el flujo de sangre al cerebro impidiendo de este modo la entrega de oxígeno y nutrientes. Aproximadamente la mitad de los supervivientes del accidente cerebrovascular se quedan con algún grado de discapacidad. Se necesitan con urgencia metodologías innovadoras para la neurorrehabilitación reparadora para reducir la discapacidad a largo plazo. La capacidad del sistema nervioso para reorganizar su estructura, función y conexiones como respuesta a los estímulos intrínsecos o extrínsecos se llama neuroplasticidad. La neuroplasticidad está implicado en los trastornos funcionales tras un ictus, sino también en la rehabilitación. neuroplastic cambios beneficiosos pueden ser facilitadas con electroterapia no invasivos, tales como la estimulación eléctrica neuromuscular (EENM) y la estimulación eléctrica sensorial (SES). EENM consiste en la estimulación eléctrica coordinada de los nervios motores y los músculos para activarlos con pulsos cortos de corriente eléctrica continua mientras SES invoIves estimulación de los nervios sensoriales con corriente eléctrica resultante en las sensaciones que varían desde apenas perceptible a muy desagradable. En este caso, la participación cortical activo en los procedimientos de rehabilitación puede ser facilitada por la conducción de la electroterapia no invasiva con bioseñales (electromiografía (EMG), electroencefalograma (EEG), electrooculogram (EOG)) que representan la percepción simultánea activa y el esfuerzo volitivo. Para lograr esto en un entorno pobre en recursos, por ejemplo, en los países de ingresos bajos y medianos, se presenta un bajo costo humano-máquina (HMI) mediante el aprovechamiento de los avances recientes en la tecnología de sensores de videojuegos off-the-shelf. En este trabajo, se discute la interfaz de software de código abierto que integra sensores de bajo coste off-the-shelf de retro-alimentación visual-auditivo con electroterapia no invasivo para ayudar al control postural durante la rehabilitación equilibrio. Se demuestra la prueba de concepto en voluntarios sanos.

Introduction

Un episodio de disfunción neurológica causada por cerebral focal, la médula, o infarto de retina se denomina accidente cerebrovascular ^1. El ictus es un problema de salud mundial y la cuarta causa principal de discapacidad en todo el mundo ^1. En países como India y China, los dos países más poblados del mundo, la discapacidad neurológica debida a un accidente cerebrovascular ha sido catalogada como epidemia oculta ^2. Una de las complicaciones médicas más comunes después de un derrame cerebral son las caídas con una incidencia de hasta un 73% en el primer año posterior al accidente cerebrovascular ^3. La caída posterior al accidente cerebrovascular es multifactorial e incluye tanto los factores espinales y supraespinales como el equilibrio y la negligencia visuoespacial ^4. Una revisión realizada por Geurts y sus colegas ⁵ identificados 1) afectada en múltiples direcciones de peso máxima mueva durante la bipedestación, 2) baja velocidad, 3) imprecisión direccional, y 4) las pequeñas amplitudes de las oscilaciones del peso plano frontal submáximos individuales y cíclicos como el equilibrio factores de ri caídask. La consecuente impacto en las actividades de la vida diaria puede ser importante ya que las obras anteriores han demostrado que el equilibrio se asocia con la capacidad ambulatoria y la independencia de la función motora gruesa ^{5, 6.} Por otra parte, Geurts y sus colegas sugirieron que la integración ⁵ supraespinal multisensorial (y la coordinación muscular ^7), además de la fuerza muscular es fundamental para la recuperación de equilibrio que no existe en los protocolos actuales. Hacia la integración multisensorial, nuestra hipótesis ⁸ en electroterapia no invasiva volitivamente accionado (NMES / SES) es que este comportamiento de adaptación puede ser en forma y facilitado por la modulación de la percepción activa de entradas sensoriales durante el movimiento con ayuda de SES NMES / de la extremidad afectada de tal manera que la cerebro puede incorporar esta información en la posterior salida de movimiento mediante la contratación de las vías motoras alternos ^9, si es necesario.

Para lograr volitivamente impulsado el entrenamiento del equilibrio con ayuda de SES SNEM / en un recurso-poor ajuste, un ser humano-máquina de bajo costo (HMI) fue desarrollado mediante el aprovechamiento de software de código abierto disponible y los últimos avances en tecnología de sensores de videojuegos off-the-shelf de retro-alimentación visual-auditivo. EENM consiste en la estimulación eléctrica coordinada de los nervios y músculos que se ha demostrado para mejorar la fuerza muscular y reducir la espasticidad ^10. Además, SES consiste en la estimulación de los nervios sensoriales con corriente eléctrica para evocar sensaciones donde el trabajo preliminar publicada ^{el 11} demostraron que la estimulación subsensorial aplica sobre los músculos tibial anterior solo es eficaz en la atenuación de la oscilación postural. En este caso, el operador hará posible la integración sensorial-motriz durante la terapia de equilibrio posterior al accidente cerebrovascular interactivo donde volitivamente-driven SNEM / SES para los músculos del tobillo actuarán como un amplificador muscular (con EENM), así como mejorar la retroalimentación aferente (con SES) a asistir a las estrategias de los tobillos sanos ^12,13,14 para mantener la posición vertical durante balancea posturales. Esto esbasado en la hipótesis presentada en Dutta et al. ⁸ que un aumento de la excitabilidad corticoespinal de los músculos del tobillo que se han efectuado a través de electroterapia no invasiva puede prestar a una mejora de la modulación supraespinal de rigidez del tobillo. De hecho, el trabajo previo ha demostrado que NMES / SES provoca cambios duraderos en la excitabilidad corticoespinal, posiblemente como resultado de la co-activación de motor y fibras sensoriales ^15,16. Por otra parte, Khaslavskaia y Sinkjaer ¹⁷ mostraron en los seres humanos que el motor de accionamiento simultáneo cortical presente en el momento de la EENM / SES realzado la excitabilidad cortical motora. Por lo tanto, impulsada volitivamente-SNEM / SES puede inducir la neuroplasticidad a corto plazo en los reflejos espinales (por ejemplo, Ia inhibición recíproca ¹⁷⁾ donde las neuronas corticoespinal que se proyectan a través de las vías descendentes a un grupo de neuronas motoras dado pueden inhibir la piscina motoneuronas antagónica a través de interneuronas Ia-inhibitorios en los seres humanos ^18, como se muestra en la Figura 1, hacia una oparadigma de condicionamiento perant (véase Dutta et al. ^8).

Figura 1: El concepto (. Detalles en Dutta et al ²¹⁾ subyacente interfaz hombre-máquina interactiva (HMI) para conducir el centro de presión (CoP) del cursor a la meta con claves para mejorar la coordinación de los músculos del tobillo bajo la estimulación eléctrica neuromuscular volitivamente conducido (SNEM) -assisted terapia de equilibrio visuomotor EEG:. electroencefalografía, MN: α-motoneurona, IN: interneuronas inhibidoras de Ia, EMG: electromiograma, GRD: ganglio de la raíz dorsal. Reproducido de ⁸ y ^37. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El antero-posterior (AP) desplazamientos en el centro de masa (COM) se llevan a cabopor flexores plantares del tobillo (tales como los músculos gastrocnemio medial y sóleo) y flexores dorsales (tales como el músculo tibial anterior), mientras que medio-lateral (ML) desplazamientos se llevan a cabo por inversores de tobillo (tales como el músculo tibial anterior) y eversores (como peroneo largo y corto músculos). En consecuencia, relacionadas con la apoplejía impedimentos tobillo incluyendo debilidad del tobillo dorsiflexor músculos y aumento de la espasticidad de los músculos flexor plantar del tobillo conducen a un deterioro del control postural. Aquí, los programas de entrenamiento de la agilidad ⁶ se puede aprovechar en una realidad virtual (VR) plataforma de juegos basada en que desafían el equilibrio dinámico donde las tareas se incrementan progresivamente en dificultad que puede ser más eficaz que el programa de ejercicios de estiramiento estático / de desplazamiento de peso en la prevención de caídas ^6. Por ejemplo, los sujetos pueden realizar volitivamente impulsado AP asistida SNEM / SES y los desplazamientos ML durante una dinámica de equilibrio tarea visomotora, donde la dificultad se puede aumentar progresivamente a ameliorate problemas tras un ictus tobillo específica de control en el cambio de peso durante la bipedestación. Hacia volitivamente impulsado la terapia asistida equilibrio SNEM / SES en un entorno pobre en recursos, presentamos un operador de bajo costo para Mobile Brain / Imagen de Cuerpo (mobi) ^19, hacia la retro-alimentación visual-auditiva que también puede ser utilizado para la recolección de datos de baja sensores de costes para la exploración de datos fuera de línea en MobiLab (véase Ojeda et al. ^20).

Protocol

Nota: La tubería de software HMI fue desarrollado en base a software de código abierto libremente disponible y off-the-shelf sensores de videojuegos bajo costo (detalles disponibles en: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ y https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). Se proporciona la tubería de software HMI para la recogida de datos durante una tarea de alcance funcional modificada (mFRT) 21 en una plataforma de juegos basada en realidad virtual para la terapia de equilibrio visuomotor (VBT) …

Representative Results

La Figura 4 muestra las características de la mirada del ojo que fueron extraídos fuera de línea para la cuantificación de un rendimiento sano durante una tarea de búsqueda suave. Las siguientes características se extrajeron como se muestra en la Tabla 1: Característica 1 = porcentaje de desviación entre la posición estímulo objetivo y el centroide de los puntos de fijación de los p…

Discussion

Una herramienta de bajo costo clínicamente válida fácil de usar, para la terapia de movimiento y el equilibrio será un cambio de paradigma para la neurorrehabilitación en un entorno de bajos recursos. Es probable que tenga un alto impacto en la sociedad ya que los trastornos neurológicos tales como derrames cerebrales aumentarán drásticamente en el futuro debido al envejecimiento de la población mundial ^2. Existe, por tanto, una necesidad apremiante de aprovechar los sistemas físicos cibernéticos, …

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