Une machine à interface humaine Intégration de capteurs à faible coût avec un système de stimulation neuromusculaire électrique pour post-AVC Solde Réhabilitation

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 AVC est causé quand une artère transportant le sang du cœur vers une zone dans le cerveau éclate ou un caillot obstrue le flux sanguin vers le cerveau empêchant ainsi l'apport d'oxygène et de nutriments. Environ la moitié des survivants d'un AVC sont laissés avec un certain degré d'invalidité. Des méthodologies innovantes pour neuroréadaptation réparatrice sont nécessaires de toute urgence pour réduire l'invalidité à long terme. La capacité du système nerveux à réorganiser sa structure, la fonction et les connexions en réponse à des stimuli intrinsèques ou extrinsèques est appelée neuroplasticité. Neuroplasticité est impliqué dans la post-AVC troubles fonctionnels, mais aussi dans la réhabilitation. changements neuroplastiques bénéfiques peuvent être facilitées avec l'électrothérapie non-invasive, comme la stimulation neuromusculaire électrique (NMES) et la stimulation électrique sensorielle (SES). NMES implique une stimulation électrique coordonnée des nerfs moteurs et des muscles pour les activer avec des impulsions courtes continues de courant électrique tandis que SES involves stimulation des nerfs sensoriels en courant électrique entraînant des sensations qui varient d'une peine perceptible à très désagréable. Ici, la participation corticale active dans les procédures de réhabilitation peut être facilitée par la conduite du électrothérapie non-invasive avec biosignaux (électromyogramme (EMG), électroencéphalogramme (EEG), électrooculogramme (EOG)) qui représentent perception active et des efforts simultanés volition. Pour atteindre cet objectif dans un contexte de ressources limitées, par exemple, dans les pays à faible revenu et à revenu intermédiaire, nous présentons un faible coût-machine-interface humaine (HMI) en tirant parti des progrès récents dans la technologie de capteur de jeu vidéo off-the-shelf. Dans cet article, nous discutons de l'interface du logiciel open-source qui intègre des capteurs à faible coût off-the-shelf pour biofeedback visuo-auditive avec électrothérapie non-invasive pour aider le contrôle postural pendant la rééducation de l'équilibre. Nous démontrons la preuve de concept sur des volontaires sains.

Introduction

Un épisode de dysfonctionnement neurologique causé par cérébrale focale, de la moelle, ou un infarctus rétinien est appelé AVC ^1. L' AVC est un problème de santé mondial et quatrième principale cause d'invalidité dans le monde entier ^1. Dans des pays comme l' Inde et la Chine, les deux pays les plus peuplés du monde, le handicap neurologique due à un AVC est étiqueté comme épidémie cachée ^2. Une des complications médicales les plus courantes après un accident vasculaire cérébral sont les chutes avec une incidence déclarée de jusqu'à 73% dans le post-AVC première année ^3. La chute post-AVC est multifactorielle et comprend les deux facteurs de la colonne vertébrale et supraspinales comme l' équilibre et la négligence visuospatial ^4. Un examen par Geurts et ses collègues ⁵ identifiés 1) multi-directionnellement diminuée du poids maximal se déplacer pendant debout bipède, 2) vitesse lente, 3) l' imprécision directionnelle, et 4) de petites amplitudes de déplacement de poids frontal plan sous-maximal simples et cycliques comme l'équilibre facteurs de chute risk. L'incidence sur les activités de la vie quotidienne peut être importante puisque les travaux antérieurs ont montré que l' équilibre est associé à la capacité ambulatoire et à l' indépendance de la fonction motrice brute ^{5, 6.} En outre, Geurts et ses collègues ⁵ ont suggéré que l' intégration surépineux multisensorielle (et coordination musculaire ⁷⁾ en plus de la force musculaire est essentiel pour la récupération de l' équilibre qui fait défaut dans les protocoles actuels. Vers l' intégration multisensorielle, notre hypothèse ⁸ sur volitionally conduit électrothérapie non-invasive (NMES / SES) est que ce comportement adaptatif peut être façonné et facilitée par la modulation de la perception active des entrées sensorielles pendant le mouvement NMES / SES-assistée du membre affecté de telle sorte que la cerveau peut incorporer cette rétroaction en sortie de mouvement ultérieur par recrutement voies motrices alternatives ^9, si nécessaire.

Pour atteindre volitionally entraîné la formation de l'équilibre NMES / SES-assistée dans une ressource-poor réglage, un homme-machine interface à faible coût (HMI) a été développé en tirant parti de la disposition des logiciels open-source et les progrès récents dans le off-the-shelf technologie de capteur de jeu vidéo pour biofeedback visuo-auditive. NMES implique une stimulation électrique coordonnée des nerfs et des muscles qui a été montré pour améliorer la force musculaire et de réduire la spasticité ^10. En outre, SES implique la stimulation des nerfs sensoriels en courant électrique pour évoquer des sensations où le travail préliminaire publiée ¹¹ a montré que la stimulation subsensory appliquée sur les muscles jambiers antérieurs seul est efficace pour atténuer le balancement postural. Ici, l'IHM rendra possible l'intégration sensori-motrice au cours de post-AVC thérapie équilibre interactif où volitionally-driven NMES / SES pour les muscles de la cheville va agir comme un amplificateur musculaire (avec NMES), ainsi que d'améliorer la rétroaction afférences (avec SES) pour aider les stratégies de la cheville en bonne santé ^12,13,14 pour maintenir la position verticale pendant balancements posturaux. C'estsur la base de l'hypothèse présentée dans Dutta et al. ⁸ , qu'une excitabilité cortico accrue des muscles de la cheville pertinentes effectuées par l' intermédiaire d' électrothérapie non-invasive peut prêter à une modulation surépineux améliorée de la rigidité de la cheville. En effet, les travaux antérieurs ont montré que NMES / SES provoque des changements durables dans l' excitabilité cortico, probablement en raison du moteur de co-activation et les fibres sensorielles ^15,16. En outre, Khaslavskaia et Sinkjaer ¹⁷ ont montré chez l' homme que le moteur concurrent corticale entraînement présente au moment de NMES / SES améliorée moteur cortical excitabilité. Par conséquent, volitionally-driven NMES / SES peut induire neuroplasticité à court terme dans les réflexes spinaux (par exemple, réciproque Ia inhibition ¹⁷⁾ où les neurones cortico qui projettent par voies descendantes à un pool de motoneurones donné peuvent inhiber la piscine des motoneurones antagonistes via interneurones Ia-inhibitrices dans les humains ^18, comme représenté sur la figure 1, vers un oparadigme de conditionnement perant (voir Dutta et al. ^8).

Figure 1: Le concept (. Détails à Dutta ²¹ et al) interface homme – machine sous – jacente interactive (IHM) pour conduire le centre de pression (CoP) curseur sur la cible indicé pour améliorer la coordination de la cheville musculaire sous stimulation électrique neuromusculaire volitionally entraîné (NMES) Assistée thérapie équilibre visuomoteur EEG:. électroencéphalographie, MN: α-motoneurone, IN: interneurones Ia-inhibitrice, EMG: électromyogramme, DRG: dorsale ganglion de la racine. Reproduit de ⁸ et ^37. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Le antéro-postérieur (AP) déplacements dans le centre de masse (CoM) sont effectuéespar plantaires de la cheville (comme médiale gastrocnémiens et soléaire) et dorsifléchisseurs (tels que le muscle jambier antérieur), alors que médio-latéral (ML) les déplacements sont effectués par des inverseurs de cheville (tels que le muscle jambier antérieur) et éverseurs (comme long péronier et brevis muscles). Par conséquent, les déficiences de la cheville liés à l'AVC, y compris la faiblesse de la cheville fléchisseur muscles et augmentation de la spasticité de la cheville plantarflexor muscles conduisent à un contrôle postural avec facultés affaiblies. Ici, les programmes de formation d'agilité ⁶ peut être mis à profit dans une réalité virtuelle (VR) plate – forme de jeu basé sur ce défi équilibre dynamique où les tâches sont progressivement accrus en difficulté qui peut être plus efficace que les étirements statiques / programme d'exercice de poids-décalage dans la prévention des chutes ^6. Par exemple, les sujets peuvent effectuer des volitionally conduit NMES / SES AP assisté et les déplacements ML lors d'une tâche d'équilibre visuomoteur dynamique où la difficulté peut être progressivement augmentée jusqu'à ameliorate post-AVC des problèmes de contrôle spécifiques à la cheville dans le poids de décalage pendant debout bipède. Vers volitionally entraîné NMES / SES thérapie équilibre assisté dans un cadre de ressources limitées, nous présentons un faible coût HMI Mobile Cerveau / Imaging corporel (MOBI) ^19, vers biofeedback visuo-auditive qui peut également être utilisé pour la collecte de données à partir de faible capteurs de coûts pour l' exploration de données hors ligne dans Mobilab (voir Ojeda et al. ^20).

Protocol

Remarque: Le pipeline logiciel HMI a été développé sur la base disponible gratuitement le logiciel open-source et hors-the-shelf capteurs de jeux vidéo à faible coût (détails disponibles à: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ et https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). Le pipeline de logiciel HMI est prévu pour la collecte de données au cours d' une tâche de portée fonctionnelle modifiée (mFRT) 21 dans une plate – forme de jeu en fonction VR pour la thérapie de l' équil…

Representative Results

La figure 4 montre les caractéristiques du regard des yeux qui ont été extraites hors ligne pour la quantification d'une performance valides lors d' une tâche de poursuite lisse. Les caractéristiques suivantes ont été extraits comme indiqué dans le tableau 1: Caractéristique 1 = écart en pourcentage entre la position cible du stimulus et le barycentre des points de fixation d…

Discussion

Un outil à faible coût cliniquement valide simple à utiliser, pour le mouvement et l'équilibre thérapeutique sera un changement de paradigme pour neuroréadaptation dans un milieu à faibles ressources. Il est susceptible d'avoir un impact social très élevé puisque les troubles neurologiques comme les accidents vasculaires cérébraux augmenter considérablement à l' avenir en raison du vieillissement de la population mondiale ^2. Il est, par conséquent, un besoin urgent de tirer parti de…

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