A Human-maskin-grensesnitt Integrering rimelige sensorer med en nevromuskulær elektrisk stimulering System for Post-takts Balance Rehabilitering

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

Et hjerneslag oppstår når en arterie frakter blod fra hjertet til et område i hjernen brister eller en blodpropp hindrer blodstrømmen til hjernen og dermed hindre levering av oksygen og næringsstoffer. Omtrent halvparten av de slagrammede sitter igjen med en viss grad av uførhet. Innovative metoder for restorative neurorehabilitation er sterkt behov for å redusere langsiktig uførhet. Muligheten av nervesystemet å omorganisere sin struktur, funksjon og tilkoblinger som et svar på indre eller ytre stimuli kalles nevroplastisitet. Neuroplasticity er involvert i post-takts funksjonsforstyrrelser, men også i rehabilitering. Fordelaktig neuroplastic endringer kan gjøres lettere med ikke-invasiv elektroterapi, slik som nevromuskulær elektrisk stimulering (NMES) og sensoriske elektrisk stimulering (SES). Nmes innebærer koordinert elektrisk stimulering av motoriske nerver og muskler for å aktivere dem med kontinuerlige korte pulser av elektrisk strøm mens SES involves stimulering av sensoriske nerver med elektrisk strøm som resulterer i opplevelser som varierer fra knapt lesbar til svært ubehagelig. Her kan aktiv kortikal deltakelse i rehabiliterings prosedyrer forenkles ved å kjøre non-invasiv elektro med biosignals (electromyogram (EMG), elektroencefalogram (EEG), electrooculogram (EOG)) som representerer samtidig aktiv persepsjon og vilje innsats. For å oppnå dette på en ressursfattige omgivelser, for eksempel i lav- og mellominntektsland, presenterer vi en rimelig menneske-maskin-grensesnitt (HMI) ved å utnytte de siste fremskritt i off-the-sokkel videospill sensorteknologi. I denne artikkelen diskuterer vi open-source programvare grensesnitt som integrerer lavkost off-the-sokkel sensorer for visuell-auditive biofeedback med ikke-invasiv elektro å bistå postural kontroll under balanse rehabilitering. Vi demonstrere proof-of-concept på friske frivillige.

Introduction

En episode av nevrologisk dysfunksjon forårsaket av fokus cerebral, spinal eller retinal infarkt kalles hjerneslag ^1. Hjerneslag er et globalt helseproblem og fjerde største årsaken til uførhet på verdensbasis ^en. I land som India og Kina, de to mest folkerike land i verden, er nevrologisk funksjonshemming på grunn av slag å bli stemplet som skjult epidemi ^to. En av de vanligste medisinske komplikasjoner etter et slag er fall med en rapportert forekomst på opp til 73% i det første året etter slag ^tre. Post-takts fall den er multifaktoriell og omfatter både rygg og supraspinal faktorer som balanse og visuospatial forsømmelse ^4. En gjennomgang av Geurts og kolleger ⁵ identifiserte 1) multi-retnings nedsatt maksimal vekt forskyvning på tobent stående, 2) lav hastighet, 3) retnings upresishet, og 4) små amplituder av single og sykliske sub-maksimal frontal plan vektskiftninger som balansen faktorer for fall risk. Den påfølgende innvirkning på dagliglivets aktiviteter kan være betydelig siden tidligere arbeider har vist at balansen er knyttet til ambulerende evne og selvstendighet i brutto motorisk funksjon ^{5, 6.} Videre Geurts og kolleger ⁵ antydet at supraspinal multisensorisk integrering (og muskel koordinering ⁷⁾ i tillegg til muskelstyrke er avgjørende for balansen utvinning som mangler i dagens protokoller. Mot multisensorisk integrasjon, vår hypotese ⁸ på volitionally drevet non-invasiv elektro (nmes / SES) er at dette adaptiv atferd kan formes og tilrettelagt av moduler aktiv oppfatning av sanseinntrykk i løpet nmes / SES-assistert bevegelse av benet slik at hjernen kan innlemme denne tilbakemeldingen til påfølgende bevegelsen utgang ved å rekruttere alternative motorveier ^9, om nødvendig.

For å oppnå volitionally drevet nmes / SES-assistert balansetrening i en ressurs-Dårlig innstilling, ble en rimelig menneske-maskin-grensesnitt (HMI) som er utviklet ved å utnytte tilgjengelige åpen kildekode programvare og nylige fremskritt i off-the-sokkel videospill sensorteknologi for visuell-auditiv biofeedback. Nmes innebærer koordinert elektrisk stimulering av nerver og muskler som har vist seg å forbedre muskelstyrke og redusere spastisitet ^10. Dessuten innebærer SES stimulering av sensoriske nerver med elektrisk strøm for å fremkalle følelser der foreløpige publiserte arbeider ¹¹ viste at subsensory stimulering brukes over tibialis anterior musklene alene er effektivt i å dempe postural svai. Her vil HMI muliggjøre sensoriske-motor integrering under interaktiv post-takts balanse terapi hvor volitionally drevet nmes / SES for ankelen muskler vil fungere som en muskel forsterker (med nmes) samt forbedre afferent tilbakemeldinger (med SES) til bistå sunne ankel strategier ^12,13,14 å opprettholde oppreist holdning under postural svaier. Dette erbasert på hypotesen presenteres i Dutta et al. ⁸ at økt corticospinal eksitabilitet av relevante ankel muskler skjer gjennom non-invasiv elektro kan låne til en forbedret supraspinal modulering av ankelen stivhet. Faktisk har tidligere arbeid vist at nmes / SES frembringer varige endringer i corticospinal eksitabilitet, muligens som et resultat av co-aktiverende motor og sensoriske fibre ^15,16. Videre Khaslavskaia og Sinkjaer ¹⁷ viste i mennesker at samtidig motor kortikal kjøretur til stede på tidspunktet for nmes / SES forbedret motor kortikal eksitabilitet. Derfor kan volitionally drevet nmes / SES indusere kortsiktige neuroplasticity i spinal reflekser (f.eks gjensidig Ia hemming ¹⁷⁾ hvor corticospinal nevroner som prosjektet via synkende veier til en gitt motoneuron basseng kan hemme antagonistiske motoneuron bassenget via Ia-hemmende interneurons i mennesker ^18, som vist i figur 1, i retning av en operant kondisjone paradigmet (se Dutta et al. ^8).

Figur 1: Konseptet (. Detaljer på Dutta et al ²¹⁾ underliggende interaktivt menneske-maskin-grensesnitt (HMI) for å drive trykksenteret (CoP) markøren til spolt mål å forbedre ankelen muskel koordinering henhold volitionally drevet nevromuskulær elektrisk stimulering (NMES) -assisted visuomotor balanse terapi EEG. elektroencefalografi, MN: α-motoneuron, IN: Ia-hemmende interneuron, EMG: electromyogram, DRG: dorsal root ganglion. Gjengitt fra ⁸ og ^37. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Den Antero-posterior (AP) forskyvninger i sentrum av masse (COM) utføresved ankel plantarflexors (slik som mediale gastrocnemius og soleus muskler) og dorsiflexors (for eksempel den fremre tibiale muskel), mens Karakter-laterale (ML) forskyvninger er utført av ankel invertors (for eksempel den fremre tibiale muskel) og evertors (for eksempel peroneus longus og brevis muskler). Derfor slagrelaterte ankel svekkelser inkludert svakhet av ankelen dorsiflexor muskler og økt spastisitet i ankelen plantarflexor muskler føre til nedsatt postural kontroll. Her kan agility treningsprogrammer ⁶ utnyttes i en virtuell virkelighet (VR) basert spillplattform som utfordrer dynamisk balanse hvor oppgaver er gradvis økt i vanskeligheter som kan være mer effektivt enn statisk stretching / vekt-skiftende treningsprogram for å forebygge fall ^6. For eksempel kan fagene utføre volitionally drevet nmes / SES assistert AP og ML forskyvninger under en dynamisk visuomotor balanse oppgave hvor vanskelighetsgraden kan økes gradvis til Ameliorate post-takts ankel-spesifikke kontrollproblemer i vekt skiftende løpet tobent stående. Mot volitionally drevet nmes / SES assistert balanse terapi i en ressursfattige omgivelser, presenterer vi en rimelig HMI for Mobile Brain / Body Imaging (MOBI) ^19, mot visuelle auditive biofeedback som også kan benyttes til datainnsamling fra lav- lige sensorer for offline data leting i MoBILAB (se Ojeda et al. ^20).

Protocol

Merk: HMI programvare Rørledningen ble utviklet basert på fritt tilgjengelig open-source programvare og off-the-sokkel lavkost videospill sensorer (detaljer tilgjengelig på: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ og https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). HMI programvare rørledning er gitt for datainnsamling i løpet av en modifisert funksjonell rekkevidde oppgave (mFRT) 21 i en VR basert spillplattform for visuomotor balanse terapi (VBT) 8. Fi…

Representative Results

Figur 4 viser øye blikk funksjoner som ble hentet offline for kvantifisering av en sunn og sterk ytelse under en jevn jakten oppgave. De følgende egenskaper ble ekstrahert som vist i tabell 1: Feature 1 = prosentvise forskjellen mellom mål stimulus posisjon og tyngdepunktet til deltakernes festepunkter når stimulus forandrer stilling i horisontal retning. <p class="jove_content" fo:kee…

Discussion

En enkel å bruke, klinisk gyldig rimelig verktøy for bevegelse og balanse terapi vil være et paradigmeskifte for neurorehabilitation i en lav-ressurs innstilling. Det er sannsynlig å ha en svært høy samfunnsmessig betydning siden nevrologiske lidelser som slag vil dramatisk øke i fremtiden på grunn av aldring verdens befolkning ^to. Det er derfor et stort behov for å utnytte cyber fysiske systemer hvor evnen til å tilpasse, overvåke og støtte nevro-rehabilitering på eksterne nettsteder har nylig b…

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