ממשק אדם-מכונה-שילוב חיישנים בעלות נמוכה עם מערכת גירוי חשמלי Neuromuscular לשיקום מאזן פעימות הודעה
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
שבץ מוחי נגרם כאשר עורק הובלת הדם מהלב אל אזור במוח מתפרץ או קריש חוסם את זרימת הדם אל המוח ובכך למנוע את העברתו של חמצן וחומרים מזינים. כמחצית ניצולי השבץ נותרת עם מידה מסוימת של נכות. מתודולוגיות חדשניות neurorehabilitation משקמת נדרשים בדחיפות כדי להפחית נכות לטווח ארוך. היכולת של מערכת העצבים כדי לארגן מחדש את המבנה שלה, פונקציה וקשרים כתגובה לגירויים מהותיים או חיצוניים נקראת פלסטיות עצבית. Neuroplasticity מעורב בהפרות סדר פונקציונלי שלאחר שבץ, אלא גם בשיקום. שינויי neuroplastic מועילים ניתן הקלו עם לאלקטרו לא פולשנית, כגון גירוי חשמלי neuromuscular (NMES) וגירוי חשמלי חושי (SES). NMES כרוכה גירוי חשמלי מתואם של עצבים מוטוריים ושרירים כדי להפעיל אותם עם פולסים קצרים רציפים של זרם חשמלי תוך SES involves גירוי של עצבים תחושתיים עם זרם חשמלי וכתוצאה מכך תחושות המשתנות ממדינה בקושי perceivable כדי נעימה מאוד. הנה, השתתפות שבקליפת המוח בנהלים השיקום ניתן בהנחייתם של נהיגה לאלקטרו פולשני עם biosignals (electromyogram (EMG), אלקטרואנצפלוגרם (EEG), electrooculogram (EOG)) המייצגים תפיסה סימולטני פעיל ומאמץ רצוני. כדי להשיג זאת באווירת משאב-עני, למשל, במדינות נמוכות ובינוניות, אנו מציגים ממשק אדם-מכונה-בעלות נמוכה (HMI) על ידי מינוף השיפורים אחרונים בטכנולוגית חיישן ה- off- מדף וידאו משחק. במאמר זה, אנו דנים ממשק תוכנות הקוד הפתוח שמשתלב בעלות הנמוכה off-the-מדף חיישנים ביופידבק חזותי-שמיעתי עם לאלקטרו פולשני לסייע שליטה ביציבה במהלך שיקום איזון. אנו מדגימים את proof-of-concept על מתנדבים בריאים.
Introduction
אפיזודה של חוסר תפקוד נוירולוגים שנגרם מוקדי מוחות, שדרה, או אוטם רשתית נקראת שבץ 1. שבץ הוא בעיה בריאותית גלובלית גורם מוביל הרביעי של נכות ברחבי עולם 1. במדינות כמו הודו וסין, שתי המדינות המאוכלסות ביותר בעולם, נכות נוירולוגית עקב שבץ מוחי מתבצעת מתויג בתור מגיפת מוסתרים 2. אחד הסיבוכים הרפואיים הנפוצים ביותר לאחר שבץ הם נפילות עם שכיחות דיווח של עד 73% ב -3 השנים שלאחר השבץ הראשונה. נפילת פעימות פוסט תלויה בכמה גורמים, וכוללת הן גורמי שדרת supraspinal כמו הזנחת איזון visuospatial 4. סקירה על ידי Geurts ועמיתיו 5 זיהו 1) רב-כיוונית לקויי משקל מקסימאלי הסטה במהלך מעמדה שני גפיים, 2) במהירות איטית, 3) חוסר דיוק כיוונית, ו -4) אמפליטודות קטנות של משמרות משקל מטוס חזיתית תת-מרבית יחיד מחזוריים כיתרה גורמים עבור רי בסתיוsk. ההשפעה הסוגר על פעולות יומיומיות יכולה להיות משמעותית מאז עבודות קודמות הראו איזון משויך היכולת ועצמאות אמבולטורי בתפקוד מוטורי ברוטו 5, 6. יתר על כן, Geurts ועמיתיו 5 הציעו שילוב רב חושי supraspinal (ושריר תיאום 7) בנוסף כוח שרירים הוא קריטי עבור הסדרת יתרה שחסרת פרוטוקולים נוכחיים. לקראת אינטגרציה רבה חושית, ההשערה שלנו 8 על מונע מהרצון לאלקטרו פולשני (NMES / SES) היא התנהגות אדפטיבית זה יכול להיות בצורה בהנחייתם ויסות תפיסה פעילה של תשומות חושיות במהלך NMES / תנועת SES בסיוע של האיבר הפגוע כך מוח יכול לשלב את המשוב הזה לתוך פלט תנועה שלאחר מכן על ידי גיוס נתיבי תנועה חלופי 9, במידת הצורך.
כדי להשיג מונע מרצונכם NMES / SES בסיוע אימון איזון משאב-poor שוקעת, ממשק-מכונה-אדם בעלות נמוכה (HMI) פותח על ידי מינוף תוכנות קוד פתוח זמינות השיפורים אחרונים בטכנולוגית חיישן ה- off- מדף משחק וידאו עבור ביופידבק חזותי-שמיעתי. NMES כרוכה גירוי חשמלי מתואמת של העצבים והשרירים כי הוכח כדי לשפר את כוח השרירים ולהפחית ספסטיות 10. כמו כן, SES כרוכה גירוי של עצבים תחושתיים עם זרם חשמלי כדי לעורר תחושות שבו ראשונית שפורסמה עבודה 11 הראתה שגירוי subsensory מיושם על השרירים הקדמיים tibialis לבד יעיל ההפחתה להשפיע יציבה. הנה, HMI יגרום אינטגרציה חושית-מוטורית אפשרי במהלך הטיפול איזון שלאחר שבץ אינטראקטיבי שבו מרצונכם מונחה NMES / SES עבור שרירי הקרסול ישמש מגבר שריר (עם NMES) וכן לשפר משוב מביא (עם SES) כדי לסייע אסטרטגיות קרסול בריאות 12,13,14 לשמור יציבה זקופה במהלך מתנועע יציב. זהעל-פי השערת המוצגים דוטה et al. 8 כי רגישות corticospinal מוגברת של שרירי הקרסול רלוונטי התבצע באמצעות אלקטרותרפיה פולשני רשאי להשאיל אל אפנון supraspinal משופרת של קשיחות הקרסול. ואכן, עבודות קודמות הראו כי NMES / SES מעורר שינויים קיימא רגישות corticospinal, ואולי כתוצאה מנוע הפעלת שיתוף וסיבים חושית 15,16. יתר על כן, Khaslavskaia ו Sinkjaer 17 הראה בבני אדם כי קליפת המוח המוטורי במקביל הכונן הנוכחי בעת NMES / SES משופר רגישות קליפת המוח המוטורי. לכן, מרצונכם מונחה NMES / SES עלול לגרום neuroplasticity לטווח קצר רפלקסים השדרה (למשל, עיכוב Ia הגומלין 17) שבו הנוירונים corticospinal המקרינים באמצעות יורד מסלולים לבריכה motoneuron נתון יכול לעכב את הבריכה motoneuron אנטגוניסטית באמצעות interneurons Ia-מעכבים בני אדם 18, כפי שמוצג באיור 1, לקראת oהפרדיגמה מיזוג perant (ראה אל דוטה et. 8).
איור 1: הקונספט (. פרטים על דוטה ואח 21) ממשק אדם מכונה אינטראקטיבי הבסיסית (HMI) לנהוג במרכז הלחץ (COP) הסמן אל המטרה רמז לשיפור התיאום שריר הקרסול תחת גירוי חשמלי neuromuscular מונע מרצונכם (NMES) טיפול visuomotor איזון -assisted EEG:. electroencephalography, MN: α-motoneuron, IN: interneuron Ia מעכבות, EMG: electromyogram, DRG: גנגליון השורש הגבי. לשכפל מ 8 ו -37. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
אנטרו-אחורי (AP) התקות מרכז המסה (COM) מבוצעותעל ידי קרסול plantarflexors (כגון שרירים הגסטרוקנמיוס ו soleus המדיאלי) ו dorsiflexors (כגון שריר השוקה הקדמי) תוך Medio לטרלי (ML) התקות מבוצעות על ידי invertors קרסול (כגון שריר השוקה הקדמי) ו evertors (כגון שריר השוקיתי ארוך ו brevis שרירים). כתוצאה מכך, ליקויי קרסול קשור שבץ הכוללים חולשה של הקרסול dorsiflexor שרירים ספסטיות המוגבר של הקרסול plantarflexor שרירים להוביל שליטה ביציבה לקויה. כאן, תוכניות הכשרה הזריזות 6 ניתן למנף במציאות וירטואלית (VR) פלטפורמת המשחקים מבוסס המאתגרות איזון דינמי שבו משימות הם הגדילו בהדרגה הקושי אשר עשוי להיות יעיל יותר מאשר תוכנית תרגיל מתיחה / משקל-הסטה סטטי במניעת נפילות 6. לדוגמה, נושאים יכולים לבצע מונע מרצונכם AP NMES / SES בסיוע התקות ML במהלך משימה איזון דינמי visuomotor שבו הקושי ניתן להגדיל בהדרגה עאמלiorate בעיות שליטה שלאחר שבץ ספציפי קרסול במשקל הסטה במהלך מעמדה שני גפיים. לקראת מרצונכם מונע טיפול איזון סייע NMES / SES בסביבת משאב-עני, אנו מציגים בעלות נמוכה HMI נייד מוח / גוף הדמיה (Mobi) 19, לקראת ביופידבק חזותי-שמיעתי אשר יכול לשמש גם עבור איסוף נתונים מתוך נמוך חיישני עלות עבור חקר נתונים לא מקוון MoBILAB (ראה ואח Ojeda. 20).
Protocol
Representative Results
Discussion
פשוט לשימוש, כלי בעלות נמוכה תקפים קלינית לטיפול תנועה ושיווי משקל יהיו שינוי פרדיגמה עבור neurorehabilitation באווירה דל במשאבים. היא עשויה להיות השפעה חברתית גבוהה מאוד מאז הפרעות נוירולוגיות כמו שבץ יגדל באופן דרמטי בעתיד עקב הזדקנות האוכלוסייה בעולם 2. יש, אם כן, צור…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר שנערך במסגרת הג'וינט ממוקד התכנית מידע ותקשורת המדע והטכנולוגיה – ICST, נתמך על ידי CNRS, INRIA, ו DST, תחת המטרייה של CEFIPRA. המחברים מבקשים להודות התמיכה של הסטודנטים, במיוחד רחימה Sidiboulenouar, Rishabh Sehgal, ו Gorish Aggarwal, לקראת פיתוח של הגדרת הניסוי.
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 |
References
- Sacco, R. L., Kasner, S. E. An updated definition of stroke for the 21st century: a statement for healthcare professionals from the American Heart Association/American Stroke Association. Stroke; a journal of cerebral circulation. 44 (7), 2064-2089 (2013).
- Das, A., Botticello, A. L., Wylie, G. R., Radhakrishnan, K. Neurologic Disability: A Hidden Epidemic for India. Neurology. 79 (21), 2146-2147 (2012).
- Verheyden, G. S. A. F., Weerdesteyn, V. Interventions for preventing falls in people after stroke. The Cochrane database of systematic reviews. 5, 008728 (2013).
- Campbell, G. B., Matthews, J. T. An integrative review of factors associated with falls during post-stroke rehabilitation. Journal of Nursing Scholarship: An Official Publication of Sigma Theta Tau International Honor Society of Nursing / Sigma Theta Tau. 42, 395-404 (2010).
- Geurts, A. C. H., de Haart, M., van Nes, I. J. W., Duysens, J. A review of standing balance recovery from stroke. Gait & posture. 22, 267-281 (2005).
- Marigold, D. S., Eng, J. J., Dawson, A. S., Inglis, J. T., Harris, J. E., Gylfadóttir, S. Exercise leads to faster postural reflexes, improved balance and mobility, and fewer falls in older persons with chronic stroke. Journal of the American Geriatrics Society. 53, 416-423 (2005).
- Mansfield, A., Mochizuki, G., Inness, E. L., McIlroy, W. E. Clinical correlates of between-limb synchronization of standing balance control and falls during inpatient stroke rehabilitation. Neurorehabilitation and neural repair. 26, 627-635 (2012).
- Dutta, A., Lahiri, U., Das, A., Nitsche, M. A., Guiraud, D. Post-stroke balance rehabilitation under multi-level electrotherapy: a conceptual review. Neuroprosthetics. 8, 403 (2014).
- Agnes Roby-Brami, S. F. Reaching and Grasping Strategies in Hemiparetic Patients. Human Kinetics Journals. , (2010).
- Sabut, S. K., Sikdar, C., Kumar, R., Mahadevappa, M. Functional electrical stimulation of dorsiflexor muscle: effects on dorsiflexor strength, plantarflexor spasticity, and motor recovery in stroke patients. NeuroRehabilitation. 29, 393-400 (2011).
- Magalhães, F. H., Kohn, A. F. Effectiveness of electrical noise in reducing postural sway: a comparison between imperceptible stimulation applied to the anterior and to the posterior leg muscles. European Journal of Applied Physiology. 114, 1129-1141 (2014).
- Hwang, S., Tae, K., Sohn, R., Kim, J., Son, J., Kim, Y. The balance recovery mechanisms against unexpected forward perturbation. Annals of biomedical engineering. 37, 1629-1637 (2009).
- Gatev, P., Thomas, S., Kepple, T., Hallett, M. Feedforward ankle strategy of balance during quiet stance in adults. The Journal of physiology. 514, 915-928 (1999).
- Cofre Lizama, E. L., Pijnappels, M., Reeves, N. P., Verschueren, S. M. P., van Dieën, J. H. Can explicit visual feedback of postural sway efface the effects of sensory manipulations on mediolateral balance performance. Journal of Neurophysiology. , (2015).
- Knash, M. E., Kido, A., Gorassini, M., Chan, K. M., Stein, R. B. Electrical stimulation of the human common peroneal nerve elicits lasting facilitation of cortical motor-evoked potentials. Experimental brain research. 153, 366-377 (2003).
- Dinse, H. R., Tegenthoff, M. Evoking plasticity through sensory stimulation: Implications for learning and rehabilitation. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 6, 11-20 (2015).
- Khaslavskaia, S., Sinkjaer, T. Motor cortex excitability following repetitive electrical stimulation of the common peroneal nerve depends on the voluntary drive. Experimental brain research. 162, 497-502 (2005).
- Perez, M. A., Field-Fote, E. C., Floeter, M. K. Patterned sensory stimulation induces plasticity in reciprocal ia inhibition in humans. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 23, 2014-2018 (2003).
- Makeig, S. Mind Monitoring via Mobile Brain-Body Imaging. Foundations of Augmented Cognition. Neuroergonomics and Operational. , 749-758 (2009).
- Ojeda, A., Bigdely-Shamlo, N., Makeig, S. MoBILAB: an open source toolbox for analysis and visualization of mobile brain/body imaging data. Frontiers in Human Neuroscience. 8, 121 (2014).
- Dutta, A., Chugh, S., Banerjee, A., Dutta, A. Point-of-care-testing of standing posture with Wii balance board and microsoft kinect during transcranial direct current stimulation: A feasibility study. NeuroRehabilitation. 34, 789-798 (2014).
- Nataraj, R. . Feedback Control Of Standing Balance Using Functional Neuromuscular Stimulation Following Spinal Cord Injury. , (2011).
- Dutta, A., Paulus, W., Nitsche, A., M, Translational Methods for Non-Invasive Electrical Stimulation to Facilitate Gait Rehabilitation Following Stroke – The Future Directions. Neuroscience and Biomedical Engineering. 1, 22-33 (2013).
- Banerjee, A., Khattar, B., Dutta, A. A Low-Cost Biofeedback System for Electromyogram-Triggered Functional Electrical Stimulation Therapy: An Indo-German Feasibility Study. ISRN Stroke. 2014, e827453 (2014).
- Kerkhoff, G., Reinhart, S., Ziegler, W., Artinger, F., Marquardt, C., Keller, I. Smooth pursuit eye movement training promotes recovery from auditory and visual neglect: a randomized controlled study. Neurorehabilitation and Neural Repair. 27, 789-798 (2013).
- Carl, J. R., Gellman, R. S. Human smooth pursuit: stimulus-dependent responses. Journal of Neurophysiology. 57, 1446-1463 (1987).
- Clark, R. A., Bryant, A. L., Pua, Y., McCrory, P., Bennell, K., Hunt, M. Validity and reliability of the Nintendo Wii Balance Board for assessment of standing balance. Gait & posture. 31, 307-310 (2010).
- Clark, R. A., Pua, Y. -. H. Validity of the Microsoft Kinect for assessment of postural control. Gait & posture. 36, 372-377 (2012).
- Khattar, B., Banerjee, A., Reddi, R., Dutta, A. Feasibility of Functional Electrical Stimulation-Assisted Neurorehabilitation following Stroke in India: A Case Series. Case Reports in Neurological Medicine. 2012, e830873 (2012).
- Sailer, U., Flanagan, J. R., Johansson, R. S. Eye-hand coordination during learning of a novel visuomotor task. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 25, 8833-8842 (2005).
- Herr, H., Popovic, M. Angular momentum in human walking. The Journal of Experimental Biology. 211, 467-481 (2008).
- Taub, E., Morris, D. M. Constraint-induced movement therapy to enhance recovery after stroke. Current atherosclerosis reports. 3, 279-286 (2001).
- Kasten, E., Wuest, S., Sabel, B. A. Residual vision in transition zones in patients with cerebral blindness. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 20, 581-598 (1998).
- Marshall, S. P. Identifying Cognitive State from Eye Metrics. Aviation, Space, and Environmental Medicine. 78, 165-175 (2007).
- Weerdesteyn, V., de Niet, M., van Duijnhoven, H. J. R., Geurts, A. C. H. Falls in individuals with stroke. Journal of Rehabilitation Research and Development. 45, 1195-1213 (2008).
- Stinear, C. M., Barber, P. A., Petoe, M., Anwar, S., Byblow, W. D. The PREP algorithm predicts potential for upper limb recovery after stroke. Brain: A Journal of Neurology. 135 ((Pt 8)), 2527-2535 (2012).
- Dutta, A., Lahiri, D., Kumar, U., Das, A., Padma, M. V. Post-stroke engagement-sensitive balance rehabilitation under an adaptive multi-level electrotherapy: clinical hypothesis and computational framework. Neuroscience and Biomedical Engineering. 2 (2), 68-80 (2015).
