एक मानव-मशीन इंटरफ़ेस पोस्ट स्ट्रोक शेष पुनर्वास के लिए एक Neuromuscular विद्युत उत्तेजना प्रणाली के साथ कम लागत सेंसर का घालमेल
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
एक स्ट्रोक की वजह से मस्तिष्क में एक क्षेत्र के लिए दिल से खून ले जाने के एक धमनी फटने या एक थक्का मस्तिष्क जिससे ऑक्सीजन और पोषक तत्वों के वितरण को रोकने के लिए रक्त के प्रवाह को भी नुकसान पहुँचा हो जाती है। स्ट्रोक बचे के बारे में आधे से विकलांगता के कुछ डिग्री के साथ छोड़ दिया जाता है। दृढ Neurorehabilitation के लिए अभिनव तरीके में तत्काल लंबी अवधि विकलांगता को कम करने के लिए आवश्यक हैं। आंतरिक या बाह्य उत्तेजनाओं के लिए एक प्रतिक्रिया के रूप में अपनी संरचना, समारोह और कनेक्शन के पुनर्निर्माण के लिए तंत्रिका तंत्र की क्षमता neuroplasticity कहा जाता है। Neuroplasticity पोस्ट स्ट्रोक कार्यात्मक गड़बड़ी में शामिल है, लेकिन यह भी पुनर्वास में। लाभकारी neuroplastic परिवर्तन जैसे neuromuscular बिजली की उत्तेजना (NMES) और संवेदी बिजली की उत्तेजना (सत्र) के रूप में, गैर इनवेसिव विद्युत के साथ की जा सकती है। NMES उन्हें मौजूदा बिजली की निरंतर कम दालों, जबकि सत्र invo के साथ सक्रिय करने के लिए मोटर तंत्रिकाओं और मांसपेशियों के समन्वित बिजली की उत्तेजना शामिलबिजली के वर्तमान उत्तेजना है कि मुश्किल से करने के लिए perceivable अत्यधिक अप्रिय से भिन्न है, जिसके परिणामस्वरूप के साथ संवेदी तंत्रिकाओं के lves उत्तेजना। इधर, पुनर्वास प्रक्रिया में सक्रिय भागीदारी cortical biosignals साथ गैर इनवेसिव विद्युत (विद्युतपेशीलेख (ईएमजी), Electroencephalogram (ईईजी), electrooculogram (सभी छवियाँ)) में एक साथ सक्रिय धारणा और इच्छाशक्ति के प्रयास का प्रतिनिधित्व ड्राइविंग द्वारा मदद की जा सकती है। एक संसाधन गरीब सेटिंग, जैसे, निम्न और मध्यम आय वाले देशों में इस लक्ष्य को हासिल करने के लिए हम मुस्तैद वीडियो गेम सेंसर प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में हाल के अग्रिमों का इस्तेमाल करके एक कम लागत मानव मशीन इंटरफेस (एचएमआई) प्रस्तुत करते हैं। इस पत्र में, हम खुले स्रोत सॉफ्टवेयर इंटरफ़ेस है कि गैर इनवेसिव विद्युत के साथ दृश्य-श्रवण बायोफीडबैक संतुलन पुनर्वास के दौरान आसनीय नियंत्रण की सहायता के लिए के लिए कम लागत मुस्तैद सेंसर एकीकृत चर्चा की। हम स्वस्थ स्वयंसेवकों पर सबूत की अवधारणा को प्रदर्शित करता है।
Introduction
फोकल मस्तिष्क, रीढ़ की हड्डी, या रेटिना रोधगलन की वजह से मस्तिष्क संबंधी रोग के एक प्रकरण स्ट्रोक 1 कहा जाता है। स्ट्रोक एक वैश्विक स्वास्थ्य समस्या है और दुनिया भर में विकलांगता 1 का चौथा प्रमुख कारण है। भारत और चीन, दो दुनिया की सबसे बड़ी आबादी वाले देशों जैसे देशों में, स्ट्रोक के कारण तंत्रिका संबंधी विकलांगता छिपा महामारी 2 के रूप में चिह्नित किया जा रहा है। एक झटके के बाद सबसे आम चिकित्सा जटिलताओं में से एक पहले साल के बाद स्ट्रोक 3 में अप करने के लिए 73% की एक रिपोर्ट घटना के साथ जलप्रपात हैं। पोस्ट-स्ट्रोक गिरावट multifactorial है और संतुलन और visuospatial उपेक्षा 4 की तरह दोनों रीढ़ की हड्डी और supraspinal कारकों में शामिल हैं। Geurts और उनके सहयोगियों 5 1 पहचान द्वारा एक समीक्षा) बहु दिशात्मक अधिक से अधिक वजन द्विपाद खड़े, 2) धीमी गति, 3) दिशात्मक अस्पष्टता, और के दौरान स्थानांतरण बिगड़ा 4) संतुलन के रूप में एकल और चक्रीय उप अधिक से अधिक ललाट विमान वजन पारियों के छोटे आयाम गिरावट री के लिए कारकोंएस। दैनिक जीवन की गतिविधियों पर फलस्वरूप प्रभाव महत्वपूर्ण हो सकता है के बाद से काम करता है के लिए पहले से पता चला है कि शेष चल क्षमता और सकल मोटर समारोह 5, 6 में स्वतंत्रता के साथ जुड़ा हुआ है। इसके अलावा, Geurts और उनके सहयोगियों 5 सुझाव दिया है कि मांसपेशियों की ताकत के अलावा supraspinal multisensory एकीकरण (और मांसपेशियों में समन्वय 7) संतुलन वसूली जो मौजूदा प्रोटोकॉल में कमी है के लिए महत्वपूर्ण है। Multisensory एकीकरण की दिशा में, volitionally संचालित गैर इनवेसिव विद्युत पर हमारी परिकल्पना 8 (NMES / एसईएस) है कि यह अनुकूली व्यवहार के आकार का है और इस तरह कि प्रभावित अंग के NMES / सत्र की मदद से आंदोलन के दौरान संवेदी आदानों की सक्रिय धारणा नियमन द्वारा मदद की जा सकती है मस्तिष्क की भर्ती वैकल्पिक मोटर रास्ते 9, अगर जरूरत द्वारा बाद में आंदोलन उत्पादन में इस प्रतिक्रिया को शामिल कर सकते हैं।
एक संसाधन में volitionally संचालित NMES / सत्र की मदद से शेष प्रशिक्षण प्राप्त करने के लिएगरीब की स्थापना, एक कम लागत मानव मशीन इंटरफेस (एचएमआई) दृश्य-श्रवण बायोफीडबैक के लिए मुस्तैद वीडियो गेम सेंसर प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में उपलब्ध खुला स्रोत सॉफ्टवेयर और हाल के अग्रिमों का लाभ द्वारा विकसित किया गया था। NMES नसों और मांसपेशियों कि मांसपेशियों की ताकत में सुधार लाने और spasticity 10 को कम करने के लिए दिखाया गया है के समन्वित बिजली की उत्तेजना शामिल है। इसके अलावा, सत्र उत्तेजना जहां प्रारंभिक प्रकाशित काम 11 से पता चला कि subsensory उत्तेजना tibialis पूर्वकाल मांसपेशियों पर लागू अकेले आसनीय बोलबाला attenuating में कारगर है पैदा करने के लिए बिजली के वर्तमान के साथ संवेदी तंत्रिकाओं की उत्तेजना शामिल है। इधर, एचएमआई इंटरैक्टिव पोस्ट स्ट्रोक संतुलन के लिए चिकित्सा टखने की मांसपेशियों (NMES) के साथ एक मांसपेशी एम्पलीफायर के रूप में कार्य करेगा और साथ ही साथ (सत्र) के साथ अभिवाही प्रतिक्रिया को बढ़ाने के लिए जहां volitionally संचालित NMES / सत्र के दौरान संभव संवेदी मोटर एकीकरण कर देगा आसनीय sways दौरान ईमानदार रुख बनाए रखने के लिए स्वस्थ टखने की रणनीतियों 12,13,14 सहायता करते हैं। ये हैदत्ता एट अल। 8 में प्रस्तुत परिकल्पना के आधार पर गैर-आक्रामक विद्युत के माध्यम से प्रभावित प्रासंगिक टखने की मांसपेशियों का एक बढ़ा corticospinal excitability टखने की कठोरता के एक उन्नत supraspinal मॉडुलन के लिए उधार दे सकता है। दरअसल, पहले काम दिखाया गया है कि NMES / सत्र corticospinal excitability में स्थायी परिवर्तन elicits, संभवतः सह सक्रिय मोटर और संवेदी तंतुओं 15,16 का एक परिणाम के रूप में। इसके अलावा, Khaslavskaia और Sinkjaer 17 मनुष्य समवर्ती मोटर cortical ड्राइव NMES / सत्र के समय उपस्थित बढ़ाया है कि मोटर cortical excitability में पता चला है। इसलिए, volitionally संचालित NMES / सत्र रीढ़ की सजगता में अल्पकालिक neuroplasticity उत्पन्न हो सकता है (जैसे, पारस्परिक आइए निषेध 17) जहां corticospinal न्यूरॉन्स कि एक दिया motoneuron पूल के लिए रास्ते के माध्यम से उतरते परियोजना में आइए-निरोधात्मक interneurons के माध्यम से विरोधी motoneuron पूल बाधित कर सकते हैं 18 मनुष्य है, के रूप में चित्र 1 में दिखाया गया है, एक हे की ओरperant कंडीशनिंग प्रतिमान (दत्ता एट अल देखें। 8)।
चित्रा 1: अवधारणा (। दत्ता पर विवरण एट अल 21) अंतर्निहित इंटरैक्टिव मानव मशीन इंटरफेस (एचएमआई) cued लक्ष्य करने के लिए दबाव (पुलिस) के केंद्र ड्राइव करने के लिए कर्सर volitionally संचालित neuromuscular बिजली की उत्तेजना के तहत टखने की मांसपेशियों में समन्वय में सुधार करने के लिए (NMES) -assisted visuomotor संतुलन चिकित्सा ईईजी:। electroencephalography, एम.एन.: α-motoneuron, में: IA-निरोधात्मक interneuron, ईएमजी: विद्युतपेशीलेख, डीआरजी: पृष्ठीय रूट नाड़ीग्रन्थि। 8 और 37 से reproduced। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
Antero पीछे (एपी) द्रव्यमान (कॉम) के केंद्र में विस्थापन प्रदर्शन कर रहे हैंटखने plantarflexors (जैसे कि औसत दर्जे का gastrocnemius और soleus मांसपेशियों के रूप में) और (जैसे पूर्वकाल tibial पेशी के रूप में) dorsiflexors जबकि मिडफील्डर पार्श्व द्वारा (माले) के विस्थापन टखने invertors (जैसे पूर्वकाल tibial मांसपेशियों के रूप में) और ऐसे peroneus longus के रूप में evertors (द्वारा किया जाता है और मांसपेशियों brevis)। नतीजतन, स्ट्रोक से संबंधित मांसपेशियों dorsiflexor टखने की कमजोरी और टखने की वृद्धि की spasticity plantarflexor मांसपेशियों सहित टखने दोष बिगड़ा आसनीय नियंत्रण के लिए सीसा। इधर, चपलता प्रशिक्षण कार्यक्रम 6 एक आभासी वास्तविकता में है कि गतिशील संतुलन जहां कार्य उत्तरोत्तर कठिनाई में बढ़ रहे हैं जो फॉल्स 6 को रोकने में स्थिर खींच / वजन बदलने वाले व्यायाम कार्यक्रम की तुलना में अधिक प्रभावी हो सकता चुनौती (वीआर) आधारित गेमिंग मंच का लाभ उठाया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक गतिशील विषयों visuomotor संतुलन कार्य जहां कठिनाई उत्तरोत्तर Amel करने के लिए बढ़ाया जा सकता है के दौरान volitionally संचालित NMES / सत्र सहायता एपी और एमएल विस्थापन प्रदर्शन कर सकते हैंद्विपाद खड़े दौरान स्थानांतरण वजन में iorate पोस्ट स्ट्रोक टखने विशिष्ट नियंत्रण समस्याओं। एक संसाधन गरीब की स्थापना में volitionally संचालित NMES / सत्र सहायता संतुलन थेरेपी की ओर, हम वर्तमान में एक कम कीमत वाले मोबाइल ब्रेन / शारीरिक इमेजिंग (Mobi) 19, दृश्य-श्रवण बायोफीडबैक की दिशा के लिए एचएमआई जो भी कम से डेटा संग्रह के लिए इस्तेमाल किया जा सकता MoBILAB में ऑफ़लाइन डेटा अन्वेषण के लिए लागत सेंसर (Ojeda एट अल देखें। 20)।
Protocol
Representative Results
Discussion
आंदोलन और संतुलन चिकित्सा के लिए एक सरल करने के लिए उपयोग, चिकित्सकीय वैध कम लागत उपकरण एक कम संसाधन सेटिंग में Neurorehabilitation के लिए एक बदलाव होगा। यह एक बहुत ही उच्च सामाजिक प्रभाव के बाद से स्ट्रोक की तरह मस?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
संयुक्त के संदर्भ में किए गए शोध सूचना और संचार प्रौद्योगिकी और विज्ञान में कार्यक्रम लक्षित – आई सी एस टी, CNRS, INRIA, और डीएसटी द्वारा समर्थित है, CEFIPRA की छतरी के नीचे। लेखकों प्रयोगात्मक स्थापना के विकास की दिशा में, छात्रों, विशेष रूप से Rahima Sidiboulenouar, रिषभ सहगल और Gorish अग्रवाल के समर्थन को स्वीकार करना चाहते हैं।
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 |
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