İnme sonrası Denge Rehabilitasyon bir Nöromüsküler Elektriksel Stimülasyon Sistemi ile düşük maliyetli Sensörler entegre bir İnsan-makine arayüzü
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
Beyinde bir alana kalpten kan taşıyan bir arter patlamaları ya da pıhtı beyin ve böylece oksijen ve besin teslim önlenmesi kan akışını engelleyen BIR inme neden olur. inme geçirenlerin yaklaşık yarısı sakatlık bir dereceye kadar bırakılır. restoratif nörorehabilitasyon için yenilikçi yöntemler acilen uzun vadeli sakatlık azaltmak için gereklidir. içsel veya dışsal uyaranlara yanıt olarak yapı, işlev ve bağlantıları yeniden sinir sisteminin özelliği Nöroplastisite. Nöroplastisite aynı zamanda rehabilitasyon, inme sonrası fonksiyonel bozukluklar yer almaktadır. Faydalı nöroplastik değişiklikler gibi nöromusküler elektrik stimülasyonu (NMES) ve duyusal elektrik stimülasyonu (SES) olarak, non-invaziv elektroterapi ile kolaylaştırılabilir. NMES SES invo ise elektrik akımının sürekli kısa darbeleri ile bunları etkinleştirmek için motor sinirlerin ve kasların koordineli elektriksel uyarımı içerirzar zor algılanabilir nahoş değişir duyumlar sonuçlanan elektrik akımı ile duyu sinirlerinin LVES uyarılması. Burada, rehabilitasyon prosedürleri aktif kortikal katılımı eşzamanlı aktif algı ve istemli çabayı temsil Biyosinyallerin ile non-invaziv elektroterapi (elektromyogram (EMG), elektroensefalogram (EEG), elektrookülogram (EOG)) sürerek kolaylaştırılabilir. Düşük ve orta gelirli ülkelerde bir kaynak yoksunu bir ortamda, örneğin, bunu başarmak için, biz off-the-raf video oyun sensör teknolojisi ile ilgili son gelişmeleri yararlanarak düşük maliyetli insan-makine arayüzü (HMI) sunuyoruz. Bu yazıda, denge rehabilitasyon sırasında postural kontrol yardımcı olmak için non-invaziv elektroterapi ile görsel-işitsel biofeedback için düşük maliyetli off-the-raf sensörleri entegre açık kaynak yazılım arayüzü tartışmak. Biz kanıt-of-concept sağlıklı gönüllü üzerinde göstermektedir.
Introduction
Fokal serebral, spinal veya retina enfarktüsü nedeniyle nörolojik fonksiyon bozukluğunun bir bölüm inme 1 denir. İnme küresel bir sağlık sorunudur ve sakatlık dünya çapında 1 dördüncü önde gelen nedenidir. Hindistan ve Çin, dünyanın iki en kalabalık ülkeleri gibi ülkelerde, inmeye bağlı nörolojik özürlülük gizli salgını 2 olarak etiketlenmiş ediliyor. İnme sonrası en sık görülen tıbbi komplikasyonlardan biri ilk sene inme sonrası 3 adede kadar% 73 rapor insidansı düşme vardır. İnme sonrası düşüş çok faktörlü ve denge ve görsel-uzamsal ihmal 4 gibi spinal ve supraspinal faktörleri içerir. Geurts ve 1 tanımlanmış arkadaşları 5 A yorum) Çok yönlü iki ayaklı ayakta, 2) yavaş hız, 3) yönlü belirsizlik ve sırasında değişen maksimal ağırlık engelli 4) denge olarak tek ve halkalı submaksimal frontal düzlem ağırlık vardiya küçük genlikleri sonbahar ri faktörlerisk. Önceki çalışmalar bu denge kaba motor fonksiyon 5, 6 ayaktan yeteneği ve bağımsızlık ile ilişkili olduğunu göstermiştir beri günlük yaşam aktiviteleri üzerine bunun sonucunda etkisi önemli olabilir. Ayrıca, Geurts ve arkadaşları 5 kas gücü yanı sıra Supraspinal multisensory entegrasyon (ve kas koordinasyonu 7) Mevcut protokoller eksik denge kurtarma için kritik olduğunu ileri sürmüşlerdir. Multisensory entegrasyonu yolunda, istemli tahrik non-invaziv elektroterapi bizim hipotez 8 (NMES / SES) bu adaptif davranış şeklinde ve böyle etkilenen ekstremitenin NMES / SES-destekli hareketi sırasında duyusal girdilerin aktif algı modüle kolaylaştırılabilir olduğunu beyin gerekirse, alternatif motor yolları 9 işe alarak sonraki hareket çıkışı içine bu geribildirim dahil edebilirsiniz.
Bir kaynak istemli tahrik NMES / SES-destekli denge eğitimi elde etmek içinZavallı ayarı, düşük maliyetli insan-makine arayüzü (HMI) görsel-işitsel biofeedback için off-the-raf video oyun sensör teknolojisi mevcut açık kaynak yazılım ve son gelişmeler yararlanarak geliştirilmiştir. NMES kas gücünü artırmak ve spastisite 10 azaltmak için gösterilmiştir sinirlerin ve kasların koordineli elektriksel uyarımı içerir. Ayrıca, SES ön yayınlanan eser 11 subsensory stimülasyon tek başına tibialis anterior kas üzerine uygulanan salınımlar zayıflatıcı etkili olduğunu göstermiştir duyumları uyandırmak için elektrik akımı ile duyu sinirlerinin uyarılması içerir. Burada, HMI (NMES) ile kas amplifikatör olarak hareket yanı sıra (SES) afferent geri artıracaktır ayak bileği kaslarında için NMES / SES istemli odaklı interaktif inme sonrası denge tedavisine sırasında mümkün duyusal-motor entegrasyonu yapacak postural savurursa sırasında dik duruşunu korumak için sağlıklı ayak bileği stratejileri 12,13,14 yardımcı olur. BuDutta ve ark. 8'de sunulan hipotezine dayalı non-invazif elektroterapi yoluyla gerçekleştirilir ilgili ayak kaslarının artmış kortikospinal uyarılma bilek sertliğinin geliştirilmiş Supraspinal modülasyon borç olabilir. Gerçekten de, önceki iş KSEU / SES muhtemelen eş aktive motor ve duyu lifleri 15,16 sonucu, kortikospinal uyarılabilirliği kalıcı değişiklikleri yol açtığını göstermiştir. Ayrıca, Khaslavskaia ve Sinkjaer 17 NMES / SES anda mevcut eş zamanlı motor kortikal tahrik motoru kortikal eksitabilite artırdığını insanlarda gösterdi. Bu nedenle, istemli odaklı NMES / SES spinal reflekslerin kısa vadeli nöroplastisiteyi neden olabilir (örneğin, karşılıklı la inhibisyonu 17) Belirli bir motonöron havuzuna yolları inen yoluyla proje kortikospinal nöronlar içinde la-inhibitör yoluyla karşıt motor nöron havuzu inhibe Şekil 1 'de gösterildiği gibi, bir O doğru, 18 insanlardaperant klima paradigma (Dutta ve ark bakın. 8).
Şekil 1: istemli tahrik nöromusküler elektrik stimülasyonu altında ayak bileği kas koordinasyonunu geliştirmek için cued hedefe (NMES) basıncı (COP) merkezini sürücü imleci kavram (. Dutta de ayrıntıları ve ark 21) altta yatan interaktif insan makine arayüzü (HMI) -assisted visuomotor denge tedavisi EEG:. elektroensefalografi, MN: α-motor nöron, IN: la-inhibitör, EMG: elektromyogram, DRG: dorsal kök ganglion. 8 ve 37 çoğaltılamaz. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
ön-arka (AP) kütle (COM) merkezinde yer değiştirmeleri yapılırayak bileği (örneğin medial gastroknemius ve soleus kaslarının gibi) plantar ve (örneğin tibialis anterior kas gibi) dorsifleksör medio-yanal süre ile (ML) değiştirmeler ayak bileği (örneğin tibialis anterior kas gibi) invertörler ve peroneus longus olarak evertors (tarafından yapılmaktadır ve) brevis. Sonuç olarak, kasların dorsifleksör ayak bileği zayıflığı ve ayak bileği artan spastisite plantar kasları dahil olmak üzere inme ile ilgili ayak bileği bozuklukları bozulmuş postural kontrol yol açar. Burada, çeviklik eğitim programları 6 düşmeleri 6 önlemede statik germe / ağırlık kayması egzersiz programı daha etkili olabilir görevler giderek zorluk artmış dinamik dengeyi meydan (VR) tabanlı oyun platformu sanal gerçeklik kaldıraçlı olabilir. Örneğin, denekler zorluk kademeli olarak amel artırılabilir dinamik visuomotor denge görevi sırasında istemli tahrik NMES / SES destekli AP ve ML deplasmanları gerçekleştirebilirsiniziki ayaklı ayakta sırasında değişen ağırlık iorate inme sonrası ayak bileği özgü kontrol problemleri. Bir kaynak fakiri bir ortamda istemli tahrik NMES / SES destekli denge tedavisi doğru, biz sunuyoruz de düşük veri toplama için kullanılabilir görsel-işitsel biofeedback doğru Mobil Beyin / Vücut Görüntüleme (Mobi) 19, için düşük maliyetli bir HMI MoBILAB çevrimdışı veri keşif için maliyet sensörleri (Ojeda ark bakın. 20).
Protocol
Representative Results
Discussion
hareket ve denge terapisi için basit kullanımlı, klinik açıdan geçerli düşük maliyetli aracı düşük kaynak ortamda nörorehabilitasyon için bir paradigma kayması olacaktır. Felç gibi nörolojik bozukluklar dramatik nedeniyle dünya nüfusunun 2 yaşlanan gelecekte artacak çünkü çok yüksek toplumsal etkisi olması muhtemeldir. yetenek, özelleştirmek, izlemek ve son zamanlarda telekomünikasyon yoluyla hesaplama, ağ ve fiziksel süreçlerin entegrasyonları ile mümkün hale gelmiştir u…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
CEFIPRA şemsiyesi altında, CNRS, INRIA ve DST tarafından desteklenen ICST, – Joint kapsamında yapılan araştırma Bilgi ve İletişim Bilim ve Teknoloji Programı hedef. Yazarlar deney düzeneği geliştirilmesine yönelik, öğrenciler, özellikle Rahime Sidiboulenouar, Rishabh Sehgal ve Gorish Aggarwal desteğini kabul etmek istiyorum.
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 |
Referências
- 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).
