一种集成低成本传感器与神经肌肉电刺激系统的用于卒中后平衡康复的人机界面

摘要

本文介绍了一种新型低成本人机交互界面，用于交互式中风后平衡康复系统。该系统集成了现成的低成本传感器，以实现自主驱动的电刺激治疗模式。该概念验证软件界面已在健康志愿者中进行了演示。

摘要

中风是由于将血液从心脏输送至脑部某一区域的动脉破裂或血栓阻塞脑部血流，导致氧气和营养物质无法输送所致。约有一半的中风幸存者会遗留不同程度的功能障碍。迫切需要创新的神经修复康复方法，以减轻长期残疾。神经系统为应对内在或外在刺激而重新组织其结构、功能和连接的能力被称为神经可塑性。神经可塑性既参与中风后的功能障碍，也参与康复过程。可通过非侵入性电刺激疗法促进有益的神经可塑性改变，例如神经肌肉电刺激（NMES）和感觉电刺激（SES）。NMES通过持续的短脉冲电流对运动神经和肌肉进行协调性电刺激以激活它们；而SES则通过电流刺激感觉神经，产生从几乎无法察觉到极度不适的各种感觉。在此过程中，可通过生物信号（如肌电图（EMG）、脑电图（EEG）、眼电图（EOG））驱动非侵入性电刺激疗法，以促进康复过程中大脑皮层的主动参与，这些生物信号反映了同步的主动感知和自主努力。为在资源匮乏的环境中实现这一目标， 例如在中低收入国家，我们利用现成的视频游戏传感器技术的最新进展，提出一种低成本的人机接口（HMI）。本文介绍了开源软件接口，该接口集成了低成本的现成传感器，结合视觉-听觉生物反馈与无创电刺激疗法，以辅助平衡康复过程中的姿势控制。我们在健康志愿者中验证了该概念的可行性。

引言

由局灶性脑、脊髓或视网膜梗死引起的神经功能障碍发作称为卒中¹. 卒中是一种全球性健康问题，也是全球第四大致残原因¹在印度和中国这两个世界上人口最多的国家，卒中导致的神经功能障碍正被称为一种隐性流行病。²卒中后最常见的医疗并发症之一是跌倒，报道的发生率在卒中后第一年内高达73%³卒中后跌倒具有多因素性，包括平衡功能障碍和视觉空间忽略等脊髓和脊上因素⁴Geurts 及其同事的综述⁵ 识别出以下平衡因素与跌倒风险相关：1）双足站立时最大重心转移能力在多个方向上受损，2）转移速度缓慢，3）方向控制不精确，以及4）单次和周期性次最大额状面重心转移的幅度减小。这些因素对日常生活活动能力可能产生显著影响，因为既往研究已表明，平衡能力与步行功能及粗大运动功能的独立性密切相关。^5,6此外，Geurts 及其同事⁵ 提示了脊髓上多感觉整合（以及肌肉协调⁷）除了肌肉力量外，平衡恢复能力也至关重要，而这一点在当前的方案中尚显不足。针对多感官整合，我们的假设是⁸ 关于自主驱动的非侵入性电刺激疗法（NMES/SES），其原理在于：通过调节在NMES/SES辅助患肢运动过程中对感觉输入的主动感知，可塑造并促进这种适应性行为，从而使大脑能够将该反馈信息整合到后续的运动输出中，通过募集替代性运动通路实现功能改善。^9<....

方案

注：人机交互（HMI）软件流程基于可自由获取的开源软件和现成的低成本视频游戏传感器开发而成（详细信息请见：https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ 和 https://github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE）。该HMI软件流程用于在基于虚拟现实（VR）的游戏平台中进行视觉运动平衡治疗（VBT）⁸时，采集改良功能性伸展任务（mFRT）²¹的数据。

图2a展示了诊断用眼动仪的设置，其中眼动特征被离线提取，用于量化中风后的残余功能，从而相应地定制虚拟现实中的视觉反馈。

图 2b 显示了 VBT 的实验装置。

图2：（a....

结果

图4展示了在平滑追踪任务中为量化健全个体表现而离线提取的眼动特征。提取的特征如下表1所示：

特征1 = 刺激在水平方向移动时，目标刺激位置与参与者注视点质心之间的百分比偏差。

特征2 = 刺激在垂直方向移动时，目标刺激位置与受试者注视点质心之间的百分比偏差。

特征 3 = 每分钟眨眼次数

特征4 = 参与者注视刺激物的时间百分比（通过眼动仪检测到眼睛）。

讨论

一种易于使用、临床有效且低成本的运动与平衡治疗工具，将为资源匮乏环境下的神经康复带来范式转变。由于全球人口老龄化，未来中风等神经系统疾病的发生率将急剧上升²，因此该工具很可能产生巨大的社会影响。目前迫切需要利用信息物理系统，通过电信技术整合计算、网络和物理过程，实现对远程地点神经康复的个性化定制、监测和支持。为实现这一总体目标，基于低成本眼动仪对中风后追踪眼动的评估，不仅可提供基于家庭的诊断，还可用于治疗，其中平滑追踪眼动训练已被证明有助于改善听觉和视觉忽略症状²⁵。研究表明，健康受试者在目标移动速度为5度/秒或更快时，其平滑追踪眼动的潜伏期非常稳定，平均潜伏期为100 ±5毫秒²⁶。

此外，本文提出的用于自主驱动的神经肌肉电刺激（NMES）和感觉电刺激（SES）的人机接口（HMI），将生物信号传感器与运动捕捉技术结合，应用于卒中后平衡康复治疗，具有作为家庭干预手段改善卒中后站立平衡的潜力^27,28。该HMI的创新之处在于其软件界面，能够整合多种市售的低成本传感器，用于记录.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
NMES 刺激器	Vivaltis, France	PhenixUSBNeo	带 EMG 传感器的 NMES 刺激器（图 2b）
平衡板	Nintendo, USA	Wii Balance Board	平衡板（图 2b）
动作捕捉系统	Microsoft, USA	XBOX-360 Kinect	动作捕捉（图 2b）
眼动仪	Eye Tribe	The Eye Tribe	SmartEye 眼动仪（图 2a）
EEG 数据采集系统	Emotiv, Australia	Emotiv Neuroheadset	无线 EEG 头戴设备（图 2b）
EEG 被动电极	Olimex	EEG-PE	用于 EOG 和参考电极的 EEG 被动电极（共 6 个）（图 2b）
EEG 主动电极	Olimex	EEG-AE	EEG 主动电极（共 10 个）（图 2b）
配备 PC 显示器的计算机	Dell		数据处理与视觉反馈（图 2）
软件、EMG 电极、NMES 电极及线缆