Een mens-machine-interface van Integratie Low-cost sensoren met een neuromusculaire elektrische stimulatie systeem voor Post-stroke Balance Rehabilitation
12 april 2016
In dit artikel wordt een nieuwe, goedkope mens-machine interface voor een interactief balansrevalidatiesysteem na een beroerte gepresenteerd. Het systeem integreert off-the-shelf goedkope sensoren voor een door de wil gedreven elektrotherapieparadigma. De proof-of-concept software-interface wordt gedemonstreerd aan gezonde vrijwilligers.
Het algemene doel van deze procedure is om videogamesensortechnologie toe te passen op een goedkope mens-machine-interface voor balansrevalidatie. Dit wordt bereikt door eerst mobiele hersen-lichaamsbeeldvorming, of MoBI-apparatuur en software, in te stellen. De tweede stap is om MoBI-sensoren op het lichaam te plaatsen om fysiologische gegevens vast te leggen.
Vervolgens wordt een eyetracker gebruikt om visuele achtervolgingsoogbewegingen na een beroerte te evalueren. Eyetracking zal aantonen dat door gaze gerelateerde indices kunnen helpen bij het afbakenen van oculomotorische tekorten na een beroerte, wat relevant kan zijn voor het plannen van visuomotorische balanstherapie. Daarna worden sensoren voor neuromusculaire elektrische stimulatie, of NMES, geassisteerd in visuomotorische balanstherapie, onder MoBI, gekalibreerd.
De laatste stap is het verzamelen van multi-sensorgegevens van goedkope sensoren tijdens visuomotorische balanstherapie. We breiden deze technologie uit voor onze revalidatie thuis voor beroertepatiënten die last hebben van balansverlies. Ons systeem omvat op blik gebaseerde, prognostische dual, en één blikspectrum als een belangrijk ingrediënt in visuomotorische balanstherapie.
Deze paradigmaverschuivingstechnologie vangt dus hoe het visuele systeem, het motorische systeem en de evenwichtssystemen na een beroerte samenwerken en probeert ze te rehabiliteren door middel van training. Dus in principe kan deze techniek worden gebruikt bij andere aandoeningen, zoals Autismespectrumstoornis, Parkinsonisme, Traumatisch hersenletsel en ook psychomotorische stoornissen als gevolg van depressie. Alles kan worden gerehabiliteerd in dit trainingssysteem.
Begin met het verkrijgen van een projectiescherm om de visuele biofeedback weer te geven. Pas de hoogte aan zodat het midden van het scherm zich op het niveau van de ogen van het proefpersoon bevindt. Plaats vervolgens de bewegingscaptionsensor voor het projectiescherm en richt deze op het volume van de bewegingsregistratie.
Bevestig dat het volume van de bewegingsregistratie zich 1,5 meter tot 2,5 meter voor de bewegingsregistratiesensor bevindt. Plaats vervolgens de balansplaat op de vloer, ongeveer 2,0 meter van de bewegingsregistratiesensor. Laat voldoende ruimte rond de balansplaat om volledige lichaamsbeweging mogelijk te maken.
Om te beginnen met de plaatsing van sensoren voor elektromyografie, of EMG, in het NMES-systeem, vraag het proefpersoon om op een stoel te gaan zitten. Plaats de EMG- en NMES-elektroden bilateraal op de Mediale Gastrocnemius en Tibialis Anterior spieren van het proefpersoon. Verbind vervolgens de elektroden met het draadloze NMES-simulatorsysteem.
Plaats vervolgens de elektro-encefalografie, of EEG-cap, op het hoofd van het proefpersoon door het internationale 10-20 systeem te volgen. Gebruik geleidende pasta om de elektroden te bevestigen, hier gezien op de hoofdhuid, voordat u ze verbindt met de draadloze EEG-headset. Plaats twee passieve EEG-elektroden boven en onder één oog om het verticale electrooculogram, of EOG, vast te leggen.
Voeg er nog twee toe aan de buitenste campus van elk oog om het horizontale EOG te registreren. Plaats ten slotte twee passieve EEG-elektroden op de oorlellen van het proefpersoon om als EEG-referentie-elektroden te dienen. Begin met het plaatsen van de eyetracker net onder het visuele feedbackcomputerscherm en verbind deze met de visuele feedbackcomputer via een USB 3-poort.
Vraag vervolgens het proefpersoon om op een afstand van 50 centimeter van de eyetracker op een bureau te zitten, pas de visuele feedbackcomputermonitor aan zodat de ogen van het proefpersoon zich in het midden van de monitor bevinden. Open in de visuele feedbackcomputer de eye tribe-server en eye tribe when-you-eye om te controleren of de ogen van het proefpersoon door de Gooey worden gedetecteerd en om vervolgens de eyetracker kalibratieroutine uit te voeren. Vraag vervolgens het proefpersoon om recht naar het visuele feedbackcomputerscherm te kijken voor visuele aanwijzingen.
Voer de eyetracker kalibratieroutine uit door op de kalibreertab in de Gooey te klikken. Voer de visuele onderstreepte stimulusstip uit in de smart eye-map om de op virtuele realiteit gebaseerde interface uit te voeren. Voer vervolgens het smart eye dot exc-programma uit in de smart eye-map om de ooggazegegevens van het proefpersoon te verwerven die gesynchroniseerd zijn met de op virtuele realiteit gebaseerde taak.
Vraag het proefpersoon om de vaste en bewegende visuele stimuli op verschillende posities op het visuele feedbackcomputerscherm te volgen om de visuele achtervolgingsoogbewegingen na een beroerte te evalueren. Verbind eerst de eyetracker en balansplaatsensoren met de visuele feedbackcomputer. Zet de balansplaat, of BB-sensor, aan.
Druk op de knop op de BB-sensor om de remote ontdekbaar te maken in het menu. Klik op het toon- of verbergpictogram in de taakbalk van het systeem en klik op het Bluetooth-apparaatpictogram. Klik vervolgens op de toegevoegde apparaatoptiek en koppel de BB als een Bluetooth-apparaat zonder de code naar de visuele feedbackcomputer.
Zodra de balansplaat is verbonden met de visuele feedbackcomputer, opent u de VBT-map en voert u het We BB interface dot m-bestand uit om de Matt lab BB-interface te installeren. Laat het proefpersoon op de balansplaat staan. Klik op OK om de kalibratie te starten en voer vervolgens het gewicht van het proefpersoon in en klik opnieuw op OK.
Verbind vervolgens en zet de bewegingsregistratiesensor aan op de dataregistratiecomputer en zorg ervoor dat deze volledig is opgestart, wat wordt aangegeven door het groene lampje. Open de LSL-map en start de Mocap-software om te beginnen met het streamen van de gegevens van de bewegingsregistratiesensor. Zet de EEG- en EOG-dataregistratiesystemen aan die zijn aangesloten op de dataregistratiecomputer.
Om dit te doen, opent u eerst de LSL-map en opent u de open vibe-acquisitieserver met LSL dot cmd. Selecteer vervolgens emotive EPOC uit het menu voor EEG en EOG en configureer de module door op drivereigenschappen te klikken. Klik vervolgens op verbinden en klik op afspelen om de acquisitieserver te starten.
Begin door het proefpersoon te vragen op de balansplaat te staan en een veiligheidsharnas te bevestigen. Stel een minimumbasisniveau NMES in voor rechtopstaand staan door de stimulatiefrequentie op 20 hurtz in
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een nieuwe, goedkope mens-machine-interface die is ontworpen voor interactieve balansrehabilitatie na een beroerte. Het systeem maakt gebruik van betaalbare standaard sensoren en integreert deze in een op wilskracht gestuurd elektrotherapie-paradigma.
Belangrijkste Onderdelen van de Studie
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Revalidatietechniek
- Mens-machine-interfaces
Achtergrond
- Revalidatie na een beroerte is cruciaal voor het herstel.
- Traditionele revalidatiemethoden kunnen duur zijn en minder toegankelijk.
- Er is behoefte aan innovatieve, kosteneffectieve oplossingen.
- De integratie van technologie kan de resultaten van de revalidatie verbeteren.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een goedkope interface voor balansrevalidatie.
- Het benutten van videospel-sensortechnologie voor therapeutische doeleinden.
- Het evalueren van de effectiviteit van het systeem bij gezonde vrijwilligers.
Gebruikte methoden
- Opstelling van de apparatuur voor mobile brain body imaging (MoBI).
- Plaatsing van MoBI-sensoren op het lichaam om fysiologische gegevens vast te leggen.
- Gebruik van een eye-tracker om visuele pursuit-oogbewegingen na een beroerte te beoordelen.
- Kalibratie van sensoren voor neuromusculaire elektrische stimulatie (NMES) voor therapie.
Belangrijkste resultaten
- Het systeem demonstreerde de haalbaarheid in een proof-of-concept studie.
- Eye-tracking bracht inzichten aan het licht met betrekking tot oculomotorische deficiënties.
- NMES werd effectief geïntegreerd in het revalidatieprotocol.
- Gezonde vrijwilligers interacteerden succesvol met het systeem.
Conclusies
- De ontwikkelde interface is veelbelovend voor revalidatie na een beroerte.
- Kosteneffectieve oplossingen kunnen de toegankelijkheid tot therapie verbeteren.
- Verder onderzoek is nodig om de effectiviteit op de lange termijn te evalueren.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de industrie
De integratie van goedkope sensortechnologie met systemen voor neuromusculaire elektrische stimulatie (NMES) maakt schaalbare, kwantitatieve beoordeling en rehabilitatie van balansstoornissen na een beroerte mogelijk. Deze benadering ondersteunt het voorspellende vertrouwen in functioneel herstel en informeert de validatie van doelwitten in een vroeg stadium voor neurorehabilitatie-interventies. De modulariteit van het platform en de datarijke resultaten positioneren het als een herbruikbaar middel voor translationeel onderzoek en portfolio-triage in neurotechnologische R&D.
Strategische toepassingen in biopharma R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Maakt kwantitatieve analyse mogelijk van herstelmechanismen aangestuurd door neuroplasticiteit in post-stroke modellen.
- Ondersteunt functionele target-validatie door biosignaal-gestuurde interventies te koppelen aan meetbare motorische uitkomsten.
- Faciliteert mechanistische risicoreductie door integratie van multi-modale sensoren en real-time feedback.
Screening & assayontwikkeling
- Bereidt gevalideerde, met sensoren uitgeruste mens-machine-systemen voor voor downstream screening van neurorehabilitatiemodaliteiten.
- Standardiseert assay-condities met reproduceerbare, kwantitatieve outputs van EMG, EEG, EOG en motion capture.
- Maakt schaalbare, platformgebaseerde evaluatie van kandidaat-interventies in gecontroleerde omgevingen mogelijk.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt kwantitatieve biosignaal- en gedragseindpunten uit met ziekte-relevante functionele tekortkomingen.
- Ondersteunt continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door cross-modale data-integratie mogelijk te maken.
- Biedt risico-gecorrigeerde criteria voor voortgang op basis van objectieve, sensor-afgeleide prestatiemetrieken.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit geïntegreerde HMI-systeem slaat een brug tussen vroege ontdekking, screening en translationeel onderzoek door een uniform platform te bieden voor hypothesetoetsing, kwantitatieve meting en functionele validatie in de neurorevalidatie.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothese-gedreven toetsing van neuroplasticiteit en mechanismen van motorisch herstel middels biosignaalfeedback.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve resultaten voor assay-ontwikkeling en het vergelijken van interventies.
- Analytics: Biedt gesynchroniseerde datastromen van meerdere sensoren voor robuuste statistische analyse en conditievergelijking.
- Translationeel Onderzoek: Stemt sensor-gebaseerde eindpunten af op klinische maten voor balans en mobiliteit voor preklinische continuïteit.
- Enterprise Hergebruik: Biedt een modulair, open-source platform dat aanpasbaar is aan meerdere neurofunctionele indicaties.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit in neurorevalidatieonderzoek.
- Operationele waarde: Bevordert standaardisatie, reproduceerbaarheid en schaalbaarheid over verschillende onderzoekslocaties en studies heen.
- Strategische waarde: Informeert go/no-go-beslissingen en kapitaalallocatie door het bieden van objectieve, kwantitatieve eindpunten.
- Portfolio-impact: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van neurotechnologische activa mogelijk op basis van functionele validatiegegevens.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in biosignaalacquisitie, sensorkalibratie en neurostimulatieprotocollen.
- Vereist toegang tot infrastructuur voor multi-modale data-acquisitie en analytische software.
- Maakt cross-team standaardisatie van sensorplaatsing en gegevensverzamelingsprocedures noodzakelijk.
- Aanpassing aan verschillende patiëntenpopulaties en neurologische indicaties kan protocolaanpassingen vereisen.
- Overwegingen met betrekking tot veiligheid en comfort zijn cruciaal voor toepassingen bij patiënten, vooral bij kwetsbare populaties.
Veelgestelde vragen over biofarmaceutica
Chapters in this video
0:05
Title
1:52
Mobile Brain/Body Imaging (MoBI) Setup and Sensor Placement
3:53
Eye Tracker Based Evaluation of Post-stroke Pursuit Eye Movements
5:20
NMES/SES-assisted Visuomotor Balance Therapy (VBT) under MoBI
7:10
Calibrate the Sensers for VBT
8:08
Multi-sensor Data Collection from Low-cost Sensors During VBT
9:25
Representative Results
10:14
Conclusion
