Abstract
Инсульт возникает, когда артерии, несущие кровь от сердца к области в мозге разрывает или сгусток затрудняет приток крови к мозгу, тем самым предотвращая доставку кислорода и питательных веществ. Около половины выживших после инсульта остается с некоторой степенью инвалидности. Инновационные методики восстановительного нейрореабилитации необходимо срочно сократить длительной инвалидности. Способность нервной системы реорганизовать свою структуру, функции и связи в ответ на внутреннего или внешнего раздражители называется Нейропластичность. Нейропластичность участвует в постинсультных функциональных нарушений, но и в реабилитации. Благотворное neuroplastic изменения могут быть облегчено с неинвазивной электротерапии, таких как нервно-мышечной электростимуляции (НМС) и сенсорной электрической стимуляции (СЭС). NMES предполагает скоординированную электрическую стимуляцию двигательных нервов и мышц, чтобы активировать их с непрерывными короткими импульсами электрического тока в то время как SES INVOльфы стимуляция чувствительных нервов с электрическим током приводит к ощущениям, которые варьируются от едва воспринимаемое до очень неприятно. При этом активное корковое участие в процедурах реабилитации может быть облегчено путем приведения в действие неинвазивный электролечение с биосигналов (ЭМГ (EMG), электроэнцефалограммы (ЭЭГ), electrooculogram (EOG)), которые представляют одновременно активное восприятие и волевых усилий. Для достижения этой цели в бедных ресурсами обстановке, например, в странах с низким и средним уровнем дохода, мы представляем недорогую человеко-машинный интерфейс (HMI) за счет использования последних достижений в области вне-полки сенсорной технологии видеоигр. В этой статье мы рассмотрим программный интерфейс с открытым исходным кодом, который объединяет недорогие вне-полки датчики для визуально-слуховое БОС с неинвазивной электротерапии для оказания помощи постурального контроля во время восстановления баланса. Продемонстрирована доказательство правильности концепции на здоровых добровольцев.
Introduction
Эпизод неврологической дисфункции , вызванной очаговой церебральной, спинальной или инфаркт сетчатки называется инсульт 1. Инсульт является глобальной проблемой здравоохранения и четвертой ведущей причиной инвалидности во всем мире 1. В таких странах , как Индия и Китай, двух самых густонаселенных стран мира, неврологическая инвалидность вследствие инсульта быть помечены как скрытой эпидемии 2. Одним из наиболее распространенных медицинских осложнений после инсульта являются срывов с сообщенным частотой до 73% в течение первого года после инсульта 3. Падение после инсульта является многофакторной и включает в себя как спинномозговые и супраспинальных факторы , как баланс и безнадзорности 4 зрительно - пространственной ориентации. В обзоре Geurts и коллегами 5 идентифицированных 1) мульти-направленно обесцененные максимальный вес перемещения во время двуногого положения, 2) медленная скорость, 3) Направленный неточностей, и 4) малые амплитуды одиночных и циклических субмаксимальной сдвигов фронтальной плоскости вес , как баланс факторы падения Р.И.пестрый Последующее влияние на деятельность повседневной жизни может быть значительным , так как предыдущие работы показали , что баланс связан с амбулаторной способности и независимости валовой двигательной функции 5, 6. Кроме того, Geurts и его коллеги предположили , что 5 надостный мультисенсорной интеграции (и мышечной координации 7) в дополнение к мышечной силы имеет решающее значение для восстановления баланса , который отсутствует в текущих протоколов. На пути к мультисенсорной интеграции, наша гипотеза 8 на волюнтаристски ведомой неинвазивной электротерапии (NMES / SES) является то , что это адаптивное поведение может быть сформировано и облегчается за счет модуляции активного восприятия сенсорных входов во время NMES / SES при содействии движения пораженной конечности таким образом, что мозг может включить эту обратную связь в последующем выходе движения путем набора Alternate моторных проводящих путей 9, в случае необходимости.
Для достижения волюнтаристски приводимый NMES / SES-тренировка равновесия при содействии в качестве ресурсаустановка Бедные, недорогой человек-машина-интерфейс (HMI) был разработан за счет использования доступного программного обеспечения с открытым исходным кодом и последних достижений в области вне-полки видеоигровой технологии датчиков для зрительно-слуховое БОС. NMES предполагает скоординированную электрическую стимуляцию нервов и мышц , что было показано , чтобы улучшить мышечную силу и уменьшить спастичность 10. Кроме того , SES включает стимуляцию чувствительных нервов с электрическим током , чтобы вызвать ощущения , где предварительные опубликованные работы 11 показали , что стимуляция subsensory наносят поверх передней большеберцовой мышцы в покое эффективен при смягчающих постуральной взмах. Здесь HMI сделает возможным интеграцию сенсорно-моторную во время интерактивного постинсультной баланса терапии, где волюнтаристски приводом NMES / SES для голеностопных мышц будет выступать в качестве усилителя мышц (с NMES), а также повышения афферентный обратной связи (с СЭС) до содействие здоровой стратегии лодыжки 12,13,14 поддерживать вертикальное позицию во время постуральных качается. Этооснованная на гипотезе , представленной в Датта и др. 8 , что повышенная Кортикоспинальных возбудимость соответствующих мышц лодыжки , проведенных через неинвазивного электротерапии может кредитовать улучшенной супраспинальной модуляции лодыжки жесткости. Действительно, до работы показали , что NMES / SES вызывает длительные изменения в корково возбудимости, возможно , в результате совместного активации двигательных и чувствительных волокон 15,16. Кроме того, Khaslavskaia и Sinkjaer 17 показали , что в организме человека одновременно двигатель корковое привода присутствует во время НМС / SES усиленных двигателя корковой возбудимости. Таким образом, волюнтаристски приводом NMES / SES может вызвать кратковременное нейропластичность в спинномозговых рефлексов (например, обратная Ia ингибирование 17) , где Кортикоспинальных нейроны , которые проектируют через нисходящий пути для данного мотонейрона пула может ингибировать антагонистическую бассейн мотонейроном через Iа-ингибирующих интернейронов в человеки 18, как показано на рисунке 1, по отношению к ортоperant парадигма кондиционирования (см Датта и др. 8).
Рисунок 1: Понятие (. Подробности в Датта и др 21) основной интерактивный интерфейс человек - машина (HMI) для управления центром давления (СОР) курсор к подают реплики цели для улучшения координации лодыжки мышц под волюнтаристски ведомой нервно - мышечной электростимуляции (НМС) -поддерживаемая visuomotor баланс терапия EEG:. электроэнцефалография, MN: α-мотонейронов, IN: Ia-ингибиторной интернейрон, ЭМГ: ЭМГ, DRG: дорсальных корешков ганглий. Воспроизводится с 8 и 37. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Передне-задней (AP) смещения в центре масс (СоМ) выполняютсяпо голеностопных plantarflexors (например, медиальной головки икроножной и камбаловидной мышцы) и dorsiflexors (например, передней большеберцовой мышцы) в то время как медио-латеральной (ML) перемещения выполняются голеностопных инверторами (например, передней большеберцовой мышцы) и evertors (такие как малоберцовой мышцы и Brevis мышцы). Следовательно, инсульт, связанных с лодыжка нарушения, включая слабость мышц лодыжки dorsiflexor и увеличение спастичности лодыжки plantarflexor мышц приводят к нарушению осанки контроля. Здесь, проворство учебные программы 6 могут быть использованы в виртуальной реальности (VR) на основе игровой платформы , что вызов динамического равновесия , где задачи постепенно увеличивать трудности , которые могут быть более эффективными , чем статическое растяжение / вес сдвига программы упражнений в предотвращении падения 6. Например, субъекты могут выполнять волюнтаристски, приводимый NMES / SES при содействии AP и ML смещения во время динамической задачи visuomotor баланса, где трудность может быть постепенно увеличена до AMELiorate постинсультных лодыжки специфические проблемы управления весом перемещения во время двуногого стоя. К волюнтаристски ведомой NMES / SES помощь баланса терапии в условиях с ограниченными ресурсами, мы представляем недорогой HMI для мобильного мозга / визуализации тела (Mobi) 19, к зрительно-слуховое БОС , который также может быть использован для сбора данных из низко- датчики затрат для автономного исследования данных в MobiLab (см Охеда и др. 20).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Примечание: Программное обеспечение HMI трубопровода был разработан на основе свободно доступного программного обеспечения с открытым исходным кодом и вне готовых датчиков недорогой видеоигры (подробности доступны по адресу: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ и https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). Программное обеспечение HMI Трубопровод предназначен для сбора данных в течение модифицированной функциональной досягаемости задачи (mFRT) 21 в основе VR игровой платформы для visuomotor баланса терапии (VBT) 8.
На рисунке 2а показана диагностическая установка глаз трекер , где функции Gaze извлекаются форума для количественного определения постинсультной остаточной функции таким образом , что визуальная обратная связь в VR могут быть настроены соответствующим образом .
На рисунке 2б показана экспериментальная установка для VBT.
Рисунок 2: (
Установка 1. Программное обеспечение для мобильных мозга / визуализации тела Во время VBT
- Установка драйверов для движения Capхарактер (процедуры установки, предлагаемые в https://code.google.com/p/labstreaminglayer/wiki/KinectMocap)
- Загрузите и установите Kinect Время воспроизведения от http://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=253187 (Motion Capture Датчик не должен быть подключен к любой из портов USB на компьютере).
- Подключите питанием датчика захвата движения в порт USB через интерфейсный кабель. Драйверы будут загружаться автоматически.
- Установка драйверов для Eye Tracker Sensor (процедуры установки , предлагаемые в http://github.com/esdalmaijer/EyeTribe-Toolbox-for-Matlab )
- Загрузите программное обеспечение от http://theeyetribe.com, запустить приложение и запустить приложение для установки программного обеспечения (датчик Eye Tracker не должен быть подключен к любой из портов USB на компьютере).
- Подключите питание Eye Tracker Sensor и драйверы будут загружаться автоматически.
- ин-тавсе драйверы для Совета Balance (процедуры по установке, предусмотренные в (процедуры установки, предусмотренные в http://www.colorado.edu/intphys/neuromechanics/cu_wii.html)
- Загрузка и извлечение CU_WiiBB.zip из http://www.colorado.edu/intphys/neuromechanics/CU_WiiBB.zip
- Скопируйте папку WiiLab в стандартной директории Program Files операционной системы Microsoft Window.
- Откройте папку WiiLab в папке Program Files и запустить как администратор файл InstallWiiLab.bat установки платы Balance.
- Установка драйверов для EEG / EOG (процедуры установки, предусмотренные на http://openvibe.inria.fr/how-to-connect-emotiv-epoc-with-openvibe/)
- Загрузите и установите Emotiv SDK от http://www.emotiv.com/apps/sdk/209/
- Загрузите и установите OpenViBE Приобретение сервера с labstreaminglayer (LSL) с https://code.google.com/p/labstreaminglayer/downloads/detail?name=OVAS-withLSL-0.14.3-3350-svn.zip для распределенных мульти-сеСигнал транспорта, синхронизации времени и системы сбора данных nsor (процедуры установки, предлагаемые в https://code.google.com/p/labstreaminglayer/).
- Установите драйверы для коммерческого NMES стимулятора (подробности в http://www.vivaltis.com/gammes/phenix/phenix-usb-neo-50-554-1.html#content).
2. Недорогой датчик размещения для мобильного мозга / визуализации тела (Mobi): с открытым исходным кодом Программное обеспечение HMI Трубопроводный Обеспечивает Mobile Brain / визуализации тела (Mobi) 19 с недорогими Off-The-Shelf датчиков (рис 2b) , который может быть адаптированы к другим находчивость учебных программ.
- Визуальная обратная связь для мобил:
- Начните с получения проекционный экран для отображения визуальной биологической обратной связи на одном конце комнаты (рекомендуемое расстояние от субъекта 0,6 м).
- Отрегулируйте высоту так, чтобы центр экрана будет на уровне глаз испытуемых.
- Motion Capture для мобил:
- Поместите ча движенияpture датчик в передней части экрана проекции, и направить его в объеме захвата движения.
- Убедитесь, что объем захвата движения составляет 1,5 м до 2,5 м перед датчиком захвата движения.
- Баланс Размещение платы для мобил:
- Поместите Баланс совет на полу, около 2,0 м от датчика захвата движения.
- Оставьте достаточно свободного пространства вокруг совета баланса , чтобы обеспечить движение всего тела (т.е. во время модифицированного функционала рич задачи 21).
- EEG / EMG / EOG Датчик размещения для мобил
- Попросите его, чтобы сидеть на стуле лицом к Motion Capture и с их ногами на Совете баланса.
- Поместите запись (ЭМГ) стимуляции диплом (NMES / SES) электродов на двусторонней основе на медиальной головки икроножной (MG) и передней большеберцовой (TA) мышц субъекта. Затем подключите их к беспроводной электростимулятора (/ SES NMES) системы.
- Поместите электроэнцефалограммы (ЭЭГ) колпачка на темуголова после Международной 10 - 20 системы. Затем поместите ЭЭГ электроды с проводящей пасты на, C3-ФЗ, Cz, C4, P3, PZ, P4, PO7, Оз, PO8 - перед их подключением к беспроводной гарнитуры ЭЭГ.
- Поместите два EEG электродов с электропроводной пастой выше и ниже одного из глаз для вертикального EOG и поставить два электрода с проводящей пастой на внешнем кантуса каждого глаза для горизонтального EOG. (Примечание: В случае, если датчик Eye Tracker не используется в теме после инсульта, то двусторонний EOG является предпочтительным).
- Поместите два электрода ЭЭГ на мочки качестве эталонных электродов.
3. Eye Tracker Оценка на основе постинсультной преследования движения глаз
- Попросите его, чтобы сидеть с подбородок отдыхает на регулируемой по высоте подбородник. Затем поднимите монитор компьютера на удобной высоте таким образом, чтобы глаза примерно лицом к центру монитора компьютера (рис 2а).
- Поместите Eye Tracker г 50 см тельно от подбородник и попросить предмет смотреть прямо на монитор компьютера для визуальных подсказок.
- Запуск EyeTribeWinUI.exe в папке 'SmartEye' для калибровки датчика Eye Tracker. Тема будет предложено посмотреть на различные цели на мониторе ПК в течение примерно 2 сек каждый. Типичный процесс калибровки пользователь занимает около 20 секунд, чтобы закончить. (Х, у) координаты точки взора субъекта регистрируются для различных Cued мишеней для калибровки.
- Run 'Visual_Stimulus.exe' в папке SmartEye выполнить интерфейс на основе виртуальной реальности. Впоследствии запустить программу 'SmartEye.exe', присутствующей в папке '' SmartEye приобрести глаза взглядом данные испытуемых, которая синхронизируется с задачи на основе виртуальной реальности. Эти данные будут использоваться для оценки постинсультной движения слежение глаз.
2394fig3.jpg "/>
Рисунок 3: (а) Курсор , представляющая центр давления (СОР) , который должен быть волюнтаристски доведенный до подают реплики цели при visuomotor баланса терапии, (б) протокол Visuomotor баланса терапии , когда субъект бычков компьютера курсор к периферийным цели управляется волюнтаристски генерируется Cop экскурсии. Сброс может быть оказана помощь с Нейромускульного электрической стимуляции (НМС) и сенсорно электростимуляции (СЭС), (с) Экспериментальная установка для визуально лузу visuomotor баланса терапии. Воспроизводится с 8 и 37. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
4. NMES / SES-Assisted Visuomotor Balance Therapy (VBT) под Mobi
- Подключите глазной трекер и баланс датчиков платы к компьютеру визуальной обратной связи (Fi2 цифра).
- Убедитесь, что датчик Eye Tracker включен, подключен к компьютеру, и что он полностью загружен. Запустите 'EyeTribe server.exe' и 'EyeTribeWinUI.exe' в папке 'VBT' (см шаги 1.3).
- Убедитесь, что датчик совета баланса включен. Затем нажмите кнопку на плате датчика баланса, чтобы сделать пульт обнаруживаемым в меню. Затем нажмите на иконку показать или скрыть в панели задач системы и нажмите на иконку Bluetooth устройства. Затем нажмите на опцию "Добавить устройство" и выполнить сопряжение датчика платы баланса в качестве устройства Bluetooth без использования кода для визуального компьютера обратной связи. После того как датчик совета баланса подключен к компьютеру визуальной обратной связи, откройте папку 'Vbt' и запустить файл WiiBBinterface.m установить интерфейс на плате датчика баланса Matlab- (см шаги 1.6).
- Убедитесь, что датчик Motion Capture включен, подключен к компьютеру и что онзагружен полностью (есть зеленый светодиод на передней панели). Откройте папку LSL и запустить программное обеспечение 'MoCap', чтобы начать трансляцию данных датчиков захвата движения (см 1.6 шагов).
- Убедитесь в том, что системы сбора данных ЭЭГ / ЭОГ включены. Затем дважды щелкните на openvibe-приобретения-сервера withlsl.cmd доступного в папке LSL (см 1.6 шагов). В меню, выберите соответствующий датчик аппаратного обеспечения (т.е. 'Emotiv EPOC') и настроить модуль, при необходимости, нажав на ссылку "Свойства драйвера". Затем нажмите на кнопку "Connect", а затем нажмите на кнопку "Play", чтобы запустить сервер сбора данных.
- Калибровка датчиков для VBT
- Попросите Постинсультная при условии стоять на доске баланса с ремнями безопасности (и частичной поддержки веса тела, при необходимости).
- Установить минимальный базовый уровень NMES (широтно-импульсная и текущий уровень) , необходимую для вертикального положения в соответствии с клиническим наблюдением (то есть.,поддержка веса тела нулевой) 22. Для установки минимального базового уровня NMES, можно установить частоту стимуляции при частоте 20 Гц, а затем увеличить широтно-импульсная и / или текущий уровень, пока в вертикальном положении стоя не будет достигнута. Здесь NMES коленных разгибателей требуется генерировать достаточный крутящий момент для предотвращения потери устойчивости колена.
- Попросите его выполнять различные движения, которые охвате влияет COM- и Cop местоположение.
- Запустите программу 'CalibSensors.m' в папке 'DataCollect' для того, чтобы собрать данные калибровки нескольких датчиков в то время как субъект выполняет различные по собственной инициативе максимальные движения досягаемости в различных направлениях, которые влияют на центр масс (COM) и центр давления (CoP) расположение на визуальной обратной связи.
5. полидатчиковую сбора данных от недорогих датчиков Во время VBT (Рисунок 2b)
- Запустите программу 'CollectBaseline.m' в папке 'DataCollect' для сбора исходных условий отдыхает-state, глаза-открытые, полидатчиковую данные, задавая тему , чтобы стоять на месте в течение 2 мин, глядя прямо на цель СоР на мониторе ПК (рис 3а).
- Подключите видеовыход визуальную обратную связь компьютера на проекционный экран и запустить файл SmartEyeVRTasks.exe в папке 'VBT' в визуальном компьютере обратной связи для запуска SmartEyeVRTasks GUI. Кроме того, запустить программу 'CollectVBT.m' в папке 'DataCollect' для сбора данных датчиков во время VBT.
- Из вертикального положения, называют фазой "Центральный Hold ', задать тему , чтобы управлять курсором, движимый копом как можно быстрее в направлении случайно представленной периферической мишени , как визуально подают реплики обратной связи (рис 3b).
- После этого этапа 'Move', попросите его держать курсор в целевом месте в течение 1 сек во время фазы "Периферийное удержания".
- После 'Периферийное Hold' фаза, курсор будет " ; Сброс "обратно в центр, когда объект должен вернуться обратно в вертикальном положении - в 'позицию Центрального Hold'. NMES / SES срабатывает для мышц, когда ее уровень ЭМГ поднимается выше установленного порога, чтобы помочь усилие волевое, необходимое для возвращения Коп в положение 'Central Hold'.
Примечание: Трудность mFRT может быть увеличена за счет уменьшения коэффициента усиления,
, Или увеличение дисперсии шума, 
, В пределах допустимого диапазона при условии конкретных: 
где Коп экскурсии,
, Диск компьютера курсор, 
, В дискретизованной времени, 
, С временным шагом,7 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 52394 / 52394eq7.jpg "/>.
, Или увеличение дисперсии шума, 
, В пределах допустимого диапазона при условии конкретных: 
, Диск компьютера курсор, 
, В дискретизованной времени, 
, С временным шагом,7 "SRC =" / файлы / ftp_upload / 52394 / 52394eq7.jpg "/>. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 4 показаны особенности глаз Gaze , которые были извлечены в автономный режим для квантификации трудоспособного исполнения во время гладкой задачи преследования. Следующие характеристики были извлечены , как показано в таблице 1:
Функция 1 = процентное отклонение между положением целевого стимула и центроида точек фиксации участника, когда стимул меняет положение в горизонтальном направлении.
Функция 2 = процентное отклонение между положением целевого стимула и центроида точек фиксации участника, когда стимул меняет положение в вертикальном направлении.
Функция 3 = мигание в минуту
Функция 4 = процент времени участник смотрит (глазабыл обнаружен глаз трекера) на раздражитель.
Функция 5 = процент времени, участник не смотрит (глаз был обнаружен глаз трекера) на раздражитель. (Примечание: Функция 5 = 100-Feature 4)
Функция 6 = процент Smooth Pursuit Длина (SPL) перерегулирование производится участником, т.е. 
где SPL = Smooth Pursuit Длина длина (в пикселях) , охватывается участник отслеживать движущийся стимул, SML = Стимул Движение Длина (в пикселях), то есть, фактическая длина пути , в котором стимула движется.
Рисунок 4: Верхняя панель показывает иллюстративный фигуру гладкой преследования во время хоrizontal движение. Нижняя панель показывает иллюстративный фигуру гладкой преследования во время вертикального перемещения. Воспроизводится с 8 и 37. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
| Функция 1 (%) | Функция 2 (%) | Функция 3 (за минуту) | Функция 4 (%) | Функция 5 (%) | Функция 6 (%) | |
| Левый глаз | 1,00 | 3,66 | 6,83 | 95.52 | 4,49 | 46.78 |
| Правый глаз | 0,67 | 6.00 | 6,34 | 94,40 | 5,60 | 24.99 |
Таблица 1: глазПристально Feature.
Исследование VBT доказательством правильности концепции (без НМС / СЭС) было проведено на 10 трудоспособных лиц (5 правой голени доминантных самцов и 5 правой ноги доминирующих женщин в возрасте от 22 до 46 лет) в рамках задачи модифицированного функционала охвата ( mFRT) парадигма (рис 3в). MFRT предлагается дать количественную оценку способности субъектов к волюнтаристски переложить свои позиции Cop как можно быстрее, не теряя равновесия в то время как с СоР подают реплики визуальной биологической обратной связи. Во время mFRT данные Мультисенсорная собирали для мобильного мозга / визуализации тела (Mobi) 19. MOBI данные обрабатывались форума, чтобы определить общую постуральной взмах от CoP (от совета Balance) и COM (от захвата движения датчика) траекторий. Кроме того , признаки были извлечены из биосигналов , которые были записаны одновременно наряду с поведением взгляда (например, мерцание скорость, саккадическая направлении от electrooculogram). Результаты этого корректуры из-CON СЕРТ исследование было представлено в Датта и др. 8 , где альфа - событий , связанных десинхронизации (AERD%) была обнаружена в основном в теменной и затылочной ЭЭГ electrodes.Moreover, средний квадрат ошибки (СКО) , нормированная базовым значением трендом в сторону уменьшения, частота мигания отклонялись в сторону увеличения, а саккадическая направление относительно курсора ускорения отклонялись к нулю в течение последовательных испытаний задачи visuomotor. . На основании данных из Датта и др 8, данные ЭОГ , показали , что отношение длительности фиксации на цель и продолжительность фиксации на курсор перед началом двигательной реакции (то есть, ЭМГ начало) - отношение FD - увеличение ( На рисунке 5а) в то время как базовая нормализуется среднеквадратичной ошибки (MSEnorm) уменьшилась (5б) во время VBT испытаний.
g5.jpg "/>
Рисунок 5: (а) изменения в соотношении продолжительности фиксации на мишени и длительности фиксации на курсоре - FDratio - извлекаемые из electrooculogram во время visuomotor баланса задачи (VBT) испытаний. (Б) Изменения в базовом нормированной среднеквадратичной ошибки (MSEnorm) во время VBT испытаний. Воспроизводится с 8 и 37. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Простой в использовании, клинически действенным инструментом низкозатратная движения и баланса терапии будет сдвиг парадигмы для нейрореабилитации в странах с низкими ресурсами. Это, вероятно, имеют очень высокое влияние на общество , так как неврологические расстройства , такие как инсульт резко возрастет в будущем из - за старения населения мира 2. Существует, следовательно, настоятельная необходимость использовать кибер-физических систем, в которых возможность настраивать, контролировать и поддерживать нейрореабилитации на удаленных площадках в последнее время стало возможным с интеграцией вычислений, сетей и физических процессов посредством телекоммуникаций. Для достижения этой главной цели, на основе оценки низкой стоимости Eye Tracker постинсультной движений глаз слежения может не только обеспечить домашний диагноз , но и лечение , где беспрепятственному тренировка движение слежение глаз способствовало восстановление от слуховым и зрительным безнадзорности 25. Здесь, латентность гладкоствольного погоне у здоровых лиц было установлено, что веру последовательными для целей , движущихся 5 градусов / с или быстрее , со средней задержкой 100 ± 5 мс 26.
Кроме того, предлагаемый человек-машина-интерфейс (HMI) для волюнтаристски приводом нервно-мышечной электростимуляции (NMES) и сенсорную электрическую стимуляцию (SES) для постинсультной баланса терапии интегрированы биосигнала датчиков и захвата движения с НМС / SES для баланса реабилитации после инсульта , который имеет потенциал 27, 28 в качестве домашнего вмешательства для улучшения постинсультной постоянного баланса. Роман часть HMI это программный интерфейс, который объединяет несколько датчиков вне полки недорогих записывать мобильный мозг / данные изображения тела и для визуально-слуховое БОС во время NMES / SES помощь visuomotor баланса терапии (VBT). На основе результатов здоровых предмета из доказательства правильности концепции исследования (без НМС / SES), мы полагаем, что информация с несколькими датчиками могут быть слиты для оценки состояния двигателя во время обучения после инсульта VБТ, и, следовательно, трудности могут быть адаптированы для онлайн mFRT. Например, плавное обучение 25 движение слежение глаз может быть интегрирована с myoelectrically приводом NMES / SES-вспомогательной задачи visuomotor, как это представлено в Датта и др. 8, где альфа - связанный с событием десинхронизации на теменной и затылочной ЭЭГ электродов может предсказать нормализованное среднее квадрат ошибки (СКО) в достижении периферийных целей. Поэтому, основываясь на оценке постинсультных движений слежение глаз, а также поведение взгляда во время задачи VBT, мы можем объективно анализировать и отслеживать проблемы со зрением , связанные способствующие баланс инвалидности , таким образом используя остаточную функцию в период реабилитации 29. Кроме того, поведение взгляд (например , мигание скорости, саккады) может быть использован для контроля взаимодействия с пользователем во время обучения двигателя 30.
Обучения двигателя во время VBT можно анализировать с помощью масс маятника пониженной реакции размерности (РМП) двуногое модэль , который представлен в Датта и др. 24. Уменьшенный размер модели 24 RMP может быть построена из скелета отсутствует отслеживания данных (который является совместным данные, высыпали датчика захвата движения в потоке скелет, рисунок 6). Значение RMP модели по сравнению с традиционной модели точечных масс маятника во время случайной руки качается в здоровой, чтобы восстановить равновесие в пределах стабильности во время mFRT где модель RMP дополненной традиционной модели точечных масс маятника, захватив форму, размер и ориентацию совокупная вращательное центроидальный инерции. В нашей предшествующей работе 21, КОМ-CoP обедненной линия оказалась подходящей визуальной обратной связи в вертикальном положении. Кроме того , мы показали актуальность всего тела нормализуется центра тяжести углового момента (CAM) при переходе стенда к ходить в постинсультной походки 24. Действительно, угловой момент жестко регулируется с сегмента к сегменту отмен угловых момен тум во время ходьбы человека 31 и , возможно , во всех координированного движения человека , включая mFRT для предотвращения падений. На основании этих предварительных работ, можно утверждать, что инсульт выживших с мышечной слабостью и дефициты координации будет принимать его больше, чтобы регулировать CAM по сравнению с подобранными по возрасту трудоспособных субъектов. Это в настоящее время ведется расследование с использованием RMP модель пониженной размерности 24.
Рисунок 6: Левая панель показывает совместные метки для скелета модели данных от датчика захвата движения , которые могут быть проанализированы с помощью форума уменьшенную модель двуногую размерности (правая панель) для захвата позы (см Banerjee и др . 24). RMP: реакционная масса Маятник, CoP: Центр давления, CoM: Центр мессе, ГФП: Первый вектор силы реакции.52394fig6large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Грандиозная задача состоит в том, чтобы разработать и клинически подтвердить передовые кибер-физических систем для teleneurorehabilitation, который основан на манипуляции экологических, поведенческих, и фармакологические контекстах. Будущие приложения ЧМИ включают парадигму teleneurorehabilitation в домашних условиях на основе установки, где идентификация и мониторинг дефицита visuomotor / обучения от взгляда-поведения может кредитовать к оперантного парадигмы кондиционирования, которая будет проводить в жизнь волевого использование соответствующей остаточной функции. Например, HMI может быть увеличена с двумя Wii BB (один для паретическая и один для не-паретичной конечности) , которые могут быть расположены бок о бок , не касаясь (т.е. <1 мм друг от друга). После экспериментального протокола Мэнсфилд и коллег 7, предметы могли стоять одной ногой на каждом Wii BB в стандартном положении (ноги ориентированныхпри 14 ° С 7 ° вращения каждой ноги с межстрочным лодыжек расстояние, равное 8% от высоты), с каждой ногой на равном расстоянии от средней линии между обеими Wii ББ. Во время mFRT, оба паретичной и не паретичных конечностях будет способствовать позиции СоР где оперантное обусловливание может быть осуществлено путем обеспечения положительного подкрепления остаточной функции паретичной конечности и отрицательного подкрепления для компенсаторных механизмов, не паретичной конечности ( основанные на принципе ограничения индуцированной терапии движения 32), сделав курсор легче контролировать с ментом экскурсий паретичной стороны. Кроме того, дефекты поля зрения, оба одноименных дефектов и те дефекты , связанные с поражением зрительного нерва, могут быть улучшены, по крайней мере , до некоторой степени, у пациентов , 33 к более эффективной интеграции visuomotor 34 способствует улучшению баланса. Исследование клинического инсульта проводится в предположении, что наша низкая стоимость HMI в направлении волюнтаристскиприводом NMES / SES помощь баланс терапии динамической visuomotor может улучшить Постинсультная лодыжки конкретные проблемы управления в визуально подают реплики веса сдвига во время двуногого стоя. Ожидается , снизить показатели заболеваемости падают в хронических перенесших инсульт, которые могут быть выше , чем 2,2 до 4,9 падений каждый 35 человеко-лет. Действительно, для демонстрации эффективности этого HMI для постинсультной баланса терапии по отношению к восстановительному нейрореабилитации, важным шагом является адекватным при условии использовании оценки на основе производительности visuomotor взгляда, то есть, перенесших инсульт , которые имеют достаточную остаточную функцию сенсорно , необходимую для восстановления 36.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Исследования, проведенные в рамках Совместной целевой программы в области информационных и коммуникационных наук и технологий - ИККТ, при поддержке CNRS, INRIA и DST, под зонтиком CEFIPRA в. Авторы хотели бы выразить признательность за поддержку студентов, в частности Рахима Sidiboulenouar, Rishabh Сегала и Gorish Aggarwal, к развитию экспериментальной установки.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. , at http://journals.humankinetics.com/mc-back-issues/mcvolume1issue1january/reachingandgraspingstrategiesinhemipareticpatients (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, (Pt 3) 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. , http://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-02812-0_85 749-758 (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. , Ohio.gov, PhD Thesis, https://etd.ohiolink.edu/ap/10?0::NO:10:P10_ETD_SUBID:52547 (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.
- 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.
- 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).
