Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

En Menneske-maskine-grænseflade Integration Lavprisselskaber Sensorer med en Neuromuskulær elektrisk stimulation System for Post-takts Balance Rehabilitering

Published: April 12, 2016 doi: 10.3791/52394
Automatic Translation
1, 2, 1, 3,4
1Indian Institute of Technology Gandhinagar, 2AMRI Institute of Neurosciences, 3Institut national de recherche en informatique et en automatique (INRIA), 4Leibniz Research Centre for Working Environment and Human Factors (IfADo)

Abstract

Et slagtilfælde er forårsaget når en arterie transporterer blod fra hjertet til et område i hjernen brister eller et koagel hindrer blodtilførslen til hjernen og derved forhindre levering af oxygen og næringsstoffer. Omkring halvdelen af ​​slagtilfælde overlevende står tilbage med en vis grad af handicap. Innovative metoder til genoprettende neurorehabilitering er et presserende behov for at reducere langvarig invaliditet. Evnen af ​​nervesystemet at reorganisere sin struktur, funktion og forbindelser som reaktion på indre eller ydre stimuli, kaldes neuroplasticitet. Neuroplasticitet er involveret i post-takts funktionsforstyrrelser, men også i rehabilitering. Gavnlige neuroplastiske ændringer kan lettes med ikke-invasiv elektroterapi, såsom neuromuskulær elektrisk stimulering (NMES) og sensorisk elektrisk stimulering (SES). NMES involverer koordineret elektrisk stimulation af motoriske nerver og muskler til at aktivere dem med kontinuerlige korte impulser af elektrisk strøm, mens SES involves stimulation af sensoriske nerver med elektrisk strøm resulterer i fornemmelser, der varierer fra knap opfattelig stærkt ubehagelig. Her, kan aktiv kortikal deltagelse i rehabiliteringsprocedurer lettes ved at drive ikke-invasiv elektroterapi med biosignaler (elektromyogram (EMG), elektroencefalografi (EEG), electrooculogram (EOG)), som repræsenterer samtidige aktive perception og viljesbestemte indsats. For at opnå dette i en ressource-fattige omgivelser, fx i lav- og mellemindkomstlande, præsenterer vi en billig menneske-maskine-interface (HMI) ved at udnytte de seneste fremskridt i off-the-shelf videospil sensorteknologi. I dette papir, diskuterer vi open source software interface, der integrerer billige off-the-shelf sensorer til visuel-auditive biofeedback med non-invasiv elektroterapi til at hjælpe postural kontrol under balance rehabilitering. Vi demonstrerer proof-of-concept på raske frivillige.

Introduction

En episode af neurologisk dysfunktion forårsaget af fokal cerebral, spinal eller retinal infarkt kaldes slagtilfælde 1. Slagtilfælde er et globalt sundhedsproblem og fjerde hyppigste årsag til invaliditet på verdensplan en. I lande som Indien og Kina, de to mest folkerige nationer i verden, er neurologisk handicap på grund af slagtilfælde blive stemplet som skjult epidemi 2. En af de mest almindelige medicinske komplikationer efter et slagtilfælde er falder med en rapporteret incidens på op til 73% i det første år efter slagtilfælde 3. Den post-takts falder er multifaktoriel og omfatter både spinal og supraspinale faktorer som balance og visuospatial forsømmelse 4. En gennemgang af Geurts og kolleger 5 identificerede en) multi-retningsbestemt forringet maksimal vægt skiftende under tobenet stående, 2) langsom hastighed, 3) retningsbestemt unøjagtighed, og 4) små amplituder af enkelt og cykliske sub-maksimal frontal plane vægt forskydninger som balancen faktorer for efteråret risk. Den deraf følgende indvirkning på dagligdags aktiviteter kan være betydelige, da tidligere værker har vist, at balance er forbundet med ambulant evne og uafhængighed i grov motorisk funktion 5, 6. Desuden Geurts og kolleger 5 foreslog, at supraspinale multisensorisk integration (og muskel koordination 7) foruden muskelstyrke er afgørende for balance opsving, der mangler i de nuværende protokoller. Mod multisensorisk integration, vores hypotese 8 på volitionally kørt non-invasiv elektroterapi (NMES / SES) er, at denne adaptive adfærd kan formes og lettes ved at modulere aktiv opfattelse af sensoriske input under NMES / SES-assisteret bevægelse af de ramte led, således at den hjerne kan inkorporere denne feedback i efterfølgende bevægelse output ved at rekruttere alternative motor- veje 9, hvis det er nødvendigt.

For at opnå volitionally drevet NMES / SES-assisteret balancetræning i en ressource-Dårlig indstilling blev en billig menneske-maskine-interface (HMI) er udviklet ved at udnytte tilgængelige open source-software og de seneste fremskridt i off-the-shelf videospil sensorteknologi til visuel-auditive biofeedback. NMES involverer koordineret elektrisk stimulation af nerver og muskler, der har vist sig at forbedre muskelstyrke og reducere spasticitet 10. Også SES involverer stimulering af sensoriske nerver med elektrisk strøm til at fremkalde fornemmelser, hvor foreløbig offentliggjorte arbejde 11 viste, at subsensory stimulation anvendes over tibialis anterior muskler alene er effektiv dæmpning af posturale svaj. Her vil HMI muliggøre sensorisk-motorisk integration under interaktiv efter slagtilfælde balance terapi, hvor volitionally-drevne NMES / SES til anklen muskler vil fungere som en muskel forstærker (med NMES) samt forbedre afferent feedback (med SES) til hjælpe sunde ankel strategier 12,13,14 at opretholde oprejst stilling under posturale svajer. Dette erbaseret på den hypotese, præsenteret i Dutta et al. 8, at en øget corticospinal ophidselse af relevante ankel muskler foretaget gennem ikke-invasiv elektroterapi kan låne til en forbedret supraspinal modulation af ankel stivhed. Faktisk har tidligere arbejde vist, at NMES / SES fremkalder varige ændringer i corticospinal uro, muligvis som følge af en co-aktiverende motor og sensoriske fibre 15,16. Desuden Khaslavskaia og Sinkjær 17 viste i mennesker, at samtidig motor kortikale drev til stede på tidspunktet for NMES / SES forbedrede motor kortikal ophidselse. Derfor kan volitionally-drevne NMES / SES fremkalde kortvarig neuroplasticitet i spinal reflekser (f.eks gensidig Ia hæmning 17), hvor corticospinal neuroner, der projicerer via faldende veje til en given motoneuron pulje kan hæmme den antagonistiske motoneuron poolen via Ia-hæmmende interneuroner i humans 18, som vist i figur 1, i retning af en operant condition paradigme (se Dutta et al. 8).

figur 1
Figur 1: Begrebet (. Detaljer på Dutta et al 21) underliggende interaktiv brugergrænseflader (HMI) til at drive centrum af tryk (CoP) markøren til cued mål at forbedre koordineringen ankel muskler under volitionally drevet neuromuskulær elektrisk stimulation (NMES) -assisted visuomotorisk balance terapi EEG:. elektroencefalografi, MN: α-motoneuron, IN: Ia-hæmmende interneuron, EMG: electromyogram, DRG: dorsale ganglion. Gengivet fra 8 og 37. Klik her for at se en større version af dette tal.

Den antero-posterior (AP) forskydninger i midten af ​​massen (COM) udføresved ankel plantarflexors (såsom mediale gastrocnemius og soleus muskler) og dorsiflexors (såsom den forreste tibial muskel), mens medio-lateral (ML) forskydninger udføres af ankel invertere (såsom den forreste tibial muskel) og evertors (såsom peroneus longus og brevis muskler). Derfor takts-relaterede ankel forringelser herunder svaghed af anklen dorsiflexor muskler og øget spasticitet af anklen plantarflexor muskler fører til nedsat postural kontrol. Her kan agility uddannelsesprogrammer 6 udnyttes i en virtual reality (VR) baseret gaming platform, der udfordrer dynamisk balance, hvor opgaverne er progressivt i vanskeligheder, som kan være mere effektiv end statisk stretching / vægt-skiftende øvelse program til at forebygge fald 6. For eksempel kan individer udføre volitionally drevet NMES / SES assisteret AP og ML forskydninger i løbet af en dynamisk visuomotorisk balance opgave, hvor det er vanskeligt kan gradvist øges til Ameliorate efter slagtilfælde ankel-specifikke problemer kontrol i vægt skiftende under tobenet stående. Mod volitionally drevet NMES / SES assisteret balance terapi i en ressource-fattige omgivelser, præsenterer vi en billig HMI til mobil Brain / Krop Imaging (mobi) 19 hen imod visuel-auditive biofeedback, som også kan bruges til indsamling af data fra lav- cost sensorer til offline data efterforskning i MoBILAB (se Ojeda et al. 20).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bemærk: Den HMI-software Rørledningen blev udviklet baseret på frit tilgængelige open source-software og off-the-shelf billige videospil sensorer (detaljer er tilgængelige på: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ og https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). HMI-software pipeline er fastsat for dataindsamling under en modificeret funktionel rækkevidde opgave (mFRT) 21 i en VR baseret gaming platform for visuomotorisk balance terapi (VBT) 8.

Figur 2a viser den diagnostiske øje tracker setup, hvor blik funktioner er udvundet offline til kvantificering af efter slagtilfælde resterende funktion, så den visuelle feedback på VR kan tilpasses i overensstemmelse hermed.

Figur 2b viser forsøgsopstillingen for VBT.

Figur 2
Figur 2: ( (B) Skematisk af menneske-maskine-grænseflade, hvor software interface integrerer biosignal sensorer og motion capture til at registrere mobile hjerne / krop billeddata med neuromuskulære elektrisk stimulation systemet (NMES) og sensorisk elektrisk stimulation (SES) for efter slagtilfælde NMES / SES-assisteret visuomotorisk balance terapi. NMES: Neuromuskulær elektrisk stimulation, SES: Sensory elektrisk stimulation, EMG: elektromyogram, EEG: elektroencefalografi, EOG: Electrooculogram, Cop: Center of Pressure, PC: Personal Computer. Gengivet fra 8 og 37. Klik her for at se en større version af dette tal.

1. Software Installation til Mobile Brain / Krop Imaging Under VBT

  1. Installer drivere til Motion Captidige (installation procedurer på https://code.google.com/p/labstreaminglayer/wiki/KinectMocap)
    1. Hent og installer Kinect Runtime fra http://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=253187 (Motion Capture sensor bør ikke sættes i enhver af USB-portene på computeren).
    2. Tilslut den drevne Motion Capture Sensor i en USB-port via interfacekablet. Driverne indlæses automatisk.
  2. Installer drivere til Eye Tracker Sensor (installation procedurer på http://github.com/esdalmaijer/EyeTribe-Toolbox-for-Matlab )
    1. Download softwaren fra http://theeyetribe.com, starte programmet og starte programmet for at installere softwaren (Eye Tracker sensor bør ikke sættes i enhver af USB-portene på computeren).
    2. Tilslut den drevne Eye Tracker Sensor og driverne indlæses automatisk.
  3. Installe drivere til Balance Board (installation procedurer på (installation procedurer på http://www.colorado.edu/intphys/neuromechanics/cu_wii.html)
    1. Hent og udtrække CU_WiiBB.zip fra http://www.colorado.edu/intphys/neuromechanics/CU_WiiBB.zip
    2. Kopier WiiLab mappe til Microsoft Window operativsystemet standard Program Files mappe.
    3. Åbn WiiLab mappe i mappen Programmer og køre som administrator for InstallWiiLab.bat filen for at installere Balance Board.
  4. Installer drivere til EEG / EOG (installation procedurer på http://openvibe.inria.fr/how-to-connect-emotiv-epoc-with-openvibe/)
    1. Hent og installer Emotiv SDK fra http://www.emotiv.com/apps/sdk/209/
    2. Download og installer OpenViBE Acquisition Server med labstreaminglayer (LSL) fra https://code.google.com/p/labstreaminglayer/downloads/detail?name=OVAS-withLSL-0.14.3-3350-svn.zip til distribueret multi-sensor signal transport, tid synkronisering og dataopsamlingssystem (installation procedurer på https://code.google.com/p/labstreaminglayer/).
  5. Installer driverne til det kommercielle NMES stimulator (detaljer på http://www.vivaltis.com/gammes/phenix/phenix-usb-neo-50-554-1.html#content).

2. Lavprisselskaber Sensor placering til mobil Brain / Krop Imaging (mobi): Open source HMI Software Pipeline Giver Mobile Brain / Krop Imaging (mobi) 19 med Low-Cost Off-the-shelf sensorer (figur 2b), der kan skal tilpasses til andre Agility Training Programs.

  1. Visuel Feedback til mobi:
    1. Begynd ved at opnå en projektionsskærm for at vise den visuelle biofeedback ved den ene ende af lokalet (anbefalede afstand fra emne 0,6 m).
    2. Indstil højden, så midten af ​​skærmen vil være på forsøgspersonernes øjenhøjde.
  2. Bevægelse til MOBI:
    1. Placer bevægelse capture sensor foran projektionsskærmen, og rette det mod mængden af ​​motion capture.
    2. Bekræft, at mængden af ​​motion capture er 1,5 m til 2,5 m foran motion capture sensor.
  3. Balance Board placering til mobi:
    1. Placer Balance Board på gulvet, ca. 2,0 m væk fra motion capture sensor.
    2. Lad nok plads omkring Balance Board til at sikre fuld kroppens bevægelser (dvs. under modificeret funktionel rækkevidde opgave 21).
  4. EEG / EMG / EOG Sensor placering til Mobi
    1. Spørg motivet til at sidde på en stol mod Motion Capture og med fødderne på Balance Board.
    2. Placer optagelse (EMG) cum stimulering (NMES / SES) elektroderne bilateralt om Medial Gastrocnemius (MG) og tibialis anterior (TA) musklerne i emnet. Derefter forbinde dem til det trådløse elektriske stimulator (NMES / SES) system.
    3. Placer elektroencefalogram (EEG) cap om emnets hoved efter International 10 - 20 system. Derefter placere EEG elektroder med ledende pasta på -Fz, C3, Cz, C4, P3, Pz, P4, PO7, Oz, PO8 - før tilslutning dem til det trådløse EEG headset.
    4. Placer to EEG elektroder med ledende pasta over og under et af øjnene til vertikal EOG og sætte to elektroder med ledende pasta på den ydre øjenkrog af hvert øje for horisontal EOG. (Bemærk: I tilfælde Eye Tracker sensor anvendes ikke i post-takts emne så bilateral EOG er at foretrække).
    5. Placer to EEG elektroder på øreflipper som reference elektroder.

3. Eye Tracker Based Evaluering af Post-takts Pursuit øjenbevægelser

  1. Spørg emnet at sidde med hagen hvilende komfortabelt på højdejusterbare Chin-Rest. Derefter hæve computerskærmen en bekvem højde, at øjnene er groft vender midt på computerskærmen (figur 2a).
  2. Placer Eye Tracker r digt 50 cm fra Chin-Rest og bede emnet at se lige på computerskærmen for visuelle signaler.
  3. Kør EyeTribeWinUI.exe i "SmartEye 'mappe at kalibrere Eye Tracker sensoren. Emnet vil blive bedt om at se på forskellige mål på pc-skærm for omkring 2 sek hver. En typisk bruger kalibreringsprocessen tager ca. 20 sek at fuldføre. (X, y) koordinaterne for individets blik punkt registreres for forskellige cued mål for kalibrering.
  4. Kør 'Visual_Stimulus.exe «i SmartEye mappen for at udføre virtual reality baseret interface. Efterfølgende køre "SmartEye.exe programmet til stede i" SmartEye 'mappe til at erhverve de emner' øje blik data, der er synkroniseret med virtual reality baseret opgave. Disse data vil blive anvendt til vurdering af efter slagtilfælde eye udøvelse bevægelse.

2394fig3.jpg "/>
Figur 3: (a) Markør repræsenterer centrum for tryk (COP), som skal volitionally drevet til cued mål under visuomotorisk balance terapi, (b) visuomotorisk balance terapi protokol, hvor individet styrer computeren markøren til en perifer target drevet af volitionally genereret COP udflugter. Reset kan bistås med Neuromuskulær elektrisk stimulation (NMES) og sensorisk elektrisk stimulation (SES), (c) Eksperimentel setup for visuelt cued visuomotorisk balance terapi. Gengivet fra 8 og 37. Klik her for at se en større version af dette tal.

4. NMES / SES-Assisted visuomotorisk Balance Therapy (VBT) under MOBI

  1. Slut eye-tracker og balance board sensorer til visuel feedback computer (Figur 2).
    1. Sørg for, at Eye Tracker-sensoren er tændt, tilsluttet computer, og at det fuldt ud er startet. Start 'EyeTribe Server.exe "og" EyeTribeWinUI.exe' tilgængelig i 'VBT' mappe (se trin 1.3).
    2. Sørg for, at Balance Board-sensoren er tændt. Tryk derefter på knappen på Balance Board-sensoren til at gøre fjernbetjeningen synlig i menuen. Klik derefter på ikonet vise eller skjule i systemets proceslinjen, og klik på Bluetooth-ikonet enhed. Klik derefter på "Tilføj en enhed" option og parre Balance Board sensoren som en Bluetooth-enhed uden at bruge koden til visuel feedback computer. Når Balance Board-sensoren er sluttet til visuel feedback computer, skal du åbne 'VBT "mappe og køre WiiBBinterface.m fil til at etablere Matlab- Balance Board sensor interface (se trin 1.6).
    3. Sørg for, at Motion Capture-sensoren er tændt, tilsluttet computeren, og at denhar fuldt opstartet (der er en grøn LED på forsiden). Åbn LSL mappen og starte 'Mocap' software til at begynde streaming af sensordata motion capture (se trin 1.6).
    4. Sørg for, at EEG / EOG dataopsamlingssystemer er tændt. Dobbeltklik derefter klikke på openvibe-købet-server-withlsl.cmd rådighed i LSL mappe (se trin 1.6). Fra menuen skal du vælge den pågældende sensor hardware (dvs. 'Emotiv EPOC) og konfigurere modulet, hvis det er nødvendigt, ved at klikke på' Driver Egenskaber '. Klik derefter på "Connect", og klik derefter på 'Play' for at starte købet serveren.
  2. Kalibrer Sensorer til VBT
    1. Spørg efter slagtilfælde underlagt stå på Balance Board med sikkerhedssele (og delvis kropsvægt støtte, hvis det er nødvendigt).
    2. Sæt et minimum baseline NMES niveau (puls-bredde og nuværende niveau) er nødvendige for opretstående stående i henhold til klinisk observation (dvs..,nul kropsvægt support) 22. Til indstilling af minimum baseline NMES niveau, kan man indstille stimulering frekvens på 20 Hz og derefter øge puls-bredde og / eller nuværende niveau indtil oprejst stående er opnået. Her er NMES af knæ extensors kræves for at generere nok moment til at forhindre knæ foldning.
    3. Spørg emnet til at udføre forskellige rækkevidde bevægelser, der påvirker COM og CoP placering.
    4. Kør 'CalibSensors.m program tilgængelig i' DataCollect 'mappe for at indsamle flere sensor kalibreringsdata, mens emnet udfører forskellige selvstændige indledt maksimal rækkevidde bevægelser i forskellige retninger, der påvirker tyngdepunkt (COM) og centrum af pres (CoP) placering på det visuelle feedback.

5. Multi-sensor Dataindsamling lavpris Sensorer Under VBT (figur 2b)

  1. Kør 'CollectBaseline.m programmet i "DataCollect' mappe til at indsamle baseline hvile-State, øjne-åbne, multi-sensor-data ved at spørge emnet til at stå stille i 2 min, mens du kigger lige på CoP målet på computerskærmen (figur 3a).
  2. Slut visuel feedback computerens videoudgang til projektionsskærmen og køre SmartEyeVRTasks.exe filen i "VBT" mappe i den visuelle feedback-computer til at starte SmartEyeVRTasks GUI. Også køre 'CollectVBT.m programmet i "DataCollect' mappe til at indsamle sensordata under VBT.
    1. Fra oprejst stående, kaldet 'Central hold' fase, bede emnet at styre markøren, drevet af CoP, så hurtigt som muligt i retning af tilfældigt præsenteret perifere mål som cued ved visuel feedback (figur 3b).
    2. Efter denne 'Move' fase, bede emnet at holde markøren på destinationsplaceringen i 1 sek under "Peripheral hold 'fase.
    3. Efter "Peripheral hold 'fase, det vil markøren' ; Reset 'tilbage til midten, når motivet skal vende tilbage til oprejst stående -' Central hold 'position. NMES / SES udløses for musklen, når dens EMG niveauet går over et sæt tærskel for at bistå viljesbestemt indsats, der kræves for at vende tilbage CoP til 'Central hold' position.
      Bemærk: Vanskeligheden ved mFRT kan forøges ved at formindske forstærkningen, ligning 1 Eller forhøjelse støjvarians, ligning 2 Inden fagspecifikke mulig rækkevidde:
      ligning 3
      hvor betjenten udflugter, ligning 4 Kør markøren computer, ligning 5 , I diskretiserede tid, ligning 6 , Med time-trin,den 7. "src =" / files / ftp_upload / 52.394 / 52394eq7.jpg "/>.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 4 viser øjet blik funktioner, der blev udtrukket offline til kvantificering af en rask ydeevne under en glat opgave forfølgelse. De følgende egenskaber blev ekstraheret som vist i tabel 1:

Feature 1 = procentvis afvigelse mellem target stimulus position og det geometriske tyngdepunkt af deltagerens fastgørelsespunkter når stimulus ændrer position i den horisontale retning.

Feature 2 = procentvise afvigelse mellem mål stimulus position og tyngdepunkt af deltagerens fiksering point, når stimulus ændrer position i lodret retning.

Funktion 3 = blink pr minut

Feature 4 = procentdel af tid deltageren ser (øjeblev påvist ved øjet tracker) på stimulus.

Feature 5 = procentdel af tid deltageren er ikke på udkig (eye blev opdaget af øjet tracker) på stimulus. (Bemærk: Feature 5 = 100-Feature 4)

Feature 6 = procentdel Glat Pursuit Længde (SPL) overskridelse lavet af deltageren, dvs.
ligning 8

hvor SPL = Glat Pursuit Length er længden (i pixels) omfattet af deltageren til at spore de bevægelige stimulus, SMG = Stimulus Movement Længde (i pixel), dvs. faktiske længde af stien, hvor stimulus bevæger sig.

Figur 4
Figur 4: Top panel viser en illustrativ figur af den glatte forfølgelse under horizontal bevægelse. Bundpanel viser en illustrativ figur af den glatte forfølgelse under lodret bevægelse. Gengivet fra 8 og 37. Klik her for at se en større version af dette tal.

Funktion 1 (%) Funktion 2 (%) Feature 3 (per minut) Funktion 4 (%) Feature 5 (%) Feature 6 (%)
Venstre øje 1.00 3,66 6,83 95,52 4.49 46,78
Højre øje 0,67 6.00 6,34 94,40 5,60 24.99

Tabel 1: EyeGaze Feature.

En proof-of-concept VBT studie (uden NMES / SES) blev udført på 10 raske forsøgspersoner (5 højre ben dominerende hanner og 5 højre ben dominerende kvinder i alderen mellem 22 til 46 år) i henhold til en modificeret funktionel rækkevidde opgave ( mFRT) paradigme (figur 3c). Den mFRT foreslås at kvantificere de emner evne til volitionally flytte deres CoP stilling så hurtigt som muligt uden at miste balancen, mens cued med CoP visuelle biofeedback. Under mFRT blev multi-sensor data indsamlet til mobil hjerne / krop imaging (mobi) 19. MOBI data blev behandlet offline for at bestemme den samlede posturale svaj fra CoP (fra Balance Board) og KOM (fra Motion Capture Sensor) baner. Også, blev de funktioner udvundet fra biosignaler der blev optaget samtidig sammen med blikket adfærd (f.eks blinke sats, saccadiske retning fra electrooculogram). Resultaterne fra denne proof-of-con CEPT undersøgelse blev præsenteret i Dutta et al. 8, hvor alpha event-relaterede desynkronisering (aERD%) blev fundet primært i parietal og occipital EEG electrodes.Moreover den gennemsnitlige kvadrerede fejl (MSE) normaliseret ved baseline værdi trended mod et fald, blinke sats trended mod en stigning, og det saccadiske retning i forhold til markøren acceleration trended mod nul i løbet af successive forsøg med visuomotorisk opgaven. . Baseret på data fra Dutta et al 8 viste EOG data, at forholdet mellem fiksering varighed på målet og fiksering varighed på markøren før indledningen af motoren respons (dvs. EMG debut) - FD-forholdet - forøget ( Figur 5a), medens grundlinjen normaliserede middelværdi squared error (MSEnorm) faldt (figur 5b) under VBT forsøg.

g5.jpg "/>
Figur 5: (a) Ændringer i forholdet mellem fiksering varighed på målet og fiksering varighed på markøren - FDratio - udvundet af electrooculogram under visuomotorisk balance opgave (VBT) forsøg. (B) Ændringer i baseline normaliseret middelværdi squared fejl (MSEnorm) under VBT forsøg. Gengivet fra 8 og 37. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En simpel at bruge, klinisk gyldige billig værktøj til bevægelse og balance terapi vil være et paradigmeskift for neurorehabilitering i en lav-ressource indstilling. Det er sandsynligt, at have en meget stor samfundsmæssig betydning, da neurologiske lidelser som slagtilfælde dramatisk vil stige i fremtiden på grund af aldrende verdensbefolkning 2. Der er derfor et presserende behov for at udnytte cyber fysiske systemer, hvor evnen til at tilpasse, overvåge og understøtte neuro-rehabilitering på afsides steder er for nylig blevet muligt med integrationer af beregning, netværk og fysiske processer via telekommunikation. Mod det overordnede mål, kan den billige Eye Tracker baseret evaluering af post-takts eye udøvelse bevægelser ikke kun give hjem-baserede diagnose, men også terapi, hvor glat øje udøvelse bevægelse træning forfremmet nyttiggørelse fra auditiv og visuel forsømmelse 25. Her har latenstid af den glatte-udøvelse i raske forsøgspersoner vist sig at være very konsekvent for mål bevæger sig 5 grader / s eller hurtigere med en gennemsnitlig ventetid på 100 ± 5 ms 26.

Desuden er den foreslåede menneske-maskine-interface (HMI) for volitionally drevet neuromuskulær elektrisk stimulation (NMES) og sensorisk elektrisk stimulation (SES) for efter slagtilfælde balance terapi integreret biosignal sensorer og motion capture med NMES / SES for efter slagtilfælde balance rehabilitering , som har potentiale 27, 28 som en hjemme-baseret intervention for at forbedre efter slagtilfælde stående balance. Romanen del af HMI er software interface, der integrerer flere off-the-shelf billige sensorer til at registrere mobile hjerne / krop billeddata og til visuel-auditive biofeedback under NMES / SES assisteret visuomotorisk balance terapi (VBT). Baseret på sunde omfattet resultater fra proof-of-concept studie (uden NMES / SES), foreslår vi, at multi-sensor oplysninger kan fusioneres til at estimere tilstanden af ​​motorisk læring under post-takts VBT, og derfor vanskeligheden kan tilpasses online for mFRT. For eksempel kan glat øje udøvelse bevægelse træning 25 integreres med myoelectrically drevne NMES / SES-assisteret visuomotorisk opgave, som præsenteres i Dutta et al. 8, hvor alpha event-relaterede desynkronisering på parietale og occipital EEG elektroder kan forudsige den normaliserede middelværdi (MSE) i at nå de perifere mål. Derfor baseret på vurderingen af post-takts eye udøvelse bevægelser samt blikket adfærd under VBT opgave, vi kan objektivt analysere og overvåge eye-relaterede problemer, der bidrager til at balancere handicap og derved udnytte den resterende funktion under revalidering 29. Desuden kan blik adfærd (f.eks blinke sats, saccades) anvendes til at overvåge brugernes engagement under motor læring 30.

Motoren læring under VBT kan analyseres ved hjælp af en reduceret dimension reaktionsmasse pendul (RMP) biped model, der er præsenteret i Dutta et al. 24. Den reducerede dimension RMP model 24 kan konstrueres offline fra skelet sporingsdata (som er det fælles data, der strømmede ud af Motion Capture-sensoren i skelettet strøm, figur 6). Betydningen af ​​RMP model over traditionel punkt-masse pendul model var under lejlighedsvis arm svinge i sundt at genvinde balancen ved grænserne for stabilitet under mFRT hvor RMP model augmented den traditionelle point-masse pendul model ved at erobre den form, størrelse og orientering af aggregat roterende tyngdepunktslinje inerti. I vores tidligere arbejde 21 blev Com-CoP lean-line fundet at være en passende visuel feedback af oprejst positur. Også har vi vist relevansen af hele kroppen normaliseret tyngdepunktslinje impulsmoment (CAM) under stand-til-walk overgang i post-takts gangart 24. Faktisk er impulsmoment stramt reguleret med segment-til-segment aflysninger af kantede momen tum under human walking 31 og eventuelt i alle koordineret menneskelig bevægelse herunder mFRT at forhindre fald. Baseret på disse tidligere værker, kan det postuleres, at slagtilfælde overlevende med muskelsvaghed og koordinering underskud vil tage det længere tid at regulere CAM i forhold til alder-matchede raske forsøgspersoner. Dette er i øjeblikket under undersøgelse ved hjælp af den reducerede dimension RMP model 24.

Figur 6
Figur 6: Venstre panel viser de fælles etiketter til de skelet modeldata fra Motion Capture Sensor som kan analyseres offline med en reduceret dimension tobenet model (højre panel) til at indfange arbejdsstillinger (se Banerjee et al. 24). RMP: Reaktion Mass Pendulum, CoP: Midten af ​​Pressure, COM: Center of Mass, GRF: Ground udrykningsstyrke vektor.52394fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Den store udfordring er at udvikle og klinisk validere avancerede cyber fysiske systemer til teleneurorehabilitation der er baseret på manipulation af miljømæssige, adfærdsmæssige og farmakologiske sammenhænge. De fremtidige anvendelser af HMI omfatter en teleneurorehabilitation paradigme i en hjemme-baseret setup, hvor identifikation og overvågning af visuomotorisk underskud / lære af blik-adfærd kan låne til en operant betingning paradigme, som vil håndhæve viljesbestemt brug af relevant residual funktion. For eksempel kan HMI forøges med to Wii BB (et for paretisk og en for ikke-paretisk led), som kan placeres ved siden af hinanden uden at røre (dvs. <1 mm fra hinanden). Efter den eksperimentelle protokol af Mansfield og kolleger 7, kunne de emner stå med en fod på hver Wii BB i en standard position (fod orienteretved 14 ° med 7 ° rotation af hver fod med en inter-malleolien afstand svarende til 8% af højden), med hver fod lige langt fra midterlinien mellem begge Wii BBs. Under mFRT, vil både de paretisk og ikke-paretisk lemmer bidrage til CoP position, hvor operant betingning kan implementeres ved at give positiv forstærkning til den resterende funktion paretisk lemmer og negativ forstærkning for de kompenserende mekanismer ikke-paretisk lemmer ( baseret på princippet om tvang-induceret bevægelse terapi 32) ved at gøre markøren nemmere at styre med COP udflugter i paretisk side. Desuden synsfeltdefekter begge enslydende fejl og disse fejl relateret til synsnerven læsion, kan forbedres i hvert fald til en vis grad-patienter 33 i retning af en bedre visuomotorisk integration 34 bidrager til en bedre balance. Den kliniske slagtilfælde Undersøgelsen bliver gennemført under den hypotese, at vores billige HMI mod volitionallydrevet NMES / SES assisteret dynamisk visuomotorisk balance terapi kan lindre post-takts ankel-specifikke kontrolproblemer i visuelt cued vægt skiftende under tobenet stående. Det forventes at reducere faldet incidensrater i kroniske slagtilfælde overlevende, som kan være høj som 2,2 til 4,9 falder hver person-år 35. Faktisk for at vise effekten af denne HMI for post-takts balance terapi mod genoprettende neurorehabilitering, det afgørende skridt er tilstrækkelig emne ved hjælp blik evaluering baseret visuomotorisk ydeevne, dvs. slagtilfælde overlevende, der har tilstrækkelig resterende sensomotoriske funktion nødvendige for inddrivelsen 36.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forskning udført inden for rammerne af den fælles målrettede Program i Information og Kommunikation Videnskab og Teknologi - ICST, støttet af CNRS, INRIA, og DST, under CEFIPRA paraply. Forfatterne vil gerne anerkende den støtte til studerende, specielt Rahima Sidiboulenouar, Rishabh Sehgal, og Gorish Aggarwal, mod udvikling af forsøgsopstillingen.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Das, A., Botticello, A. L., Wylie, G. R., Radhakrishnan, K. Neurologic Disability: A Hidden Epidemic for India. Neurology. 79 (21), 2146-2147 (2012).
  3. Verheyden, G. S. A. F., Weerdesteyn, V. Interventions for preventing falls in people after stroke. The Cochrane database of systematic reviews. 5, 008728 (2013).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Carl, J. R., Gellman, R. S. Human smooth pursuit: stimulus-dependent responses. Journal of Neurophysiology. 57, 1446-1463 (1987).
  27. 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).
  28. Clark, R. A., Pua, Y. -H. Validity of the Microsoft Kinect for assessment of postural control. Gait & posture. 36, 372-377 (2012).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Herr, H., Popovic, M. Angular momentum in human walking. The Journal of Experimental Biology. 211, (Pt 4) 467-481 (2008).
  32. Taub, E., Morris, D. M. Constraint-induced movement therapy to enhance recovery after stroke. Current atherosclerosis reports. 3, 279-286 (2001).
  33. 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).
  34. Marshall, S. P. Identifying Cognitive State from Eye Metrics. Aviation, Space, and Environmental Medicine. 78, 165-175 (2007).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).

Tags

Neuroscience Stroke Movement Rehabilitering Lavprisselskaber enhed operant betingning biofeedback træning Neuroplasticitet Standing Balance.
En Menneske-maskine-grænseflade Integration Lavprisselskaber Sensorer med en Neuromuskulær elektrisk stimulation System for Post-takts Balance Rehabilitering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kumar, D., Das, A., Lahiri, U.,… More

Kumar, D., Das, A., Lahiri, U., Dutta, A. A Human-machine-interface Integrating Low-cost Sensors with a Neuromuscular Electrical Stimulation System for Post-stroke Balance Rehabilitation. J. Vis. Exp. (110), e52394, doi:10.3791/52394 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter