Abstract
Et hjerneslag oppstår når en arterie frakter blod fra hjertet til et område i hjernen brister eller en blodpropp hindrer blodstrømmen til hjernen og dermed hindre levering av oksygen og næringsstoffer. Omtrent halvparten av de slagrammede sitter igjen med en viss grad av uførhet. Innovative metoder for restorative neurorehabilitation er sterkt behov for å redusere langsiktig uførhet. Muligheten av nervesystemet å omorganisere sin struktur, funksjon og tilkoblinger som et svar på indre eller ytre stimuli kalles nevroplastisitet. Neuroplasticity er involvert i post-takts funksjonsforstyrrelser, men også i rehabilitering. Fordelaktig neuroplastic endringer kan gjøres lettere med ikke-invasiv elektroterapi, slik som nevromuskulær elektrisk stimulering (NMES) og sensoriske elektrisk stimulering (SES). Nmes innebærer koordinert elektrisk stimulering av motoriske nerver og muskler for å aktivere dem med kontinuerlige korte pulser av elektrisk strøm mens SES involves stimulering av sensoriske nerver med elektrisk strøm som resulterer i opplevelser som varierer fra knapt lesbar til svært ubehagelig. Her kan aktiv kortikal deltakelse i rehabiliterings prosedyrer forenkles ved å kjøre non-invasiv elektro med biosignals (electromyogram (EMG), elektroencefalogram (EEG), electrooculogram (EOG)) som representerer samtidig aktiv persepsjon og vilje innsats. For å oppnå dette på en ressursfattige omgivelser, for eksempel i lav- og mellominntektsland, presenterer vi en rimelig menneske-maskin-grensesnitt (HMI) ved å utnytte de siste fremskritt i off-the-sokkel videospill sensorteknologi. I denne artikkelen diskuterer vi open-source programvare grensesnitt som integrerer lavkost off-the-sokkel sensorer for visuell-auditive biofeedback med ikke-invasiv elektro å bistå postural kontroll under balanse rehabilitering. Vi demonstrere proof-of-concept på friske frivillige.
Introduction
En episode av nevrologisk dysfunksjon forårsaket av fokus cerebral, spinal eller retinal infarkt kalles hjerneslag 1. Hjerneslag er et globalt helseproblem og fjerde største årsaken til uførhet på verdensbasis en. I land som India og Kina, de to mest folkerike land i verden, er nevrologisk funksjonshemming på grunn av slag å bli stemplet som skjult epidemi to. En av de vanligste medisinske komplikasjoner etter et slag er fall med en rapportert forekomst på opp til 73% i det første året etter slag tre. Post-takts fall den er multifaktoriell og omfatter både rygg og supraspinal faktorer som balanse og visuospatial forsømmelse 4. En gjennomgang av Geurts og kolleger 5 identifiserte 1) multi-retnings nedsatt maksimal vekt forskyvning på tobent stående, 2) lav hastighet, 3) retnings upresishet, og 4) små amplituder av single og sykliske sub-maksimal frontal plan vektskiftninger som balansen faktorer for fall risk. Den påfølgende innvirkning på dagliglivets aktiviteter kan være betydelig siden tidligere arbeider har vist at balansen er knyttet til ambulerende evne og selvstendighet i brutto motorisk funksjon 5, 6. Videre Geurts og kolleger 5 antydet at supraspinal multisensorisk integrering (og muskel koordinering 7) i tillegg til muskelstyrke er avgjørende for balansen utvinning som mangler i dagens protokoller. Mot multisensorisk integrasjon, vår hypotese 8 på volitionally drevet non-invasiv elektro (nmes / SES) er at dette adaptiv atferd kan formes og tilrettelagt av moduler aktiv oppfatning av sanseinntrykk i løpet nmes / SES-assistert bevegelse av benet slik at hjernen kan innlemme denne tilbakemeldingen til påfølgende bevegelsen utgang ved å rekruttere alternative motorveier 9, om nødvendig.
For å oppnå volitionally drevet nmes / SES-assistert balansetrening i en ressurs-Dårlig innstilling, ble en rimelig menneske-maskin-grensesnitt (HMI) som er utviklet ved å utnytte tilgjengelige åpen kildekode programvare og nylige fremskritt i off-the-sokkel videospill sensorteknologi for visuell-auditiv biofeedback. Nmes innebærer koordinert elektrisk stimulering av nerver og muskler som har vist seg å forbedre muskelstyrke og redusere spastisitet 10. Dessuten innebærer SES stimulering av sensoriske nerver med elektrisk strøm for å fremkalle følelser der foreløpige publiserte arbeider 11 viste at subsensory stimulering brukes over tibialis anterior musklene alene er effektivt i å dempe postural svai. Her vil HMI muliggjøre sensoriske-motor integrering under interaktiv post-takts balanse terapi hvor volitionally drevet nmes / SES for ankelen muskler vil fungere som en muskel forsterker (med nmes) samt forbedre afferent tilbakemeldinger (med SES) til bistå sunne ankel strategier 12,13,14 å opprettholde oppreist holdning under postural svaier. Dette erbasert på hypotesen presenteres i Dutta et al. 8 at økt corticospinal eksitabilitet av relevante ankel muskler skjer gjennom non-invasiv elektro kan låne til en forbedret supraspinal modulering av ankelen stivhet. Faktisk har tidligere arbeid vist at nmes / SES frembringer varige endringer i corticospinal eksitabilitet, muligens som et resultat av co-aktiverende motor og sensoriske fibre 15,16. Videre Khaslavskaia og Sinkjaer 17 viste i mennesker at samtidig motor kortikal kjøretur til stede på tidspunktet for nmes / SES forbedret motor kortikal eksitabilitet. Derfor kan volitionally drevet nmes / SES indusere kortsiktige neuroplasticity i spinal reflekser (f.eks gjensidig Ia hemming 17) hvor corticospinal nevroner som prosjektet via synkende veier til en gitt motoneuron basseng kan hemme antagonistiske motoneuron bassenget via Ia-hemmende interneurons i mennesker 18, som vist i figur 1, i retning av en operant kondisjone paradigmet (se Dutta et al. 8).
Figur 1: Konseptet (. Detaljer på Dutta et al 21) underliggende interaktivt menneske-maskin-grensesnitt (HMI) for å drive trykksenteret (CoP) markøren til spolt mål å forbedre ankelen muskel koordinering henhold volitionally drevet nevromuskulær elektrisk stimulering (NMES) -assisted visuomotor balanse terapi EEG. elektroencefalografi, MN: α-motoneuron, IN: Ia-hemmende interneuron, EMG: electromyogram, DRG: dorsal root ganglion. Gjengitt fra 8 og 37. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Den Antero-posterior (AP) forskyvninger i sentrum av masse (COM) utføresved ankel plantarflexors (slik som mediale gastrocnemius og soleus muskler) og dorsiflexors (for eksempel den fremre tibiale muskel), mens Karakter-laterale (ML) forskyvninger er utført av ankel invertors (for eksempel den fremre tibiale muskel) og evertors (for eksempel peroneus longus og brevis muskler). Derfor slagrelaterte ankel svekkelser inkludert svakhet av ankelen dorsiflexor muskler og økt spastisitet i ankelen plantarflexor muskler føre til nedsatt postural kontroll. Her kan agility treningsprogrammer 6 utnyttes i en virtuell virkelighet (VR) basert spillplattform som utfordrer dynamisk balanse hvor oppgaver er gradvis økt i vanskeligheter som kan være mer effektivt enn statisk stretching / vekt-skiftende treningsprogram for å forebygge fall 6. For eksempel kan fagene utføre volitionally drevet nmes / SES assistert AP og ML forskyvninger under en dynamisk visuomotor balanse oppgave hvor vanskelighetsgraden kan økes gradvis til Ameliorate post-takts ankel-spesifikke kontrollproblemer i vekt skiftende løpet tobent stående. Mot volitionally drevet nmes / SES assistert balanse terapi i en ressursfattige omgivelser, presenterer vi en rimelig HMI for Mobile Brain / Body Imaging (MOBI) 19, mot visuelle auditive biofeedback som også kan benyttes til datainnsamling fra lav- lige sensorer for offline data leting i MoBILAB (se Ojeda et al. 20).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Merk: HMI programvare Rørledningen ble utviklet basert på fritt tilgjengelig open-source programvare og off-the-sokkel lavkost videospill sensorer (detaljer tilgjengelig på: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ og https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). HMI programvare rørledning er gitt for datainnsamling i løpet av en modifisert funksjonell rekkevidde oppgave (mFRT) 21 i en VR basert spillplattform for visuomotor balanse terapi (VBT) 8.
Figur 2a viser diagnose øyet tracker oppsett der blikket funksjonene er hentet pålogget for kvantifisering av post-takts restfunksjon slik at visuell tilbakemelding i VR kan tilpasses deretter.
Figur 2b viser eksperimentelle oppsettet for VBT.
Figur 2: (
1. Installasjon av programvare for Mobile Brain / Body Imaging Under VBT
- Installer driverne for Motion Capratur (installeringsprosedyrer som tilbys på https://code.google.com/p/labstreaminglayer/wiki/KinectMocap)
- Last ned og installer Kinect Runtime fra http://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=253187 (Motion Capture sensor skal ikke kobles til en av USB-portene på datamaskinen).
- Plugg i strømførende Motion Capture Sensor inn i en USB-port via grensesnittkabelen. Driverne vil laste automatisk.
- Installer driverne for Eye Tracker Sensor (installasjonsprosedyrer som tilbys på http://github.com/esdalmaijer/EyeTribe-Toolbox-for-Matlab )
- Last ned programvaren fra http://theeyetribe.com, starte programmet og starte programmet for å installere programvaren (Eye Tracker sensor skal ikke kobles til en av USB-portene på datamaskinen).
- Plugg i drevet Eye Tracker Sensor og driverne vil laste automatisk.
- Installe drivere for Balance Board (installasjonsprosedyrer som tilbys på (installasjonsprosedyrer som tilbys på http://www.colorado.edu/intphys/neuromechanics/cu_wii.html)
- Last ned og pakk CU_WiiBB.zip fra http://www.colorado.edu/intphys/neuromechanics/CU_WiiBB.zip
- Kopier WiiLab mappen til standard Programfiler katalogen Microsoft Window operativsystemet.
- Åpne WiiLab mappen i Programfiler og kjør som administrator den InstallWiiLab.bat filen for å installere Balance Board.
- Installer drivere for EEG / EOG (installasjonsprosedyrer som tilbys på http://openvibe.inria.fr/how-to-connect-emotiv-epoc-with-openvibe/)
- Last ned og installer Emotiv SDK fra http://www.emotiv.com/apps/sdk/209/
- Last ned og installer OpenViBE Oppkjøp Server med labstreaminglayer (LSL) fra https://code.google.com/p/labstreaminglayer/downloads/detail?name=OVAS-withLSL-0.14.3-3350-svn.zip for distribuert multi-sensor signal transport, tidssynkronisering og datainnsamling system (installasjonsprosedyrer som tilbys på https://code.google.com/p/labstreaminglayer/).
- Installer driverne for den kommersielle nmes stimulator (detaljer på http://www.vivaltis.com/gammes/phenix/phenix-usb-neo-50-554-1.html#content).
2. Low-cost Sensor Plassering for Mobile Brain / Body Imaging (Mobi): The Open-source HMI programvare Pipeline Gir Mobile Brain / Body Imaging (Mobi) 19 med Low-Cost Off-the-sokkel Sensorer (figur 2b) som kan tilpasses for andre Ferdighet treningsprogrammer.
- Visual Feedback for mobi:
- Begynn med å skaffe en projeksjon skjermen for å vise visuell biofeedback ved den ene enden av rommet (anbefalt avstand fra motivet 0,6 m).
- Juster høyden slik at midten av skjermen vil være på fagenes øyehøyde.
- Motion Capture for mobi:
- Plasser bevegelse capture sensor foran lerretet, og rettes mot volumet av motion capture.
- Bekreft at volumet av motion capture er 1,5 m til 2,5 m foran motion capture sensor.
- Balance Board Plassering for mobi:
- Plasser Balance Board på gulvet, ca 2,0 m fra motion capture sensor.
- La det være nok plass rundt Balance Board for å sikre full kroppsbevegelse (dvs. under endret funksjonell rekkevidde oppgave 21).
- EEG / EMG / EOG Sensor Plassering for mobi
- Spør om å sitte på en stol vendt mot Motion Capture og med føttene på Balance Board.
- Plasser opptak (EMG) cum stimulering (NMES / SES) elektroder bilateralt på Medial Gastrocnemius (MG) og tibialis anterior (TA) muskler av faget. Deretter kobler dem til det trådløse elektrisk stimulator (nmes / SES) system.
- Plasser elektroencefalogram (EEG) cap på emnethode som følge av International 10 - 20 system. Deretter plasserer EEG elektroder med ledende lim på -Fz, C3, Cz, C4, P3, Pz, P4, PO7, Oz, PO8 - før du kobler dem til det trådløse EEG headset.
- Plasser to EEG elektroder med ledende lim over og under en av øynene for vertikal EOG og sette to elektroder med ledende lim på den ytre øyekroken av hvert øye for horisontal EOG. (Merk: I tilfelle Eye Tracker sensor er ikke brukt i det post-takts lagt da bilateral EOG er å foretrekke).
- Plasser to EEG elektroder på øreflippene som referanseelektroder.
3. Eye Tracker basert evaluering av Post-takts Pursuit øyebevegelser
- Spør om å sitte med haken hviler komfortabelt på det høydejusterbare Chin-Rest. Deretter heve dataskjermen til en passende høyde slik at øynene er omtrent i retning sentrum av dataskjermen (figur 2a).
- Plasser Eye Tracker r oughly 50 cm fra Chin-Rest og spør om å se rett på dataskjermen for visuelle signaler.
- Kjør EyeTribeWinUI.exe i "SmartEye" -mappen for å kalibrere Eye Tracker sensor. Temaet vil bli bedt om å se på ulike mål på PC-skjerm for omtrent 2 sekunder hver. En vanlig bruker kalibreringsprosessen tar ca 20 sekunder å fullføre. (X, y) koordinater i faget blikk punkt er registrert for ulike spolt mål for kalibrering.
- Kjør 'Visual_Stimulus.exe "i SmartEye mappen for å utføre den virtuelle virkelighet basert grensesnitt. Deretter kjører 'SmartEye.exe' program til stede i "SmartEye" -mappen for å skaffe fagenes øye blikket data som er synkronisert med den virtuelle virkelighet basert oppgave. Denne informasjonen vil bli brukt for evaluering av post-takts jakten øyebevegelser.
2394fig3.jpg "/>
Figur 3: (a) Markør som representerer trykksenteret (CoP) som må volitionally drevet til spolt målet i løpet av visuomotor balanse behandling, (b) Visuomotor balanse terapi protokoll der emnet styrer datamarkøren til en perifer mål drevet av volitionally generert anbefalingens utflukter. Den Reset kan få hjelp med nevromuskulær elektrisk stimulering (NMES) og sensoriske elektrisk stimulering (SES), (c) Eksperimentell oppsett for svak spolt visuomotor balanse terapi. Gjengitt fra 8 og 37. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
4. nmes / SES-pasning Visuomotor Balance Therapy (VBT) under mobi
- Koble eye-tracker og balanse bord sensorer til visuell tilbakemelding datamaskinen (Fifigur 2).
- Pass på at Eye Tracker sensoren er slått på, koblet til datamaskinen, og at den har fullt oppstartet. Start 'EyeTribe server.exe' og 'EyeTribeWinUI.exe "tilgjengelig i' VBT-mappen (se trinn 1.3).
- Kontroller at Balance Board sensoren er slått på. Deretter trykker du på knappen på Balance Board sensor for å gjøre fjern synlig i menyen. Deretter klikker du på showet eller skjule ikonet i systemoppgavelinjen, og klikk på Bluetooth-enheten ikonet. Deretter klikker du på "Legg til en enhet" alternativet og pare Balance Board sensoren som en Bluetooth-enhet uten å bruke koden til visuell tilbakemelding datamaskinen. Når Balance Board sensoren er koblet til visuell tilbakemelding datamaskinen, åpne 'VBT-mappen og kjør WiiBBinterface.m fil å etablere Matlab- Balance Board sensorgrensesnitt (se trinn 1.6).
- Kontroller at Motion Capture sensoren er slått på, koblet til datamaskinen og at dethar fullt oppstartet (det er en grønn LED på forsiden). Åpne LSL mappen og starte 'Mocap' programvare for å begynne streaming av motion capture-sensordataene (se trinn 1.6).
- Sørg for at datainnsamling systemer de EEG / EOG er slått på. Deretter dobbeltklikker du på openvibe-oppkjøpet-server-withlsl.cmd tilgjengelig i LSL mappen (se trinn 1.6). Fra menyen velger du den aktuelle sensoren hardware (dvs. 'Emotiv EPOC') og konfigurere modulen, om nødvendig, ved å klikke på 'Driver Properties'. Deretter klikker du på "koble til", og klikk deretter på "Play" for å starte kjøp server.
- Kalibrere sensorene for VBT
- Spør etter slaglagt stå på Balance Board med sikkerhetssele (og delvis kroppsvekt støtte, om nødvendig).
- Still et minimum baseline nmes nivå (puls-bredde og dagens nivå) er nødvendig for oppreist stående i henhold til klinisk observasjon (ie.,null kroppsvekt støtte) 22. For innstilling av minimumslinjen nmes nivå, kan man stille inn stimulering frekvens på 20 Hz, og deretter øke det pulsbredde og / eller strømnivå til opprettstående stilling er oppnådd. Her er nmes av kneet ekstensorene nødvendig for å generere nok dreiemoment til å forebygge kne knekking.
- Spør om å utføre ulike rekkevidde bevegelser som påvirker CoM og CoP plassering.
- Kjør 'CalibSensors.m' program tilgjengelig i 'DataCollect "-mappen for å samle multi-sensor kalibreringsdata mens emnet utfører ulike egeninitiert maksimal rekkevidde bevegelser i ulike retninger som påvirker sentrum av masse (COM) og sentrum av press (CoP) plassering på visuell tilbakemelding.
5. Multi-sensor Datainnsamling fra rimelige sensorer Under VBT (figur 2b)
- Kjør 'CollectBaseline.m' program i 'DataCollect-mappen for å samle baseline hvile-state, øyne-åpne, multi-sensor data ved å spørre faget til å stå stille i 2 minutter mens du ser rett på CoP målet på PC-skjermen (figur 3a).
- Koble visuell tilbakemelding maskinens videoutgang til lerretet, og kjør SmartEyeVRTasks.exe filen i 'VBT-mappen i visuell tilbakemelding datamaskinen for å starte SmartEyeVRTasks GUI. Også kjøre 'CollectVBT.m' program i 'DataCollect "-mappen for å samle inn sensordata under VBT.
- Fra oppreist stående, kalt "Central hold 'fase, spør om å styre markøren, drevet av CoP, så fort som mulig mot tilfeldig presenteres perifert mål som spolt av visuell tilbakemelding (figur 3b).
- Etter denne "Move" fase, spør om å holde markøren på målet stedet for 1 sek under "Peripheral hold 'fase.
- Etter 'Peripheral hold' fase, markøren vil " ; Reset "tilbake til sentrum når motivet må returnere tilbake til oppreist stående - den" sentrale hold 'posisjon. Nmes / SES utløses for muskelen når den EMG nivået går over et sett terskel for å bistå vilje innsatsen som kreves for å returnere CoP til "Central hold 'posisjon.
Merk: Vanskeligheten av mFRT kan økes ved å redusere gevinsten,
Eller økning av støyvariansen, 
Innenfor fagspesifikke bart utvalg: 
hvor politimannen utflukter,
, Kjøre datamaskinen markøren, 
I diskretisert tid, 
Med tidstrinn,7. "src =" / files / ftp_upload / 52394 / 52394eq7.jpg "/>.
Eller økning av støyvariansen, 
Innenfor fagspesifikke bart utvalg: 
, Kjøre datamaskinen markøren, 
I diskretisert tid, 
Med tidstrinn,7. "src =" / files / ftp_upload / 52394 / 52394eq7.jpg "/>. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 4 viser øye blikk funksjoner som ble hentet offline for kvantifisering av en sunn og sterk ytelse under en jevn jakten oppgave. De følgende egenskaper ble ekstrahert som vist i tabell 1:
Feature 1 = prosentvise forskjellen mellom mål stimulus posisjon og tyngdepunktet til deltakernes festepunkter når stimulus forandrer stilling i horisontal retning.
Feature 2 = prosentvise forskjellen mellom mål stimulus posisjon og tyngdepunktet til deltakerens festepunkter når stimulus endrer posisjon i vertikal retning.
Feature 3 = blink per minutt
Feature 4 = prosentandel av tiden deltakeren er ute (eyeble påvist ved øyet tracker) ved stimulus.
Feature 5 = prosentandel av tiden deltakeren ikke ser (øyet ble oppdaget av øyet tracker) ved stimulans. (Merk: Feature 5 = 100-Funksjon 4)
Feature 6 = prosent Smooth Pursuit Lengde (SPL) shoot gjort av deltakeren, dvs. 
hvor SPL = Smooth Pursuit Lengde er lengden (i piksler) dekkes av deltaker å spore flytte stimulus, SML = Stimulus Movement Lengde (i piksler), dvs. faktiske lengden på banen der stimulanse trekk.
Figur 4: Top panelet viser en illustrerende figur av den glatte jakten på horizontal bevegelse. Bunnplate viser en illustrerende figur av den glatte dyrke under vertikal bevegelse. Gjengitt fra 8 og 37. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Feature 1 (%) | Feature 2 (%) | Feature 3 (per minutt) | Feature 4 (%) | Feature 5 (%) | Feature 6 (%) | |
| venstre Eye | 1.00 | 3,66 | 6,83 | 95,52 | 4,49 | 46.78 |
| høyre Eye | 0,67 | 6,00 | 6,34 | 94,40 | 5,60 | 24.99 |
Tabell 1: EyeStirre Feature.
En proof-of-concept VBT studie (uten nmes / SES) ble utført på 10 funksjonsfriske pasienter (5 høyre ben dominerende hanner og fem riktige etapper dominante kvinner i alderen mellom 22 til 46 år) under en modifisert funksjonell rekkevidde oppgave ( mFRT) paradigmet (figur 3c). Den mFRT foreslås å kvantifisere fagenes evne til volitionally skifte sin CoP posisjon så raskt som mulig uten å miste balansen mens spolt med CoP visuell biofeedback. Under mFRT ble multi-sensor data innsamlet for mobil hjerne / kropp imaging (Mobi) 19. MOBI data ble behandlet pålogget for å bestemme den totale postural sway fra CoP (fra Balance Board) og COM (fra Motion Capture Sensor) baner. Også ble de funksjoner hentet fra biosignals som ble spilt inn samtidig med blikket atferd (f.eks blinkehastighet, rykningsamplituden retning fra electrooculogram). Resultatene fra denne proof-of-con CEPT studien ble presentert i Dutta et al. 8 hvor alfa event-relatert desynkronisering (aERD%) ble funnet primært i parietal og occipital EEG electrodes.Moreover var gjennomsnittlig squared error (MSE) normalisert ved baseline verdi tendert mot en nedgang, blinke sats tendert mot en økning, og rykke retning i forhold til markøren akselerasjon tendert mot null i løpet av påfølgende utprøving av visuomotor oppgaven. . Basert på dataene fra Dutta et al 8, de EOG data viste at forholdet for fiksering varighet på målet og den fiksering varighet på markøren før initiering av motorisk respons (dvs. EMG innsett) - FD-forhold - økt ( Figur 5a) mens baseline normalisert gjennomsnittlig squared error (MSEnorm) redusert (figur 5b) under VBT prøvelser.
g5.jpg "/>
Figur 5: (a) Endringer i forholdet mellom fiksering varighet på målet og fiksering varighet på markøren - FDratio - hentet fra electrooculogram under visuomotor balanse oppgave (VBT) forsøk. (B) Endringer i referanse normalisert gjennomsnittlig squared error (MSEnorm) under VBT prøvelser. Gjengitt fra 8 og 37. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En enkel å bruke, klinisk gyldig rimelig verktøy for bevegelse og balanse terapi vil være et paradigmeskifte for neurorehabilitation i en lav-ressurs innstilling. Det er sannsynlig å ha en svært høy samfunnsmessig betydning siden nevrologiske lidelser som slag vil dramatisk øke i fremtiden på grunn av aldring verdens befolkning to. Det er derfor et stort behov for å utnytte cyber fysiske systemer hvor evnen til å tilpasse, overvåke og støtte nevro-rehabilitering på eksterne nettsteder har nylig blitt mulig med integrasjoner av beregning, nettverk og fysiske prosesser via telekommunikasjon. Mot det overordnede målet, kan den rimelige Eye Tracker basert evaluering av post-takts jakten øyebevegelser ikke bare gi hjemmebasert diagnose, men også terapi hvor glatt jakten øyebevegelser trening fremmet utvinning fra auditiv og visuell forsømmelse 25. Her har latency på glatt-jakten hos friske personer er funnet å være very konsekvent for mål å flytte 5 grader / s eller raskere med en gjennomsnittlig ventetid på 100 ± 5 ms 26.
Videre foreslås menneske-maskin-grensesnitt (HMI) for volitionally drevet nevromuskulær elektrisk stimulering (NMES) og sensoriske elektrisk stimulering (SES) for post-takts balanse terapi integrert biosignaldataene sensorer og motion capture med nmes / SES for post-stroke balanse rehabilitering som har potensial til 27, 28 som en hjemme-basert intervensjon for å forbedre post-takts stående balanse. Romanen del av HMI er programvaren grensesnitt som integrerer flere off-the-sokkel rimelige sensorer for å registrere mobil hjerne / kropp bildedata og for visuell-auditiv biofeedback under nmes / SES assistert visuomotor balanse terapi (VBT). Basert på sunne lagt resultater fra proof-of-concept studie (uten nmes / SES), foreslår vi at multi-sensor informasjonen kan være smeltet til å beregne tilstanden i motorisk læring i løpet av post-takts VBT, og derfor den vanskelighet kan tilpasses nettet for mFRT. For eksempel kan glatt jakten øyebevegelser trening 25 integreres med myoelectrically drevet nmes / SES-assistert visuomotor oppgave, som presentert i Dutta et al. 8, hvor alfa event-relatert desynkronisering på parietal og occipital EEG elektroder kan forutsi normalisert gjennomsnitts kvadratfeil (MSE) i å nå de perifere målene. Derfor, basert på evaluering av post-takts jakten øyebevegelser samt blikket oppførsel under VBT oppgave, vi kan objektivt analysere og overvåke øye-relaterte problemer som bidrar til å balansere uførhet og dermed utnytte restfunksjonen under rehabilitering 29. Videre kan blikket atferd (f.eks blinkehastighet, rykninger) brukes til å overvåke brukerengasjement i løpet av motorisk læring 30.
Motoren læring i løpet VBT kan analyseres ved hjelp av en redusert dimensjon reaksjonsmasse pendel (RMP) biped model som er presentert i Dutta et al. 24. Den reduserte dimensjonen RMP modell 24 kan konstrueres offline fra skjelett sporingsdata (som er felles data som strømmet ut av Motion Capture sensor i skjelettet stream, figur 6). Betydningen av RMP modell fremfor tradisjonelle pek-masse pendel modellen var under annen arm svingende i sunt å gjenvinne balansen ved grensene for stabilitet under mFRT der RMP modellen utvidet den tradisjonelle pek-masse pendel modellen ved å fange form, størrelse og orientering av samlet rotasjons centroidal treghet. I vårt tidligere arbeid 21, ble CoM-CoP lean-line funnet å være en passende visuell tilbakemelding av oppreist holdning. Også har vi vist relevansen av hele kroppen normalisert centroidal spinn (CAM) i standby-til-tur overgang i post-takts gangart 24. Faktisk er spinn strengt regulert med segment-til-segmentet kanselleringer av vinkel momen tum under menneskelig gang 31 og muligens i hele koordinert bevegelses inkludert mFRT å forebygge fall. Basert på disse tidligere arbeider, kan det bli postulert at slagrammede med muskelsvakhet og koordinering underskudd tar det lenger tid å regulere CAM sammenlignet med alderstilpassede fullbefarne fag. Dette er for tiden under etterforskning ved hjelp av redusert dimensjon RMP modell 24.
Figur 6: Venstre panel viser felles etiketter for skjelettet modell data fra Motion Capture Sensor som kan analyseres pålogget bruker en redusert dimensjon biped modell (høyre panel) for å fange holdning (se Banerjee et al. 24). RMP: Reaksjon Mass Pendulum, CoP: Center of Pressure, COM: Center of Mass, GRF: Første reaksjon kraftvektor.52394fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Den store utfordringen er å utvikle og klinisk validere avanserte cyber fysiske systemer for teleneurorehabilitation som er basert på manipulering av miljømessige, atferdsmessige og farmakologiske sammenhenger. De framtidige anvendelser av HMI inkluderer teleneurorehabilitation paradigme i en hjemme-basert oppsett der identifisering og oppfølging av visuomotor underskudd / lære av blikk-atferd kan låne til en operant betinging paradigme som vil håndheve vilje bruk av relevant restfunksjon. For eksempel kan HMI bli utvidet med to Wii BB (en for den paretic og en for den ikke-paretic lem) som kan plasseres ved siden av hverandre uten å berøre (dvs, <1 mm fra hverandre). Etter forsøksprotokoll av Mansfield og kolleger 7, kan fagene stå med en fot på hver Wii BB i en standard posisjon (fot orientertved 14 ° med 7 ° rotasjon av hver fot med en inter-malleoli avstand som tilsvarer 8% av høyden), med hver fot med samme avstand fra midtlinjen mellom begge Wii BBS. Under mFRT, vil både paretic og ikke-paretic lemmer bidra til CoP posisjon hvor operant betinging kan implementeres ved å gi positiv forsterkning til rest funksjon av paretic lem og negativ forsterkning for kompenserende mekanismer av ikke-paretic lem ( basert på prinsippet om begrensning utløst bevegelsesterapi 32) ved å gjøre markøren lettere å styre med COP utflukter av paretic side. Videre synsfelt, både Homonymosteinen feil og de feilene knyttet til synsnerven lesjon, kan bli bedre, i hvert fall til en viss grad-pasienter 33 mot bedre visuomotor integrasjon 34 bidrar til forbedret balanse. Den kliniske slag studien blir gjennomført under hypotesen om at vår lave kostnader HMI mot volitionallydrevet nmes / SES assistert dynamisk visuomotor balanse terapi kan lindre post-takts ankel-spesifikke kontrollproblemer i visuelt spolt vekt forskyvning på tobent stående. Det er forventet å redusere høst forekomst i kroniske slagrammede, som kan være høyt som 2,2 til 4,9 faller hver person-år 35. Faktisk, for å vise effekten av dette HMI for post-takts balanse terapi mot restorative neurorehabilitation, er det avgjørende skritt tilstrekkelig motivet ved hjelp av blikket basert visuomotor ytelse evaluering, dvs. slagrammede som har tilstrekkelig gjenværende sensorisk funksjon nødvendig for utvinning 36.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noe å avsløre.
Acknowledgments
Forskning utført innenfor rammen av Joint målrettede programmet i informasjons- og kommunikasjonsvitenskap og teknologi - ICST, støttet av CNRS, INRIA, og DST under CEFIPRA paraply. Forfatterne ønsker å takke støtte av studenter, spesielt Rahima Sidiboulenouar, Rishabh Sehgal, og Gorish Aggarwal, mot utviklingen av den eksperimentelle oppsettet.
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. Angular momentum in human walking. The Journal of Experimental Biology. 211, (Pt 4) 467-481 (2008).
- Taub, E., Morris, D. M. Constraint-induced movement therapy to enhance recovery after stroke. Current atherosclerosis reports. 3, 279-286 (2001).
- Kasten, E., Wuest, S., Sabel, B. A. Residual vision in transition zones in patients with cerebral blindness. Journal of Clinical and Experimental Neuropsychology. 20, 581-598 (1998).
- Marshall, S. P. Identifying Cognitive State from Eye Metrics. Aviation, Space, and Environmental Medicine. 78, 165-175 (2007).
- Weerdesteyn, V., de Niet, M., van Duijnhoven, H. J. R., Geurts, A. C. H. Falls in individuals with stroke. Journal of Rehabilitation Research and Development. 45, 1195-1213 (2008).
- Stinear, C. M., Barber, P. A., Petoe, M., Anwar, S., Byblow, W. D. The PREP algorithm predicts potential for upper limb recovery after stroke. Brain: A Journal of Neurology. 135 ((Pt 8)), 2527-2535 (2012).
- Dutta, A., Lahiri, D., Kumar, U., Das, A., Padma, M. V. Post-stroke engagement-sensitive balance rehabilitation under an adaptive multi-level electrotherapy: clinical hypothesis and computational framework. Neuroscience and Biomedical Engineering. 2 (2), 68-80 (2015).
