A novel low-cost human-machine interface for interactive post-stroke balance rehabilitation system is presented in this article. The system integrates off-the-shelf low-cost sensors towards volitionally driven electrotherapy paradigm. The proof-of-concept software interface is demonstrated on healthy volunteers.
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.
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).
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 …
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |