Abstract
Een beroerte ontstaat wanneer een slagader van hart tot een gebied in de hersenen barst of een klonter de bloedtoevoer naar de hersenen waardoor de levering van zuurstof en voedingsstoffen voorkomen. Ongeveer de helft van de slag overlevenden blijven zitten met een zekere mate van invaliditeit. Innovatieve methoden voor het herstelrecht neurorevalidatie zijn dringend nodig om langdurige arbeidsongeschiktheid te verminderen. Het vermogen van het zenuwstelsel naar de structuur, functie en verbindingen reorganiseren als reactie op intrinsieke of extrinsieke stimuli heet neuroplasticiteit. Neuroplasticiteit is betrokken bij post-stroke functionele stoornissen, maar ook in de revalidatie. Beneficial plastische veranderingen kunnen worden vergemakkelijkt met niet-invasieve elektrotherapie, zoals neuromusculaire elektrische stimulatie (NMES) en sensorische elektrische stimulatie (SES). NMES impliceert gecoördineerde elektrische stimulatie van motorische zenuwen en spieren om ze te activeren met doorlopende korte pulsen van elektrische stroom, terwijl SES involves stimulatie van sensorische zenuwen met elektrische stroom resulteert in sensaties die variëren van nauwelijks waarneembaar tot zeer onaangenaam. Hier kan actief corticale deelname aan procedures revalidatie worden vergemakkelijkt door het besturen van de niet-invasieve elektrotherapie met biosignalen (elektromyogram (EMG), elektro-encefalogram (EEG), elektro-(EOG)), die gelijktijdig actief perceptie en volitionele inspanning te vertegenwoordigen. Om dit te bereiken in een resource-arme omgeving, bijvoorbeeld in lage en midden-inkomens landen, presenteren we een low-cost mens-machine-interface (HMI) door gebruik te maken van de recente ontwikkelingen in de off-the-shelf video game sensortechnologie. In dit artikel bespreken we de open-source software-interface die low-cost off-the-shelf sensoren integreert voor visueel-auditieve biofeedback met niet-invasieve elektrotherapie om orthostatische controle tijdens evenwicht revalidatie te helpen. We tonen de proof-of-concept op gezonde vrijwilligers.
Introduction
Een aflevering van neurologische dysfunctie veroorzaakt door focale cerebrale, spinale of retinale infarct wordt genoemd beroerte 1. Beroerte is een wereldwijd gezondheidsprobleem en de vierde belangrijkste oorzaak van invaliditeit in de wereld 1. In landen als India en China, de twee meest bevolkte landen van de wereld, wordt neurologische arbeidsongeschiktheid als gevolg van een beroerte wordt bestempeld als verborgen epidemie 2. Een van de meest voorkomende medische complicaties na een beroerte wordt op een gerapporteerde incidentie tot 73% in het eerste jaar na een beroerte 3. De daling van de post-stroke is multifactoriële en omvat zowel de wervelkolom en supraspinale factoren zoals evenwicht en visueel-ruimtelijke verwaarlozing 4. Een overzicht van Geurts en collega's 5 geïdentificeerd 1) multi-directioneel slechtzienden maximale gewicht verschuiven tijdens tweevoetig standing, 2) lage snelheid, 3) directionele onnauwkeurigheid, en 4) kleine amplitudes van enkelvoudige en cyclische sub-maximale frontale vlak gewicht verschuift als het saldo factoren voor de herfst risk. De invloed hiervan op de activiteiten van het dagelijks leven kan aanzienlijk zijn, omdat eerdere werken hebben aangetoond dat de balans wordt geassocieerd met ambulante vermogen en de onafhankelijkheid van het bruto motorische functie 5, 6. Bovendien Geurts en collega's 5 suggereerde dat supraspinale multisensorische integratie (en spiercoördinatie 7) in aanvulling op spierkracht is van cruciaal belang voor het evenwicht herstel dat ontbreekt in de huidige protocollen. Towards multisensorische integratie, onze hypothese 8 op volitionally gedreven niet-invasieve elektrotherapie (NMES / SES) is dat dit adaptief gedrag kan worden gevormd en gefaciliteerd door het moduleren actieve perceptie van zintuiglijke input tijdens NMES / SES-ondersteunde beweging van de getroffen ledemaat zodanig dat de hersenen kan deze feedback in de daaropvolgende beweging uitgang op te nemen door het aantrekken van alternatieve motor trajecten 9, indien nodig.
Om volitionally gedreven NMES / SES-bijgestaan evenwicht opleiding in een resource te bereiken-Slechte het instellen van een low-cost mens-machine-interface (HMI) is ontwikkeld door gebruik te maken van beschikbare open-source software en de recente ontwikkelingen in de off-the-shelf video game sensortechnologie voor visueel-auditieve biofeedback. NMES omvat gecoördineerde elektrische stimulatie van zenuwen en spieren die is getoond spierkracht verbeteren en spasticiteit 10 verminderen. Ook SES betreft stimulatie van sensorische zenuwen met elektrische stroom naar sensaties waar de voorbereidende gepubliceerde werk 11 toonde aan dat subsensory stimulatie toegepast over de tibialis anterior spieren alleen effectief is in het verzachtende posturale sway oproepen. Hier zal de HMI mogelijke sensomotorische integratie te maken tijdens interactieve na een beroerte balans therapie waarbij volitionally-driven NMES / SES voor de enkel spieren zal fungeren als een spier versterker (met NMES), alsmede verbeteren afferente feedback (met SES) tot assisteren gezonde enkel strategieën 12,13,14 te rechte houding te handhaven tijdens orthostatische zwaait. Dit isgebaseerd op de hypothese die in Dutta et al. 8 dat een verhoogde prikkelbaarheid corticospinal relevante enkelspieren plaats via niet-invasieve elektrotherapie kan verlenen aan een verbeterde supraspinale modulatie van enkel stijfheid. Inderdaad, eerder werk aangetoond dat NMES / SES opwekt blijvende veranderingen in corticospinal prikkelbaarheid, mogelijk als gevolg van gelijktijdig activeringsmotor en sensorische vezels 15,16. Bovendien Khaslavskaia en Sinkjaer 17 toonde in de mens dat gelijktijdige motor corticale schijf aanwezig op het moment van NMES / SES verbeterde motor corticale prikkelbaarheid. Daarom kan volitionally-driven NMES / SES korte termijn neuroplasticiteit in spinale reflexen induceren (bijv wederzijdse Ia remming 17), waar corticospinal neuronen die projecteren via aflopende wegen naar een bepaalde motoneuron zwembad de antagonistische motoneuron zwembad via Ia-remmende interneuronen in kunnen remmen 18 mens, zoals weergegeven in figuur 1, naar een operant conditioning paradigma (zie Dutta et al. 8).
Figuur 1: Het concept (. Details op Dutta et al 21) onderliggende interactieve Human Machine Interface (HMI) naar het centrum van de druk (CoP) rijdt cursor naar de cued doelstelling om enkel spiercoördinatie onder volitionally gedreven neuromusculaire elektrische stimulatie te verbeteren (NMES) bijgestane visuomotorische balans therapie EEG:. elektro, MN: α-motorisch, IN: Ia-remmende interneuron, EMG: electromyogram, DRG: dorsale wortel ganglion. Overgenomen van 8 en 37. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De antero-posterior (AP) verplaatsingen in het centrum van de massa (COM) worden uitgevoerddoor enkel plantarflexors (zoals mediale gastrocnemius en soleus spieren) en dorsiflexors (zoals de voorste tibialis spier) terwijl mediolaterale (ML) verplaatsingen worden uitgevoerd door enkel invertors (zoals de voorste tibialis spier) en evertors (zoals peroneus longus en brevis spieren). Bijgevolg-takt gerelateerde enkel waardeverminderingen waaronder zwakte van de enkel dorsiflexor spieren en verhoogde spasticiteit van de enkel plantarflexor spieren leiden tot een verminderde posturale controle. Hier kunnen agility training programma's 6 worden ingezet in een virtual reality (VR) based gaming platform dat dynamisch evenwicht waar de taken geleidelijk in moeilijkheden zijn verhoogd, wat effectiever dan statisch rekken / gewicht verschuiven oefenprogramma kan zijn in het voorkomen van valpartijen 6 dagen. Zo kan bijvoorbeeld onderwerpen volitionally gedreven NMES / SES bijgestaan AP en ML verplaatsingen uit te voeren tijdens een dynamisch evenwicht visuomotorische taak waar de moeilijkheid geleidelijk kan worden verhoogd Ameliorate na beroerte enkel-specifieke controleproblemen in gewichtsverplaatsing tijdens tweevoetig staan. Op weg naar volitionally gedreven NMES / SES bijgestaan balans therapie in een resource-arme omgeving, presenteren we een low-cost HMI for Mobile Brain / Body Imaging (MOBI) 19, in de richting van visueel-auditieve biofeedback die ook kan worden gebruikt voor het verzamelen van gegevens van laag- cost sensoren voor offline data exploratie in MOBILAB (zie Ojeda et al. 20).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Let op: De HMI software pijpleiding werd ontwikkeld op basis van vrij beschikbare open-source software en off-the-shelf low-cost video game sensoren (details beschikbaar op: https://team.inria.fr/nphys4nrehab/software/ en https: //github.com/NeuroPhys4NeuroRehab/JoVE). De HMI software pijpleiding is bedoeld voor het verzamelen van gegevens tijdens een gemodificeerde functionele bereik taak (mFRT) 21 in een VR-based gaming platform voor visuomotorische balans therapie (VBT) 8.
Figuur 2a toont de diagnose-eye tracker setup waar de blik functies offline worden gehaald voor de kwantificering van de post-stroke restfunctie zodat de visuele feedback in VR dienovereenkomstig kan worden aangepast.
Figuur 2b toont de experimentele opstelling voor het VBT.
Figuur 2: (
1. Software-installatie voor mobiele Brain / Body Imaging Tijdens VBT
- Installeer de stuurprogramma's voor de Motion Captuur (installatieprocedures aangeboden bij https://code.google.com/p/labstreaminglayer/wiki/KinectMocap)
- Download en installeer Kinect Runtime van http://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=253187 (Motion Capture sensor dient niet te worden in een van de USB-poorten op de computer aangesloten).
- Sluit de aangedreven Motion Capture Sensor in een USB-poort via de interface kabel. De drivers wordt automatisch geladen.
- Installeer de stuurprogramma's voor de Eye Tracker Sensor (installatieprocedures aangeboden bij http://github.com/esdalmaijer/EyeTribe-Toolbox-for-Matlab )
- Download de software van http://theeyetribe.com, start de applicatie en start de applicatie om de software te installeren (Eye Tracker sensor dient niet te worden in een van de USB-poorten op de computer aangesloten).
- Sluit de aangedreven Eye Tracker Sensor en de chauffeurs wordt automatisch geladen.
- Installe stuurprogramma's voor de Balance Board (installatieprocedures aangeboden bij (installatie procedures op http://www.colorado.edu/intphys/neuromechanics/cu_wii.html)
- Downloaden en uitpakken CU_WiiBB.zip van http://www.colorado.edu/intphys/neuromechanics/CU_WiiBB.zip
- Kopieer de map WiiLab standaard Program Files directory van Microsoft Windows-besturingssysteem.
- Open de map WiiLab in de map Program Files en als beheerder van de InstallWiiLab.bat bestand naar de Balance Board te installeren.
- Installeer de drivers voor EEG / EOG (installatieprocedures aangeboden bij http://openvibe.inria.fr/how-to-connect-emotiv-epoc-with-openvibe/)
- Download en installeer Emotiv SDK uit http://www.emotiv.com/apps/sdk/209/
- Download en installeer OpenViBE Acquisition Server met labstreaminglayer (LSL) van https://code.google.com/p/labstreaminglayer/downloads/detail?name=OVAS-withLSL-0.14.3-3350-svn.zip voor gedistribueerde multi-sensor signaal transport, tijd synchronisatie en het verzamelen van gegevens systeem (installatieprocedures aangeboden bij https://code.google.com/p/labstreaminglayer/).
- Installeer de stuurprogramma's voor de commerciële NMES stimulator (details op http://www.vivaltis.com/gammes/phenix/phenix-usb-neo-50-554-1.html#content).
2. Low-cost Sensorplaatsing for Mobile Brain / Body Imaging (MOBI): De Open-source HMI Software Pipeline Biedt Mobile Brain / Body Imaging (MOBI) 19 met een Low-Cost Off-the-Shelf Sensors (Figuur 2b) die kunnen worden aangepast voor andere Agility Training programma's.
- Visuele feedback voor MoBI:
- Begin met het verkrijgen van een projectiescherm om de visuele biofeedback aan het ene uiteinde van de kamer tonen (aanbevolen afstand van 0,6 m onder).
- Pas de hoogte, zodat het midden van het scherm zal worden op de onderwerpen 'ooghoogte.
- Motion Capture voor MoBI:
- Plaats de motion capture sensor in de voorkant van het projectiescherm, en richt hem op het volume van de motion capture.
- Controleer of het volume van de motion capture is 1,5 m tot 2,5 m in de voorkant van de motion capture sensor.
- Balance Board Plaatsing voor MoBI:
- Plaats de Balance Board op de vloer, ongeveer 2,0 m afstand van de motion capture sensor.
- Laat voldoende ruimte rond het Balance Board om full-body verkeer te waarborgen (dwz tijdens gemodificeerde functionele bereik taak 21).
- EEG / EMG / EOG Sensor plaatsing voor MoBI
- Vraag het onderwerp te gaan zitten op een stoel met uitzicht op de Motion Capture en met hun voeten op de Balance Board.
- Plaats de opname (EMG) cum stimulatie (NMES / SES) elektroden bilateraal het Medial Gastrocnemius (MG) en tibialis anterior (TA) spieren van de patiënt. Dan, sluit ze aan op de draadloze elektrische stimulator (NMES / SES) systeem.
- Plaats het elektro-encefalogram (EEG) kap over het onderwerphoofd naar aanleiding van de internationale 10-20 systeem. Plaats vervolgens de EEG-elektroden met geleidende pasta op -Fz, C3, CZ, C4, P3, Pz, P4, PO7, Oz, PO8 - alvorens ze aan te sluiten op de draadloze headset EEG.
- Plaats twee EEG-elektroden met geleidende pasta en boven één van de ogen voor verticale EOG en zet twee elektroden geleidende pasta aan de buitenste ooghoek van elk oog voor horizontale EOG. (Let op: Bij Eye Tracker sensor wordt niet gebruikt in de post-stroke onderwerp dan bilaterale EOG is de voorkeur).
- Plaats twee EEG-elektroden op oorlellen als referentie-elektroden.
3. Eye Tracker Based Evaluatie van Post-stroke Pursuit Eye Movements
- Vraag het onderwerp te zitten met de kin rust comfortabel op de in hoogte verstelbare Chin-Rest. Vervolgens verhogen de computermonitor voldoende hoogte zodat de ogen ruwweg naar het midden van de monitor (figuur 2a).
- Plaats de Eye Tracker r oughly 50 cm van de Chin-Rest en vraag het onderwerp te kijken recht in de computer monitor voor visuele aanwijzingen.
- Run EyeTribeWinUI.exe in de map 'SmartEye' om de Eye Tracker kalibreren. Het onderwerp zal worden gevraagd om te kijken naar verschillende doelen op de PC-monitor voor ongeveer 2 seconden per stuk. Een typische gebruiker kalibratie proces duurt ongeveer 20 seconden om te voltooien. De (x, y) coördinaten van het subject blik punt wordt vastgelegd voor verschillende doelen CUED kalibratie.
- Run 'Visual_Stimulus.exe' in de map SmartEye naar de virtual reality-based interface uit te voeren. Vervolgens start het programma 'SmartEye.exe' aanwezig is in de map 'SmartEye' om de onderwerpen 'eye blik gegevens die worden gesynchroniseerd met de virtual reality gebaseerd taak te verwerven. Deze gegevens zullen worden gebruikt voor de evaluatie van post-stroke uitoefening oogbeweging.
2394fig3.jpg "/>
Figuur 3: (a) Cursor vertegenwoordigt het drukpunt (COP) die moet volitionally worden gereden naar het gecuede doel tijdens visuomotorische evenwicht therapie (b) Visuomotorische evenwicht therapie protocol waarbij het onderwerp stuurt de computer cursor een perifere doelgericht door volitionally gegenereerd CoP excursies. De reset kan worden geholpen met Neuromusculaire elektrische stimulatie (NMES) en sensorische elektrische stimulatie (SES), (c) Experimentele opstelling voor visueel-geactiveerde visuomotorische balans therapie. Overgenomen van 8 en 37. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
4. NMES / SES-Assisted Visuomotorische Balance Therapy (VBT) onder MoBI
- Sluit de eye-tracker en balance board sensoren om de visuele feedback computer (Fifiguur 2).
- Zorg dat de Eye Tracker sensor is ingeschakeld, aangesloten op de computer, en dat deze volledig is opgestart. Start de 'EyeTribe server.exe' en 'EyeTribeWinUI.exe' beschikbaar in de map 'VBT' (zie stap 1.3).
- Zorg ervoor dat de Balance Board sensor is ingeschakeld. Druk vervolgens op de knop op het Balance Board sensor naar de externe vindbaar in het menu te maken. Klik vervolgens op het pictogram tonen of verbergen in de taakbalk van het systeem en klik op Bluetooth-pictogram van het apparaat. Klik vervolgens op de optie 'Een apparaat toevoegen' en koppel de Balance Board sensor als een Bluetooth-apparaat zonder gebruik te maken van de code om de visuele feedback computer. Zodra de Balance Board sensor is aangesloten op de visuele feedback computer, opent u de map 'VBT' en voer het WiiBBinterface.m bestand naar Matlab- Balance Board sensor-interface vast te stellen (zie stap 1.6).
- Zorg ervoor dat de Motion Capture sensor wordt ingeschakeld, aangesloten op de computer en dat hetvolledig is opgestart (er is een groene LED aan de voorkant). Open de map LSL en start 'Mocap' software om streaming van de motion capture sensor data beginnen (zie stap 1.6).
- Zorg ervoor dat de EEG / EOG data-acquisitie systemen zijn ingeschakeld. Dubbelklik vervolgens op de openvibe acquisitie server-withlsl.cmd beschikbaar in de map LSL (zie stap 1.6). Vanuit het menu, selecteert u de betreffende sensor hardware (dat wil zeggen, 'Emotiv EPOC') en configureren van de module, indien nodig, door te klikken op de 'Driver Eigenschappen'. Klik vervolgens op 'Connect' en klik op 'Play' om de overname server te starten.
- Kalibreren van de sensoren voor het VBT
- Vraag het na een beroerte onderwerp op het Balance Board te staan met veiligheidsharnas (en gedeeltelijke lichaamsgewicht ondersteunen, indien nodig).
- Stel een minimum uitgangswaarde NMES niveau (pulse-breedte en huidige niveau) die nodig zijn voor rechtopstaande volgens klinische observatie (bijv.,zero lichaamsgewicht ondersteuning) 22. Instelling van de minimale basislijn NMES niveau, kan men de stimulatiefrequentie ingesteld op 20 Hz en verhoog de pulsbreedte en / of stroomniveau tot rechtopstaande bereikt. Hier, NMES van kniestrekkers is nodig om voldoende koppel om knie knik te voorkomen genereren.
- Vraag het onderworpen aan verschillende bereik bewegingen die CoM en CoP locatie van invloed uit te voeren.
- Start het programma 'CalibSensors.m' beschikbaar in de map 'Datacollect' met het oog op multi-sensor kalibratie data te verzamelen terwijl het onderwerp voert diverse zelf geïnitieerde maximale bereik bewegingen in verschillende richtingen die zwaartepunt beïnvloeden (COM) en het centrum van de druk (CoP) op de visuele feedback.
5. Multi-sensor Data Collection van Low-cost sensoren Tijdens VBT (Figuur 2b)
- Start het programma 'CollectBaseline.m' in de map 'Datacollect' naar de basislijn rust te verzamelen-state, ogen open, multi-sensor data door het onderwerp stil te staan gedurende 2 minuten, terwijl direct kijken naar de CoP doel op de PC-monitor (figuur 3a).
- Sluit de video-uitgang van de visuele feedback computer naar het projectiescherm en voer het bestand SmartEyeVRTasks.exe in de map 'VBT' in de visuele feedback computer naar de SmartEyeVRTasks GUI starten. Ook lopen 'CollectVBT.m' programma in de map 'Datacollect om sensor gegevens te verzamelen tijdens het VBT.
- Van rechtop staan, de zogenaamde 'Centrale hold' fase, vraagt het onderwerp om de cursor, gedreven door de CoP, zo snel mogelijk naar willekeurig gepresenteerd perifere doelwit sturen als gecued door visuele feedback (figuur 3b).
- Naar aanleiding van deze 'Move' fase, vraagt het onderwerp om de cursor te houden op de beoogde locatie voor 1 sec tijdens de 'Peripheral hold' fase.
- Naar aanleiding van de 'Peripheral hold' fase, de cursor zal ' ; Reset 'terug naar het centrum als het onderwerp nodig heeft om weer rechtop te staan terug te keren - de' Central hold 'positie. NMES / SES wordt geactiveerd voor de spier wanneer het EMG niveau boven een bepaalde drempel gaat naar de wilskrachtige inspanning die nodig is om de CoP terug te keren naar de 'Central hold' positie te staan.
Opmerking: De moeilijkheid van het mFRT kan worden verhoogd door verlaging van de versterking,
Of verhoging van de ruisvariantie 
Binnen vakspecifieke haalbaar bereik: 
waar de CoP excursies,
, Rijdt de computer cursor, 
, In discreet zijn tijd, 
Met tijdstap,op 7 "src =" / files / ftp_upload / 52394 / 52394eq7.jpg "/>.
Of verhoging van de ruisvariantie 
Binnen vakspecifieke haalbaar bereik: 
, Rijdt de computer cursor, 
, In discreet zijn tijd, 
Met tijdstap,op 7 "src =" / files / ftp_upload / 52394 / 52394eq7.jpg "/>. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 4 toont de ogen blik functies die niet beschikbaar voor de kwantificering van een fysiek sterke prestaties werden geëxtraheerd gedurende een smooth pursuit taak. De volgende eigenschappen werden geëxtraheerd zoals getoond in tabel 1:
Feature 1 = procentuele afwijking tussen doelwit stimulus positie en het zwaartepunt van deelnemer bevestigingspunten wanneer de stimulus veranderende positie in de horizontale richting.
Kenmerk 2 = procentuele afwijking tussen doelwit stimulus positie en zwaartepunt van deelnemer bevestigingspunten wanneer de stimulus verandert in verticale richting.
Feature 3 = knipperen per min
Feature 4 = percentage van de tijd van de deelnemer op zoek is naar (oogwerd gedetecteerd door eye tracker) en stimulus.
Feature 5 = percentage van de tijd de deelnemer is niet op zoek naar (oog werd gedetecteerd door eye tracker) aan de stimulus. (Let op: Feature 5 = 100-functie 4)
Feature 6 = percentage Smooth Pursuit Lengte (SPL) overshoot gemaakt door de deelnemer, dat wil zeggen, 
waarbij SPL = Smooth Pursuit lengte is de lengte (in pixels) die onder deelnemer aan het bewegende stimulus te volgen, SML = Stimulus Movement Lengte (in pixels), dat wil zeggen, de werkelijke lengte van de weg waar de stimulus beweegt.
Figuur 4: Top paneel toont een illustratieve figuur van de smooth pursuit tijdens horizontal beweging. Onderste paneel toont een illustratieve figuur van de smooth pursuit tijdens de verticale beweging. Overgenomen van 8 en 37. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Feature 1 (%) | Feature 2 (%) | Feature 3 (per minuut) | Feature 4 (%) | Feature 5 (%) | Feature 6 (%) | |
| Linker oog | 1.00 | 3.66 | 6.83 | 95,52 | 4.49 | 46.78 |
| Rechter oog | 0.67 | 6.00 | 6.34 | 94,40 | 5.60 | 24.99 |
Tabel 1: OogGaze Feature.
Een proof-of-concept VBT studie (zonder NMES / SES) werd uitgevoerd op 10 valide personen (5 rechter been dominante mannetjes en 5 rechter been dominante vrouwen tussen 22-46 jaar) onder gemodificeerde functionele bereik taak ( mFRT) paradigma (figuur 3c). De mFRT wordt voorgesteld om het vermogen van de proefpersonen om hun CoP positie zo snel mogelijk volitionally verschuiven zonder verlies van evenwicht tijdens cued met CoP visuele biofeedback kwantificeren. Tijdens mFRT werd multi-sensor data verzameld voor mobiele brain / body imaging (MOBI) 19. MOBI gegevens werden offline verwerkt om de totale houdings- sway van CoP (van Balance Board) en COM (van Motion Capture Sensor) trajecten te bepalen. Ook werden de functies onttrokken biosignalen die gelijktijdig werden opgenomen, samen met de blik gedrag (bijvoorbeeld knipperen tarief, saccade richting van elektro-). De resultaten van deze proof-of-con concept studie werd gepresenteerd in Dutta et al. 8, waar alfa event-gerelateerde desynchronisatie (AERD%) werd gevonden in de eerste plaats in de pariëtale en occipitale EEG electrodes.Moreover, de gemiddelde kwadratische fout (MSE) genormaliseerd door de basiswaarde trended in de richting van een daling, het knipperen tarief trended de richting van een verhoging, en de saccade richting ten opzichte van de cursor versnelling trended naar nul gedurende opeenvolgende beproevingen van de visuomotorische taak. . Op basis van de gegevens van Dutta et al 8, de EOG gegevens bleek dat de verhouding van de duur fixatie op het substraat en het bevestigingsorgaan duur van de cursor voor de inleiding van de motorische respons (bijv EMG onset) - FD verhouding - toegenomen ( Figuur 5a), terwijl de basislijn genormaliseerde gemiddelde gekwadrateerde fout (MSEnorm) daalde (Figuur 5b) tijdens het VBT trials.
g5.jpg "/>
Figuur 5: (a) Veranderingen in de verhouding van de duur van fixatie op het doel en de fixatie duur op de cursor - FDratio - gewonnen uit elektro-tijdens visuomotorische balans taak (VBT) trials. (B) Veranderingen in de basislijn genormaliseerde gemiddelde kwadratische fout (MSEnorm) tijdens het VBT trials. Overgenomen van 8 en 37. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Een eenvoudig te gebruiken, klinisch geldige low-cost hulpmiddel voor beweging en balans therapie zal een paradigmaverschuiving voor neurorevalidatie in een low-resource setting. Het is waarschijnlijk een zeer hoge maatschappelijke impact sinds neurologische aandoeningen zoals een beroerte aanzienlijk zal toenemen in de toekomst als gevolg van vergrijzing van de wereldbevolking 2 hebben. Er is dan ook dringend behoefte aan cyber-fysische systemen waarin de mogelijkheid om aan te passen, monitoren en ondersteunen neuro-rehabilitatie op externe locaties is recentelijk mogelijk geworden met de integratie van de berekening, netwerken, en fysische processen via telecommunicatie benutten. Naar dat overkoepelende doelstelling, kan de low-cost Eye Tracker op basis van de evaluatie van de post-stroke achtervolging oogbewegingen niet alleen huis-gebaseerde diagnose, maar ook therapie waarbij smooth pursuit eye movement opleiding bevorderd herstel van auditieve en visuele verwaarlozing 25. Hier is de latentie van de gladde achtervolging gezonde personen gevonden dat very consistent zijn voor targets bewegen 5 graden / s of sneller met een gemiddelde latency van 100 ± 5 msec 26.
Bovendien is de voorgestelde mens-machine-interface (HMI) voor volitionally gedreven neuromusculaire elektrische stimulatie (NMES) en sensorische elektrische stimulatie (SES) voor post-stroke balans therapie geïntegreerd biosignaal sensoren en motion capture met NMES / SES voor post-stroke evenwicht revalidatie , die het potentieel 27, 28 als een home-based interventie om na een beroerte staande evenwicht te verbeteren heeft. Het nieuwe deel van het HMI is de software-interface die meerdere off-the-shelf low-cost sensoren integreert mobiele brain / body imaging data en voor visueel-auditieve biofeedback tijdens NMES / SES bijgestaan visuomotorische balans therapie (VBT) op te nemen. Op basis van een gezonde onderwerp vloeit voort uit de proof-of-concept studie (zonder NMES / SES), stellen wij voor dat de multi-sensor informatie kan worden gefuseerd met de toestand van het motorisch leren schatten tijdens de post-stroke VBT, en dus de moeilijkheid kan worden aangepast voor online mFRT. Zo kan smooth pursuit oog bewegingstraining 25 worden geïntegreerd myoelectrically aangedreven NMES / SES-geassisteerde visuomotorische taak, zoals weergegeven in Dutta et al. 8, waarbij alfa event-gerelateerde desynchronisatie in de pariëtale en occipitale EEG-elektroden kan de genormaliseerde gemiddelde voorspellen kwadratische fout (MSE) bij het bereiken van de perifere doelen. Derhalve gebaseerd op de evaluatie van de post-stroke uitoefening oogbewegingen en de waarnemingspatronen tijdens VBT taak, we objectief analyseren en controleren eye problemen bijdragen tot invaliditeit evenwicht waardoor de restfunctie hefboomwerking tijdens revalidatie 29. Bovendien kan de blik gedrag (bijv knippersnelheid, saccades) worden gebruikt om de betrokkenheid van gebruikers tijdens de motor te leren 30 te bewaken.
Het leren motor tijdens VBT kan worden geanalyseerd met behulp van een beperkte afmeting reactiemassa slinger (RMP) tweevoetig model die wordt gepresenteerd in Dutta et al. 24. De verminderde afmeting RMP model 24 kan offline worden opgebouwd uit skelet conversiegegevens (die de gezamenlijke gegevens die stroomde van de Motion Capture sensor in het skelet stroom, figuur 6). Betekenis van RMP model ten opzichte van traditionele point-mass slinger model was tijdens occasionele arm swingen in gezond evenwicht op de grens van de stabiliteit tijdens het mFRT terug te krijgen waar de RMP model vergroot de traditionele point-massa slinger model door het vastleggen van de vorm, grootte en oriëntatie van de aggregaat rotatie zwaartepuntafstand inertie. In ons eerdere werk 21, werd Com-CoP lean-lijn gevonden om een geschikte visuele feedback van de rechtopstaande houding zijn. Ook hebben wij de relevantie van het gehele lichaam genormaliseerde zwaartepuntafstand impulsmoment (CAM) in stand te lopen transitie in post-stroke gang 24 getoond. Inderdaad, impulsmoment strak gereguleerd met segment-tot-segment annuleringen van hoekige momen tum tijdens menselijke lopen 31 en eventueel in alle gecoördineerde menselijke beweging, waaronder mFRT om vallen te voorkomen. Op basis van deze stand werkt, kan worden gesteld dat slagoverlevenden met spierzwakte en tekorten coördinatie duurt het langer om CAM reguleren in vergelijking met leeftijd gematchte valide personen. Dit wordt momenteel onderzocht met behulp van de lagere dimensie RMP model 24.
Figuur 6: Linker paneel toont de gezamenlijke labels voor het skelet model gegevens van de Motion Capture Sensor die offline kunnen worden geanalyseerd met behulp van een gereduceerde dimensie tweevoeter model (rechter paneel) voor het vastleggen van de houding (zie Banerjee et al. 24). RMP: Reactie Mass Pendulum, CoP: Center of Pressure, Com: Center of Mass, GRF: Ground reaction force vector.52394fig6large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De grote uitdaging is het ontwikkelen en valideren klinisch geavanceerde Cyber fysische systemen teleneurorehabilitation die is gebaseerd op het manipuleren van milieu-, gedrags- en farmacologische contexten. De toekomstige toepassingen van het HMI zijn een teleneurorehabilitation paradigma in een home-based setup waar de identificatie en monitoring van tekorten visuomotorische / leren van blik-gedrag kan lenen voor een operante conditionering paradigma dat volitionele gebruik van relevante restfunctie zal afdwingen. Zo kan de HMI worden uitgebreid met twee Wii BB (een voor de paretische en één voor de niet-paretische extremiteit) die naast elkaar kunnen worden geplaatst zonder aan te raken (bijvoorbeeld <1 mm uit elkaar). Naar aanleiding van het experimentele protocol van Mansfield en collega's 7, konden de proefpersonen met een voet op elke Wii BB staan in een standaard positie (voet georiënteerdbij 14 ° 7 ° rotatie van iedere voet met een inter-malleolus afstand gelijk aan 8% van de hoogte), met beide voeten op gelijke afstand van de middellijn tussen beide Wii BBs. Tijdens mFRT, zowel de paretische en niet-paretische ledematen bijdragen aan de COP positie waar de operante conditionering door positieve versterking om de resterende functie van het paretische extremiteit en negatieve versterking voor de compenserende mechanismen van de niet-paretische extremiteit (kan worden geïmplementeerd gebaseerd op het principe van dwang-geïnduceerde verkeer therapie 32) door het maken van de cursor makkelijker te bedienen met de CoP excursies van de paretische zijde. Bovendien gezichtsvelddefecten zowel gelijkluidende gebreken en deze gebreken met betrekking tot optische zenuw beschadiging kan worden verbeterd althans enigszins in patiënten 33 naar een betere integratie visuomotorische 34 bijdragen tot een beter evenwicht. De klinische slag studie wordt uitgevoerd in het kader van de hypothese dat onze low-cost HMI richting volitionallygedreven NMES / SES bijgestaan dynamisch visuomotorische balans therapie kan na een beroerte enkel-specifieke controleproblemen verbeteren in visueel cued gewichtsverplaatsing tijdens tweevoetig staan. Verwacht wordt dat de daling in incidentie chronische slagoverlevenden, die hoog kan zijn als 2,2-4,9 valt iedereen jaar 35 verminderen. Inderdaad, voor het tonen van de werkzaamheid van dit HMI voor post-stroke balans therapie richting herstellende neurorevalidatie, de kritische stap is voldoende onderwerp met blik basis visuomotorische prestatie-evaluatie, dat wil zeggen, een beroerte overlevenden die over voldoende resterende sensomotorische functie voor de invordering benodigde 36.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Onderzoek uitgevoerd in het kader van de gezamenlijke gerichte Program in Informatie en Communicatie Wetenschap en Technologie - ICST, ondersteund door CNRS, INRIA, en DST, onder de paraplu CEFIPRA's. De auteurs willen graag de steun van studenten, in het bijzonder Rahima Sidiboulenouar, Rishabh Sehgal, en Gorish Aggarwal erkennen, in de richting van de ontwikkeling van de experimentele opstelling.
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).
