Teilnehmer
Diese Studie wurde in klinischen Studien registriert Trials.gov (NCT02358915) und am BICE Research Center in der Abteilung für Biokinesiologie und Physiotherapie der University of Southern California durchgeführt. Die Teilnehmer wurden durch Campus-Flyer und Mundpropaganda rekrutiert.
Allen Teilnehmern wurde vor Beginn der Studie ein institutionell genehmigtes Einwilligungsformular zur Verfügung gestellt. Einschlusskriterien waren: nicht behindert und ohne sichtbare Ohrmuschelbewegung auf Befehl. Ausschlusskriterien waren: eine selbstberichtete Vorgeschichte von traumatischen Hirnverletzungen, kognitiven Beeinträchtigungen, neuromuskulären Erkrankungen, Migränekopfschmerzen, Funktionsstörungen des Kiefergelenks oder Krampfanfällen. Darüber hinaus wurden die Teilnehmer ausgeschlossen, wenn sie angaben, einen implantierten Herzschrittmacher oder Defibrillator zu haben oder schwanger zu sein.
Zweiphasiges Trainingsprotokoll
Das zweiphasige Trainingsprotokoll (Abb. 1) bestand aus: Phase 1 — der Moderationsphase -, die durch elektrische Stimulation und Bewegungsfeedback Erfahrungen mit der PAMS-Position und -Bewegung sammeln sollte, und: Phase 2 – der Phase zum Erwerb von Fähigkeiten -, in der die Teilnehmer koordinierte und qualifizierte PAMs-Aktivierung üben konnten durch drei zunehmend anspruchsvollere zielorientierte Computerspiele beim Tragen des patentierten Head-Mount-Geräts. Obwohl nicht erforderlich, wurde außerhalb der formalen Trainingszeit das Üben von „Ohrwackeln“ gefördert.
Flussdiagramm Zur Veranschaulichung des zweiphasigen Trainingsprotokolls mit 5 Studien vor und nach dem Test Ohrmuschelbewegung ohne Rückkopplung vor und nach jeder Trainingsphase durchgeführt. Phase I verwendete elektrische Stimulation und Ohrbewegungs-Biofeedback. Phase II verwendete ein vierkanaliges sEMG-Messsystem und eine von ReachBionics entwickelte Software für geschicklichkeitsbasiertes Computerspiel. MVC = maximale freiwillige Kontraktion
Vor jeder Übungseinheit wurde ein 5-Punkte-Fragebogen verwaltet, um Nebenwirkungen (z. B. Muskelkater, Kopfschmerzen) zu dokumentieren, die nach der vorherigen Sitzung aufgetreten sind.
Unser primäres abhängiges Maß ist die Bewegung der Ohrmuschel. Die maximale Ohrmuschelbewegung ohne Rückkopplung wurde vor und nach jeder Trainingseinheit aufgezeichnet während beider Trainingsphasen (d. H. Erleichterung und Erwerb von Fähigkeiten), um das Lernen zu erfassen. Spezifische Anweisungen für diese Testsitzungen lauten: „Bewegen Sie Ihr Ohr so weit wie möglich nach oben und hinten und halten Sie es 10 Sekunden lang gedrückt“.
Technologie und Ausrüstung
Phase 1: Facilitation
Der elektrische Stimulator wurde von FastStart VQOrtho (Irvine, CA) hergestellt und ist ein von der FDA zugelassener neuromuskulärer elektrischer Stimulator. Der Stimulator verfügt über zwei unabhängige Kanäle, für die für jeden Kanal unabhängige Stimulationsstufen eingestellt werden können, was zu einer Stimulation auf sensorischer Ebene oder einer Stimulation auf neuromuskulärer Ebene (d. h. motorischer Ebene) führt. Handelsübliche kleine selbstklebende Elektroden (1 cm Durchmesser, selbstklebende Stimulationselektroden) wurden vor jeder Trainingseinheit direkt auf der Haut über der oberen und hinteren Ohrmuschel jedes Ohrs platziert.
Das Bewegungsfeedback wurde über den MotionMonitor® von Innovative Sports Training, Inc. version 9.22 (2015). Drei Sensoren wurden an drei Stellen platziert: einer an der rechten Ohrhelix, einer an der linken Ohrhelix und einer zwischen den Augenbrauen (Abb. 2, einfügen). Die Position der Ohrhelix wurde über einen elektromagnetischen Marker mit einer Abtastrate von 120 Hz während jeder Testsitzung erfasst und als visuelles Feedback auf dem Computerbildschirm bereitgestellt (Abb. 2b).
a Der vom Teilnehmer gehaltene FastStart-Elektrostimulator und die Oberflächenelektroden, die für die Moderationsphase verwendet werden. Elektroden wurden am Muskelbauch der oberen (nicht gesehen) und hinteren peri-aurikulären Muskeln positioniert (siehe Beilage). Die Einsatzansicht zeigt auch die auf der Ohrmuschelhelix positionierte Ohrbewegungselektrode, die für die Bewegungsrückmeldung verwendet wurde. b Ein Teilnehmer, der versucht, PAMs während der NMES zu aktivieren. Der Computerbildschirm mit Bewegungsrückmeldung befindet sich vorne und der Spiegel ist links positioniert
Phase 2: Skill Acquisition
Die Oberflächenelektromyographie (sEMG) wurde mit dem Biosemi Active two EMG Measurement System (BATS) (BioSemi B.V., 1054SC Amsterdam, Niederlande) aufgezeichnet. Das Head-Mount-Gerät bot eine Anordnung von 4 Elektrodenkontakten innerhalb jeder identifizierten Muskelgruppe (oberer und hinterer Ohrmuskel, bilateral) (Abb. 3a). Frühere Gerätetests bestätigten ein minimales Übersprechen zwischen den vier Kanälen. Die Elektroden arbeiteten durch vergoldete Stifte, die als Trockenkontakte auf der Hautoberfläche verwendet wurden. Abbildung 3a zeigt die Kopfhalterung, die zur Stabilisierung in eine Brillenfassung integriert ist. Abbildung 3b zeigt einen Teilnehmer, der das kopfmontierte sEMG-Erfassungssystem für das Spiel verwendet.
a Das Headset-System enthält das mehrkanalige nicht-invasive sEMG-Messsystem. Auf dem Headset montierte sEMG-Elektroden wurden auf die Haut um die Ohren über den oberen und hinteren periohrakulären Muskeln gelegt und das Signal mit einer anwendungsspezifischen Software aufgezeichnet. b Zeigt den Teilnehmer mit Headset, der vor dem Computer sitzt und während einer Phase-II-Trainingseinheit ein Spiel spielt
Software wurde verwendet, um die komplexen Koordinationsmuster von den vier gezielten peri-aurikulären Muskeln zu transformieren, um die Kontrolle während der drei Computerspiele zu ermöglichen. Der Algorithmus, der sEMG in die Cursorsteuerung übersetzte, identifizierte eine „Aktivierung“ in einem Muskel, wenn die EMG-Spannung einen Schwellenwert überschritt. Die EMG-Signale wurden mit 540 Hz abgetastet und oberhalb von 10 Hz hochpassgefiltert. Es wurden Aufnahmen von 8 unipolaren EMG-Kanälen gemacht, die an jedem der vier Muskeln gepaart und in der Software differentiell berechnet wurden, wodurch letztendlich 4 Ausgabekanäle bereitgestellt wurden. Der Effektivwert wurde in jedem Kanal kontinuierlich über die vorherigen 0,2 s gemessen. Während ein einfacher Schwellenwert zur Bestimmung des Ein-Zustands attraktiv ist, schließen Variabilität der Grundrauschstärke und Größe der Aktivierungsstärke diese Möglichkeit aus, und der Schwellenwert musste dynamisch berechnet werden. So wurde alle 15 s eine Gaußsche Mischungsverteilung für bis zu 120 s der vorhergehenden Daten unter der Annahme von zwei Clustern (‚Aus‘- und ‚Ein‘-Zustand) berechnet. Die aktuelle Aktivierung wird dann gemäß der vorherigen Wahrscheinlichkeit gemessen, dass sie dem aktiven Cluster entspricht, wobei ein Schwellenwert von 0,9 einen Ein-Zustand ergibt.
Das System führte diese Berechnungen kontinuierlich für die vier EMG-Kanäle durch, die den vier beobachteten peri-aurikulären Muskeln entsprachen. Für jedes der Spiele wurde in einer Reihe von Regeln festgelegt, wie das Spiel von den EMG- „Aktivierungen“ gesteuert wurde.
Im ersten Spiel (Grundfertigkeit) befanden sich oben auf dem Bildschirm 50 Steine (in einem 10 × 5-Raster angeordnet). Der Teilnehmer musste sie alle „brechen“, indem er den Ball wiederholt mit dem Paddel in Richtung der Steine prallte, die sie von links nach rechts bewegen, um unter dem Ball positioniert zu werden, wenn er zurückprallt. Daher müssen die Teilnehmer das Paddel nach rechts oder links bewegen, um einen Ball zu stoppen, der sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Winkeln bewegt. In diesem Spiel bewegt sich das Paddel, wenn einer oder beide Ohrmuscheln auf einer bestimmten Seite aktiviert werden, wenn auf der gegenüberliegenden Seite keine Aktivierung erfolgt. Dieses Spiel erforderte die Fähigkeit, die Steuerung von einer Seite zur anderen zu wechseln.
Im zweiten Spiel (Mittelstufe) werden die Probanden aufgefordert, einen Cursor um einen 2D-Bildschirm zu bewegen, der auf verschiedene Ziele zielt, die um einen Kreis angeordnet sind. In diesem Spiel bewegt sich der Cursor vorwärts, wenn eine bilaterale PAM-Aktivierung vorliegt. Der Cursor dreht seine Ausrichtung nach rechts oder links, wenn einer oder beide Muskeln auf einer bestimmten Seite aktiviert sind, wenn auf der gegenüberliegenden Seite keine Aktivierung erfolgt. Die Leistung wurde mit einem Fitt’s Law Score bewertet, einer Standardmetrik zur Beurteilung der Genauigkeit eines Zeigegeräts. Dieses Spiel erforderte eine isolierte und koordinierte Aktivierung aller vier PAMs.
Im dritten Spiel (High Skill) wird der Lernende gebeten, eines von vier Feldern zu füllen, die jeweils einem anderen peri-aurikulären Muskel zugeordnet sind. In diesem Spiel füllt sich ein bestimmtes Quadrat nur, wenn der zugehörige Muskel in Abwesenheit eines anderen Muskels aktiviert wird. Dieses Spiel erforderte die selektive Aktivierung jedes der vier Muskeln ohne die anderen drei. Es war akzeptabel, dass die anderen Felder teilweise gefüllt waren, solange das Zielfeld vollständig gefüllt war, bevor ein anderes Feld vollständig gefüllt war. Das gewünschte Ergebnis spiegelt sich in der erlernten Fähigkeit zur isolierten Muskelaktivierung und -koordination wider, die für den Erfolg in Spiel 3 erforderlich ist.
Verfahren
Phase 1: Erleichterung
Phase 1 lieferte den Teilnehmern Input und Erfahrung, um eine freiwillige Kontrolle der PAMs für die Ohrbewegung zu erhalten. Elektrische Stimulation wurde angewendet, um die Muskelkontraktion zu erleichtern. Die Teilnehmer wurden vor einem Spiegel und dem Motion Monitor© Movement Feedback-Bildschirm positioniert, der grafisch Informationen über die Amplitude der Ohrbewegung in Aufwärts- und Rückwärtsrichtung lieferte (Abb. 2b).
Für die erste Trainingseinheit wurde der Stimulator auf sensorische Stimulation ohne Muskelkontraktion eingestellt, um ein Gefühl der Ohrmuskelaktivierung zu ermöglichen. Im Gegensatz zu den übrigen Sitzungen gab es für Sitzung 1 keine explizite Anweisung, die Ohren zu bewegen. Stattdessen wurde der Teilnehmer gebeten, auf den Ort der sensorischen Stimulation zu achten. Die Sitzungen 2 bis 9 sollten die freiwillige Bewegung der PAMs durch Anwendung der neuromuskulären Elektrostimulation (NMES) auf motorischer Ebene mit Rückmeldung über das Ausmaß der Ohrbewegung verbessern. Die Teilnehmer wurden gebeten, sich maximal synchron mit dem NMES-Stimulationszyklus zusammenzuziehen. Die Teilnehmer übten für 1 Minute Studien, bis zu 25 Studien pro Sitzung pro Ohr, mit ungefähr 10 s Pause zwischen den Studien. Die elektrischen Stimulationsparameter wurden zur Optimierung der neuromuskulären Aktivierung eingestellt und sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Im Einklang mit der Entwicklung eines funktionierenden Trainingsprotokolls haben wir einige Richtlinien für den Fortschritt von der Moderation zum Erwerb von Fähigkeiten festgelegt. Unsere anfängliche Annahme war, dass eine bestimmte Größe der Ohrbewegung mit der Rekrutierung und Koordination von sEMG verbunden sein würde. Im Nachhinein war dies zu simpel. Durch unsere Analyse stellten wir fest, dass die Ohrbewegung kein ausreichend sensibles Maß für die sEMG-Rekrutierung oder -koordination war. Das anfängliche Protokoll wurde so geschrieben, dass wir erwarteten, dass die Teilnehmer zum Erwerb von Fähigkeiten gelangen würden, wenn sie 5 mm messbare Ohrmuschelbewegung erzeugen könnten. Während der Protokollentwicklung zeigten einige Teilnehmer sichtbare und konsistente sEMG-Signale in nachfolgenden Sitzungen vor oder nach der Herstellung von 5 mm messbarer Bewegung. Das einzige objektive Maß für die Kontrolle der Ohrmuschel war jedoch die Bewegungsamplitude. Daher wurde das Protokoll erheblich gelockert, um eine Progression zu ermöglichen, wenn: 1) die sichtbare Inspektion des sEMG vor dem Test jeder neuen Trainingseinheit näherte sich dem nach dem Test der vorherigen Trainingseinheit; 2) Es gab 5 mm messbare Ohrmuschelbewegung oder 3) es könnte ein überzeugendes Argument für den Fortschritt vorgebracht werden (z. B. wäre das Spielszenario motivierender und ansprechender für das Lernen). Dies ermöglichte es uns, die Teilnehmer in ihrem eigenen Tempo zu bewegen, ähnlich wie der von den Teilnehmern angepasste Fortschritt, der beim Versuch verwendet wurde, eine neuartige Fähigkeit zu erlernen. Darüber hinaus wurde anerkannt, dass die Amplitude der Ohrmuschelbewegung möglicherweise nicht der beste Indikator für die Bereitschaft ist, die Fertigkeitsphase des Übens zu beginnen. Ein Beispiel finden Sie in den Daten von ID 7 .
Phase 2: Erwerb von Fähigkeiten
Die Phase des Erwerbs von Fähigkeiten ermöglichte es den Teilnehmern, ihre neu gefundene Willenskontrolle zu entwickeln, indem sie die Praxis durch drei zunehmend anspruchsvollere Computerspiele motivierten. Das sEMG-Signal wurde verwendet, um zielorientierte Computerspiele zu spielen. Im Allgemeinen Praxis mit den Spielen durchgesickert über 5 Sitzungen, jeweils bis zu 1,5 h pro Sitzung und für 2-3 mal pro Woche. Wie in der Moderationsphase wurden die Teilnehmer ermutigt, Ohrbewegungen außerhalb der Trainingseinheiten zu üben. Die Computerspiele bieten eine zielorientierte Aufgabe für die Praxis der bilateralen PAM-Steuerung, wobei jedes Spiel im Schwierigkeitsgrad zunimmt.
Während sie diese Computerspiele nacheinander spielten, trugen die Teilnehmer das in Abb. 3b. Grafische Darstellungen und Hörtöne ermöglichten es dem Teilnehmer, Variationen in seiner freiwilligen Kontrolle zu erkennen. Es wurde angenommen, dass dieses Feedback den Erwerb von Fähigkeiten für Aspekte der freiwilligen Koordination der vier peri-aurikulären Muskeln verbessert.
Statistische Analyse
Deskriptive Statistiken wurden aus den nach jeder Sitzung der Moderations- und Fertigkeitsphase gesammelten Ohrbewegungsdaten nach dem Test abgeleitet. Mittelwerte und SDs wurden aus den 5 nach jeder Sitzung erhaltenen Post-Test-Studien berechnet. Gruppenvergleiche wurden unter Verwendung des nichtparametrischen Welch-T-Tests zwischen Lernenden und armen / Nichtlernenden durchgeführt. Alle statistischen Tests wurden mit R Version 3.4 durchgeführt.