Participantes
Este estudio se registró en Trials.gov (NCT02358915) y se llevó a cabo en el centro de investigación BICE en la División de Biocinesiología y Fisioterapia de la Universidad del Sur de California. Los participantes fueron reclutados a través de folletos del campus y de boca en boca.
Todos los participantes recibieron un formulario de consentimiento aprobado institucionalmente antes de iniciar el estudio. Los criterios de inclusión fueron: sin discapacidad y sin movimiento visible de la aurícula a la orden. Los criterios de exclusión incluyeron: antecedentes de lesión cerebral traumática, deterioro cognitivo, enfermedad neuromuscular, migrañas, disfunción de la articulación temporomandibular o convulsiones. Además, se excluyó a las participantes si informaron tener un marcapasos o un desfibrilador implantado o si estaban embarazadas.
Protocolo de entrenamiento de dos fases
El protocolo de entrenamiento de dos fases (Fig. 1) consistió en: la Fase 1, la fase de facilitación, que fue diseñada para proporcionar experiencia de ubicación y movimiento de PAMs a través de estimulación eléctrica y retroalimentación de movimiento, y la Fase 2, la fase de adquisición de habilidades, que permitió a los participantes practicar la activación coordinada y experta de PAMs a través de tres juegos de computadora orientados a objetivos progresivamente más desafiantes mientras llevaban el dispositivo patentado de montaje en la cabeza. Aunque no era necesario, fuera del tiempo de entrenamiento formal, se alentó la práctica de «mover las orejas».
Diagrama de flujo Que ilustra el protocolo de entrenamiento de dos fases con 5 movimientos auriculares previos y posteriores al ensayo realizados sin retroalimentación, antes y después de cada fase de entrenamiento. La fase I utilizó estimulación eléctrica y biorretroalimentación de movimiento del oído. La Fase II utilizó un sistema de medición sEMG de cuatro canales y un software desarrollado por ReachBionics para el juego de computadora basado en habilidades. MVC = contracción voluntaria máxima
Antes de cada sesión de práctica, se administró un cuestionario de 5 elementos para documentar cualquier efecto secundario (por ejemplo, dolor muscular, dolor de cabeza) experimentado después de la sesión anterior.
Nuestra medida dependiente primaria es el movimiento auricular. El movimiento auricular máximo sin retroalimentación se registró antes y después de cada sesión de entrenamiento durante ambas fases del entrenamiento (es decir, facilitación y adquisición de habilidades) para capturar el aprendizaje. Las instrucciones específicas para estas sesiones de prueba son «mover la oreja hacia arriba y hacia atrás lo más que pueda y mantenerla durante 10 segundos».
Tecnología y equipo
Fase 1: facilitación
El estimulador eléctrico fue producido por FastStart VQOrtho (Irvine, CA) y es un estimulador eléctrico neuromuscular aprobado por la FDA. El estimulador tiene dos canales independientes para los que se pueden establecer niveles de estimulación independientes para cada canal, lo que conduce a la estimulación a nivel sensorial o a la estimulación a nivel neuromuscular (es decir, a nivel motor). Antes de cada sesión de entrenamiento, se colocaron pequeños electrodos autoadhesivos estándar disponibles en el mercado (electrodos de estimulación autoadhesivos de 1 cm de diámetro) directamente sobre la piel, sobre los músculos auriculares superiores y posteriores de cada oreja.
La retroalimentación del movimiento se proporcionó a través del MotionMonitor® de Innovative Sports Training, Inc. versión 9.22 (2015). Se colocaron tres sensores en tres lugares: uno en la hélice de la oreja derecha, uno en la hélice de la oreja izquierda y uno entre las cejas (Fig. 2, insértese). La posición de la hélice de la oreja se recogió a través de un marcador electromagnético a una frecuencia de muestreo de 120 Hz a lo largo de cada sesión de prueba y se proporcionó como retroalimentación visual en la pantalla del ordenador (Fig. 2b).
a El estimulador eléctrico FastStart sostenido por el participante y los electrodos de superficie utilizados para la fase de facilitación. Se colocaron electrodos en el vientre muscular de los músculos periauriculares superiores (no vistos) y posteriores (ver Inserción). La vista de inserción también muestra el electrodo de movimiento de la oreja colocado en la hélice de la aurícula que se utilizó para la retroalimentación de movimiento. b Un participante que intenta activar PAMs durante las EMN. La pantalla de la computadora con retroalimentación de movimiento está en frente y el espejo se coloca a la izquierda
Fase 2: adquisición de habilidades
La electromiografía de superficie (sEMG) se registró a través del sistema de medición de EMG Biosemi Active two (BATS) (BioSemi B. V., 1054SC Amsterdam, Países Bajos). El dispositivo de montaje en la cabeza proporcionó una matriz de 4 contactos de electrodos dentro de cada grupo muscular identificado (músculo auricular superior y posterior, bilateral) (Fig. 3a). Las pruebas previas del dispositivo confirmaron una conversación cruzada mínima entre los cuatro canales. Los electrodos trabajaban a través de pasadores dorados utilizados como contactos secos en la superficie de la piel. La Figura 3a muestra el dispositivo de montaje en la cabeza integrado en un par de marcos de anteojos para la estabilización. La Figura 3b muestra a un participante usando el sistema de adquisición SEMG de montaje en la cabeza para el juego.
a el sistema de auriculares contiene el sistema de medición sEMG no invasivo multicanal. Los electrodos sEMG montados en el auricular se colocaron en la piel alrededor de las orejas sobre los músculos periauriculares superiores y posteriores y grabaron la señal utilizando un software específico de la aplicación. b Muestra al participante con auriculares sentados frente a la computadora jugando un juego durante una sesión de entrenamiento de Fase II
Se utilizó software para transformar los complejos patrones de coordinación de los cuatro músculos periauriculares específicos para permitir el control durante los tres juegos de computadora. El algoritmo que tradujo sEMG a control de cursor identificó una «activación» en un músculo cuando el voltaje EMG de la media cuadrática (RMS) de la raíz excedía un umbral. Las señales EMG se muestrearon a 540 hz y se filtraron de paso alto por encima de 10 hz. Las grabaciones se tomaron de 8 canales EMG unipolares, emparejados en cada uno de los cuatro músculos y calculados diferencialmente en el software, proporcionando finalmente 4 canales de salida. El RMS se midió en cada canal de forma continua durante los 0,2 s anteriores. Las activaciones se calcularon de acuerdo con el estado ‘off’ o ‘on’. Si bien un valor de umbral simple para determinar el estado » on » es atractivo, la variabilidad en la resistencia al ruido de referencia y la magnitud de la fuerza de activación excluyen esta posibilidad, y el umbral debe calcularse dinámicamente. Por lo tanto, cada 15 s, se calculó una distribución de mezcla gaussiana para hasta 120 s de los datos anteriores con una suposición de dos grupos (estados’off’ y ‘on’). La activación actual se mide entonces de acuerdo con la probabilidad previa de su correspondiente al clúster activo, con un umbral de 0,9 que produce un estado «on».
El sistema realizó continuamente estos cálculos para los cuatro canales EMG correspondientes a los cuatro músculos periauriculares bajo observación. Para cada uno de los juegos, un conjunto de reglas estableció cómo el juego era controlado por las «activaciones»de EMG.
En el primer juego (habilidad básica), había 50 ladrillos (dispuestos en una cuadrícula de 10 × 5) en la parte superior de la pantalla. El participante necesitaba «romperlos» a todos rebotando repetidamente la pelota hacia los ladrillos con la paleta, que movían de izquierda a derecha para colocarse debajo de la pelota a medida que rebotaba. Por lo tanto, los participantes deben mover la pala a la derecha o a la izquierda para detener una pelota que viaja a diferentes velocidades y ángulos. En este juego, la paleta se mueve si uno o ambos de los músculos auriculares de un lado dado se activan en ausencia de una activación en el lado opuesto. Este juego requería la capacidad de cambiar el control de un lado a otro.
En el segundo juego (habilidad intermedia), se pide a los sujetos que muevan el cursor alrededor de una pantalla 2D apuntando a diferentes objetivos dispuestos alrededor de un círculo. En este juego, el cursor se mueve hacia adelante si hay activación PAM bilateral. El cursor gira su orientación hacia la derecha o hacia la izquierda si uno o ambos músculos de un lado determinado se activan en ausencia de una activación en el lado opuesto. El rendimiento se calificó utilizando un puntaje de ley de Fitt, que es una métrica estándar para evaluar la precisión de un dispositivo apuntador. Este juego requería la activación aislada y coordinada de los cuatro PAMs.
En el tercer juego (high skill), se le pide al alumno que llene uno de los cuatro cuadrados, cada uno asociado con un músculo periauricular diferente. En este juego, un cuadrado dado solo se llenará si el músculo asociado se activa en ausencia de cualquier otro músculo. Este juego requería la activación selectiva de cada uno de los cuatro músculos sin los otros tres. Era aceptable que los otros cuadrados estuvieran parcialmente llenos, siempre y cuando el cuadrado de destino estuviera completamente lleno antes de que cualquier otro cuadrado estuviera completamente lleno. El resultado deseado se refleja en la capacidad aprendida para la activación y coordinación muscular aislada que se requiere para tener éxito en el juego 3.
Procedimiento
Fase 1: facilitación
La fase 1 proporcionó a los participantes información y experiencia para obtener el control voluntario de PAMs para el movimiento de los oídos. Se aplicó estimulación eléctrica para facilitar la contracción muscular. Los participantes se colocaron delante de un espejo y de la pantalla de retroalimentación de movimiento del Monitor de movimiento©, que proporcionaba gráficamente información sobre la amplitud del movimiento del oído en direcciones hacia arriba y hacia atrás (Fig. 2b).
Para la primera sesión de entrenamiento, el estimulador se ajustó a la estimulación sensorial sin contracción muscular para permitir una sensación de activación muscular del oído. En contraste con las sesiones restantes, para la sesión 1, no hubo instrucciones explícitas para mover los oídos. En cambio, se le pidió al participante que prestara atención a la ubicación de la estimulación sensorial. Las sesiones 2 a 9 fueron para mejorar el movimiento voluntario de los PAMs a través de la aplicación de estimulación eléctrica neuromuscular a nivel motor (EMN) con retroalimentación proporcionada sobre la magnitud del movimiento del oído. Se pidió a los participantes que se contrajeran al máximo en sincronía con el ciclo de estimulación de la EMN. Los participantes practicaron durante 1 minuto de ensayos, hasta 25 ensayos por sesión por oído, con aproximadamente 10 segundos de descanso entre los ensayos. Los parámetros de estimulación eléctrica se establecieron para optimizar la activación neuromuscular y se detallan en la Tabla 1 .
De acuerdo con el desarrollo de un protocolo de entrenamiento de trabajo, establecimos algunas pautas para la progresión de la facilitación a la adquisición de habilidades. Nuestra suposición inicial era que una magnitud dada del movimiento del oído estaría asociada con el reclutamiento y la coordinación de sEMG. En retrospectiva, esto era demasiado simplista. A través de nuestro análisis, nos dimos cuenta de que el movimiento del oído no era una medida suficientemente sensible de reclutamiento o coordinación de sEMG. El protocolo inicial fue escrito de tal manera que esperábamos que los participantes progresaran a la adquisición de habilidades si pudieran producir 5 mm de movimiento auricular medible. Durante el desarrollo del protocolo, algunos participantes demostraron señales sEMG visibles y consistentes en sesiones posteriores antes de o alguna vez producir 5 mm de movimiento medible. Sin embargo, la única medida objetiva de control auricular fue la amplitud de movimiento. Por lo tanto, el protocolo se flexibilizó considerablemente para permitir la progresión si: 1) la inspección visible de sEMG antes de la prueba de cada nueva sesión de entrenamiento se aproximaba a la posterior a la prueba de la sesión de entrenamiento anterior; 2) había 5 mm de movimiento auricular medible, o 3) se podía hacer un argumento convincente para la progresión (por ejemplo, el escenario del juego sería más motivador y atractivo para el aprendizaje). Esto nos permitió mover a los participantes a su propio ritmo, al igual que la progresión personalizada que se usa al intentar aprender una habilidad novedosa. Además, reconoció que la amplitud del movimiento auricular podría no ser el mejor indicador de la preparación para comenzar la fase de habilidad de la práctica. Consulte los datos de ID 7 para ver un ejemplo.
Fase 2: adquisición de habilidades
La fase de adquisición de habilidades permitió a los participantes desarrollar su nuevo control volitivo al motivar la práctica a través de tres juegos de computadora cada vez más desafiantes. La señal sEMG se usó para jugar juegos de computadora orientados a objetivos. En general, la práctica con los juegos transcurrió durante 5 sesiones, cada una de hasta 1,5 horas por sesión y 2-3 veces por semana. Al igual que en la fase de facilitación, se alentó a los participantes a practicar movimientos de oído fuera de las sesiones de capacitación. Los juegos de ordenador proporcionan una tarea orientada a objetivos para la práctica del control PAM bilateral, con cada juego aumentando en dificultad.
Mientras jugaban estos juegos de computadora en secuencia, los participantes llevaban el sistema sEMG de montaje en la cabeza que se muestra en la Fig. 3b. Las pantallas gráficas y los tonos auditivos permitieron al participante apreciar las variaciones en su control voluntario. Se pensó que esta retroalimentación mejoraba la adquisición de habilidades para aspectos de la coordinación voluntaria de los cuatro músculos periauriculares.
Análisis estadístico
Las estadísticas descriptivas se derivaron de los datos de movimiento auricular posteriores a la prueba recolectados después de cada sesión de la fase de facilitación y habilidad. Las medias y las SDs se calcularon a partir de los 5 ensayos post-test obtenidos después de cada sesión. Las comparaciones de grupos se realizaron utilizando la prueba t de Welch no paramétrica entre Estudiantes y Pobres/No estudiantes. Todas las pruebas estadísticas se realizaron con la versión 3.4 de R.