Partecipanti
Questo studio è stato registrato in Clinica Trials.gov (NCT02358915) e condotto presso la BICE centro di ricerca nella Divisione di Biokinesiology e Terapia Fisica dell’Università della California del Sud. I partecipanti sono stati reclutati attraverso volantini campus e passaparola.
A tutti i partecipanti è stato fornito un modulo di consenso approvato istituzionalmente prima dell’inizio dello studio. I criteri di inclusione erano: non disabili e senza movimento visibile del padiglione auricolare a comando. I criteri di esclusione includevano: una storia auto-riportata di lesioni cerebrali traumatiche, deterioramento cognitivo, malattia neuromuscolare, emicrania, disfunzione dell’articolazione temporomandibolare o convulsioni. Inoltre, i partecipanti sono stati esclusi se hanno riferito di avere un dispositivo pacemaker o defibrillatore impiantato o erano in gravidanza.
Protocollo di allenamento a due fasi
Il protocollo di allenamento a due fasi (Fig. 1) consisteva in: Fase 1 – la fase di facilitazione-che è stata progettata per fornire esperienza della posizione e del movimento PAMS attraverso la stimolazione elettrica e il feedback del movimento e: Fase 2 – la fase di acquisizione delle abilità-che ha permesso ai partecipanti di praticare l’attivazione coordinata e qualificata PAMS attraverso tre giochi per computer orientati agli obiettivi progressivamente più impegnativi Anche se non richiesto, al di fuori del tempo di formazione formale, la pratica di “orecchio dimenando” è stato incoraggiato.
Diagramma di flusso Che illustra il protocollo di allenamento bifase con 5 trial pre-e post-test movimento auricolare eseguito senza feedback, prima e dopo ogni fase di allenamento. La fase I ha utilizzato la stimolazione elettrica e il biofeedback del movimento dell’orecchio. La fase II ha utilizzato un sistema di misurazione sEMG a quattro canali e un software sviluppato da ReachBionics per il gioco per computer basato sulle abilità. MVC = massima contrazione volontaria
Prima di ogni sessione di pratica è stato somministrato un questionario di 5 elementi per documentare eventuali effetti collaterali (ad esempio, dolore muscolare, mal di testa) sperimentati dopo la sessione precedente.
La nostra misura primaria dipendente è il movimento auricolare. Il massimo movimento auricolare senza feedback è stato registrato prima e dopo ogni sessione di allenamento durante entrambe le fasi dell’allenamento (ad esempio, facilitazione e acquisizione di abilità) per catturare l’apprendimento. Le istruzioni specifiche per queste sessioni di test sono “spostare l’orecchio verso l’alto e all’indietro il più lontano possibile e tenerlo premuto per 10 secondi”.
Tecnologia e attrezzature
Fase 1: facilitazione
Lo stimolatore elettrico è stato prodotto da FastStart VQOrtho (Irvine, CA) ed è uno stimolatore elettrico neuromuscolare approvato dalla FDA. Lo stimolatore ha due canali indipendenti per i quali è possibile impostare livelli di stimolazione indipendenti per ciascun canale, portando alla stimolazione del livello sensoriale o alla stimolazione del livello neuromuscolare (cioè, livello motorio). Standard, disponibili in commercio piccoli elettrodi autoadesivi (1 cm di diametro, elettrodi di stimolazione auto-aderenti) sono stati posizionati direttamente sulla pelle sopra i muscoli auricolari superiori e posteriori di ciascun orecchio prima di ogni sessione di allenamento.
Il feedback del movimento è stato fornito tramite MotionMonitor® da Innovative Sports Training, Inc. versione 9.22 (2015). Tre sensori sono stati posizionati in tre posizioni: uno sull’elica dell’orecchio destro,uno sull’elica dell’orecchio sinistro e uno tra le sopracciglia (Fig. 2, inserire). La posizione dell’elica dell’orecchio è stata raccolta attraverso un marcatore elettromagnetico a una frequenza di campionamento di 120 Hz durante ogni sessione di test e fornita come feedback visivo sullo schermo del computer (Fig. 2 ter).
a Lo stimolatore elettrico FastStart tenuto dal partecipante e gli elettrodi di superficie utilizzati per la fase di facilitazione. Gli elettrodi sono stati posizionati sul ventre muscolare dei muscoli peri-auricolari superiori (non visti) e posteriori (vedi Inserto). La vista inserto mostra anche l’elettrodo di movimento dell’orecchio posizionato sull’elica del padiglione auricolare che è stato utilizzato per il feedback del movimento. b Un partecipante che tenta di attivare PAM durante NMES. Lo schermo del computer con feedback di movimento è davanti e lo specchio è posizionato a sinistra
Fase 2: acquisizione di abilità
Superficie elettromiografia (sEMG) è stato registrato attraverso il Biosemi Active two EMG measurement system (BATS) (BioSemi B. V., 1054SC Amsterdam, Paesi Bassi). Il dispositivo head-mount ha fornito una matrice di 4 contatti elettrodi all’interno di ciascun gruppo muscolare identificato (muscolo auricolare superiore e posteriore, bilateralmente) (Fig. 3 bis). I precedenti test sul dispositivo hanno confermato una conversazione incrociata minima tra i quattro canali. Gli elettrodi hanno lavorato attraverso perni placcati in oro utilizzati come contatti asciutti sulla superficie della pelle. La figura 3a mostra il dispositivo di montaggio della testa integrato su una coppia di montature per occhiali per la stabilizzazione. Figura 3b mostra un partecipante che utilizza il sistema di acquisizione sEMG head-mount per il gioco.
a il sistema auricolare contiene il sistema di misurazione sEMG multicanale non invasivo. Gli elettrodi sEMG montati sull’auricolare sono stati posizionati sulla pelle intorno alle orecchie sopra i muscoli peri-auricolari superiori e posteriori e hanno registrato il segnale utilizzando un software specifico per l’applicazione. b Mostra il partecipante con auricolare seduto davanti al computer che gioca una partita durante una sessione di allenamento di fase II
Il software è stato utilizzato per trasformare i complessi schemi di coordinazione dai quattro muscoli peri-auricolari mirati per consentire il controllo durante i tre giochi per computer. L’algoritmo che ha tradotto sEMG al controllo del cursore ha identificato una “attivazione” in un muscolo quando la tensione EMG di Root-mean-square (RMS) ha superato una soglia. I segnali EMG sono stati campionati a 540hz e Passa-alto filtrati sopra 10hz. Le registrazioni sono state prese da 8 canali EMG unipolari, accoppiati a ciascuno dei quattro muscoli e calcolati in modo differenziato nel software, fornendo infine 4 canali di uscita. L’RMS è stato misurato in ogni canale in modo continuo rispetto ai precedenti 0,2 secondi. Le attivazioni sono state calcolate in base allo stato ” off ” o “on”. Mentre un semplice valore di soglia per determinare lo stato ” on ” è attraente, la variabilità della forza di rumore di base e l’entità della forza di attivazione precludono questa possibilità e la soglia deve essere calcolata dinamicamente. Pertanto, ogni 15 s, è stata calcolata una distribuzione della miscela gaussiana per un massimo di 120 s dei dati precedenti con l’ipotesi di due cluster (stati ” off ” e “on”). L’attivazione corrente viene quindi misurata in base alla probabilità precedente del suo corrispondente al cluster attivo, con una soglia di 0,9 che produce uno stato “on”.
Il sistema ha eseguito continuamente questi calcoli per i quattro canali EMG corrispondenti ai quattro muscoli peri-auricolari sotto osservazione. Per ciascuno dei giochi, una serie di regole ha stabilito come il gioco è stato controllato dalle “attivazioni”EMG.
Nel primo gioco (abilità di base), c’erano 50 mattoni (disposti in una griglia 10 × 5) nella parte superiore dello schermo. Il partecipante aveva bisogno di” rompere ” tutti facendo rimbalzare ripetutamente la palla verso i mattoni con la pagaia, che si muovono da sinistra a destra per essere posizionati sotto la palla mentre rimbalza indietro. Pertanto, i partecipanti devono spostare la pagaia a destra oa sinistra per fermare una palla che viaggia a velocità e angoli variabili. In questo gioco, la pagaia si muove se uno o entrambi i muscoli auricolari su un dato lato vengono attivati in assenza di un’attivazione sul lato opposto. Questo gioco ha richiesto la possibilità di passare il controllo da un lato all’altro.
Nel secondo gioco (abilità intermedia), ai soggetti viene chiesto di spostare un cursore attorno a uno schermo 2-D mirando a diversi bersagli disposti attorno a un cerchio. In questo gioco, il cursore si sposta in avanti se c’è l’attivazione PAM bilaterale. Il cursore gira il suo orientamento a destra oa sinistra se uno o entrambi i muscoli su un dato lato sono attivati in assenza di un’attivazione sul lato opposto. Le prestazioni sono state valutate utilizzando il punteggio di legge di un Fitt, che è una metrica standard per valutare l’accuratezza di un dispositivo di puntamento. Questo gioco ha richiesto l’attivazione isolata e coordinata di tutti e quattro i PAM.
Nel terzo gioco (high skill), allo studente viene chiesto di riempire uno dei quattro quadrati, ciascuno associato a un muscolo peri-auricolare diverso. In questo gioco, un dato quadrato si riempirà solo se il muscolo associato viene attivato in assenza di qualsiasi altro muscolo. Questo gioco ha richiesto l’attivazione selettiva di ciascuno dei quattro muscoli senza gli altri tre. Era accettabile che gli altri quadrati fossero parzialmente riempiti, purché il quadrato di destinazione fosse completamente riempito prima che qualsiasi altro quadrato fosse completamente riempito. Il risultato desiderato si riflette nella capacità appresa per l’attivazione muscolare isolata e il coordinamento che è necessario per il successo sul gioco 3.
Procedura
Fase 1: facilitazione
Fase 1 ha fornito ai partecipanti input ed esperienza per ottenere il controllo volontario delle PAM per il movimento dell’orecchio. La stimolazione elettrica è stata applicata per facilitare la contrazione muscolare. I partecipanti sono stati posizionati di fronte a uno specchio e allo schermo Motion Monitor© movement feedback che ha fornito graficamente informazioni sull’ampiezza del movimento dell’orecchio nelle direzioni verso l’alto e all’indietro (Fig. 2 ter).
Per la prima sessione di allenamento, lo stimolatore è stato impostato su stimolazione a livello sensoriale senza contrazione muscolare per consentire una sensazione di attivazione muscolare dell’orecchio. In contrasto con le sessioni rimanenti, per la sessione 1, non c’erano istruzioni esplicite per muovere le orecchie. Invece, al partecipante è stato chiesto di prestare attenzione alla posizione della stimolazione sensoriale. Le sessioni da 2 a 9 dovevano migliorare il movimento volontario delle PAM attraverso l’applicazione della stimolazione elettrica neuromuscolare a livello motorio (NMES) con feedback fornito sull’entità del movimento dell’orecchio. Ai partecipanti è stato chiesto di contrarsi al massimo in sincronia con il ciclo di stimolazione NMES. I partecipanti praticati per 1 min prove, fino a 25 prove per sessione per orecchio, con circa 10 s di riposo tra le prove. I parametri di stimolazione elettrica sono stati impostati per ottimizzare l’attivazione neuromuscolare e sono dettagliati nella Tabella 1 .
Coerentemente con lo sviluppo di un protocollo di formazione di lavoro, abbiamo stabilito alcune linee guida per la progressione dalla facilitazione all’acquisizione di abilità. La nostra ipotesi iniziale era che una data grandezza del movimento dell’orecchio sarebbe stata associata al reclutamento e al coordinamento di sEMG. Col senno di poi, questo era eccessivamente semplicistico. Attraverso la nostra analisi, ci siamo resi conto che il movimento dell’orecchio non era una misura adeguatamente sensibile del reclutamento o del coordinamento sEMG. Il protocollo iniziale è stato scritto in modo tale che ci aspettavamo che i partecipanti avrebbero progredito verso l’acquisizione di abilità se potessero produrre 5 mm di movimento auricolare misurabile. Durante lo sviluppo del protocollo, alcuni partecipanti hanno dimostrato segnali sEMG visibili e coerenti nelle sessioni successive prima o mai producendo 5 mm di movimento misurabile. Tuttavia, l’unica misura oggettiva del controllo auricolare era l’ampiezza del movimento. Pertanto, il protocollo è stato allentato considerevolmente per consentire la progressione se: 1) l’ispezione visibile del sEMG pre-test di ogni nuova sessione di allenamento approssimava il post-test della sessione di allenamento precedente; 2) c’erano 5 mm di movimento auricolare misurabile, o 3) un argomento convincente potrebbe essere fatto per la progressione (ad esempio, lo scenario di gioco sarebbe più motivante e coinvolgente per l’apprendimento). Questo ci ha permesso di spostare i partecipanti al proprio ritmo, proprio come la progressione personalizzata del partecipante utilizzata quando si tenta di imparare una nuova abilità. Inoltre, ha riconosciuto che l’ampiezza del movimento auricolare potrebbe non essere il miglior indicatore di prontezza per iniziare la fase di abilità della pratica. Vedere i dati di ID 7 per un esempio.
Fase 2: acquisizione delle abilità
La fase di acquisizione delle abilità ha permesso ai partecipanti di sviluppare il loro nuovo controllo volitivo motivando la pratica attraverso tre giochi per computer progressivamente più impegnativi. Il segnale sEMG è stato utilizzato per giocare a giochi per computer orientati agli obiettivi. Generalmente, la pratica con i giochi è avvenuta su 5 sessioni, ciascuna fino a 1,5 ore per sessione e per 2-3 volte a settimana. Come nella fase di facilitazione, i partecipanti sono stati incoraggiati a praticare i movimenti dell’orecchio al di fuori delle sessioni di allenamento. I giochi per computer forniscono un compito orientato agli obiettivi per la pratica del controllo PAM bilaterale, con ogni gioco che aumenta in difficoltà.
Durante la riproduzione di questi giochi per computer in sequenza, i partecipanti indossavano il sistema sEMG head-mount mostrato in Fig. 3b. Display grafici e toni uditivi hanno permesso al partecipante di apprezzare le variazioni nel loro controllo volontario. Questo feedback è stato pensato per migliorare l’acquisizione di abilità per gli aspetti della coordinazione volontaria dei quattro muscoli peri-auricolari.
Analisi statistica
Le statistiche descrittive sono state ricavate dai dati di movimento auricolare post-test raccolti dopo ogni sessione della fase di facilitazione e abilità. Mezzi e SDs sono stati calcolati dalle 5 prove post-test ottenute dopo ogni sessione. I confronti di gruppo sono stati eseguiti utilizzando il t-test di Welch non parametrico tra studenti e poveri / non studenti. Tutti i test statistici sono stati eseguiti utilizzando R versione 3.4.