参加者
この研究は、臨床に登録されましたTrials.gov (NCT02358915)と南カリフォルニア大学の生物動態学と物理療法の部門のBICE研究センターで実施されました。 参加者は、キャンパスのチラシや口コミを通じて募集されました。
すべての参加者には、研究開始前に制度的に承認された同意書が提供された。 包含基準は、非無効であり、コマンド上の目に見える耳介の動きなしであった。 除外基準には、外傷性脳損傷、認知障害、神経筋疾患、片頭痛、顎関節機能不全、または発作の自己報告された病歴が含まれる。 さらに、参加者は、移植されたペースメーカーまたは除細動器装置を有することが報告された場合、または妊娠していた場合に除外された。
二相トレーニングプロトコル
二相トレーニングプロトコル（図。 1)から成っていた:段階1–電気刺激および動きのフィードバックによってPAMsの位置そして動きの経験を提供するように設計されていた促進段階および:段階2–技術の獲得段階–特許を取られたヘッド台紙装置を身に着けている間関係者が三つの漸進的により挑戦的な目的方向づけられたコンピュータゲームによって調整され、巧みなPAMsの活発化を練習することを可能にした。 必須ではありませんが、正式な訓練時間の外では、”耳を振る”の練習が奨励されました。
各訓練段階の前後にフィードバックなしで、行われる5つの試験の前および後テスト耳介の動きとの二相訓練の議定書を示すフロー図。 フェーズIは、電気刺激と耳の動きのバイオフィードバックを使用しました。 フェーズIIは、スキルベースのコンピュータゲームプレイのためにReachBionicsによって開発された四チャネルsEMG測定システムとソフ MVC=最大自発収縮
各練習の会議の前に前の会議の後で経験される副作用（例えば、筋肉痛み、頭痛）を文書化するために5項目アンケートは管理されました。
私たちの主な依存尺度は耳介の動きです。 フィードバックのない最大耳介の動きは、学習をキャプチャするために、トレーニング（すなわち、円滑化とスキル獲得）の両方の段階の間に各トレーニングセ これらのテストセッションの具体的な手順は、”できる限り耳を上下に動かし、10秒間保持する”ことです。
技術および装置
フェーズ1：ファシリテーション
電気刺激装置は、FastStart VQOrtho（Irvine、CA）によって製造され、FDA承認の神経筋電気刺激装置です。 刺激装置は、２つの独立したチャネルを有し、それぞれのチャネルに対して独立した刺激レベルを設定することができ、感覚レベル刺激または神経筋レベル刺激（すなわち、運動レベル）をもたらす。 標準的な、市販の小さな自己付着電極（直径1cm、自己付着刺激電極）は、各トレーニングセッションの前に、各耳の上および後耳介筋の上に皮膚上に直接置
ムーブメントのフィードバックは、Innovative Sports Training,Inc.のMotionMonitor®を通じて提供されました。 バージョン9.22（2015）。 右耳ヘリックス上、左耳ヘリックス上、眉間の3箇所に3つのセンサーを配置しました(図1)。 2、挿入）。 耳ヘリックスの位置は、各試験セッションを通して120Hzのサンプリングレートで電磁マーカーを通して収集され、コンピュータ画面上で視覚的なフィードバッ 2b）。
a参加者によって保持されたFastStart電気刺激装置および促進相に使用される表面電極。 電極は、上（見られない）および後耳介周囲筋（挿入を参照）の筋肉腹に配置された。 挿入ビューには、モーションフィードバックに使用された耳介ヘリックス上に配置された耳の動き電極も表示されます。 b NME中にPamをアクティブ化しようとする参加者。 モーションフィードバック付きのコンピュータ画面が前面にあり、ミラーが左に配置されています
フェーズ２：スキル獲得＜８ ７ １ ０＞＜９ １ ９ ６＞表面筋電図（ＳＥＭＧ）を、Ｂｉｏｓｅｍｉ Ａｃｔｉｖｅ ｔｗｏ ＥＭＧ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ（ＢＡＴＳ）（Ｂｉｏｓｅｍｉ Ｂ．Ｖ．，１ ０ ５ ４ＳＣ Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ）を通じて記録した。 ヘッドマウントデバイスは、識別された各筋肉群（上耳介筋および後耳介筋、両側）内に４つの電極接点の配列を提供した（図１ ０Ａ）。 3a）。 前の装置テストは4つのチャネル間の最低の交差話を確認した。 電極は皮の表面の乾接点として使用される金によってめっきされるピンを通して働きました。 図3aは、安定化のために一対の眼鏡フレームに統合されたヘッドマウントデバイスを示しています。 図3bは、ゲームプレイ用のヘッドマウントsEMG取得システムを使用した参加者を示しています。
図1.1.1. 3
aヘッドセットシステムには、マルチチャンネル非侵襲的sEMG測定システムが含まれています。 ヘッドセットに取り付けられたｓｅｍｇ電極を耳周囲の皮膚上に上および後耳周囲の筋肉上に置き、アプリケーション固有のソフトウェアを使用して信号を記録した。 bは、フェーズIIトレーニングセッション中にゲームをプレイしているコンピュータの前にヘッドセットを装着した参加者を示しています
aヘッドセットシステムには、マルチチャンネル非侵襲的sEMG測定システムが含まれています。 ヘッドセットに取り付けられたｓｅｍｇ電極を耳周囲の皮膚上に上および後耳周囲の筋肉上に置き、アプリケーション固有のソフトウェアを使用して信号を記録した。 bは、フェーズIIトレーニングセッション中にゲームをプレイしているコンピュータの前にヘッドセットを装着した参加者を示しています
ソフトウェアを用いて，三つのコンピュータゲーム中の制御を可能にするために，四つの標的耳介周囲筋肉からの複雑な協調パターンを変換した。 SEMGをカーソル制御に変換したアルゴリズムは、二乗平均平方根（RMS）EMG電圧がしきい値を超えたときに筋肉の”活性化”を特定しました。 EMG信号は540hzでサンプリングされ、10hz以上でハイパスフィルター処理されました。 録音は8つの単極EMGチャネルから取られ、四つの筋肉のそれぞれで対になり、最終的に出力の4つのチャネルを提供するソフトウェアで差動的に計 活性化は、”オフ”または”オン”状態に従って計算された。 “オン”状態を決定するための単純なしきい値は魅力的ですが、ベースラインノイズ強度と活性化強度の大きさの変動はこの可能性を排除し、しきい値を動的に計算する必要があります。 したがって、15秒ごとに、2つのクラスター（’off’状態と’on’状態）を仮定して、前のデータの最大120秒について混合ガウス分布が計算されました。 次に、現在の活性化は、アクティブなクラスターに対応する事前確率に従って測定され、0.9のしきい値は”on”状態をもたらします。
このシステムは、観察中の四つの耳介周囲筋肉に対応する四つの筋電図チャネルについて、これらの計算を継続的に実行しました。 ゲームのそれぞれについて、一連のルールは、ゲームがEMG”活性化”によってどのように制御されたかを確立しました。＜6655＞＜9196＞最初のゲーム（基本スキル）では、画面上部に50個のレンガ（10×5グリッドに配列）がありました。 参加者は、繰り返し、彼らはそれが戻ってバウンスとしてボールの下に配置されるように左から右に移動パドル、とレンガに向かってボールをバウンスすることによって、それらすべてを”破る”ために必要な。 したがって、参加者は、様々な速度と角度で移動しているボールを停止するには、パドルを右または左に移動する必要があります。 このゲームでは、与えられた側の耳介筋の一方または両方が反対側の活性化がない場合に活性化されると、パドルが移動する。 このゲームは、左右に制御を切り替える能力を必要としました。
第二ゲーム（中級スキル）では、被験者は、円の周りに配列された異なるターゲットを目指して、2-D画面の周りにカーソルを移動するように求められます。 このゲームでは、両側のPAM活性化がある場合、カーソルが前方に移動します。 反対側の活性化がない場合に、特定の側の筋肉の一方または両方が活性化されると、カーソルはその向きを右または左に回転させます。 パフォーマンスは、ポインティングデバイスの精度を評価するための標準的な指標であるFittの法則スコアを使用して採点されました。 このゲームは、すべての四つのPamの分離され、協調活性化を必要としました。
3番目のゲーム(高スキル)では、学習者は4つの正方形のうちの1つを埋めるように求められ、それぞれが異なる耳介周囲の筋肉に関連付けられています。 このゲームでは、関連する筋肉が他の筋肉が存在しない場合に活性化されている場合にのみ、与えられた正方形がいっぱいになります。 このゲームでは、他の三つの筋肉なしで四つの筋肉のそれぞれの選択的活性化が必要でした。 他の正方形が完全に充填される前にターゲット正方形が完全に充填されている限り、他の正方形が部分的に充填されることは許容された。 望ましい結果はゲーム3の成功に要求される調整および隔離された筋肉活発化のための学ばれた機能によって反映される。
手順
フェーズ1：円滑化
フェーズ1は、参加者に耳の動きのためのPAMsの自主的な制御を得るための入力と経験を提供しました。 電気刺激は、筋肉の収縮を促進するために適用されました。 参加者は鏡の前に配置され、モーションモニター©movement feedback screenは、上方向と後方向の耳の動きの振幅に関する情報をグラフィカルに提供しました（図。 2b）。
最初のトレーニングセッションでは、刺激装置を筋収縮のない感覚レベルの刺激に設定し、耳の筋肉の活性化感を可能にしました。 残りのセッションとは対照的に、セッション1では、耳を動かすための明示的な指示はありませんでした。 代わりに、参加者は感覚刺激の位置に注意を払うように求められた。 セッション2から9は、耳の動きの大きさについて提供されるフィードバックと運動レベル神経筋電気刺激（NMES）の適用を通じてPAMsの自発的な動きを強 参加者は、NMES刺激サイクルと同期して最大限に収縮するように求められた。 参加者は1分間の試験のために練習し、耳あたりのセッションあたり最大25回の試験で、試験の間に約10秒の休息がありました。 電気刺激パラメータは、神経筋活性化を最適化するために設定され、表１に詳述される。
作業訓練プロトコルの開発と一致して、我々は円滑化からスキル習得への進行のためのいくつかのガイドラインを確立しました。 私たちの最初の仮定は、与えられた大きさの耳の動きがsEMGの募集と調整に関連しているということでした。 後知恵では、これは過度に単純化されていました。 私たちの分析を通じて、私たちは耳の動きがsEMGの募集や調整の適切に敏感な尺度ではないことに気付きました。 最初のプロトコルは、5mmの測定可能な耳介の動きを作り出すことができれば、参加者がスキル習得に進むと予想されるように書かれていました。 プロトコル開発中に、一部の参加者は、測定可能な動きの5mmを生成する前またはこれまでの後続のセッションで目に見えると一貫性のあるsEMG信号を しかし，耳介制御の唯一の客観的尺度は運動振幅であった。 したがって、プロトコルは、以下の場合に進行を可能にするためにかなり緩められました: 1)各新しいトレーニングセッションのテスト前sEMGの目に見える検査は、前のトレーニングセッションのテスト後に近似した;2)測定可能な耳の動きの5mmがあった、または3)進行のための説得力のある議論を行うことができる(例えば、ゲームのシナリオは、学習のためのより動機づけと魅力的であろう)。 これにより、新しいスキルを習得しようとするときに使用される参加者がカスタマイズした進行と同じように、参加者を自分のペースで移動させるこ さらに、それは耳の動きの振幅が練習のスキルフェーズを開始する準備の最良の指標ではないかもしれないことを認めました。 例については、ID7のデータを参照してください。
フェーズ2:スキル獲得
スキル獲得フェーズにより、参加者は三つの段階的により挑戦的なコンピュータゲームを通じて練習をやる気にさせることによ SEMG信号は、目標指向のコンピュータゲームをプレイするために使用されました。 一般的に、ゲームでの練習は5回以上のセッション、セッションごとに1.5時間まで、週に2-3回のために蒸散しました。 ファシリテーションフェーズと同様に、参加者は訓練セッションの外で耳の動きを練習することが奨励されました。 コンピュータゲームは、各ゲームが難易度が増加して、二国間PAM制御の練習のための目標指向のタスクを提供します。
これらのコンピュータゲームを順番にプレイしながら、参加者は図に示すヘッドマウントsEMGシステムを身に着けていました。 3b.グラフィック表示および聴覚の調子は関係者が自発的な制御の変化を認めることを可能にした。 このフィードバックは，四つの耳介周囲筋の自発的協調の側面に対するスキル獲得を高めると考えられた。
統計分析
記述統計は、ファシリテーションとスキルフェーズの各セッションの後に収集されたテスト後の耳介の動きデータから導出されました。 平均およびＳｄｓは、各セッションの後に得られた５つの試験後試験から計算した。 グループ比較は、学習者と貧しい/非学習者の間のノンパラメトリックウェルチのt検定を使用して行われました。 すべての統計的検定は、Rバージョン3.4を使用して実施した。