Deelnemers
Deze studie werd geregistreerd in de Klinische Trials.gov (NCT02358915) en uitgevoerd op de BICE research center in de Verdeling van de Biokinesiology en kinesitherapie van de Universiteit van Zuid-Californië. Deelnemers werden gerekruteerd via campusflyers en mond-tot-mondreclame.
Alle deelnemers kregen een institutioneel goedgekeurd toestemmingsformulier vóór de aanvang van het onderzoek. Inclusie criteria waren: niet-uitgeschakeld, en zonder zichtbare oorschelp beweging op commando. De uitsluitingscriteria omvatten: een zelf gemelde voorgeschiedenis van traumatisch hersenletsel, cognitieve stoornis, neuromusculaire ziekte, migraine, temporomandibulaire gewrichtsdisfunctie of epileptische aanvallen. Bovendien werden deelnemers uitgesloten als ze een geïmplanteerde pacemaker of defibrillator hadden of zwanger waren.
tweefasig opleidingsprotocol
het tweefasig opleidingsprotocol (Fig. 1) bestond uit: Fase 1–de faciliteringsfase–die was ontworpen om ervaring te bieden met Pams—locatie en-beweging door middel van elektrische stimulatie en bewegingsfeedback en: Fase 2–de vaardigheidsverwervingsfase-die deelnemers in staat stelde om gecoördineerde en bekwame Pams-activering te oefenen door middel van drie progressief uitdagender doelgerichte computerspellen terwijl ze het gepatenteerde head-mount-apparaat droegen. Hoewel niet vereist, buiten de formele trainingstijd, werd de praktijk van “oor wiebelen” aangemoedigd.
stroomdiagram ter illustratie van het tweefasige trainingsprotocol met 5 pre-en post – test auriculaire bewegingen uitgevoerd zonder feedback, voor en na elke trainingsfase. Fase I gebruikte elektrische stimulatie en oorbeweging biofeedback. Fase II gebruikte een vierkanaals sEMG-meetsysteem en software ontwikkeld door ReachBionics voor skill based computerspel. MVC = maximale vrijwillige samentrekking
vóór elke oefensessie werd een 5-item vragenlijst toegediend om eventuele bijwerkingen (bijv. spierpijn, hoofdpijn) te documenteren die na de vorige sessie werden ervaren.
onze primaire afhankelijke maat is auriculaire beweging. De maximale auriculaire beweging zonder feedback werd vastgelegd voor en na elke training tijdens beide fasen van de training (d.w.z. facilitering en verwerving van vaardigheden) om het leren vast te leggen. Specifieke instructies voor deze testsessies zijn “Beweeg je oor zo ver mogelijk naar boven en naar achteren en houd het 10 seconden vast”.
technologie en apparatuur
Fase 1: facilitering
de elektrische stimulator werd geproduceerd door FastStart VQOrtho (Irvine, CA) en is een door de FDA goedgekeurde neuromusculaire elektrische stimulator. De stimulator heeft twee onafhankelijke kanalen waarvoor onafhankelijke stimulatieniveaus kunnen worden ingesteld voor elk kanaal, wat leidt tot sensorische niveau stimulatie of neuromusculaire niveau stimulatie (d.w.z., motorisch niveau). Standaard, commercieel verkrijgbare kleine zelfklevende elektroden (1 cm diameter, zelfklevende stimulatie elektroden) werden direct op de huid geplaatst over de superieure en achterste auriculaire spieren van elk oor voor elke trainingssessie.
de bewegingsfeedback werd verstrekt via de MotionMonitor® door Innovative Sports Training, Inc. versie 9.22 (2015). Drie sensoren werden op drie plaatsen geplaatst: een op de rechter oorschelp, een op de linker oorschelp en een tussen de wenkbrauwen (Fig. 2, invoegen). De positie van de oorschelp werd gedurende elke testsessie verzameld door middel van een elektromagnetische marker met een bemonsteringsfrequentie van 120 Hz en verstrekt als visuele feedback op het computerscherm (Fig. 2b).
a De FastStart elektrische stimulator gehouden door de deelnemer en de oppervlakte elektroden gebruikt voor de facilitatiefase. Elektroden werden geplaatst op de buikspier van de superieure (niet gezien) en achterste peri-auriculaire spieren (zie Insert). De insert view toont ook de ear movement elektrode gepositioneerd op de oorschelp die werd gebruikt voor bewegingsfeedback. b een deelnemer die PAMs probeert te activeren tijdens NMES. Het computerscherm met bewegingsfeedback bevindt zich voor en de spiegel bevindt zich links
Fase 2: verwerving van vaardigheden
oppervlakte-elektromyografie (sEMG) werd geregistreerd via het Biosemi Active two EMG measurement system (BATS) (BioSemi B. V., 1054SC Amsterdam, Nederland). De head-mount apparaat voorzien van een array van 4 elektrode contacten binnen elke geïdentificeerde spiergroep (superieure en posterior auriculaire spier, bilateraal) (Fig. 3a). Vorige apparaattesten bevestigden minimale cross talk tussen de vier kanalen. De elektroden werkten door vergulde pinnen die als droge contacten op het huidoppervlak worden gebruikt. Figuur 3a toont de head-mount apparaat geïntegreerd op een paar brilframes voor stabilisatie. Figuur 3b toont een deelnemer die het head-mount sEMG acquisitiesysteem gebruikt voor het spelen van het spel.
a het headsetsysteem bevat het meerkanaals niet-invasieve sEMG-meetsysteem. sEMG elektroden gemonteerd op de headset werden geplaatst op de huid rond de oren over de superieure en achterste peri-auriculaire spieren en opgenomen het signaal met behulp van applicatie-specifieke software. b toont de deelnemer met een headset die voor de computer zit en een spel speelt tijdens een Fase II trainingssessie
Software werd gebruikt om de complexe coördinatiepatronen van de vier gerichte peri-auriculaire spieren te transformeren om controle tijdens de drie computerspellen mogelijk te maken. Het algoritme dat sEMG vertaalde naar cursor controle identificeerde een “activering” in een spier wanneer de wortel-gemiddelde-vierkant (RMS) EMG voltage een drempel overschreed. De EMG-signalen werden bemonsterd bij 540hz en High-pass gefilterd boven 10hz. Opnames werden gemaakt van 8 unipolaire EMG-kanalen, gekoppeld aan elk van de vier spieren en differentieel berekend in software, waardoor uiteindelijk 4 kanalen van output. De RMS werd in elk kanaal continu gemeten over de vorige 0,2 s. activeringen werden berekend volgens de toestand’ uit ‘of’ aan’. Hoewel een eenvoudige drempelwaarde om de ” on ” – toestand te bepalen aantrekkelijk is, sluiten variabiliteit in de geluidsterkte en de activeringssterkte deze mogelijkheid uit, en moest de drempel dynamisch worden berekend. Zo werd elke 15 s een Gaussiaanse mengseldistributie berekend voor maximaal 120 s van de voorgaande gegevens met een aanname van twee clusters (‘off ‘en’ on ‘ toestanden). De huidige activering wordt dan gemeten volgens de eerdere waarschijnlijkheid dat het overeenkomt met het actieve cluster, met een drempelwaarde van 0,9 die een ” on ” – toestand oplevert.
het systeem voerde continu deze berekeningen uit voor de vier EMG-kanalen die overeenkomen met de vier Peri-auriculaire spieren die werden geobserveerd. Voor elk van de spellen, een set van regels vastgesteld hoe het spel werd gecontroleerd door de EMG “activeringen”.
in het eerste spel (basic skill), waren er 50 stenen (opgesteld in een 10 × 5 raster) op de bovenkant van het scherm. De deelnemer moest ze allemaal “breken” door herhaaldelijk de bal naar de stenen te stuiteren met de peddel, die ze van links naar rechts bewegen om onder de bal te worden geplaatst als deze terug stuitert. Daarom moeten de deelnemers de peddel naar rechts of naar links bewegen om een bal te stoppen die met verschillende snelheden en hoeken reist. In dit spel, de peddel beweegt als een of beide van de auriculaire spieren aan een bepaalde kant worden geactiveerd in de afwezigheid van een activering aan de andere kant. Dit spel vereiste de mogelijkheid om de controle van links naar rechts te schakelen.
in het tweede spel (intermediate skill) worden de deelnemers gevraagd om een cursor rond een 2-D scherm te bewegen, gericht op verschillende doelen die rond een cirkel zijn opgesteld. In dit spel beweegt de cursor vooruit als er bilaterale PAM activatie is. De cursor draait zijn oriëntatie naar rechts of links als één of beide spieren aan een bepaalde kant worden geactiveerd bij afwezigheid van een activering aan de andere kant. De prestaties werden gescoord met behulp van een Fitt ‘ s law score, een standaardmetrie voor het beoordelen van de nauwkeurigheid van een aanwijsapparaat. Dit spel vereist geïsoleerde en gecoördineerde activering van alle vier PAMs.
in het derde spel (hoge vaardigheid) wordt de leerling gevraagd een van de vier vierkanten te vullen, elk geassocieerd met een andere peri-auriculaire spier. In dit spel, een bepaald vierkant zal alleen vullen als de bijbehorende spier wordt geactiveerd in de afwezigheid van een andere spier. Dit spel vereiste selectieve activering van elk van de vier spieren zonder de andere drie. Het was aanvaardbaar dat de andere vierkanten gedeeltelijk gevuld waren, zolang het doelvierkant volledig gevuld was voordat een ander vierkant volledig gevuld was. Het gewenste resultaat wordt weerspiegeld door het geleerde vermogen voor geïsoleerde spieractivering en coördinatie die nodig is voor succes op game 3.
Procedure
Fase 1: facilitering
Fase 1 bood deelnemers input en ervaring om vrijwillige controle van PAMs voor oorbewegingen te verkrijgen. Elektrische stimulatie werd toegepast om spiercontractie te vergemakkelijken. De deelnemers werden voor een spiegel geplaatst en het Bewegingsmonitor© movement feedback scherm dat grafisch informatie verschafte over de amplitude van de oorbeweging in opwaartse en achteruit richtingen (Fig. 2b).
tijdens de eerste trainingssessie werd de stimulator ingesteld op sensorische niveau stimulatie zonder spiercontractie om een gevoel van oorspieractivering mogelijk te maken. In tegenstelling tot de overige sessies was er voor Sessie 1 geen expliciete instructie om de oren te bewegen. In plaats daarvan werd de deelnemer gevraagd aandacht te besteden aan de locatie van de sensorische stimulatie. Sessies 2 tot en met 9 waren bedoeld om de vrijwillige beweging van de PAMs te verbeteren door toepassing van neuromusculaire elektrische stimulatie (nmes) op motorniveau met feedback over de grootte van de oorbeweging. De deelnemers werd gevraagd om maximaal synchroon met de nmes-stimulatiecyclus een contract aan te gaan. Deelnemers oefenden voor 1 min proeven, tot 25 proeven per sessie per oor, met ongeveer 10 s rust tussen de proeven. Elektrische stimulatieparameters werden ingesteld om de neuromusculaire activering te optimaliseren en zijn gedetailleerd in Tabel 1 .
in overeenstemming met de ontwikkeling van een working training protocol, hebben we een paar richtlijnen opgesteld voor de voortgang van faciliteren naar het verwerven van vaardigheden. Onze eerste aanname was dat een bepaalde omvang van de oorbeweging zou worden geassocieerd met sEMG werving en coördinatie. Achteraf gezien was dit te simplistisch. Door onze Analyse realiseerden we ons dat oorbeweging geen voldoende gevoelige maatstaf was voor sEMG-werving of-coördinatie. Het oorspronkelijke protocol werd zo geschreven dat we verwacht dat de deelnemers zouden vooruitgang boeken bij het verwerven van vaardigheden als ze 5 mm meetbare auriculaire beweging konden produceren. Tijdens protocolontwikkeling, toonden sommige deelnemers zichtbare en consistente sEMG signalen in volgende zittingen voorafgaand aan of ooit producerend 5 mm meetbare beweging aan. Echter, de enige objectieve maatstaf voor auriculaire controle was beweging amplitude. Zo werd het protocol aanzienlijk versoepeld om vooruitgang mogelijk te maken als: 1) zichtbare inspectie van pre-test sEMG van elke nieuwe trainingssessie benaderde de post-test van de vorige trainingssessie; 2) Er was 5 mm meetbare auriculaire beweging, of 3) een overtuigend argument kan worden gemaakt voor progressie (bijvoorbeeld, spel scenario zou meer motiverend en boeiende voor het leren). Dit stelde ons in staat om deelnemers te bewegen in hun eigen tempo, net als de deelnemer-aangepaste progressie gebruikt bij het proberen om een nieuwe vaardigheid te leren. Bovendien erkende het dat de amplitude van de auriculaire beweging misschien niet de beste indicator is van de bereidheid om de vaardigheidsfase van de praktijk te beginnen. Zie de gegevens van ID 7 voor een voorbeeld.
Fase 2: verwerving van vaardigheden
de fase van verwerving van vaardigheden stelde de deelnemers in staat hun nieuw gevonden volitionele controle te ontwikkelen door het motiveren van de praktijk door middel van drie steeds uitdagender computerspelletjes. Het sEMG-signaal werd gebruikt om doelgerichte computerspellen te spelen. Over het algemeen, de praktijk met de spellen gebeurde in 5 sessies, elk tot 1,5 uur per sessie en voor 2-3 keer per week. Net als in de facilitatiefase werden deelnemers aangemoedigd om gehoorbewegingen te oefenen buiten de trainingssessies. De computerspellen bieden een doelgerichte taak voor het oefenen van bilaterale PAM-controle, waarbij elk spel in moeilijkheden toeneemt.
tijdens het spelen van deze computerspelletjes in volgorde droegen de deelnemers het head-mount sEMG-systeem zoals afgebeeld in Fig. 3b. grafische displays en auditieve tonen konden de deelnemer variaties in hun vrijwillige controle waarderen. Deze feedback werd verondersteld om vaardigheden acquisitie voor aspecten van vrijwillige coördinatie van de vier peri-auriculaire spieren te verbeteren.
statistische analyse
beschrijvende statistieken werden afgeleid van de post-test auriculaire bewegingsgegevens die werden verzameld na elke sessie van de faciliterings-en vaardigheidsfase. De gemiddelden en de SDs werden berekend uit de 5 post-testonderzoeken die na elke sessie werden verkregen. Groepsvergelijkingen werden uitgevoerd met behulp van de niet-parametrische t-test van Welch tussen lerenden en armen/niet-lerenden. Alle statistische tests werden uitgevoerd met R versie 3.4.