uczestnicy
badanie to zostało zarejestrowane w klinicznym Instytucie neurologicznym w Warszawie. Trials.gov (NCT02358915) i prowadzone w Centrum Badawczym BICE w oddziale Biokinezjologii i fizykoterapii Uniwersytetu Południowej Kalifornii. Uczestnicy zostali zwerbowani za pośrednictwem ulotek kampusu i ustnie.
wszyscy uczestnicy otrzymali instytucjonalnie zatwierdzony formularz zgody przed rozpoczęciem badania. Kryteria włączenia były: nieaktywne i bez widocznego ruchu małżowiny usznej na polecenie. Kryteria wykluczające obejmowały: zgłoszony przez siebie traumatyczny uraz mózgu, upośledzenie funkcji poznawczych, chorobę nerwowo-mięśniową, migrenowe bóle głowy, dysfunkcję stawu skroniowo-żuchwowego lub drgawki. Dodatkowo, uczestnicy zostali wykluczeni, jeśli zgłaszali posiadanie wszczepionego rozrusznika serca lub defibrylatora lub byli w ciąży.
dwufazowy protokół treningowy
dwufazowy protokół treningowy (rys. 1) składał się z: fazy 1—fazy facylitacji-która została zaprojektowana w celu zapewnienia doświadczenia lokalizacji i ruchu PAMs poprzez stymulację elektryczną i sprzężenie zwrotne ruchu oraz: fazy 2-fazy zdobywania umiejętności-która pozwoliła uczestnikom ćwiczyć skoordynowaną i wykwalifikowaną aktywację PAMs poprzez trzy coraz trudniejsze gry komputerowe zorientowane na cel podczas noszenia opatentowanego urządzenia head-mount. Chociaż nie jest to wymagane, poza formalnym czasem szkolenia zachęcano do praktykowania „kręcenia uszami”.
schemat przepływu ilustrujący dwufazowy protokół treningowy z 5 próbnym przed-i po-testowym ruchem ucha wykonanym bez sprzężenia zwrotnego, przed i po każdej fazie treningu. W fazie I zastosowano stymulację elektryczną i biofeedback ruchu ucha. Faza II wykorzystywała czterokanałowy system pomiaru sEMG i oprogramowanie opracowane przez ReachBionics do gry komputerowej opartej na umiejętnościach. MVC = maksymalny dobrowolny skurcz
przed każdą sesją treningową podano 5-elementowy kwestionariusz, aby udokumentować wszelkie działania niepożądane (np. bolesność mięśni, ból głowy) występujące po poprzedniej sesji.
naszą podstawową zależną miarą jest ruch uszny. Maksymalny ruch małżowiny usznej bez sprzężenia zwrotnego został zarejestrowany przed i po każdej sesji treningowej podczas obu faz treningu (tj. facylitacji i nabywania umiejętności) w celu uchwycenia uczenia się. Szczegółowe instrukcje dotyczące tych sesji testowych to „przesuń ucho w górę i do tyłu tak daleko, jak możesz i przytrzymaj je przez 10 sekund”.
Technologia i sprzęt
Faza 1: ułatwienie
stymulator elektryczny został wyprodukowany przez FastStart VQOrtho (Irvine, CA) i jest zatwierdzonym przez FDA stymulatorem elektrycznym nerwowo-mięśniowym. Stymulator ma dwa niezależne kanały, dla których można ustawić niezależne poziomy stymulacji dla każdego kanału, co prowadzi do stymulacji poziomu SENSORYCZNEGO lub stymulacji poziomu nerwowo-mięśniowego (tj. poziomu silnika). Standardowe, dostępne w handlu małe elektrody samoprzylepne (średnica 1 cm, samoprzylepne elektrody stymulacyjne) zostały umieszczone bezpośrednio na skórze nad mięśniami górnej i tylnej małżowiny usznej każdego ucha przed każdą sesją treningową.
informacje o ruchu zostały przekazane za pośrednictwem MotionMonitor® przez Innovative Sports Training, Inc. wersja 9.22 (2015). Trzy czujniki zostały umieszczone w trzech miejscach: jeden na prawej helisie ucha, jeden na lewej helisie ucha i jeden między brwiami (rys. 2, insert). Pozycja helisy ucha była zbierana przez marker elektromagnetyczny z częstotliwością próbkowania 120 Hz podczas każdej sesji testowej i Dostarczana jako wizualne sprzężenie zwrotne na ekranie komputera (rys. 2b).
a stymulator elektryczny FastStart trzymany przez uczestnika i elektrody powierzchniowe używane do facylitacji. Elektrody były umieszczone na brzuchu mięśnia górnego (nie widziane) i tylnych mięśniach przednio-usznych (patrz wstawka). Widok Wstaw pokazuje również elektrodę ruchu ucha umieszczoną na spirali małżowiny usznej, która została użyta do sprzężenia zwrotnego ruchu. B uczestnik próbujący aktywować Pam podczas NME. Ekran komputera ze sprzężeniem zwrotnym ruchu znajduje się z przodu, a lustro jest umieszczone po lewej stronie
Faza 2: akwizycja umiejętności
elektromiografia powierzchni (sEMG) została zarejestrowana za pomocą Biosemi Active two EMG measurement system (BATS) (BioSemi B. V., 1054sc Amsterdam, Holandia). Urządzenie montowane na głowie zapewniało układ 4 styków elektrodowych w każdej zidentyfikowanej grupie mięśni (mięsień górny i tylny małżowiny usznej, obustronnie) (Fig. 3A). Poprzednie testy urządzeń potwierdziły minimalną rozmowę krzyżową między czterema kanałami. Elektrody przerabiane przez pozłacane szpilki używane jako suche styki na powierzchni skóry. Rysunek 3a przedstawia urządzenie montowane na głowie zintegrowane z parą opraw okularów w celu stabilizacji. Rysunek 3b przedstawia uczestnika korzystającego z systemu zdobywania sEMG montowanego na głowie do gry.
a system słuchawkowy zawiera wielokanałowy, nieinwazyjny system pomiarowy sEMG. elektrody sEMG zamontowane na zestawie słuchawkowym zostały umieszczone na skórze wokół uszu nad mięśniami nadustkowymi i tylnymi nadustkami i zarejestrowały sygnał za pomocą specjalnego oprogramowania. B pokazuje uczestnika z zestawem słuchawkowym siedzącego przed komputerem grającego w grę podczas sesji treningowej II Fazy
oprogramowanie zostało użyte do przekształcenia złożonych wzorców koordynacji z czterech ukierunkowanych mięśni okołoczułkowych, aby umożliwić kontrolę podczas trzech gier komputerowych. Algorytm, który przetłumaczył sEMG na sterowanie kursorem, zidentyfikował „aktywację” w mięśniu, gdy napięcie EMG Root-mean-square (RMS) przekroczyło próg. Sygnały EMG próbkowano z częstotliwością 540 Hz i filtrowano powyżej 10 Hz. Nagrania zostały pobrane z 8 jednobiegunowych kanałów EMG, sparowanych przy każdym z czterech mięśni i różnie obliczonych w oprogramowaniu, ostatecznie zapewniając 4 kanały wyjściowe. RMS był mierzony w każdym kanale w sposób ciągły przez poprzednie 0,2 s. aktywacje były obliczane według stanu ” off ” lub „on”. Podczas gdy prosta wartość progowa do określenia stanu „włączony” jest atrakcyjna, zmienność siły hałasu bazowego i wielkości siły aktywacji wykluczają tę możliwość, a próg musi być obliczany dynamicznie. Tak więc, co 15 s obliczano rozkład mieszaniny Gaussa dla maksymalnie 120 S danych poprzedzających przy założeniu dwóch gromad (Stanów ” off ” i „on”). Prąd aktywacji jest następnie mierzony zgodnie z wcześniejszym prawdopodobieństwem odpowiadającym aktywnemu klastrowi, z progiem 0,9 dającym stan „włączony”.
System stale wykonywał te obliczenia dla czterech kanałów EMG odpowiadających czterem badanym mięśniom okołouchularnym. Dla każdej z gier zestaw zasad określał sposób kontrolowania gry przez „aktywacje” EMG.
w pierwszej grze (podstawowa umiejętność) na górze ekranu znajdowało się 50 klocków (ułożonych w siatkę 10 × 5). Uczestnik musiał „złamać”je wszystkie, wielokrotnie odbijając piłkę w kierunku cegieł za pomocą wiosła, które poruszają się od lewej do prawej, aby być umieszczone pod piłką, gdy odbija się. Dlatego uczestnicy muszą przesunąć wiosło w prawo lub w lewo, aby zatrzymać piłkę, która porusza się z różnymi prędkościami i kątami. W tej grze wiosło porusza się, jeśli jeden lub oba mięśnie ucha po danej stronie są aktywowane w przypadku braku aktywacji po przeciwnej stronie. Ta gra wymagała możliwości przełączania sterowania z boku na bok.
w drugiej grze (średnio zaawansowana umiejętność) testerzy proszeni są o poruszanie kursorem po dwuwymiarowym ekranie skierowanym na różne cele rozmieszczone wokół okręgu. W tej grze kursor przesuwa się do przodu, jeśli jest obustronna aktywacja PAM. Kursor obraca swoją orientację w prawo lub w lewo, jeśli jeden lub oba mięśnie po danej stronie są aktywowane w przypadku braku aktywacji po przeciwnej stronie. Wyniki zostały ocenione za pomocą Fitt ’ s Law score, który jest standardowym wskaźnikiem do oceny dokładności urządzenia wskazującego. Ta gra wymagała odizolowanej i skoordynowanej aktywacji wszystkich czterech Pam.
w trzeciej grze (high skill), uczeń jest proszony o wypełnienie jednego z czterech kwadratów, z których każdy związany jest z innym mięśniem przedoczodołowym. W tej grze dany kwadrat wypełni się tylko wtedy, gdy związany z nim mięsień zostanie aktywowany w przypadku braku innego mięśnia. Ta gra wymagała selektywnej aktywacji każdego z czterech mięśni bez pozostałych trzech. Dopuszczalne było, aby pozostałe kwadraty były częściowo wypełnione, o ile docelowy kwadrat był całkowicie wypełniony, zanim jakikolwiek inny kwadrat został całkowicie wypełniony. Pożądany wynik jest odzwierciedlony przez wyuczoną zdolność do aktywacji i koordynacji izolowanych mięśni, która jest wymagana do sukcesu w grze 3.
procedura
Faza 1: ułatwienie
Faza 1 dostarczyła uczestnikom wkładu i doświadczenia w celu uzyskania dobrowolnej kontroli Pam dla ruchu ucha. W celu ułatwienia skurczu mięśni zastosowano stymulację elektryczną. Uczestnicy byli umieszczeni przed lustrem i ekranem sprzężenia zwrotnego ruchu Motion Monitor©, który graficznie dostarczał informacji o amplitudzie ruchu ucha w kierunku do góry i do tyłu (rys. 2b).
podczas pierwszej sesji treningowej stymulator został ustawiony na stymulację na poziomie sensorycznym bez skurczu mięśni, aby umożliwić uczucie aktywacji mięśni ucha. W przeciwieństwie do pozostałych sesji, dla sesji 1 nie było wyraźnej instrukcji poruszania uszami. Zamiast tego uczestnik został poproszony o zwrócenie uwagi na lokalizację stymulacji sensorycznej. Sesje od 2 do 9 miały na celu wzmocnienie dobrowolnego ruchu Pam poprzez zastosowanie neuromuscular electrical stimulation (NME) na poziomie motorycznym z dostarczonym sprzężeniem zwrotnym na temat wielkości ruchu ucha. Uczestnicy zostali poproszeni o maksymalne kontraktowanie w synchronizacji z cyklem stymulacji NMES. Uczestnicy ćwiczyli przez 1 min próby, do 25 prób na sesję na ucho, z około 10 S odpoczynku między próbami. Parametry stymulacji elektrycznej zostały ustalone w celu optymalizacji aktywacji nerwowo-mięśniowej i przedstawiono je szczegółowo w tabeli 1 .
zgodnie z opracowaniem protokołu roboczego szkolenia, ustaliliśmy kilka wytycznych dotyczących postępów od facylitacji do zdobywania umiejętności. Początkowo zakładaliśmy, że dana wielkość ruchu ucha będzie związana z rekrutacją i koordynacją sEMG. Z perspektywy czasu było to zbyt uproszczone. Dzięki naszej analizie zdaliśmy sobie sprawę, że ruch ucha nie jest odpowiednio czułym miernikiem rekrutacji lub koordynacji sEMG. Wstępny protokół został napisany w taki sposób, że spodziewaliśmy się, że uczestnicy przejdą do zdobywania umiejętności, jeśli będą mogli wyprodukować 5 mm mierzalnego ruchu małżowiny usznej. Podczas opracowywania protokołu niektórzy uczestnicy demonstrowali widoczne i spójne sygnały sEMG w kolejnych sesjach przed lub kiedykolwiek wytwarzając 5 mm mierzalnego ruchu. Jednak jedyną obiektywną miarą kontroli słuchu była amplituda ruchu. Tak więc protokół został znacznie poluzowany, aby umożliwić postęp, jeśli: 1) widoczna Kontrola sEMG przed testem każdej nowej sesji treningowej zbliżała się do testu po poprzedniej sesji treningowej; 2) było 5 mm mierzalnego ruchu małżowiny usznej lub 3) przekonujący argument może być złożony dla postępu (np. scenariusz gry byłby bardziej motywujący i angażujący do nauki). Pozwoliło nam to na poruszanie uczestników w ich własnym tempie, podobnie jak dostosowane do uczestników postępy używane podczas próby uczenia się nowych umiejętności. Ponadto uznał, że amplituda ruchu ucha może nie być najlepszym wskaźnikiem gotowości do rozpoczęcia fazy umiejętności w praktyce. Zobacz dane ID 7 jako przykład.
Faza 2: zdobywanie umiejętności
Faza zdobywania umiejętności pozwoliła uczestnikom rozwinąć swoją nową, znalezioną kontrolę wolicjonalną poprzez motywowanie praktyki poprzez trzy coraz trudniejsze gry komputerowe. Sygnał sEMG był używany do gry komputerowej zorientowanej na cel. Ogólnie rzecz biorąc, praktyka z Grami odbywa się w ciągu 5 sesji, każda do 1,5 h na sesję i 2-3 razy w tygodniu. Podobnie jak w fazie facylitacji, uczestnicy byli zachęcani do praktykowania ruchów uszu poza sesjami treningowymi. Gry komputerowe stanowią celowe zadanie dla praktyki obustronnej kontroli PAM, przy czym każda gra staje się coraz trudniejsza.
grając kolejno w te gry komputerowe, uczestnicy nosili system head-mount sEMG pokazany na Fig. 3b. wyświetlacze graficzne i dźwięki słuchowe pozwoliły Uczestnikowi docenić różnice w ich dobrowolnej kontroli. Uważano, że ta informacja zwrotna ma na celu zwiększenie nabywania umiejętności w zakresie dobrowolnej koordynacji czterech mięśni okołouchwytowych.
analiza statystyczna
statystyki opisowe zostały uzyskane na podstawie danych dotyczących ruchu ucha po badaniu zebranych po każdej sesji fazy facylitacji i umiejętności. Środki i SDs obliczono z 5 prób po testach uzyskanych po każdej sesji. Porównania grup przeprowadzono przy użyciu nieparametrycznego testu t Welcha między uczniami A uczniami ubogimi/Nie uczącymi się. Wszystkie testy statystyczne zostały przeprowadzone przy użyciu wersji R 3.4.