deltagare
denna studie registrerades i kliniska studier Trials.gov (NCT02358915) och genomfördes vid BICE research center i Avdelningen för Biokinesiologi och fysioterapi vid University of Southern California. Deltagarna rekryterades genom campus flygblad och word of mouth.
alla deltagare tillhandahölls ett institutionellt godkänt samtyckesformulär innan studien inleddes. Inklusionskriterier var: icke-funktionshindrade och utan synlig aurikelrörelse på kommando. Exklusions kriterier inkluderade: en självrapporterad historia av traumatisk hjärnskada, kognitiv försämring, neuromuskulär sjukdom, migränhuvudvärk, temporomandibulär leddysfunktion eller kramper. Dessutom uteslöts deltagarna om de rapporterade att de hade en implanterad pacemaker eller defibrillatoranordning eller var gravida.
tvåfasigt träningsprotokoll
tvåfasigt träningsprotokoll (Fig. 1) bestod av: fas 1—underlättningsfasen-som utformades för att ge erfarenhet av PAMs-plats och rörelse genom elektrisk stimulering och rörelseåterkoppling och: Fas 2-färdighetsförvärvsfasen-som gjorde det möjligt för deltagarna att öva samordnad och skicklig PAMs-aktivering genom tre progressivt mer utmanande målorienterade datorspel medan de bär den patenterade huvudmonteringsenheten. Även om det inte krävdes, utanför den formella träningstiden, uppmuntrades övning av ”öronwiggling”.
flödesschema som illustrerar tvåfasutbildningsprotokollet med 5 försök före och efter test aurikulär rörelse utförd utan återkoppling, före och efter varje träningsfas. Fas i använde elektrisk stimulering och öronrörelse biofeedback. Fas II använde en fyra kanal sEMG mätsystem och programvara som utvecklats av ReachBionics för skicklighet baserat datorspel. MVC = maximal frivillig sammandragning
före varje träningspass administrerades ett 5-frågeformulär för att dokumentera eventuella biverkningar (t.ex. muskelsårighet, huvudvärk) som upplevdes efter föregående session.
vårt primära beroende mått är aurikulär rörelse. Den maximala aurikulära rörelsen utan återkoppling registrerades före och efter varje träningspass under båda faser av träningen (dvs. underlättande och färdighetsförvärv) för att fånga lärande. Specifika instruktioner för dessa testsessioner är att”flytta örat uppåt och bakåt så långt du kan och håll det i 10 sekunder”.
teknik och utrustning
fas 1: underlättande
den elektriska stimulatorn tillverkades av FastStart VQOrtho (Irvine, CA) och är en FDA-godkänd neuromuskulär elektrisk stimulator. Stimulatorn har två oberoende kanaler för vilka oberoende stimuleringsnivåer kan ställas in för varje kanal, vilket leder till sensorisk nivåstimulering eller neuromuskulär nivåstimulering (dvs motornivå). Standard, kommersiellt tillgängliga små självstickande elektroder (1 cm diameter, självhäftande stimuleringselektroder) placerades direkt på huden över de överlägsna och bakre aurikulära musklerna i varje öra före varje träningspass.
återkopplingen från rörelsen tillhandahölls genom MotionMonitor australia av Innovative Sports Training, Inc. version 9.22 (2015). Tre sensorer placerades på tre platser: en på höger öronhelix, en på vänster öronhelix och en mellan ögonbrynen (Fig. 2, infoga). Öronspiralens position samlades in genom en elektromagnetisk markör med en samplingsfrekvens på 120 Hz under varje testsession och tillhandahölls som visuell återkoppling på datorskärmen (Fig. 2b).
a FastStart elektrisk stimulator som hålls av deltagaren och ytelektroderna som används för underlättningsfasen. Elektroder placerades på muskelmagen hos de överlägsna (inte sett) och bakre peri-aurikulära musklerna (se insats). Insatsvyn visar också öronrörelseelektroden placerad på aurikelspiralen som användes för rörelseåterkoppling. B en deltagare som försöker aktivera PAMs under NMES. Datorskärmen med rörelseåterkoppling är framför och spegeln är placerad till vänster
fas 2: färdighetsförvärv
Ytelektromyografi (sEMG) registrerades genom Biosemi Active two EMG measurement system (BATS) (BioSemi B. V., 1054sc Amsterdam, Nederländerna). Huvudmonteringsanordningen tillhandahöll en uppsättning av 4 elektrodkontakter inom varje identifierad muskelgrupp (överlägsen och bakre aurikulär muskel, bilateralt) (Fig. 3a). Tidigare enhetstestning bekräftade minimalt korssamtal mellan de fyra kanalerna. Elektroderna arbetade genom guldpläterade stift som användes som torra kontakter på hudytan. Figur 3a visar huvudmonteringsanordningen integrerad på ett par glasögonramar för stabilisering. Figur 3b visar en deltagare som använder head-mount sEMG förvärvssystem för spel.
a headsetsystemet innehåller det flerkanaliga icke-invasiva sEMG-mätsystemet. sEMG-elektroder monterade på headsetet placerades på huden runt öronen över de överlägsna och bakre Peri-aurikulära musklerna och registrerade signalen med applikationsspecifik programvara. b visar deltagaren med headsetet sitter framför datorn spelar ett spel under en fas II träningspass
programvara användes för att omvandla de komplexa koordinationsmönstren från de fyra riktade Peri-aurikulära musklerna för att möjliggöra kontroll under de tre datorspelen. Algoritmen som översatte sEMG till markörkontroll identifierade en” aktivering ” i en muskel när Root-mean-square (RMS) EMG-spänningen översteg ett tröskelvärde. EMG-signalerna samplades vid 540hz och Högpassfiltrerades över 10Hz. Inspelningar togs från 8 unipolära EMG-kanaler, Parade vid var och en av de fyra musklerna och beräknades differentiellt i programvara, vilket i slutändan gav 4 utgångskanaler. RMS mättes kontinuerligt i varje kanal under de föregående 0,2 s.aktiveringar beräknades enligt ’av’ eller ’på’ tillstånd. Medan ett enkelt tröskelvärde för att bestämma ’ på ’ – tillståndet är attraktivt, utesluter variationen i basljudstyrkan och storleken på aktiveringsstyrkan denna möjlighet, och tröskeln måste beräknas dynamiskt. Således beräknades varje 15 s en Gaussisk blandningsfördelning för upp till 120 s av föregående data med ett antagande om två kluster (’av’ och ’på’ tillstånd). Den aktuella aktiveringen mäts sedan enligt den tidigare sannolikheten för att den motsvarar det aktiva klustret, med en tröskel på 0,9 vilket ger ett ’on’ – tillstånd.
systemet utförde kontinuerligt dessa beräkningar för de fyra EMG-kanalerna motsvarande de fyra Peri-aurikulära musklerna under observation. För varje spel fastställde en uppsättning regler hur spelet styrdes av EMG ”aktiveringar”.
i det första spelet (grundläggande skicklighet), det fanns 50 Tegelstenar (klädd i en 10 6BG 5 rutnät) på toppen av skärmen. Deltagaren behövde ”bryta” dem alla genom att upprepade gånger studsa bollen mot tegelstenarna med paddeln, som de flyttar från vänster till höger för att placeras under bollen när den studsar tillbaka. Därför måste deltagarna flytta paddeln åt höger eller vänster för att stoppa en boll som färdas i olika hastigheter och vinklar. I det här spelet rör sig paddeln om en eller båda aurikulära musklerna på en given sida aktiveras i frånvaro av en aktivering på motsatt sida. Detta spel krävde möjligheten att byta kontroll från sida till sida.
i det andra spelet (mellanliggande skicklighet) uppmanas försökspersonerna att flytta en markör runt en 2D-skärm som syftar till olika mål placerade runt en cirkel. I det här spelet flyttar markören framåt om det finns bilateral Pam-aktivering. Markören vrider sin orientering åt höger eller vänster om en eller båda musklerna på en given sida aktiveras i avsaknad av en aktivering på motsatt sida. Prestanda gjordes med hjälp av en Fitt ’ s law-poäng, som är en standardmått för att bedöma noggrannheten hos en pekdon. Detta spel krävde isolerad och samordnad aktivering av alla fyra PAMs.
i det tredje spelet (hög skicklighet) uppmanas eleven att fylla en av fyra rutor, var och en associerad med en annan peri-aurikulär muskel. I det här spelet kommer en given kvadrat bara att fyllas om den tillhörande muskeln aktiveras i frånvaro av någon annan muskel. Detta spel krävde selektiv aktivering av var och en av de fyra musklerna utan de andra tre. Det var acceptabelt att de andra rutorna delvis fylldes, så länge målkvadrat fylldes helt innan någon annan kvadrat fylldes helt. Det önskade resultatet återspeglas av den inlärda förmågan för isolerad muskelaktivering och samordning som krävs för framgång på spel 3.
procedur
fas 1: underlättande
fas 1 gav deltagarna input och erfarenhet för att få frivillig kontroll av PAMs för öronrörelse. Elektrisk stimulering applicerades för att underlätta muskelkontraktion. Deltagarna placerades framför en spegel och Rörelseövervakningsskärmen för rörelseövervakning i rörelse, som grafiskt gav information om amplituden för öronrörelsen i uppåt-och bakåtriktningar (Fig. 2b).
för den första träningen var stimulatorn inställd på sensorisk nivå stimulering utan muskelkontraktion för att möjliggöra en känsla av öronmuskelaktivering. Till skillnad från de återstående sessionerna, för session 1, fanns det ingen uttrycklig instruktion att flytta öronen. Istället ombads deltagaren att uppmärksamma platsen för den sensoriska stimuleringen. Sessionerna 2 till 9 Var att förbättra frivillig rörelse av PAMs genom applicering av neuromuskulär elektrisk stimulering på motornivå (NMES) med återkoppling om storleken på öronrörelsen. Deltagarna ombads att maximalt ingå i synkronisering med NMEs-stimuleringscykeln. Deltagarna övade i 1 min försök, upp till 25 försök per session per öra, med ungefär 10 s vila mellan försök. Elektriska stimuleringsparametrar sattes för att optimera neuromuskulär aktivering och beskrivs i Tabell 1 .
i överensstämmelse med utvecklingen av ett arbetsutbildningsprotokoll fastställde vi några riktlinjer för progression från underlättande till kompetensförvärv. Vårt första antagande var att en given storlek på öronrörelsen skulle associeras med sEMG rekrytering och samordning. I efterhand var detta alltför förenklat. Genom vår analys insåg vi att öronrörelse inte var ett tillräckligt känsligt mått på sEMG-rekrytering eller samordning. Det ursprungliga protokollet skrevs så att vi förväntade oss att deltagarna skulle gå vidare till färdighetsförvärv om de kunde producera 5 mm mätbar aurikulär rörelse. Under protokollutveckling visade vissa deltagare synliga och konsekventa sEMG-signaler i efterföljande sessioner före eller någonsin producerar 5 mm mätbar rörelse. Det enda objektiva måttet på aurikulär kontroll var emellertid rörelseamplitud. Således lossades protokollet avsevärt för att möjliggöra progression om: 1) synlig inspektion av pre-test sEMG för varje ny träningspass approximerade eftertestet från föregående träningspass; 2) Det fanns 5 mm mätbar aurikulär rörelse, eller 3) ett övertygande argument kunde göras för progression (t.ex. spelscenario skulle vara mer motiverande och engagerande för lärande). Detta gjorde det möjligt för oss att flytta deltagarna i sin egen takt, ungefär som den deltagaranpassade progressionen som användes när vi försökte lära oss en ny färdighet. Dessutom erkände det att amplituden av aurikulär rörelse kanske inte är den bästa indikatorn på beredskap att börja färdighetsfasen i praktiken. Se ID 7: s data för ett exempel.
fas 2: färdighetsförvärv
färdighetsförvärvsfasen gjorde det möjligt för deltagarna att utveckla sin nyfunna volymkontroll genom att motivera övning genom tre progressivt mer utmanande dataspel. SEMG-signalen användes för att spela målorienterade dataspel. I allmänhet tränade man med spelen över 5 sessioner, var och en upp till 1,5 h per session och 2-3 gånger per vecka. Liksom i underlättningsfasen uppmuntrades deltagarna att öva öronrörelser utanför träningspass. Dataspelen ger en målinriktad uppgift för övning av bilateral PAM-kontroll, där varje spel ökar i svårigheter.
medan du spelar dessa dataspel i följd, deltagarna Bar head-mount sEMG system som visas i Fig. 3b. grafiska skärmar och auditiva toner gjorde det möjligt för deltagaren att uppskatta variationer i deras frivilliga kontroll. Denna feedback ansågs förbättra kompetensförvärvet för aspekter av frivillig samordning av de fyra Peri-aurikulära musklerna.
statistisk analys
beskrivande statistik härleddes från aurikulära rörelsedata efter testet som samlats in efter varje session i underlättnings-och färdighetsfasen. Medel och SDs beräknades från de 5 eftertestförsök som erhölls efter varje session. Gruppjämförelser utfördes med hjälp av det icke-parametriska Welchs t-test mellan elever och fattiga/icke-elever. Alla statistiska tester utfördes med användning av R version 3.4.