NP 神经可塑性 1687 - 5443 2090 - 5904 Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/6809879 6809879 研究文章 短期的影响假肢将感官在中风偏瘫患者步行 http://orcid.org/0000 - 0003 - 1217 - 3892 Owaki 戴 1 Sekiguchi Yusuke 2 本田 凯塔 2 石黑浩 丰田 1 http://orcid.org/0000 - 0001 - 9035 - 2808 和泉 Shin-ichi 2、3 Kossut 马格达雷娜 1 研究所的电子通信 日本东北大学 2-2-1 Katahira Aoba-ku 仙台980 - 8577 日本 tohoku.ac.jp 2 物理医学与康复 东北大学研究生院医学 2 - 1 Seiryo-machi 仙台980 - 8575 日本 tohoku.ac.jp 3 生物医学工程研究生院 日本东北大学 2 - 1 Seiryo-machi 仙台980 - 8575 日本 tohoku.ac.jp 2016年 31日 7 2016年 2016年 26 02 2016年 23 06 2016年 03 07年 2016年 2016年 版权©2016戴Owaki et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

感觉障碍引起的神经或物理障碍阻碍动觉,难以康复。为了克服这个问题,我们提出并开发了一个新的生物反馈假肢<我talic> 听觉的脚假转变感官,传感器转换足底感觉听觉反馈信号。本研究调查的短期影响听觉反馈假肢在中风偏瘫患者步行。评估效果,我们比较四个条件的听觉反馈足底传感器在脚跟和第五跖骨。我们发现显著差异最大的臀部扩展角和踝关节跖屈肌力矩影响一边在立场阶段,有或没有听觉反馈信号之间的条件。这些结果表明,我们的感官假肢可以加强在中风偏瘫患者行走性能,导致有效的短期康复。

 日本促进社会科学 26120007 26120008 1。介绍

康复包括物理治疗,使长期改进通过短期的努力在日常干预;它促进流动性,提高功能的能力,并提高了生活质量。在物理治疗,动觉,运动知觉,“<我talic> 我是移动的”,这是生成的运动和感觉系统之间通过动态的相互作用,也就是说,“运动感觉循环,“长期运动学习中扮演着关键角色,以及短期运动的一代。因此,动觉的成就对物理损伤和残疾的康复至关重要。然而,感觉障碍引起的神经或物理障碍阻碍动觉,难以康复。

感觉障碍的康复,我们提出了一个新颖的生物反馈假肢( 1],将薄弱或缺乏动觉反馈转换成另一种感觉形态。从系统工程的角度,人类感官障碍被认为是<我talic> 输入失败在一个系统中,导致整个系统的功能障碍;的障碍是可以纠正的<我talic> 修复或<我talic> 更换另一个输入组件(图 1)。在这种情况下,加强动觉反馈或更换另一个感觉形态允许干预运动感觉功能障碍,使重建的循环的患者进行康复治疗。

拟议的感觉障碍康复的示意图:(一)从系统工程的角度,感觉障碍被认为是<我talic> 输入失败在一个系统中,导致整个系统的功能障碍。(b)功能障碍是可以纠正的<我talic> 修复或<我talic> 更换由另一个输入组件,加强动觉反馈或更换另一个感觉形态允许干预运动感觉功能障碍通过重建的循环。

因此,本研究的目的是验证短期效应改变义肢的感官感觉障碍的患者。特别是,我们专注于一个听觉反馈假肢,改变足底感觉在步行康复 1有以下四个原因:足底感觉,也就是说,压力中心的轨迹(COP)足底地区和负载的大小,是一个重要的动觉在散步 2- - - - - - 7];在中风偏瘫患者,期间警察轨迹行走的范围缩小在影响脚通过步态的变化 8];所需的时间认知在人类的大脑听觉信号的分辨率(约1毫秒)小于所需的分辨率视觉反馈信号(大约50 - 100 ms);和视觉反馈系统,例如,显示显示视觉反馈信号,限制了受试者的姿势,导致有限的康复空间和方法。

先前的研究已经提出了步行康复听觉反馈系统;宅一生( 10)提出了<我talic> Walk-Mate系统,利用“相互夹带”的时间脚步的一个主题和代理模型在计算机系统和显示病人的以及健康受试者的步态恢复稳定和自然行走状态。Schauer和Mauritz 11)验证听觉信号在触地行走的时间效应对中风病人康复。但是,没有以前的研究集中于改变的时空模式加载在一个脚听觉反馈信号。在这里,我们应用我们的假肢,调用<我talic> 听觉的脚( 1),变换多点皮足底感觉听觉反馈信号(图 2),在中风偏瘫患者步行康复,并演示了假肢的短期效果的干预。

概述的假肢将感官,称为<我talic> 听觉的脚( 1]:(a)传感器假肢的整个系统,包括四个部分:(i)压力传感器表(输入),(2)微型计算机(数据处理),(iii)无线通信设备(数据传输模块我模块(二),和(iv)电脑(输出)。(b)协议转换从听觉信号的压力。压力传感器的位置对应于“音程”(Mi, cf。所以,做,和Mi)和压力传感器的大小值对应于“音频卷。”

 2。材料和方法 2.1。假肢将感官:<斜体>听觉脚< /斜体>

我们提出一个传感器假肢<我talic> 听觉的脚( 1)将感官醒来康复。听觉的脚将皮肤行走时足底感觉听觉反馈信号。整个系统由四个组件(图 2(一个)):(i)压力传感器表(输入组件),(2)微机(数据处理组件),(3)无线通信设备(数据传输组件),及(iv)电脑(输出组件)。压力传感器表由许多压力传感器(例如,五个传感器;图 2中间的底部,连接电子产品:FSR402)。表结构允许我们轻易修改传感器的分布分个人和容易把表物理或假脚或插入到鞋子。微机(mb NXP LPC1768)从压力传感器模拟数据转换成数字数据,把他们送到了一个无线通信设备(Xbee、数码国际:ZB射频模块)通过串行通信。从微机使用Xbee、数字数据被送往笔记本电脑通过无线通信。笔记本电脑,处理软件( 12)计算数字数据从Xbee设备,改变了他们的听觉和视觉输出扬声器和电脑显示器,分别。

处理软件,我们设计了一个转换协议从足底感觉听觉信号输出如下:压力传感器的位置对应于一个音乐间隔(Mi, cf。所以,做,和Mi)和压力传感器值的大小与音频卷。因此,听觉信号与脚的时空模式加载,如图 2 (b)。

 2.2。病人

我们招募了中风病人与轻偏瘫(6男1女)。平均年龄、身高和体重<我nline-formula> 55 ± 12 岁的时候,<我nline-formula> 168年 ± 8 厘米,<我nline-formula> 67年 ± 7 公斤,分别。入选标准如下:走不走假肢的能力,理解指令由物理治疗师的能力,第一次由于缺血性或出血性中风的原因。主题与偏瘫被排除在外,如果他们有任何下列:脑干和小脑病变,循环和呼吸异常状态,精神状态异常,或更高的大脑功能障碍。Brunnstrom阶段和中风损伤评估集(SIAS) [ 13)的患者如表所示 1。病人给书面知情同意参与这项研究之前,当地伦理委员会批准的东北大学医院,日本。

轻偏瘫患者的特征。

主题 性别 年龄(年) 一边轻偏瘫(左/右) 中风以来(个月) Brunnstrom阶段(LE) 补充免疫活动感官功能联系(LE) 补充免疫活动感官功能位置(LE)
一个 米 60 R 2 V 2 3
B 米 35 l 11 V 2 3
C 米 57 R 23 四世 2 2
D 米 42 l 3 四世 2 3
E 米 65年 R 1 六世 0 0
F 米 65年 R 95年 四世 3 3
G F 62年 l 71年 V 2 3
2.3。步态的评估

评估患者的假肢步态的影响,我们将四个条件与使用两个压力传感器在脚跟和第五跖骨(图 3):(i)没有听觉反馈但是假肢,叫做“没有”条件;(2)听觉反馈只有跟传感器,称为“鞋跟”条件;(3)听觉反馈只有第五跖骨传感器,称为“第五”条件;及(iv)听觉反馈的脚跟和第五跖骨传感器,称为“所有”的状态。评估是在这四个条件进行随机的顺序。所有患者在每个听觉反馈测试条件在同一天。

测量条件:我们比较四个条件使用两个压力传感器在脚跟和第五跖骨(右):(i)没有听觉反馈但是假肢,叫做“没有”条件;(2)听觉反馈只有跟传感器,称为“鞋跟”条件;(3)听觉反馈只有第五跖骨传感器,称为“第五”条件;及(iv)听觉反馈的脚跟和第五跖骨传感器,称为“所有”的状态。这四个条件以随机顺序进行。

我们要求参与者走7 m和2到8个为每个条件进行了试验,其中包括三个多步行周期(从着陆的影响脚到下一个着陆)。探讨无意识的影响,我们没有指导病人,例如,“应用负载测深的地方。“在所有测量,每个反光标记的坐标测量的MAC 3 d系统(120赫兹)(运动分析公司,圣罗莎、钙、美国)。四十一反光标记被使用胶带根据解剖位置(表12段 2)。地面反作用力(平)数据获得在1200 Hz采样率使用四个90厘米×60厘米力板(生命公司,Chofu-shi、东京、日本)。三维坐标和天然气采收率数据平滑使用双向四阶巴特沃斯低通滤波器截止频率为20和200赫兹,分别。twelve-segment模型基于人体测量数据表明,杜马斯et al。 14)是由脚、小腿、大腿、骨盆,胸腔,上臂和前臂。在下肢各关节运动数据计算使用关节坐标系( 15]。此外,下肢关节动力学估计使用逆动力学[ 16]。轻偏瘫患者的步态参数代表从运动学和动力学数据,提取Kinsella和莫兰(指前面的研究 17]。自定义的参数计算软件MATLAB (MathWorks合并,纳蒂克,MA)。

段和身体上放置标记。

上半身
躯干 第七颈椎棘突第十的椎骨,棘突胸椎,颈切口锁骨胸骨见面,剑状的胸骨,位置的过程右肩胛骨中间
上臂 肩峰和两个侧面上髁的肘部
前臂 两肘外侧上髁,两者兼而有之尺骨茎突的过程,两者兼而有之茎突半径的过程
下半身
骨盆 髂前上棘和髂后上棘
大腿 两大转子,两个侧面膝盖上髁,内侧上髁的膝盖
小腿 两个膝盖的外侧上髁,两者兼而有之内上髁的膝盖,两个侧面踝,内侧踝
脚 第一跖骨正面,两个第二跖骨,第五跖,calcaneouses
2.4。动态联合刚度

在这项研究中,我们使用动态连接刚度测量( 9),已提出的评估<我talic> 电阻在人类行走的联合。动态关节僵硬的关节<我nline-formula> k 我 被定义为的比率的变化它的时刻<我nline-formula> Δ τ 我 相应的关节角的变化<我nline-formula> Δ θ 我 通过下面的方程来描述: (1) k 我 = Δ τ 我 Δ θ 我 。 我们选择动态踝关节的关节刚度这一措施可以系统地评估踝关节的贡献函数使用假肢行走步态。评价关节刚度来演示步态恢复已经在先前的研究报告( 18, 19]。增加段刚度的最后立场阶段隐含有效推离地面,和下降段刚度在立场的开始阶段隐含在步态减震。

 2.5。统计分析

重复测量方差分析后跟Dunnett事后测试被用来揭示步态参数之间的差异没有与听觉反馈条件(i)和(ii)——(iv)。一个<我nline-formula> p 值为0.05时被设置为统计学意义的标准。统计分析使用统计软件包(SPSS Ver.22, SPSS Inc .)、芝加哥,美国)。

 3所示。结果 3.1。影响Gait-Related参数

步态速度(cm / s),步幅(厘米),步长(cm)的影响方面,最大臀部伸肌角(度),和最大踝关节跖屈肌力矩(Nm /公斤)的影响方面提出了四个条件表 3(7例)。结果的平均值超过三个时期。差异在步态速度、步幅,和步长,尽管这些差异并不显著(n)。显著差异的最大臀部扩展角的影响方面的立场观察阶段期间(i)“没有”和(iv)“所有”条件,如图 4。我们还发现显著差异最大踝关节跖屈肌之间的影响方面的时刻(i)“没有”和(iv)“所有”条件(图 5)。

时间空间的平均值和标准偏差,动力学和运动学数据的影响方面的四个条件。

没有 跟 第五 所有
意思是(美国) 意思是(美国) p 价值 意思是(美国) p 价值 意思是(美国) p 价值
步态速度(cm / s) 61 (14) 63 (13) n s。 64 (13) n s。 66 (13) 0.109
步幅(厘米) 85 (12) 89 (11) n s。 88 (10) n s。 91 (10) 0.066
步长(厘米) 43 (6) 46 (5) n s。 45 (5) n s。 46 (5) 0.073
最大的臀部伸肌在姿态角(度) − 2.0 (4.7) −1.2 (4.3) n s。 −1.1 (4.7) n s。 − 0.5 (4.4) 0.016
最大踝关节跖屈肌力矩(Nm /公斤) 0.81 (0.19) 0.83 (0.22) n s。 0.86 (0.22) 0.090 0.87 (0.20) 0.031

影响最大的臀部扩展角的影响在立场阶段。<我nline-formula> ⁎ p < 0.05 ,双尾。之间未发现显著差异(我)“没有”和(iv)“所有”的条件。

影响的最大踝关节跖屈肌力矩影响的一面。<我nline-formula> ⁎ p < 0.05 ,双尾。发现显著差异(i)之间“没有”和(iv)“所有”的条件。

 3.2。影响动态关节刚度和警察轨迹在患者严重的感觉障碍

此外,我们彻底分析数据为病人“E”的补充免疫活动得分感官功能联系/位置= 0,如表所示 1。补充免疫活动评分广泛用于剩余函数的评估领域的中风康复。此外,一项研究报告中度组内的可靠性在感官功能联系/位置,分数从0.47到0.84 ( 13]。

图 6(一)显示病人的动态联合刚度在走在“E”的四个条件(i) - (iv)。结果表明,动态联合刚度降低姿态的开始阶段(2)“鞋跟”和(iv)“所有”的条件,而刚度增加立场后期阶段(2)“脚跟”,(3)“第五,”和(iv)“所有”的条件。这些配置文件类似于正常人( 9]。图 6 (b)代表警察轨迹的影响范围在影响方面。这些结果表明后警察的位置(2)及(iv)向后移动立场的开始阶段,而前位置(iii)和(iv)推进阶段的最后立场。

(a)影响动态踝关节的关节刚度的影响方面:动态联合刚度降低姿态的开始阶段(2)“鞋跟”和(iv)“所有”的条件,而刚度增加立场后期阶段(2)“脚跟”,(3)“第五,”和(iv)“所有”条件下,类似于走在正常的受试者( 9]。(b)对警察轨迹影响方面的影响。后警察的位置条件(2)及(iv)向后移动立场的开始阶段,而前位置的条件(3)和(4)推进阶段的最后立场。

 4所示。讨论 4.1。机制步态修正

过去的研究在人类和动物显示皮肤感受器的脚在步态的控制起着必不可少的作用 2, 3, 20.- - - - - - 29日和姿势 30., 31日]。在中风偏瘫患者,期间警察轨迹行走的范围缩小在影响脚由于步态的变化( 8]。假肢,我们使用听觉反馈跟第五跖骨和/或传感器的条件(2),(3),和(iv)假肢的影响。总结如下:听觉信号从脚跟传感器允许病人应用他们的脚跟,和第五跖骨的听觉信号传感器允许病人生成有效的推离地面的最后立场阶段。第一个效应是由于减少动态联合刚度立场的开始阶段,而第二个效应是由于增加刚度的最后立场阶段,如图 6(一)。第一影响,如前脚冰条件( 5),警察在立场的开始阶段往往向后移动条件(2)及(iv),如图 6 (b)。这将导致膝盖的有效扩展因为膝盖旋转中心位于前警察,这反过来会导致增加刚度的立场阶段由于腓肠肌肌的激活。显著差异的两个效应导致了最大踝关节跖屈肌力矩试验之间,没有听觉反馈,导致增强臀部伸肌最大角的影响在立场阶段。

的影响减少足底感觉使用冰浸技术( 5- - - - - - 7)表明,足底感觉修改的步态中扮演着关键角色。减少足底感觉导致修改的压力分布,显著减少的脚跟和脚趾上的峰值压力,因为更谨慎的从地面着陆并推出( 6]。此外,臀部扩展角的最后立场阶段显著降低因为类似的谨慎 5]。这些减少足底感觉的结果证实了这项研究的结果,在听觉反馈,增强了足底感觉反馈也提高了最大臀部伸肌角度的影响。

 4.2。可用性与以前的方法相比

最近,提出了步行康复系统或设备主要分为三类:步态康复训练系统;辅助系统,积极弥补人类运动功能;和辅助设备,被动地支持人类运动的能力。<我talic> Lokomat(瑞士Hocoma AG) [ 32),<我talic> Autoambulator(南方保健公司、英国) 33),而<我talic> 触觉沃克(德国弗劳恩霍夫IPK) [ 34),在第一类,mounted-systems基本上是由一个重量支持带,跑步机,和步行辅助设备。第二类是代表设备<我talic> 哈尔(混合辅助肢体) 35(赛博达因公司、日本),可以支持和改善人类与机器人系统运动机能。<我talic> 步态的解决方案(太平洋供应有限公司、日本)( 36, 37),<我talic> ACSIVE(Nambu有限公司、日本)( 37代表这些设备的第三类。然而,很少有过去的报告证实这类设备的有效的短期和长期影响。与非侵入式康复方法,例如,经颅磁刺激(TMS)或经颅直流电刺激(tDCS)假肢还提供了一个非传统的,非侵入性方法步行康复。无线通信系统允许扩大应用范围的各种康复环境。在未来,我们希望这样的聪明,无线、便携、廉价的系统可以使广泛使用的日常康复患者的家庭。

 4.3。局限性和未来的计划

本研究有几个局限性。首先,步态修正的机制仍不清楚。我们关注的运动学和动力学影响假肢在病人步态,但我们并不认为影响肌肉活动模式,协调的中枢神经系统(CNS)使用感官信息。最近,肌肉协同模式,它包括电机模块组肌肉同时激活,被认为是生物力学指标与病理条件( 38, 39]。因此,重要的是要评估提出了假肢步态可塑性通过干预的基础上肌肉协同分析。神经机制和生物力学的关系似乎是普遍的兴趣,也会在进一步的调查研究。

我们发现了一个大的变化在图的标准偏差 4。的变化被认为是导致中风患者剩余函数的变化,例如,感官功能联系的差异/位置。尽管如此,我们发现显著差异最大臀部扩展角和足底屈肌力矩之间的姿态控制和所有条件,使用方差分析后跟Dunnett事后测试。这表明我们的短期影响假肢在中风患者行走。此外,我们证实了假肢的影响要大得多的病人“E”严重的感觉障碍,也就是说,补充免疫活动得分感官功能联系/位置= 0,如图 6(一)和 6 (b)。

我们没有调查行走性能的差异因探测源的位置。北川et al。 40]建议的空间调制audiotactile交互可能发生复杂的听觉刺激来自该地区接近头部的后面。因此,我们特别需要考虑听觉反馈源的位置。此外,感官模式之间的耦合或冲突,例如,视觉,前庭,和躯体感觉信息,这将大大影响步态模式,还应该讨论。

本研究中所有科目能够走路没有任何帮助。我们的研究结果不能推广到轻偏瘫患者使用手杖和/或矫形器。

在目前的调查,短期效应的假肢行走在中风患者成功地证实。功能障碍的康复是一个长期的改进日常干预的短期效应。因此,假体的长期影响将是未来的研究。最近的一份报告( 41]关于节奏运动学习任务与视觉和听觉信号表明,视觉反馈(神奇动物)集团成为依赖于FB实践后的表现,而听觉FB集团执行同样有或没有FB后练习。这一发现表明,我们的听觉反馈假肢最终可能让病人更少依赖听觉康复后FB行走性能。

大多数研究报道的影响对步态可塑性足底感觉受损老化( 42]或疾病,如糖尿病( 43- - - - - - 47与无汗症)或先天性对疼痛的不敏感(CIPA) [ 48, 49]。减少与衰老触觉感官功能受损的四肢和导致老人摔倒 42]。糖尿病神经病变,患者步态和姿态的控制显著影响( 43]。垂直和水平的降低峰值地面反作用力据报道在糖尿病性神经病患者 44- - - - - - 46]。博尔顿等。 47)报道,脚趾的损失函数导致负载从脚趾到跖骨转移早期糖尿病性神经病患者。Zhang et al。 49)报道,年轻患者CIPA走得更快,步幅和高跟接触角速度,比控制,由于感觉障碍。此外,修改的步态和姿态在缺血性阻塞(已报告 50, 51]。总的来说,足底感觉影响患者的姿势和步态感觉障碍和缺血性块冰浸( 5- - - - - - 7]。

我们的计划是在患者应用进一步康复工作下列条件:CIPA [ 48)、帕金森病(PD)和糖尿病性神经病( 43- - - - - - 47]。此外,我们计划将系统应用于实验中一个假肢,在健康受试者的试验研究。最后,我们将验证该康复系统的长期影响,正如上面所讨论的,导致大脑可塑性的身体表示( 52]。

 5。结论

目前的调查显示的短期效应提出了假肢在中风偏瘫患者步行。显著差异被发现在臀部伸肌最大角和最大踝关节跖屈肌力矩有或没有从足底感觉听觉反馈。

 相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

这项工作是由jsp KAKENHI科研补助金在创新领域“理解大脑可塑性在身体表征来促进他们的自适应函数”(26120007和26120007)。

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