Эффективность электротактильной вестибулярной заместительной терапии у пациентов с двусторонним вестибулярным синдромом и потерей баланса
Danilov Y. P., Tyler M. E., Skinner K. L., Bach-y-Rita P. В сокращении.
Реферат-пациенты с двусторонней вестибулярной потерей (BVL) как центральный, так и периферический опыт происхождения множественных проблем с равновесием и контролем осанки, движением и ненормальной походкой.
Wicab, Inc. разработал BrainPort ™ балансное устройство для передачи положения/ориентации головы – информация, обычно предоставляемая вестибулярной системой организму человека.
Мозг через замещающий сенсорный канал – тактильное ощущение язык.
Данные ориентации головы (искусственно воспринимаемые) служат в качестве входного сигнала для устройства баланса BrainPort, для управлением стимуляции на языке, которая относится к положению головы в режиме реального времени. С тренировкой, мозг учится правильно интерпретировать информацию, полученную от устройства и использовать его для работы так же, как это было бы с данными из нормально функционирующего природного чувства. В общей сложности 40 пациентов обучались с помощью BrainPort, 18 были протестированы с использованием стандартизированных количественных измерений лечения.
Был разработан специализированный комплекс упражнений, тестов и тренировок, которые могут служить в качестве курса интенсивной физиотерапия с прибором BrainPort balance.
Наши результаты демонстрируют последовательные положительные и статистически значимые результаты, значительный баланс реабилитационных эффектов независимо от возраста
и этиология дефицита баланса.
Введение
Баланс и постуральный дефицит из-за вестибулярной потери могут быть вызваны травмой головы, лекарственной токсичностью, менингитом, физическим повреждением или рядом других причин. Нормальное вертикальное положение и неподвижное и динамическое равновесие опосредуются сложной сенсомоторной системой управления, которая опирается на интеграцию нескольких сенсорных входов: проприоцептивные (в том числе тактильные), зрительные и вестибулярные. При отсутствии полноценного вестибулярного аппарата система, мозг не в состоянии правильно интегрироваться, в неоднозначные визуальные и проприоцептивные сигналы. Пациенты с двусторонней периферический вестибулярной (BVL) и центральной вестибулярной потерей (CVL), испытывают множественные проблемы с контролем осанки
и движений, в том числе неустойчивое равновесие, ненормальная походка и различные трудности, связанные с балансом, такие как осциллопсия. Все это создает трудности для
вестибулярной устойчивости пациента, для его повседневной жизни; например, ходьба в условиях низкой освещенности, вождение автомобиля, движение в толпе, чтение книги или просмотр телевизора.
Wicab, Inc. разработал балансировочное устройство BrainPort ™ для передачи информации о положении головы / ориентации нормально, сигнализирующий вестибулярной системе мозга через заменитель сенсорного канала посредством тактильного ощущения языка. Руководитель-ориентация подают сведения входным сигналом с BrainPort чтобы контролировать движение, через стимуляцию на языке, все это в реальном времени. Наши предыдущие исследования показывают, что для мозга правильно интерпретировать информацию из сенсорного замещающего устройства, является необходимым. Информация должна быть представлена в той же форме, что и естественная сенсорная система. С тренировкой мозг учится работать. Мы также разработали специализированный комплекс упражнений, процедуры тестирования и обучения, которые могут служить в качестве курса интенсивной физиотерапии с балансом мозгового порта. После первоначального успешного применения нашего BrainPort в предметах BVL мы решили использовать стандартизированные количественные измерения лечения. Терапию BrainPort
можно сравнить с другими существующими вестибулярными реабилитационными методами.
Методы
А. Устройство.
Устройство баланса мозгового порта состоит из двух основных компонентов: внутриротовое устройство и контроллер. Внутриротовое устройство состоит из электротактильной решетки и кабеля, а также микроэлектромеханическая система (МЭМС) акселерометра. Электротактильные сигналы доставляются в спину больного. Электродная решетка изготовленна с использованием
стандартным фотолитографическим методом для гибких схемотехник с использованием полиамидной подложки. Все 100 электродов (диаметр 1,5 мм, по центру 2,32 мм) на пластине 24 мм х 24 мм покрыты гальваническим слоем золота толщиной 1,5 мкм. Кабель (ширина 12 мм х толщина 2 мм) соединяет электротактильную матрицу и акселерометр с контроллером. Большинство из 109 проводников в кабеле возбуждают электроды, в то время как остальные проводники обеспечивают работу акселерометра связи. Акселерометр определяет положение головы в обоих направлениях: переднее / заднее и медиальное/боковое направления, и
монтируется на верхней поверхности электродной решетки. Акселерометр и связанный с ним гибкий кабель цепи капсулированы в силиконовый материал для обеспечения электрической изоляции.Контроллер содержит встроенный компьютер (120 МГц, 32-битный микропроцессор), схемы стимуляции, схемы безопасности, пользовательские элементы управления и источник питания от батареи. Контроллер преобразует сигналы наклона головы от акселерометра в IOD
в динамическую картину электрода 2 x 2 на электродной решетке. Электротактильная форма сигнала на каждом электроде регулируется контроллером. Стимуляция создается последовательностью – три импульса шириной 25 МКС, представленные со скоростью 200 Гц (т. е.,каждые 5 мс). Амплитудное значение последовательности импульсов или
“пакет” обновляется с частотой 50 Гц (то есть каждые 20 мс) и контролируется пользователем. Выходная муфта конденсаторов последовательно с каждым электродом обеспечивает нулевой постоянный ток для минимизации потенциального раздражение кожи. Система также использует аппаратные и программные средства управления для обеспечения как безопасности, так и комфорта тактильной стимуляции и выключится, еслиток стимуляции языка превышает заданный предел.
Данные наклона от акселерометра используются для управления телом; положение паттерна тактильного стимула для представления на экране. Расположение паттерна площадь центроида обновляется при частоте 50 Гц и основана на текущем значение наклона головы, которое считывается акселерометром при частоте 150 Гц. Значения x и y для цели позиции рассчитывается как разница между значениями векторов положения при tn и t0, по:
xn = c sin (Θx|n – Θ x / 0)
yn = c sin (Θy|n – Θ y|0)
где значения для Θx|n, x x / 0 ,yy|n и Θ y|0 являются мгновенные и начальные углы наклона в x и y соответственно. Один линейный коэффициент масштабирования, ‘с’, используется, чтобы скорректировать структуру стимулов; диапазон движения на Электродной решетке, соответствует объекту исследования. Максимальный диапазон движения паттерна также ограничен так, что
в том случае, если субъект временно превышает максимальную амплитуду смещения на дисплее,
паттерн остается на внешней границе, чтобы не терялся стимул, а следовательно, и позиционная информация во время этого периода. Низкочастотное, низкоамплитудное движение ограничивает линейная составляющая выходного сигнала, позволяющая увеличивать относительные величины угловой составляющей.
Б. Пациенты
Исследования с использованием электротактильного вестибулярного замещения с помощью
Балансировочного устройства BrainPort было выполнено в США Штаты (Висконсин и Орегон), Франция и Англия. 40 испытуемых (19 мужчин и 21 женщина; средний возраст
59,5±12,8 (SD) и 50,3±11,7 (SD) соответственно) с хронической дисфункцией баланса из-за периферических (26 испытуемых) или центральных (14 испытуемых) этиологии были обучены с помощью Устройство для балансировки мозгового порта. Все испытуемые имели
ранее завершенную стандартную вестибулярную реабилитационную терапию. За исключением двух пациентов счерепно-мозговой травмой (ЧМТ). Остальные 38 участников имели хорошо сформировавшиеся компенсаторные изнурительные последствия их состояния, которые развивались в среднем за период 6,1 года (от острого расстройства до время тренировки BrainPort). Таким образом, всем участникам по-прежнему было трудно спокойно стоять, читать, ходить или двигаться в условиях низкой освещенности. Тестирование на стандартных
динамические тестах осанки и функциональной походки показали очень незначительные результаты.
C. Стандартизированное Тестирование
Недавно случайная группа из 18 испытуемых, все с тяжелыми периферическая или центральная вестибулярная дисфункция, были протестированы перед лечением в UW-Madison физиотерапевтом, прошли обучение в Wicab (в среднем = 3,5 дня, или 7 тренировок сеансы), а затем повторно протестированы после последней тренировки с BrainPort. Эта группа состояла из 8 мужчин и 10 женщин в возрасте от 34 до 73 лет (средний возраст 55 лет). Предметная этиология включала 8 человек с BVL; 9 субъектов с CVL; и 1 человек со смешанной дисфункцией. Все
испытуемые находились по крайней мере один год после обострения и достигли плато с их вестибулярной реабилитационной терапией.
D. процедура обучения
Типичный тренировочный режим BrainPort девять сеансов длительностью от 1,5 до 2 часов, в зависимости от выносливости пациента . Чтобы определить возможности постурального контроля до BrainPort терапии, каждый пациент заполнил анкету о деятельности в повседневной жизни вместе с необходимыми формами информированного согласия. Каждый человек также был записан на видео, когда он или она выполняли серию базовых тестов для наблюдения за его способностями в балансе и осциллопсии. После завершения оценок базового баланса каждый из них приступил к 20-минутному испытанию и был обучен с помощью устройства возможности стоять на мягких материалах или в тандеме Поза Ромберга. Для всех пациентов оба состояния были “невозможны “. Надо отметить то, что первоначально ни один из испытуемых не мог более 5-10 секунд находится в неподвижной стойке.
Тренировочный режим для вестибулярных пациентов был разработан таким образом, чтобы
в частности ограничить величину раскачивания тела.
РЕЗУЛЬТАТЫ
A. Результаты Наблюдений
Походка улучшилась у всех 40 испытуемых (как BVL, так и CVL), улучшилась координация и более плавное движение при ходьбе. Также наблюдалась интеграция нескольких компонентов походки, которые ранее отсутствовали, например: перенос веса, сгибание колена во время фазы качания после снятия носка, плавный удар пяткой, стопа-плоская, соответствующее боковое расположение стопы, более ровная и соответствующая длина шага, координация плечевого пояса и возвращение естественного качания руки (руки согнуты, а не в гиперэкстензии, которая характерна, когда ожидается падение).
Другие виды деятельности, требующие соблюдения баланса, такие как ходьба по
прямой линии, стояние на одной ноге или танцы тоже показывали улучшение. Выносливость также увеличивалась постепенно во время тренировок, как и при ходьбе по неровным поверхностям. Пациенты говорили о повышении уровня энергии и улучшении удобства использования в выполнение повседневных задач. Ни один испытуемый не сообщил о неблагоприятных или отрицательных побочных эффектов, и период улучшения продолжался несколько часов, особенно на ранних стадиях обучения. У некоторых испытуемых период улучшения наступает через 20 минут, улучшения длились от нескольких часов до нескольких дней.
Субъекты с идиопатической этиологией (субъекты CVL) продемонстрировал значительное улучшение статической осанки с точки зрения стабильности и выносливости, а также в качестве
вертикализции. Увеличилась скорость работы и снижение общей и мышечной усталости.
B. Стандартизированные Результаты Тестирования
Все 18 испытуемых (8 мужчин и 10 женщин) продемонстрировали улучшенные баллы в композитном SOT после получения курса лечения. В среднем составляет 3,5 дня. Улучшение в
суммарных баллах сот для данной группы колебался от 18 до 56%, со средним улучшением 49,1% (48,4% ± 13,0 SE для мужчин и 49,6% ±16,1 SE для женщин). Большинство испытуемых также испытали снижение уровня количество падений на СОТ. В функциональном тестировании переноса (DGI, ABC и DHI), все испытуемые, завершившие тестирование продемонстрировали в целом улучшенные результатов по четырем предметам не показывая никаких изменений в DGI.
Обсуждение
В целом, все испытуемые после лечения с помощью устройства BrainPort balance device показали значительное улучшение состояния здоровья, улучшение контроля равновесия и сенсомоторной координации, хотя скорость и величина восстановления баланса варьировались от темы к теме. Все испытуемые прошли обучение и тестирование последовательно и независимо от этиологии
(периферическая, центральная или вестибуло-мозжечковая дисфункция) – прогрессировали через три последовательных этапа в процессе восстановления баланса:
* Прием сигнала баланса-как правило, в пределах 5-10 минут первоначального ознакомления с BrainPort; испытуемые последовательно тренировали положении головы для поддержания стабильной вертикали; осанка и выравнивание тела (сидя или стоя с закрытыми глазами) в течение длительного времени.
* Эффекты удержания баланса – мы обнаружили, что удержание продолжительности каждого тренинга зависит от двух факторов: сеанса и количества сеансов в день. Самый короткий эффект удержания, обычно длящиеся всего 1-2 часа, наблюдался во время начальных учебных занятий, в то время как под конец 3-5-дневного периода обучения, в среднем продолжительность удержания после однократной 20-минутной тренировки – сеанс длится 4-6 часов. Кроме того, мы заметили, что удержание после второй сессии дня обычно длится дольше, в среднем приближаясь к 6 часам.
* Передача функционального баланса – мы наблюдали передачу улучшенная сбалансированности функциональной динамической деятельности. Движения были более плавными при переходе из положения сидя в вертикальное положение. Походка стала более устойчивой, в том числе ходьба по лестницам, неровным поверхностям и в темноте. Кроме того, во время ходьбы независимое движение глазом головы (т. е. возможность поиска объекта в то время как движение) улучшилось, качание руки стало более симметричным и скоординированная стойка нижних конечностей и качели фазы приближались к норме, а скорость ходьбы увеличилась. Пациенты могли гулять в толпе и ориентироваться в новых условиях без потери равновесия. В целом испытуемые сообщили о снижении утомляемости от выполнение ежедневных действий. При рассмотрении стандартизированных результатов мы обнаружили статистически значительное улучшение композитных SOT, DGI, ABC. Наш анализ результатов, основанный на возрасте и по этиологии (периферическая против центральной) выявлено мало или вообще нет разницы между сравниваемыми группами, а также в обоих случаях улучшение наблюдалось повсеместно. Позитив улучшения показателей видно во всех возрастах. Люди как с периферической вестибулярной так и с центральной вестибулярной патофизиологией реагирует почти одинаково на лечение мозгового порта, не показывающее существенных различий.
Заключение
Эти предварительные результаты демонстрируют, что положение головы, информация, подаваемая на язык с помощью электротактильной стимуляции, может положительно повлиять на постуральную функцию у пациентов в широком диапазоне вестибулоцеребеллярных основ
нарушение равновесия. Из этих результатов мы заключаем, что ответ человека на тренировку системы баланса BrainPort означает свидетельство осмысленной сенсорной замены, то есть
не зависит ни от возраста, ни от этиологии.
ПОДТВЕРЖДЕНИЕ
Эти исследования были поддержаны грантом NIH SBIR (R44 DC004738)
РЕКОМЕНДАЦИИ
[1] Бах-и-Рита п. Новые концепции функционирования мозга. Дж Интегр
Неврология. 2005;4:183-205.
[2] Бах-и-Рита, Данилов и, Тайлер Я, Гримм РЖ. Поздний человек пластичность мозга: вестибулярное замещение языком Человеко-машинный интерфейс BrainPort. J Intellectica.
2005;40:115-122.
[3] Bach-y-Rita P, Kercel SW. Сенсорного замещения и человеко-машинный интерфейс. Тенденции Cogn.Экон. Наук 2003;7:541-546.
[4] Бах-и-Рита П, Качмарек ка, Тайлер МЕ и Гарсия-Лара Дж. Формируйте восприятие с помощью 49-точечного электротактильного стимульного массива на языке. J Rehab Res Dev. 1998;35:472-430.
[5] Данилов Ю. П., Тайлер Я, Бах-и-Рита П. вестибулярный аппарат Замена постурального контроля. In: Lofaso F, Ravaud J-F, Roby-Brami A, eds. Инновации технологии и гандикап:
Actes des 17e [s] Entretiens de l’Institut Garches (Issy-lesMoulineaux; 25-26 ноября 2004). Париж, Франция: FrisonRoche; 2004. Институт Гарш. Entretiens; vol. 17; 216-224.
[6] Horak FB, Hlavaca F. соматосенсорная потеря увеличивается чувствительность vestibulospinal. J Нейрофизиол. 2001;86:575-585.
[7] Хорак Ф. Б., Макферсон Дж. Постуральная ориентация и равновесие. В: Шепард Джей Роуэлл л, ЭЦП. Справочник по Физиология. Нью-Йорк, Нью-Йорк: издательство Оксфордского университета; 1996:255-292.
[8] Жека Дж, Лакнер младший. Оксиметр контакт влияет на человека постуральный контроль. Ехр Исследование Мозга 1994;100:495-502.
[9] Жека Дж, МЭБ КС Schoner г, Дейкстра ТТМ, автора ЭМ. Связь положения и скорости постурального раскачивания с соматосенсорный драйв. J Нейрофизиол. 1998;79:1661-1674.
[10] Jacobson GP, Newman CW. Развитие системы Головокружение Фора Инвентарь. Арка Отоларингол Голова Шея Surg. 1990;116: 424-7.
[11] Лакнер-младший мультимодальные и моторные влияния на ориентацию: Последствия адаптации к невесомости и виртуальности окружающая среда. J Вестибулярный Рез. 1992;2: 307-322.
[12] Lackner J. R, DiZio P, Horak F, Krebs D, Rabin E. Точность контакт кончика пальца уменьшает постуральное покачивание индивидуалов с двусторонней вестибулярной потерей. Исследование Мозга 1999;126:459- 466.
[13] Neurocom ® International Inc. Компьютеризированная Динамика Постурография Определена.
[14] Neurocom ® International Inc. Тест На Сенсорную Организацию
[15] Пауэлл Ле, Майерс АМ. Баланс конкретных видов деятельности Шкала доверия (ABC). Дж Геронтологии В Биол Наук Мед.Наук 1995;50А: М28-34.
[16] Шамуэй-Кук а, Вуллакотт М. управление двигателем: теория и практика Практическое применение, 1-е изд. Балтимор, Мэриленд: Уильямс и Уилкинс, 1995.
[17] Тайлер Я, Данилов Ю. П., Бах-и-Рита П. закрытие разомкнутого контура система управления: вестибулярное замещение через язык. Дж Интегративная Неврология. 2003;2:159-166.