로봇 감각운동 작업 중 taVNS 응용 타이밍 (SMTaVNS2024)

개요:

이 연구는 파킨슨병, 외상성 뇌 손상, 척수 손상 및 뇌졸중과 같은 상태에 대한 운동 신경 재활에서 경피적 귀의 미주 신경 자극(taVNS)의 잠재력에 중점을 둡니다. 다양한 신경 질환에 대해 승인되고 안전성으로 알려진 taVNS는 가소성과 운동 학습에 기여하는 신경 조절제를 활성화합니다. 그러나 최적의 자극 매개변수, 특히 이동 중 타이밍은 완전히 탐색되지 않았습니다.

연구 목표:

주요 목표: 감각 운동 학습 및 적응에 대한 로봇 감각 운동 작업에서 다양한 taVNS 타이밍 프로토콜의 타당성과 효과를 평가합니다. 가설은 다양한 taVNS 이동 타이밍이 주관적, 객관적 타당성 측정 및 감각운동 적응에 영향을 미칠 것이라는 것입니다.

이차 목표: 운동 운동학을 비교하고 인지된 자극 효과를 측정된 생리적 결과 및 작업 수행 지표와 대조합니다.

방법론:

이 연구는 ETH 취리히에서 로봇 감각 운동 작업을 사용하여 건강한 피험자를 대상으로 진행되어 움직임 시간에 따른 taVNS의 타당성과 새로운 감각 운동 기술 학습에 미치는 영향을 평가할 예정입니다.

참가자에게는 다양한 자극 타이밍이 할당되며, 연구에서는 최대 6개 세션에 걸쳐 또는 연속 2개 세션에서 70% 성공에 도달할 때까지 운동 학습 및 수행 일관성을 평가합니다.

연구 설계는 단일 맹검, 유사 무작위화, 탐색적, 종단적 설계로 자극 없음 및 무작위 시간 자극과 같은 제어를 사용합니다.

개입 세부사항:

각 세션 전에 두 개의 전극(예: TensCare 패드)는 펄스 발생기에 연결되고 1) 귀의 심벌콘채와 2) 귀의 트라거스에 배치되어 이전에 설명한 taVNS 이상 펄스 열차가 이동할 수 있도록 합니다. 여기서는 250ms 폭의 이상 구형 펄스가 3mA의 최대 적성에서 0.5초 동안 25Hz 주파수로 전송됩니다. 자극 펄스는 전류 제어되고 50V로 제한되며 직렬 저항기 및 다이오드를 사용하여 하드웨어에서 전달할 수 있는 전류를 제한하는 펄스 발생기에 의해 조절됩니다.

세션 시작 시 참가자는 Python GUI를 사용하여 최소 0.1mA부터 0.1mA 간격으로 3mA 미만의 최대 허용 진폭까지 점진적으로 증가시켜 원하는 taVNS 진폭을 교정합니다. 강도 수준은 사람이 허용할 수 있는 최대 진폭의 90%로 설정됩니다(일반적으로 ~1.5-2mA 및 3mA로 제한됨). 이는 안전 한계인 50mA보다 훨씬 낮습니다(IEC 60601-2-10에 따라: 2012). 이 절차는 1~2분 정도 소요됩니다. 교정 후에는 감각운동 작업 세션이 시작됩니다.

감각 운동 작업 감각 운동 작업은 상업용 촉각 엔드 이펙터(터치, 3D 시스템), 맞춤형 3D 인쇄 핸들 및 Microsoft Windows 노트북의 Python 및 PsychoPy로 구현된 가상 현실 환경을 활용합니다. 로봇 조작기는 가상 환경의 작업 공간에서 1cm 원형 커서와 동기화됩니다. 또한 팔 지지대(SaeboMas Mini)는 중력에 맞서 팔을 지지하여 피로를 줄이고 팔을 올바른 위치에 유지합니다. 팔꿈치는 지면과 90도 수직입니다.

감각 운동 작업의 목표는 시작 위치에서 10cm 떨어진 거리에서 2.4cm 목표에 도달하는 것입니다. 두 목표 모두 가상 환경에 시각적으로 표현됩니다. 시험을 성공적으로 완료하려면 참가자는 0.5초 +/- 0.067초의 시간 제한 내에 목표에 도달해야 합니다. 이동의 목표 지속 시간을 알리는 0.5초 신호음이 울립니다. 이 이동 중에 뇌졸중 환자에서 피드포워드 적응이 손상될 수 있으므로 시각적 안내 피드백 제어보다는 피드포워드 모터 적응을 강제하기 위해 커서 위치가 숨겨지고 화면에 표시되지 않습니다(교란 및 유지 단계). 각 시도의 결과는 정확함, 목표에 너무 빨리 도달함, 목표에 도달하지 않음 등 3가지 가능성으로 표시됩니다. 대상은 각각 녹색, 주황색 또는 빨간색으로 변하는 대상에 의해 시험 결과를 통보받게 됩니다. 그 후 참가자가 돌아갈 수 있는 시작 위치가 표시됩니다. 시작점 내에서 1~3초 후에 새로운 시도가 시작됩니다.

참가자는 로봇 조작기와 환경에 익숙해지기 위해 75회의 기본 시험(시각운동 회전 없음)을 수행합니다. 그런 다음 참가자는 화면에 표시되는 가상 회전 필드(시각운동 회전/교란)를 사용하여 어려운 조건에서 추가로 150번의 시험을 수행합니다. 피험자는 감각운동 문제의 성격에 대해 알지 못하며 교란에 적응하기 위해 교정 매핑을 점진적으로 배워야 합니다. 외부 힘은 가해지지 않으며 햅틱 엔드 이펙터는 핸들 끝점 운동학을 측정하는 데만 사용됩니다. 그런 다음 피험자는 동일한 기준 시험(유출)에 대해 50번의 시험을 수행하고 마지막으로 회전 장(유지)에 대해 50번의 추가 시험을 수행합니다. 시간 요구 사항은 설정 및 설명에 5~10분, 감각운동 작업에 ~30분이 소요될 것으로 예상됩니다. 각 시도의 데이터는 커서 위치, 성공/실패 및 후속 분석을 위한 시간 정보를 포함하여 저장됩니다. 손목에 착용한 IMU 센서를 사용하여 추가적인 움직임 운동학적 데이터를 수집할 수 있습니다. IMU는 가속도 및 자이로스코프 측정값을 기록하고 120Hz 속도로 실험 컴퓨터에 데이터를 기록합니다. 또한 자극과 관련된 모든 데이터가 저장됩니다. 여기에는 타이밍, 임피던스 측정 및 자극기와의 모든 통신 명령이 포함됩니다.

연구의 의의:

이번 연구 결과는 신경재활 분야의 향후 임상 연구에 도움이 될 수 있습니다. 이 연구에서는 작업에 "Touch™" 햅틱 장치를 사용하여 참가자의 안전과 편안함을 보장합니다.

taVNS의 잠재적인 부작용은 최소화되며 면밀히 모니터링됩니다.