Erste Publikation im Parkinson Vibrating Socks Projekt / Eerste publicatie in het Parkinson Vibrating Socks-project
Mit der ersten Publikation im Projekt Parkinson Vibrating Socks gelingt es einen Grundstein für den Verlauf des Projektes zu legen. Die aktuelle Publikation beschreibt ein Verfahren, mit dem sich in der virtuellen Realität des GRAIL Systems Gangdaten und Gehirnaktivität mit einer hohen zeitlichen Synchronität aufnehmen lassen.
Die hohe zeitliche Synchronität des Messverfahrens sollte anhand der Replikation von bekannten physiologischen Phänomenen gezeigt werden. Dafür wurden zwei verschiedene Experimente durchgeführt. Als erstes wurde den Probanden ein Schachbrettmuster gezeigt, welches in regelmäßigen Abständen die Feldfarben (Schwarz und Weiß) wechselt. Diese Wechsel lösen eine bekannte Reaktion im Gehirn aus, welche gemessen und mit erwarteten Reaktionen verglichen wurde. Bei einem zweiten Experiment haben die Probanden Schritte vorwärts gemacht. Es wurde eine Reaktion im Gehirn, welche im Zusammenhang mit dem Start der Bewegung steht, gemessen und mit der erwarteten Reaktion abgeglichen.
Um die Gehirnaktivität zu messen, wurden zwei unterschiedliche Methoden verwendet: Elektroenzephalografie (EEG) und funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS). EEG misst die elektrische Aktivität in verschiedenen Bereichen des Gehirns mittels Elektroden, welche auf der Kopfhaut angebracht werden. FNIRS misst die Sauerstoffversorgung im Gehirn mittels Lichtstrahlen, welche durch die Haut geschickt werden. Ein erhöhtes Sauerstofflevel indiziert dabei eine erhöhte Hirnaktivität. Da EEG schnelle elektrische Signale und fNIRS langsame Veränderungen im Blutfluss erfasst, liefert die Kombination der Systeme umfassendere Informationen über die Gehirnaktivität als eine Verwendung der alleinstehenden Systeme.
In der Studie ging es darum EEG und fNIRS synchron zu Bewegungsdaten und Darstellungen in der VR-Umgebung aufzunehmen. Hierfür wurde eine Photodiode und ein spezieller Mini-Computer genutzt. Die Synchronität der gemessenen Gehirnaktivität zu den Darstellungen in der VR-Umgebung wurde mit dem ersten Versuch, dem Schachbrettmuster, untersucht. Auf einen Wechsel der Farben ist nach einer genau definierten Zeit eine bestimmte Reaktion im Gehirn zu erwarten, welche mit dem EEG erfasst wird. Als Bewegungsdaten wurden in dieser Studie die Bodenreaktionskräfte betrachtet, anhand welcher man z.B. das Auftreten eines jeden Schrittes, aber auch den Start einer Bewegung bestimmen kann. Mittels des zweiten Versuchs, der Schritte, wurde jeweils der Start einer Bewegung mit einem darauffolgenden Anstieg der Gehirnaktivität in den relevanten Bereichen im Gehirn in Verbindung gebracht.
Mit den Experimenten konnten die erwarteten Reaktionen im Gehirn nachgewiesen werden. Dabei zeigt der erste Versuch eine hohe Genauigkeit im Millisekunden Bereich und der zweite Versuch die Synchronität von Bewegungsdaten und den Messverfahren der Gehirnaktivität. Die Studie konnte also zeigen, dass die Messysteme für weitere Experimente eingesetzt werden können.
Die Messysteme werden im weiteren Verlauf des Parkinson Vibrating Socks Projektes dafür genutzt, um vibrierenden Socken in unserer Virtuellen Umgebung zu evaluieren. Diese vibrierenden Socken sollen Menschen mit Parkinson helfen Freezing of Gait zu verhindern.
Zusammenfassend konnte mittels der Studie gezeigt werden, dass unser Messystem in der Lage ist mit einer hohen Synchronität Gehirnaktivität und Bewegungsdaten aufzunehmen. Das Messsystem kann dementsprechend in kommenden Experimenten in dem Parkinson Vibrating Socks Projekt eingesetzt werden.
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Met de eerste publicatie van het project Parkinson Vibrating Socks is het gelukt om een basis te leggen voor het verdere verloop van het project. De huidige publicatie beschrijft een methode waarmee ganggegevens en hersenactiviteit in de virtuele realiteit van het GRAIL-systeem met een hoge tijdssynchronisatie kunnen worden vastgelegd.
De hoge tijdssynchronisatie van de meetmethode werd aangetoond door de replicatie van bekende fysiologische fenomenen. Hiervoor werden twee verschillende experimenten uitgevoerd. Ten eerste werd aan de proefpersonen een schaakbordpatroon getoond, waarvan de veldkleuren (zwart en wit) op regelmatige tijdstippen wisselen. Deze wisselingen veroorzaken een bekende reactie in de hersenen, die werd gemeten en vergeleken met de verwachte reacties. In een tweede experiment maakten de proefpersonen stappen vooruit. Een hersenreactie die verband houdt met het starten van de beweging werd gemeten en vergeleken met de verwachte reactie.
Om de hersenactiviteit te meten, werden twee verschillende methoden gebruikt: elektro-encefalografie (EEG) en functionele nabij-infraroodspectroscopie (fNIRS). EEG meet de elektrische activiteit in verschillende delen van de hersenen via elektroden die op de hoofdhuid zijn aangebracht. FNIRS meet de zuurstofvoorziening in de hersenen door middel van lichtstralen die door de huid worden gestuurd. Een verhoogd zuurstofniveau duidt daarbij op een verhoogde hersenactiviteit. Omdat EEG snelle elektrische signalen en fNIRS langzame veranderingen in de bloedstroom detecteert, levert de combinatie van de systemen uitgebreidere informatie over de hersenactiviteit dan wanneer ze afzonderlijk worden gebruikt.
In de studie ging het erom EEG en fNIRS synchroon op te nemen met bewegingsgegevens en weergaven in de VR-omgeving. Hiervoor werd gebruik gemaakt van een fotodiode en een speciale minicomputer. De synchronisatie van de gemeten hersenactiviteit met de weergaven in de VR-omgeving werd onderzocht met het eerste experiment, het schaakbordpatroon. Na een wisseling van kleuren wordt na een precies gedefinieerde tijd een specifieke reactie in de hersenen verwacht, die met EEG wordt vastgelegd. Als bewegingsgegevens werden in deze studie de grondreactiekrachten beschouwd, waarmee bijvoorbeeld elk stapmoment en ook het begin van een beweging kan worden bepaald. Met het tweede experiment, de stappen, werd het begin van een beweging telkens in verband gebracht met een daaropvolgende toename van de hersenactiviteit in de relevante hersengebieden.
Met de experimenten konden de verwachte reacties in de hersenen worden aangetoond. Het eerste experiment toonde een hoge nauwkeurigheid aan op milliseconde-niveau en het tweede experiment de synchronisatie van bewegingsgegevens en de meetmethoden van hersenactiviteit. De studie liet dus zien dat de meetsystemen kunnen worden gebruikt voor verdere experimenten.
De meetsystemen zullen in het verdere verloop van het Parkinson Vibrating Socks project worden gebruikt om de vibrerende sokken in onze virtuele omgeving te evalueren. Deze vibrerende sokken moeten mensen met Parkinson helpen om het bevriezen van de loop (Freezing of Gait) te voorkomen.
Samenvattend kon met de studie worden aangetoond dat ons meetsysteem in staat is om hersenactiviteit en bewegingsgegevens met een hoge synchroniteit op te nemen. Het meetsysteem kan dienovereenkomstig worden gebruikt in toekomstige experimenten binnen het Parkinson VIbrating Socks-project.