Rehabilitering af kronisk slagtilfælde med Contralesional Brain-Computer Interface

Formålet med denne forskningsundersøgelse er at vise, at en computer kan analysere hjernebølger, og at disse hjernebølger kan bruges til at styre en ekstern enhed. Derudover vil denne undersøgelse vise, om passiv bevægelse af den berørte hånd som følge af hjernebaseret kontrol kan forårsage rehabilitering fra virkningerne af et slagtilfælde.

Slagtilfælde er den mest almindelige neurologiske lidelse i USA med 795.000 slagtilfælde om året (Lloyd-Jones et al. 2009). Af de overlevende oplever 77 % svaghed ved tab af motorisk funktion i de øvre lemmer (Lawrence et al, 2001). Motorisk restitution hos postakutte apopleksipatienter kompliceres af et tilsyneladende plateau i evnen til at opnå restitution ud over 3 måneder efter apopleksi (Duncan et al. 1992; Jorgensen et al. 1995; Lloyd-Jones et al. 2009). Den store patientpopulation med nedsat livskvalitet og behov for betydelige medicinske ressourcer giver næring til det presserende behov for at udvikle nye metoder til forbedring af funktionel rehabilitering hos overlevende med kronisk slagtilfælde. Vi foreslår, at kortikale signaler fra den upåvirkede halvkugle af kroniske slagtilfælde-overlevere kan bruges til at kontrollere Brain-Computer Interface (BCI) system for at lette funktionel restitution. Udviklingen af ​​sådanne rehabiliterende BCI-systemer er betydningsfuld, fordi den giver en vej til funktionel restitution, som i øjeblikket ikke er tilgængelig for mange patienter med kronisk slagtilfælde.

Emnevalg:

Deltagerne vil blive rekrutteret fra patientpopulationer af samarbejdspartnere og kollegaer til den primære investigator, samt fra tidligere forskningsundersøgelser af den primære investigator og kolleger. Deltagere fra tidligere forskningsstudier vil også blive rekrutteret. Kolleger vil give studieinformation til interesserede kandidater, og kandidater vil kontakte forskerholdet, hvis de vil blive screenet af studiepersonale. Patienterne vil blive stillet en række screeningsspørgsmål for at bestemme deres egnethed til undersøgelsen.

Undersøgelsesmetoder

Undersøgelsespersonale vil screene deltagere for berettigelse efter at have afsluttet processen med informeret samtykke og dokumentation. Efter screening for undersøgelsesberettigelse vil deltageren blive tildelt gruppe 1 eller gruppe 2. Gruppe 1-deltagere vil fuldføre undersøgelsen med tilføjelse af funktionel MR-billeddannelse (fMRI) og et motionsprogram for hjemmetræning (ROM) passende for patienten som bestemt af en klinisk specialist. Gruppe 1-deltagere vil gennemgå 12 uger hver med apparatbrug og hjemmetræningsprogrammet. Halvdelen af ​​deltagerne vil bruge enheden før ROM-programmet og halvdelen bagefter (dvs. et crossover-design). Neuroimaging-scanninger vil finde sted umiddelbart før brug af apparatet, umiddelbart før påbegyndelse af ROM-behandling og ved afslutning af undersøgelsen. Gruppe 2 deltagere deltager i undersøgelsen uden billeddannelse. Efter berettigelsesscreening vil deltagerne blive placeret i gruppe 1 eller 2 baseret på evne og vilje til at deltage i MR-scanninger. Undersøgelsen vil blive gennemført i to faser. I fase 1 vil hver deltager gennemføre op til 3 sessioner til optagelse af EEG-signaler. Til optagelse vil patienter bære et EEG-headset af forskningskvalitet med EEG-elektroder på plads. Signalerne vil blive optaget med hjernecomputerinterfacesoftware. Hvis deltagerens EEG-signaler er tilstrækkelige til at kontrollere en BCI-medieret håndortose, vil de fortsætte til fase 2 af denne undersøgelse. Fase 2 af denne undersøgelse vil deltagerne få udstedt en BCI-medieret håndortotikum og blive rådet til at bruge enheden dagligt derhjemme (5 ud af 7 på hinanden følgende dage) i mindst 12 uger. Deltageren vil have motoriske vurderinger efter 4 uger, 8 uger og 12 ugers brug af enheden. Gruppe 1-patienter følger det samme skema for ROM-terapi og fortsatte motoriske funktionsvurderinger. Hvis deltageren opnår fremskridt, som det fremgår af motoriske vurderinger efter 12 ugers brug af apparatet, kan deltageren blive bedt om at fortsætte med at bruge denne terapi dagligt derhjemme, indtil fremskridtsplateauet er. Hvis dette skulle ske, vil deltagerne få gennemført motoriske vurderinger hver 4. uge med yderligere brug af enheden (ud over minimum 12 uger). Deltagerne kan kontaktes for at gennemføre en motorisk screening 6 måneder efter brug af enheden for at vurdere holdbarheden af ​​motorisk genopretning af den berørte øvre ekstremitet.

Fase 1 - EEG-signalvurdering Deltagerne vil gennemføre to EEG-screeningsbesøg for at finde et konsistent EEG-signal til at kontrollere robothåndortosen. Deltagerne kan blive bedt om at gennemføre en tredje EEG-screening, hvis et konsistent signal ikke kunne identificeres i de første to EEG-screeninger. Under EEG-screeninger vil deltagerne bære et EEG-headset med en delmængde af standard 10-20-systemet af elektrodekoordinater. Korrekt forbindelse vil blive verificeret ved hjælp af signalinspektion. Et 7,5 minutters sæt hviledata vil blive optaget. For det andet vil en motorisk billedopgave blive gennemført, hvor deltagerne vil modtage visuelle signaler/prompter på en computerskærm for at forestille sig fingertap-bevægelser af venstre hånd, højre hånd eller begge hænder i en periode på 5-10 sekunder pr. Screeningsdata vil blive analyseret for at sikre, at der er tilstrækkelige kortikale signaler til stede til enhedskontrol. Spektraleffektændringer i den upåvirkede halvkugle vil blive analyseret ved hjælp af en r-kvadratanalyse. Deltagerne skal udvise betydelige effektændringer ved elektrodeplaceringer i motor- og præmotoriske kortikale områder for at opnå enhedskontrol.

MR-metoder:

Vi vil opnå strukturel, diffusion tensor imaging (DTI) og hviletilstand fMRI (rs-fMRI) fra patienterne i denne undersøgelse. Strukturelle billeder optages ved hjælp af T1- og T2-vægtede scanninger. DTI-scanninger vil blive erhvervet med b-værdier på 300, 1000 og 2000 s/mm² og 8, 32 og 60 diffusionsretninger. Kanalspecifikke målinger, såsom volumen, radial diffusivitet og fraktioneret anisotropi (FA) vil blive opnået fra DTI-dataene. Vi vil indsamle cirka 22,5 minutters rs-fMRI (3 scanninger på 7,5 minutter hver). Dataene vil gennemgå en standard forbehandlingsstrøm, herunder rumlig udjævning, tidsmæssig båndpasfiltrering og fjernelse ved regression af kilder med falsk varians. Data vil blive volumencensureret for at undgå bevægelsesinducerede artefakter.

Fase 2 - BCI terapi og motoriske vurderinger

Efter at have gennemført EEG-screeninger vil deltagerne i gruppe 1 og gruppe 2 gennemføre to sæt motoriske vurderinger på kontoret på to separate dage for at etablere en baseline. Disse vurderinger, der skal gennemføres, er:

• UEFM
• Motricitetsindeks
• Modificeret Ashworth-skala (albuefleksion, håndledsfleksion)
• Gross Grip hånddynamometer
• Arm Motor Ability Test (AMAT)

Deltagerne vil få udleveret et apparat og trænet i dets brug og pleje af en klinisk specialist efter de indledende motoriske vurderinger. Ved hvert opfølgende motorisk vurderingsbesøg vil den kliniske specialist få deltageren til at medbringe deres enhed i hver opfølgning. Den kliniske specialist vil downloade alle data, der er gemt på enheden, adressere eventuelle spørgsmål eller bekymringer, ændre pasformen af ​​enheden og ændre hjemmetræningsprogrammet efter behov.

Under det sidste motoriske vurderingsbesøg vil deltagerne blive bedt om at udfylde en sidste EEG-screening, der er identisk med baseline-EEG-skærmen for at studere robuste ændringer i kortikal aktivitet, der kan være opstået under BCI-rehabilitering. Deltageren vil også blive bedt om at udfylde en patientoplevelsesundersøgelse, da den vedrører brugeroplevelsen af ​​enheden.

Patienter vil få refusion for deres deltagelse i undersøgelsen. EEG-screeninger og motoriske evalueringer vil blive refunderet med en sats på $25,00 hver. MR-scanninger vil blive refunderet med en sats på $50,00 hver. Patienter, der gennemfører undersøgelsen på protokol, vil modtage en bonus på 50,00 USD.

Risiko/sikkerhedsoplysninger (brug af enheden):

Sandsynligvis: Ingen

Mindre sandsynligt: ​​Træthed fra gentagne computeropgaver og/eller frustration. Øjneanstrengelser og træthed kan skyldes langvarige forsøg på at se computerskærmen hele vejen igennem.

Sjælden: Mindre ubehag forbundet med muskelstimulering.

En forskningsmedarbejder vil være tilgængelig, mens forsøgspersonen deltager i en hvilken som helst del af forskningsundersøgelsen. Under eksperimenter vil patienten blive mindet om, at de kan stoppe undersøgelsen til enhver tid, og de kan udsætte eller afslutte enhver session, hvis de oplever ubehag. Batteristrømmen i EEG-headsettet er meget lav og udgør derfor ingen risiko. Robothåndortosen vil blive betjent for at bevæge deltagernes hånd inden for deres fysiologiske bevægelsesområde og vil ikke udøve kræfter, der er store nok til fysisk at skade patienten.

Derudover er deltagelse frivillig, og den enkelte kan vælge at opsige til enhver tid.

Risiko/sikkerhedsoplysninger (MRI):

Sandsynligvis: Mild - Træthed, Ubehag ved at ligge i scanneren.

Mindre sandsynligt: ​​Mild - følelse af klaustrofobi. Ubehag fra høj støj fra scanneren.

Sjælden: Livstruende - Skade fra metalgenstande i kroppen. Der er betydelig risiko for personer, der har metalliske genstande inde i deres krop, da MR-scanneren bruger en magnet med høj styrke. Eksempler på disse omfatter kirurgiske hæfteklammer, der er tilbage i kroppen efter operation, mellemøreproteser eller cochleaimplantater, permanent eyeliner, fremmedlegemer af metal fastgjort inde i øjet, hjertepacemakere og stifter inde i knæene eller andre led. Hvis patienter har nogen form for metallisk genstand i deres krop, der ikke er blevet testet for MR-sikkerhed, deltager de muligvis ikke i MR-delen af ​​undersøgelsen.

Studietilsyn:

Beslutningen om at deltage i denne undersøgelse er frivillig. Deltageren kan vælge ikke at deltage eller kan trække sig fra undersøgelsen af ​​en hvilken som helst grund uden straf eller tab af fordele, som ellers er berettiget til, og uden nogen indvirkning på fremtidig lægebehandling.

Hovedefterforskeren eller sponsoren kan til enhver tid stoppe ens deltagelse uden deltagerens samtykke uanset årsag. Nogle årsager kan omfatte, men er ikke begrænset til:

• Hvis det ser ud til at være medicinsk skadeligt for deltageren;
• Hvis deltageren undlader at følge anvisningerne for deltagelse i undersøgelsen;
• Hvis det opdages, at deltageren ikke opfylder studiekravene;
• Hvis studiet aflyses; eller
• Af administrative årsager, herunder konkurrencemæssig optagelse - er måltallet for forsøgspersoner gået ind i studiet

Undersøgelsens læge/hovedinvestigator af undersøgelsen vil føre tilsyn gennem hele det kliniske forsøg.

Dataanalyse/ledelse:

Dataene vil blive analyseret med flere teknikker, herunder:

• Flere matematiske algoritmer vil blive brugt til at oversætte rå analog elektrokortikal aktivitet til en statistisk signifikant signalprofil. Disse vil omfatte sådanne tilgange som autoregressiv analyse, hurtige fourier-transformationer, variansanalyse, signal-til-støj-forhold (SNR) teknik, krydskorrelationssignalteknik osv. Disse metoder vil primært blive brugt til offline analyse af signaler.
• I fase 2 vil test af motorisk funktion (UEFM, Motricity Index, Modified Ashworth, grebsstyrke, under brug af enheden og efter brug af enheden blive brugt til at teste enhedens indvirkning på de rehabiliterende virkninger af overekstremitetsfunktionen.
• I fase 2 vil ændringer i funktionelle tilslutningsmønstre før og efter behandling blive vurderet ved hjælp af statistisk analyse som følger: konstruktion af regioner af interesse (ROI); ROI vil blive brugt som "frø" til at skabe ROI til hele hjernens voxel-korrelationskort; korrelationskort statistiske metoder (analyser, der behandler deltagere som en tilfældig effekt for at teste for gruppeeffekter i de Fischer-z transformerede korrelationskort, og resulterende gruppekort korrigeret for flere sammenligninger ved hjælp af tidligere beregnede Monte-Carlo simuleringer).

UEFM vil tjene som det primære mål for statistisk succes. Fordi vi vil bruge baseline-tests, før behandlingen begynder, vil vi bruge en test med gentagne mål, såsom parret t-test, der antager en normal fordeling af score. Den øvre ekstremitetsdel af UEFM vurderer grebsmotorisk funktion i den berørte øvre ekstremitet. Det vigtigste statistiske resultat vil være baseret på subtest-forståelsen, da enheden har den største potentielle indvirkning på dette domæne. Effektestimater tyder på, at 10 forsøgspersoner vil være tilstrækkelige til signifikante resultater i en parret T-test; op til 20 patienter vil blive indskrevet for at tillade nedslidning.

Fortrolighed:

Alle kliniske og eksperimentelle data vil blive afidentificeret ved at blive tildelt en tilfældigt genereret kode. Derudover vil alle sporbare data fra kopierede journaler også blive fjernet. Papirjournaler vil blive opbevaret i et aflåst skab i en aflåst kontorpakke. Elektroniske optegnelser vil blive gemt på en laboratoriecomputer i en adgangskodebeskyttet fil. Kun medlemmer af undersøgelsesteamet har adgang til optegnelser. Efter at forskningsprojektet er afsluttet, vil hovedefterforskeren slette alle elektroniske filer og makulere eventuelle papirformularer, der indeholder identifikatorer.

Et medlem af forskerholdet kan diskutere undersøgelsen med deltageren personligt eller telefonisk for at beskrive undersøgelsen for patienten og afgøre, om de er villige til at deltage. Patienten vil dog blive givet personligt samtykke.

Projektmål:

Det endelige mål med dette projekt er at udvikle en fungerende og klinisk gennemførlig metode til at genoprette funktionen hos personer med motorisk svækkede slagtilfælde. Ved at udvikle en ny rehabiliteringsmetode håber vi at skabe et system, der giver mulighed for lukket sløjfe-feedback gennem en robot-håndortose på den motorisk svækkede side af slagtilfældepatienter som reaktion på tilsigtede bevægelser af musklerne. Metoden, hvis den lykkes, vil repræsentere en ikke-invasiv metode til at fremme motorisk indlæring og restitution hos slagtilfældeoverlevere.