Rehabilitation nach chronischem Schlaganfall mit kontraläsionaler Gehirn-Computer-Schnittstelle

Der Zweck dieser Forschungsstudie ist es zu zeigen, dass ein Computer Gehirnwellen analysieren kann und dass diese Gehirnwellen verwendet werden können, um ein externes Gerät zu steuern. Darüber hinaus wird diese Studie zeigen, ob eine passive Bewegung der betroffenen Hand als Ergebnis einer gehirnbasierten Steuerung eine Rehabilitation von den Auswirkungen eines Schlaganfalls bewirken kann.

Schlaganfall ist mit 795.000 Schlaganfällen pro Jahr die häufigste neurologische Erkrankung in den USA (Lloyd-Jones et al. 2009). 77 % der Überlebenden leiden unter einer Schwäche oder einem Verlust der motorischen Funktion in den oberen Extremitäten (Lawrence et al., 2001). Die motorische Erholung bei postakuten Schlaganfallpatienten wird durch ein offensichtliches Plateau in der Fähigkeit erschwert, sich über 3 Monate nach einem Schlaganfall zu erholen (Duncan et al. 1992; Jorgensen et al. 1995; Lloyd-Jones et al. 2009). Die große Patientenpopulation mit verminderter Lebensqualität und dem Bedarf an erheblichen medizinischen Ressourcen macht die dringende Notwendigkeit, neue Methoden zur Verbesserung der funktionellen Rehabilitation bei Überlebenden eines chronischen Schlaganfalls zu entwickeln. Wir schlagen vor, dass kortikale Signale aus der nicht betroffenen Hemisphäre von Überlebenden eines chronischen Schlaganfalls verwendet werden können, um das Brain-Computer Interface (BCI)-System zu steuern, um die funktionelle Wiederherstellung zu erleichtern. Die Entwicklung solcher rehabilitativer BCI-Systeme ist von Bedeutung, da sie einen Weg zur funktionellen Wiederherstellung bieten, der derzeit vielen chronischen Schlaganfallpatienten nicht zur Verfügung steht.

Themenauswahl:

Die Teilnehmer werden aus Patientenpopulationen von Mitarbeitern und Kollegen des Hauptforschers sowie aus früheren Forschungsstudien des Hauptforschers und Kollegen rekrutiert. Es werden auch Teilnehmer aus früheren Forschungsstudien rekrutiert. Kollegen werden interessierten Kandidaten Studieninformationen zur Verfügung stellen, und Kandidaten werden sich mit dem Forschungsteam in Verbindung setzen, wenn sie von Studienpersonal überprüft werden sollen. Den Patienten wird eine Reihe von Screening-Fragen gestellt, um ihre Eignung für die Studie zu bestimmen.

Studienmethoden

Das Studienpersonal wird die Teilnehmer nach Abschluss des Einwilligungsprozesses und der Dokumentation auf Eignung prüfen. Nach dem Screening auf Studieneignung wird der Teilnehmer Gruppe 1 oder Gruppe 2 zugeordnet. Teilnehmer der Gruppe 1 schließen die Studie mit der Ergänzung der funktionellen MRT-Bildgebung (fMRI) und einem für den Patienten geeigneten Heimübungsprogramm (Range of Motion, ROM) ab wie von einem klinischen Spezialisten bestimmt. Die Teilnehmer der Gruppe 1 durchlaufen jeweils 12 Wochen der Gerätenutzung und des Heimübungsprogramms. Die Hälfte der Teilnehmer wird das Gerät vor dem ROM-Programm verwenden, die andere Hälfte danach (d. h. ein Crossover-Design). Neuroimaging-Scans werden unmittelbar vor der Verwendung des Geräts, unmittelbar vor Beginn der ROM-Therapie und nach Abschluss der Studie durchgeführt. Teilnehmer der Gruppe 2 nehmen ohne Bildgebung an der Studie teil. Nach der Eignungsprüfung werden die Teilnehmer je nach Fähigkeit und Bereitschaft zur Teilnahme an MRT-Scans in Gruppe 1 oder 2 eingeteilt. Die Studie wird in zwei Phasen durchgeführt. In Phase 1 absolviert jeder Teilnehmer bis zu 3 Sitzungen zur Aufzeichnung von EEG-Signalen. Für die Aufzeichnung tragen die Patienten ein EEG-Headset in Forschungsqualität mit angebrachten EEG-Elektroden. Die Signale werden mit Brain Computer Interface Software aufgezeichnet. Wenn die EEG-Signale des Teilnehmers ausreichen, um eine BCI-vermittelte Handorthese zu steuern, werden sie mit Phase 2 dieser Studie fortfahren. In Phase 2 dieser Studie erhalten die Teilnehmer eine BCI-vermittelte Handorthese und es wird ihnen geraten, das Gerät täglich zu Hause (5 von 7 aufeinanderfolgenden Tagen) für mindestens 12 Wochen zu verwenden. Der Teilnehmer wird nach 4 Wochen, 8 Wochen und 12 Wochen der Verwendung des Geräts motorischen Bewertungen unterzogen. Patienten der Gruppe 1 befolgen den gleichen Zeitplan für die ROM-Therapie und weitere motorische Funktionsbewertungen. Sollte der Teilnehmer nach 12 Wochen Verwendung des Geräts Fortschritte erzielen, wie durch motorische Beurteilungen belegt, kann der Teilnehmer gebeten werden, diese Therapie täglich zu Hause bis zum Plateau des Fortschritts fortzusetzen. In diesem Fall würden die Teilnehmer alle 4 Wochen nach zusätzlicher Verwendung des Geräts (über die Mindestdauer von 12 Wochen hinaus) motorische Beurteilungen durchführen lassen. Die Teilnehmer können kontaktiert werden, um 6 Monate nach der Verwendung des Geräts ein motorisches Screening durchzuführen, um die Dauerhaftigkeit der motorischen Erholung der betroffenen oberen Extremität zu beurteilen.

Phase 1 – Bewertung des EEG-Signals Die Teilnehmer absolvieren zwei EEG-Screening-Besuche, um ein konsistentes EEG-Signal zur Steuerung der Roboterhandorthese zu finden. Die Teilnehmer können gebeten werden, ein drittes EEG-Screening durchzuführen, wenn in den ersten beiden EEG-Screenings kein konsistentes Signal identifiziert werden konnte. Während der EEG-Screenings tragen die Teilnehmer ein EEG-Headset mit einer Teilmenge des standardmäßigen 10-20-Systems von Elektrodenkoordinaten. Die ordnungsgemäße Verbindung wird durch eine Signalprüfung überprüft. Ein 7,5-Minuten-Satz von Ruhedaten wird aufgezeichnet. Zweitens wird eine motorische Vorstellungsaufgabe durchgeführt, bei der die Teilnehmer visuelle Hinweise/Aufforderungen auf einem Computerbildschirm erhalten, um sich Fingertippbewegungen der linken Hand, der rechten Hand oder beider Hände für einen Zeitraum von 5-10 Sekunden pro Hinweis vorzustellen. Screening-Daten werden analysiert, um sicherzustellen, dass genügend kortikale Signale für die Gerätesteuerung vorhanden sind. Spektrale Leistungsänderungen in der nicht betroffenen Hemisphäre werden unter Verwendung einer r-Quadrat-Analyse analysiert. Die Teilnehmer müssen signifikante Leistungsänderungen an Elektrodenpositionen der motorischen und vormotorischen kortikalen Bereiche aufweisen, um die Gerätekontrolle zu erreichen.

MRT-Methoden:

Wir werden strukturelle, Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) und fMRT im Ruhezustand (rs-fMRI) von den Patienten in dieser Studie erhalten. Strukturbilder werden mit T1- und T2-gewichteten Scans erfasst. DTI-Scans werden mit b-Werten von 300, 1000 und 2000 s/mm² und 8, 32 und 60 Diffusionsrichtungen aufgenommen. Traktspezifische Messungen wie Volumen, radiale Diffusivität und fraktionelle Anisotropie (FA) werden aus den DTI-Daten gewonnen. Wir werden ungefähr 22,5 Minuten rs-fMRI (3 Scans zu je 7,5 Minuten) sammeln. Die Daten werden einem standardmäßigen Vorverarbeitungsstrom unterzogen, einschließlich räumlicher Glättung, zeitlicher Bandpassfilterung und Entfernung durch Regression von Quellen von Störvarianzen. Die Daten werden volumenzensiert, um bewegungsinduzierte Artefakte zu vermeiden.

Phase 2 – BCI-Therapie und motorische Beurteilungen

Nach Abschluss der EEG-Screenings werden die Teilnehmer in Gruppe 1 und Gruppe 2 an zwei verschiedenen Tagen zwei Sätze motorischer Bewertungen in der Praxis absolvieren, um eine Basislinie festzulegen. Diese zu absolvierenden Assessments sind:

• UEFM
• Motorizitätsindex
• Modifizierte Ashworth-Skala (Ellbogenflexion, Handgelenkflexion)
• Handdynamometer mit grobem Griff
• Armmotorischer Fähigkeitstest (AMAT)

Die Teilnehmer erhalten ein Gerät und werden nach den anfänglichen motorischen Bewertungen von einem klinischen Spezialisten in dessen Verwendung und Pflege geschult. Bei jedem Nachuntersuchungsbesuch zur motorischen Beurteilung lässt der Facharzt den Teilnehmer sein Gerät zu jeder Nachuntersuchung mitbringen. Der klinische Spezialist lädt alle auf dem Gerät gespeicherten Daten herunter, geht auf Fragen oder Bedenken ein, ändert die Passform des und modifiziert das Trainingsprogramm für zu Hause nach Bedarf.

Während des abschließenden Besuchs zur motorischen Bewertung werden die Teilnehmer gebeten, einen abschließenden EEG-Screen durchzuführen, der mit dem Basis-EEG-Screen identisch ist, um robuste Veränderungen der kortikalen Aktivität zu untersuchen, die möglicherweise während der BCI-Rehabilitation aufgetreten sind. Der Teilnehmer wird auch gebeten, eine Umfrage zur Patientenerfahrung in Bezug auf die Benutzererfahrung des Geräts auszufüllen.

Die Teilnahme an der Studie wird den Patienten erstattet. EEG-Screenings und motorische Bewertungen werden mit jeweils 25,00 USD erstattet. MRT-Scans werden mit jeweils 50,00 USD erstattet. Patienten, die die Studie gemäß dem Protokoll abschließen, erhalten einen Bonus von 50,00 USD.

Risiko-/Sicherheitsinformationen (Geräteverwendung):

Wahrscheinlich: Keine

Weniger wahrscheinlich: Ermüdung durch sich wiederholende Computeraufgaben und/oder Frustration. Überanstrengung der Augen und Ermüdung können durch längeres Beobachten des Computerbildschirms verursacht werden.

Selten: Leichte Beschwerden im Zusammenhang mit Muskelstimulation.

Während die Versuchsperson an irgendeinem Teil der Forschungsstudie teilnimmt, steht ein Forschungsmitarbeiter zur Verfügung. Während des Experiments wird der Patient daran erinnert, dass er die Studie jederzeit beenden und Sitzungen verschieben oder beenden kann, wenn er Beschwerden verspürt. Die Akkuleistung des EEG-Headsets ist sehr gering und stellt somit kein Risiko dar. Die Roboterhandorthese wird betrieben, um die Hand des Teilnehmers innerhalb ihres physiologischen Bewegungsbereichs zu bewegen, und übt keine Kräfte aus, die groß genug sind, um den Patienten körperlich zu verletzen.

Darüber hinaus ist die Teilnahme freiwillig und die Person kann jederzeit kündigen.

Risiko-/Sicherheitsinformationen (MRT):

Wahrscheinlich: Leicht – Müdigkeit, Unwohlsein durch das Liegen im Scanner.

Weniger wahrscheinlich: Leicht – Gefühl von Klaustrophobie. Unbehagen durch laute Geräusche des Scanners.

Selten: Lebensbedrohlich – Verletzung durch Metallgegenstand im Körper. Es besteht ein erhebliches Risiko für Personen, die metallische Gegenstände in ihrem Körper haben, da der MRI-Scanner einen hochfesten Magneten verwendet. Beispiele hierfür sind chirurgische Klammern, die nach einer Operation im Körper verbleiben, Mittelohrprothesen oder Cochlea-Implantate, dauerhafter Eyeliner, metallische Fremdkörper im Auge, Herzschrittmacher und Stifte in den Knien oder anderen Gelenken. Wenn Patienten irgendeinen metallischen Gegenstand in ihrem Körper haben, der nicht auf MRT-Sicherheit getestet wurde, dürfen sie nicht am MRT-Teil der Studie teilnehmen.

Studienaufsicht:

Die Entscheidung zur Teilnahme an dieser Studie ist freiwillig. Der Teilnehmer kann sich entscheiden, nicht an der Studie teilzunehmen oder aus beliebigem Grund ohne Strafe oder Verlust von Vorteilen, auf die er ansonsten Anspruch hat, und ohne Auswirkungen auf die zukünftige medizinische Versorgung von der Studie zurückzutreten.

Der Projektleiter oder der Sponsor kann die Teilnahme jederzeit ohne Zustimmung des Teilnehmers und ohne Angabe von Gründen beenden. Einige Gründe können unter anderem sein:

• Wenn es für den Teilnehmer medizinisch schädlich erscheint;
• Wenn der Teilnehmer die Anweisungen zur Teilnahme an der Studie nicht befolgt;
• wenn festgestellt wird, dass der Teilnehmer die Studienanforderungen nicht erfüllt;
• Wenn die Studie abgebrochen wird; oder
• Aus administrativen Gründen, einschließlich kompetitiver Einschreibung, wurde die angestrebte Anzahl von Probanden in die Studie aufgenommen

Der Studienarzt/Hauptprüfarzt der Studie wird die gesamte klinische Studie beaufsichtigen.

Datenanalyse / Management:

Die Daten werden mit mehreren Techniken analysiert, darunter:

• Mehrere mathematische Algorithmen werden verwendet, um rohe analoge elektrokortikale Aktivität in ein statistisch signifikantes Signalprofil zu übersetzen. Dazu gehören solche Ansätze wie die autoregressive Analyse, schnelle Fourier-Transformationen, Varianzanalyse, Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)-Technik, Kreuzkorrelationssignaltechnik usw. Diese Verfahren würden hauptsächlich für die Offline-Analyse von Signalen verwendet.
• In Phase 2 werden Tests der motorischen Funktion (UEFM, Motricity Index, Modified Ashworth, Greifkraft, während der Verwendung des Geräts und nach der Verwendung des Geräts) verwendet, um die Auswirkungen des Geräts auf die rehabilitativen Wirkungen der Funktion der oberen Extremitäten zu testen.
• In Phase 2 werden Änderungen der funktionellen Konnektivitätsmuster vor und nach der Behandlung anhand statistischer Analysen wie folgt bewertet: Konstruktion von interessierenden Regionen (ROI); ROI wird als "Seeds" verwendet, um ROI für Voxel-weise Korrelationskarten des gesamten Gehirns zu erstellen; Korrelationskarten-Statistikmethoden (Analysen, die Teilnehmer als Zufallseffekt behandeln, um Gruppeneffekte in den Fischer-z-transformierten Korrelationskarten zu testen, und resultierende Gruppenkarten, die für Mehrfachvergleiche unter Verwendung zuvor berechneter Monte-Carlo-Simulationen korrigiert wurden).

Der UEFM dient als primäres Maß für den statistischen Erfolg. Da wir Baseline-Tests vor Beginn der Behandlung verwenden, verwenden wir einen Test mit wiederholten Messungen, z. B. einen gepaarten t-Test, wobei eine normale Verteilung der Ergebnisse angenommen wird. Der Teil der oberen Extremität des UEFM bewertet die motorische Greiffunktion in der betroffenen oberen Extremität. Das wichtigste statistische Ergebnis basiert auf dem Subtest-Verständnis, da das Gerät den größten potenziellen Einfluss auf diesen Bereich hat. Leistungsschätzungen deuten darauf hin, dass 10 Probanden für signifikante Ergebnisse in einem gepaarten T-Test ausreichen; bis zu 20 Patienten werden eingeschrieben, um eine Abnutzung zu ermöglichen.

Vertraulichkeit:

Alle klinischen und experimentellen Daten werden anonymisiert, indem ihnen ein zufällig generierter Code zugewiesen wird. Darüber hinaus werden auch alle rückverfolgbaren Daten aus kopierten Krankenakten entfernt. Papieraufzeichnungen werden in einem verschlossenen Schrank in einem verschlossenen Büroraum aufbewahrt. Elektronische Aufzeichnungen werden auf einem Laborcomputer in einer passwortgeschützten Datei gespeichert. Nur Mitglieder des Studienteams haben Zugriff auf die Aufzeichnungen. Nach Abschluss des Forschungsprojekts löscht der Projektleiter alle elektronischen Dateien und vernichtet alle Papierformulare mit Identifikatoren.

Ein Mitglied des Forschungsteams kann die Studie mit dem Teilnehmer persönlich oder telefonisch besprechen, um dem Patienten die Studie zu beschreiben und festzustellen, ob er zur Teilnahme bereit ist. Der Patient wird jedoch persönlich eingewilligt.

Projektziel:

Das ultimative Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer funktionierenden und klinisch praktikablen Methode zur Wiederherstellung der Funktion von Patienten mit motorisch beeinträchtigten Schlaganfällen. Bei der Entwicklung einer neuen Rehabilitationsmethode hoffen wir, ein System zu schaffen, das eine geschlossene Feedbackschleife durch eine Roboterhandorthese auf der motorisch beeinträchtigten Seite von Schlaganfallpatienten als Reaktion auf beabsichtigte Muskelbewegungen ermöglicht. Wenn die Methode erfolgreich ist, würde sie eine nicht-invasive Methode zur Förderung des motorischen Lernens und der Genesung bei Schlaganfall-Überlebenden darstellen.