Kroonisen aivohalvauksen kuntoutus kontralesionaalisella aivo-tietokoneliittymällä

Tämän tutkimustutkimuksen tarkoituksena on osoittaa, että tietokone pystyy analysoimaan aivoaaltoja ja että näitä aivoaaltoja voidaan käyttää ulkoisen laitteen ohjaamiseen. Lisäksi tämä tutkimus osoittaa, voiko sairastuneen käden passiivinen liike aivopohjaisen ohjauksen seurauksena aiheuttaa kuntoutusta aivohalvauksen vaikutuksista.

Aivohalvaus on yleisin neurologinen sairaus Yhdysvalloissa, 795 000 aivohalvausta vuodessa (Lloyd-Jones et al. 2009). Selviytyneistä 77 % kokee yläraajan motorisen toiminnan heikkenemisen (Lawrence et al, 2001). Akuutin aivohalvauksen jälkeisten potilaiden motorista palautumista vaikeuttaa näennäinen tasanne kyvyssä toipua yli 3 kuukauden kuluttua aivohalvauksesta (Duncan ym. 1992; Jorgensen ym. 1995; Lloyd-Jones ym. 2009). Suuri potilaspopulaatio, jonka elämänlaatu on heikentynyt ja vaatii merkittäviä lääketieteellisiä resursseja, ruokkii kiireellistä tarvetta kehittää uusia menetelmiä kroonisesta aivohalvauksesta selviytyneiden toiminnallisen kuntoutuksen parantamiseksi. Ehdotamme, että aivokuoren signaaleja kroonisesta aivohalvauksesta selviytyneiden aivopuoliskolla, joka ei vaikuta siihen, voidaan käyttää Brain-Computer Interface (BCI) -järjestelmän ohjaamiseen toiminnan palautumisen helpottamiseksi. Tällaisten kuntouttavien BCI-järjestelmien kehittäminen on merkittävää, koska se tarjoaa polun toiminnalliseen palautumiseen, joka ei tällä hetkellä ole monien kroonisten aivohalvauspotilaiden käytettävissä.

Aihevalinta:

Osallistujat rekrytoidaan päätutkijan yhteistyökumppaneiden ja kollegoiden potilasryhmistä sekä päätutkijan ja kollegoiden aiemmista tutkimustutkimuksista. Rekrytoidaan myös osallistujia aiemmista tutkimuksista. Työtoverit antavat kiinnostuneille hakijoille opiskelutietoa, ja hakijat ottavat yhteyttä tutkimusryhmään, jos he haluavat tutkimushenkilökunnan seulonnan. Potilailta kysytään sarja seulontakysymyksiä selvittääkseen heidän kelpoisuutensa tutkimukseen.

Tutkimusmenetelmät

Tutkimushenkilöstö tarkistaa osallistujien kelpoisuuden sen jälkeen, kun tietoisen suostumuksen prosessi ja dokumentaatio on suoritettu. Tutkimukseen kelpaavuuden arvioinnin jälkeen osallistuja jaetaan ryhmään 1 tai ryhmään 2. Ryhmän 1 osallistujat suorittavat tutkimuksen loppuun lisäämällä toiminnallisen MRI-kuvauksen (fMRI) ja potilaalle sopivan kotiharjoitusohjelman (ROM) kliinisen asiantuntijan määrittämänä. Ryhmän 1 osallistujat käyvät läpi 12 viikkoa laitteen käyttöä ja kotiharjoitteluohjelmaa. Puolet osallistujista käyttää laitetta ennen ROM-ohjelmaa ja puolet sen jälkeen (eli crossover-suunnittelua). Neuroimaging-skannaukset tehdään välittömästi ennen laitteen käyttöä, välittömästi ennen ROM-hoidon aloittamista ja tutkimuksen päätyttyä. Ryhmän 2 osallistujat osallistuvat tutkimukseen ilman kuvantamista. Kelpoisuusseulonnan jälkeen osallistujat sijoitetaan ryhmään 1 tai 2 kykynsä ja halukkuutensa mukaan osallistua MRI-skannauksiin. Tutkimus toteutetaan kahdessa vaiheessa. Vaiheessa 1 jokainen osallistuja suorittaa enintään 3 istuntoa EEG-signaalien tallentamiseksi. Tallennusta varten potilaat käyttävät tutkimusluokan EEG-kuulokkeita, joissa on EEG-elektrodit paikoillaan. Signaalit tallennetaan aivotietokoneen käyttöliittymäohjelmistolla. Jos osallistujan EEG-signaalit ovat riittävät BCI-välitteisen käsiortoosin hallintaan, ne jatkavat tämän tutkimuksen vaiheeseen 2. Tämän tutkimuksen vaiheessa 2 osallistujille myönnetään BCI-välitteinen käsiortoosi ja heitä neuvotaan käyttämään laitetta päivittäin kotona (5 peräkkäisestä päivästä) vähintään 12 viikon ajan. Osallistuja saa motoriset arvioinnit 4 viikon, 8 viikon ja 12 viikon laitteen käytön jälkeen. Ryhmän 1 potilaat noudattavat samaa aikataulua ROM-hoidon ja motoristen toimintojen jatkuvan arvioinnin suhteen. Jos osallistuja saavuttaa edistymistä, kuten motoriset arvioinnit osoittavat laitteen 12 viikon käytön jälkeen, osallistujaa voidaan pyytää jatkamaan tämän terapian käyttöä päivittäin kotona, kunnes edistyminen on tasanteella. Jos näin tapahtuu, osallistujille tehdään motoriset arvioinnit 4 viikon välein laitteen lisäkäytön jälkeen (vähintään 12 viikon jälkeen). Osallistujiin voidaan ottaa yhteyttä motorisen seulonnan suorittamiseksi 6 kuukautta laitteen käytön jälkeen, jotta voidaan arvioida vaurioituneen yläraajan motorisen palautumisen kestävyys.

Vaihe 1 – EEG-signaalin arviointi Osallistujat suorittavat kaksi EEG-seulontakäyntiä löytääkseen yhdenmukaisen EEG-signaalin robottikäsiortoosin ohjaamiseksi. Osallistujia voidaan pyytää suorittamaan kolmas EEG-seulonta, jos johdonmukaista signaalia ei voitu tunnistaa kahdessa ensimmäisessä EEG-seulonnassa. EEG-seulonnan aikana osallistujat käyttävät EEG-kuulokkeita, joissa on standardi 10-20 elektrodikoordinaattijärjestelmä. Oikea kytkentä varmistetaan signaalitarkastuksella. 7,5 minuutin sarja lepotietoja tallennetaan. Toiseksi suoritetaan motorinen kuvatehtävä, jossa osallistujat saavat visuaalisia vihjeitä/kehotteita tietokoneen näytölle kuvitellakseen sormen napauttamista vasemmalla, oikealla tai molemmilla käsillä 5-10 sekunnin ajan per merkintä. Seulontatiedot analysoidaan sen varmistamiseksi, että aivokuoren signaaleja on riittävästi laitteen ohjaamiseen. Spektritehomuutokset muuttumattomalla pallonpuoliskolla analysoidaan käyttämällä r-neliöanalyysiä. Osallistujien on osoitettava merkittäviä tehonmuutoksia motoristen ja esimotoristen aivokuoren alueiden elektrodien kohdissa saavuttaakseen laitteen hallinnan.

MRI-menetelmät:

Hankimme tässä tutkimuksessa olevilta potilailta rakenteellisen, diffuusiotensorikuvauksen (DTI) ja lepotilan fMRI:n (rs-fMRI). Rakennekuvat saadaan käyttämällä T1- ja T2-painotettuja skannauksia. DTI-skannaukset hankitaan b-arvoilla 300, 1000 ja 2000 s/mm² ja 8, 32 ja 60 diffuusiosuuntaa. Traktikohtaiset mittaukset, kuten tilavuus, radiaalinen diffuusio ja fraktiaalinen anisotropia (FA), saadaan DTI-tiedoista. Keräämme noin 22,5 minuuttia rs-fMRI:tä (3 skannausta 7,5 minuutin välein). Tiedot käyvät läpi standardin esikäsittelyvirran, joka sisältää spatiaalisen tasoituksen, ajallisen kaistanpäästösuodatuksen ja virheellisen varianssin lähteiden regression poistamisen. Tiedot sensuroidaan volyymin avulla liikkeen aiheuttamien artefaktien välttämiseksi.

Vaihe 2 – BCI-terapia ja motoriset arvioinnit

Suoritettuaan EEG-seulonnan ryhmän 1 ja ryhmän 2 osallistujat suorittavat kaksi sarjaa motorisia arviointeja toimistossa kahtena erillisenä päivänä perustason määrittämiseksi. Nämä suoritettavat arvioinnit ovat:

• UEFM
• Motricity-indeksi
• Modifioitu Ashworth-asteikko (kyynärpään taivutus, ranteen taipuminen)
• Gross Grasp Hand Dynamometer
• Käsivarren moottorikykytesti (AMAT)

Osallistujille annetaan laite ja kliininen asiantuntija kouluttaa sen käyttöön ja hoitoon alustavien motoristen arvioiden jälkeen. Jokaisella seurantakäynnillä kliininen asiantuntija pyytää osallistujaa tuomaan laitteensa jokaiseen seurantaan. Kliininen asiantuntija lataa kaikki laitteeseen tallennetut tiedot, vastaa mahdollisiin kysymyksiin tai huolenaiheisiin, muokkaa laitteen istuvuutta ja muokkaa kotiharjoitusohjelmaa tarpeen mukaan.

Viimeisen motorisen arviointikäynnin aikana osallistujia pyydetään suorittamaan lopullinen EEG-näyttö, joka on identtinen perusviivan EEG-näytön kanssa, jotta voidaan tutkia voimakkaita muutoksia aivokuoren aktiivisuudessa, joita on voinut tapahtua BCI-kuntoutuksen aikana. Osallistujaa pyydetään myös täyttämään potilaskokemuskysely, joka liittyy laitteen käyttökokemukseen.

Potilaat saavat korvauksen osallistumisestaan ​​tutkimukseen. EEG-tutkimukset ja motoriset arvioinnit korvataan 25,00 dollarin verran. MRI-kuvaukset korvataan 50,00 dollaria kappaleelta. Protokollatutkimuksen suorittaneet potilaat saavat 50,00 dollarin bonuskannustimen.

Riski-/Turvallisuustiedot (laitteen käyttö):

Todennäköisesti: Ei mitään

Vähemmän todennäköistä: Toistuvista tietokonetehtävistä johtuva väsymys ja/tai turhautuminen. Silmien rasitus ja väsymys voivat johtua pitkittyneistä yrityksistä tietokoneen näytön katselemisesta koko ajan.

Harvinainen: Lihasstimulaatioon liittyvä vähäinen epämukavuus.

Tutkimushenkilöstön jäsen on käytettävissä, kun tutkittava osallistuu mihin tahansa tutkimuksen osaan. Kokeilun aikana potilasta muistutetaan, että hän voi keskeyttää tutkimuksen milloin tahansa ja hän voi viivyttää tai lopettaa minkä tahansa istunnon, jos hän kokee epämukavuutta. EEG-kuulokkeiden akun teho on erittäin alhainen, joten se ei aiheuta vaaraa. Robottikäsiortoosia käytetään liikuttamaan osallistujien käsiä heidän fysiologisen liikealueensa sisällä, eikä se kohdista tarpeeksi suuria voimia vahingoittaakseen potilasta fyysisesti.

Lisäksi osallistuminen on vapaaehtoista, ja henkilö voi päättää lopettaa sen milloin tahansa.

Riski-/turvallisuustiedot (MRI):

Todennäköisesti: Lievä - Väsymys, skannerissa makaamisen aiheuttama epämukavuus.

Vähemmän todennäköistä: Lievä - Klaustrofobian tunne. Epämukavuus skannerin kovasta melusta.

Harvinainen: Henkeä uhkaava - ruumiin metalliesineen aiheuttama vamma. Henkilöille, joilla on metalliesineitä kehossaan, on suuri riski, koska magneettikuvauslaite käyttää voimakasta magneettia. Esimerkkejä näistä ovat kehoon jääneet kirurgiset niitit leikkauksen jälkeen, välikorvaproteesit tai sisäkorvaistutteet, pysyvä silmän suojakalvo, metalliset vieraat esineet, jotka ovat juuttuneet silmän sisään, sydämentahdistimet ja neulat polvien tai muiden nivelten sisällä. Jos potilaiden kehossa on metalliesineitä, joita ei ole testattu MRI-turvallisuuden suhteen, he eivät saa osallistua tutkimuksen MRI-osaan.

Tutkimuksen valvonta:

Päätös osallistua tähän tutkimukseen on vapaaehtoinen. Osallistuja voi päättää olla osallistumatta tutkimukseen tai vetäytyä tutkimuksesta mistä tahansa syystä ilman rangaistusta tai menettämättä etuja, joihin muutoin oikeuttavat ja joilla ei ole vaikutusta tulevaan sairaanhoitoon.

Päätutkija tai toimeksiantaja voi keskeyttää osallistumisensa milloin tahansa ilman osallistujan suostumusta mistä tahansa syystä. Joitakin syitä voivat olla, mutta ne eivät rajoitu:

• Jos se näyttää olevan lääketieteellisesti haitallista osallistujalle;
• Jos osallistuja ei noudata tutkimukseen osallistumista koskevia ohjeita;
• Jos todetaan, että osallistuja ei täytä opiskeluvaatimuksia;
• Jos tutkimus perutaan; tai
• Hallinnollisista syistä, mukaan lukien kilpailullinen ilmoittautuminen - koehenkilöiden tavoitemäärä on tullut tutkimukseen

Tutkimuslääkäri / tutkimuksen päätutkija valvoo koko kliinisen tutkimuksen ajan.

Tietojen analysointi/hallinta:

Tiedot analysoidaan useilla tekniikoilla, mukaan lukien:

• Useita matemaattisia algoritmeja käytetään muuttamaan raakaanaloginen elektrokortikaalinen aktiivisuus tilastollisesti merkitseväksi signaaliprofiiliksi. Näitä ovat sellaiset lähestymistavat kuin autoregressiivinen analyysi, nopeat Fourier-muunnokset, varianssianalyysi, signaali-kohinasuhde (SNR) -tekniikka, ristikorrelaatiosignaalitekniikka jne. Näitä menetelmiä käytettäisiin ensisijaisesti signaalien offline-analyysiin.
• Vaiheessa 2 testataan motorisen toiminnan testejä (UEFM, Motricity Index, Modified Ashworth, tartuntavoima, laitteen käytön aikana ja laitteen käytön jälkeinen) testaamaan laitteen vaikutusta yläraajojen toiminnan kuntouttaviin vaikutuksiin.
• Vaiheessa 2 muutoksia toiminnallisissa yhteyksissä ennen hoitoa ja sen jälkeen arvioidaan käyttämällä tilastollista analyysiä seuraavasti: kiinnostavien alueiden rakentaminen (ROI); ROI:ta käytetään "siemeninä" luomaan ROI koko aivoille vokselikohtaisia ​​korrelaatiokarttoja; korrelaatiokarttojen tilastolliset metodologiat (analyysit, jotka käsittelevät osallistujia satunnaisena vaikutuksena ryhmävaikutusten testaamiseksi Fischer-z-muunnetuissa korrelaatiokartoissa, ja tuloksena saadut ryhmäkartat, jotka on korjattu useilla vertailuilla käyttämällä aiemmin laskettuja Monte-Carlo-simulaatioita).

UEFM toimii tilastollisen menestyksen ensisijaisena mittarina. Koska käytämme perusarvotestejä ennen hoidon aloittamista, käytämme toistuvien mittausten testiä, kuten paritettua t-testiä olettaen, että pisteet jakautuvat normaalisti. UEFM:n yläraajojen osa arvioi tartunnan motorista toimintaa sairastuneessa yläraajassa. Tärkein tilastollinen tulos perustuu osatestin käsitykseen, koska laitteella on suurin mahdollinen vaikutus tällä alueella. Tehoarviot viittaavat siihen, että 10 koehenkilöä riittää merkittäviin tuloksiin paritetussa T-testissä; enintään 20 potilasta otetaan mukaan poistumisen mahdollistamiseksi.

Luottamuksellisuus:

Kaikki kliiniset ja kokeelliset tiedot poistetaan tunnistamalla niille satunnaisesti luotu koodi. Lisäksi kaikki jäljitettävät tiedot kopioiduista lääketieteellisistä tiedoista poistetaan. Paperiasiakirjat säilytetään lukitussa toimistohuoneessa lukitussa kaapissa. Sähköiset tietueet tallennetaan laboratorion tietokoneelle salasanalla suojatussa tiedostossa. Vain tutkimusryhmän jäsenillä on pääsy tietueisiin. Tutkimusprojektin päätyttyä päätutkija poistaa kaikki sähköiset tiedostot ja silppua tunnisteita sisältävät paperilomakkeet.

Tutkimusryhmän jäsen voi keskustella tutkimuksesta osallistujan kanssa henkilökohtaisesti tai puhelimitse kuvaillakseen tutkimusta potilaalle ja selvittääkseen, ovatko he halukkaita osallistumaan. Potilas suostuu kuitenkin henkilökohtaisesti.

Projektin tavoite:

Tämän projektin perimmäisenä tavoitteena on kehittää toimiva ja kliinisesti käyttökelpoinen menetelmä toiminnan palauttamiseksi aivohalvauksesta kärsiville. Uutta kuntoutusmenetelmää kehitettäessä toivomme luovamme järjestelmän, joka mahdollistaa suljetun silmukan palautteen robottikäsiortoosin kautta aivohalvauspotilaiden motoriikkavammaiselle puolelle vasteena aiottuihin lihasliikkeisiin. Menetelmä, jos se onnistuu, edustaisi ei-invasiivista menetelmää motorisen oppimisen ja toipumisen edistämiseksi aivohalvauksesta selviytyneillä.