BCI-FES yläraajojen kuntoutukseen kroonisessa aivohalvauksessa (BCI-FES)

Noin kolmanneksella aivohalvauksen saaneista potilaista on edelleen vakava ja pysyvä vamma, joka johtuu motorisista seurauksista ja liikuntarajoitteista. Fysio- ja toimintaterapia on pääasiallinen kuntoutusvaihtoehto potilailla, joilla on pareettinen yläraaja, mutta tästä huolimatta noin 2/3 potilaista on kuuden kuukauden kuluttua tapahtumasta edelleen kykenemätön käyttämään raajaa päivittäisessä elämässään.

Tämä on johtanut uusien hoitovaihtoehtojen kehittämiseen, jotka voivat tehostaa tavanomaisen fysioterapian vaikutuksia. Aivojen ja tietokoneiden rajapintojen käyttö edustaa paradigmaa yläraajan neurorehabilitaatiossa, koska se voi tulkita käyttäjän aikomuksia ja antaa heidän olla vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa helpottamalla liikkeen suorittamista. Jotkut efektorilaitteet, jotka helpottavat tätä liikkeen suorittamista, on testattu, ja toiminnallinen sähköstimulaatio on yksi käytetyimmistä.

Siksi tämän tutkimuksen tavoitteena on arvioida aivohalvauksen jälkeisen käsivarren motorisen palautumisen kokeellisen terapian etuja, joka sisältää P-300-pohjaiseen Brain-Computer Interface -järjestelmään (BCI-) yhdistetyn toiminnallisen sähköstimulaatiohoidon soveltamisen. FES). Tätä tarkoitusta varten tutkijat vertailevat kahta ryhmää, joista ensimmäinen saa vain tavanomaista fysio- ja toimintaterapiaa, kun taas toinen saa tavanomaista hoitoa yhdessä BCI-FES-hoidon kanssa.

Kolmekymmentäkolme koehenkilöä, joilla on pareettinen yläraaja ja joilla on ollut krooninen aivohalvaus, kutsutaan osallistumaan tutkimukseen. Heidät rekrytoidaan National Institute of Rehabilitation Luis Guillermo Ibarra Ibarran (INRLGII) neurologisen kuntoutusosaston potilastietokannan kautta sekä suoraan neurologiseen palveluun määrättyjen lääkäreiden kanssa, joita neuvotaan kutsumaan potilaat, joilla on krooninen aivohalvaus ja sisällyttämiskriteerien ominaisuudet.

Heidät satunnaistetaan kahteen ryhmään: koeryhmä saa P300-BCI-FES-hoitoa yhdessä tavanomaisen fysio- ja toimintaterapian kanssa ja kontrolliryhmä saa vain tavanomaista fysio- ja toimintaterapiaa. Satunnaistaminen ositetaan ottaen huomioon pääasiassa seuraavat muuttujat: lähtötason FMA-UE pisteet ja ikä.

Sosiodemografiset muuttujat ja asiaankuuluva kliininen historia kerätään. Lisäksi suoritetaan sarja kliinisiä mittauksia testeillä, joiden avulla saadaan selville yläraajan toimintatason aste ja itsenäkemys niiden kyvystä käyttää sitä päivittäisessä toiminnassa seuraavien asteikkojen avulla: FMA- UE: Fugl-Meyer Assessment Scale of Upper Extremit, ARAT: Action Research Arm Test, MAS: Modified Ashworth Scale, FIM: Functional Independence Measure, MAL: Motor Activity Log. Nämä testit suoritetaan ennen interventiota ja sen jälkeen molemmissa ryhmissä.

P300-BCI-FES-järjestelmällä suoritetaan 20 kuntoutuskertaa, joiden kesto on noin 1 tunti, viisi kertaa viikossa 4 viikon ajan. Intensiiviseen kuntoutukseen päätettiin ryhtyä, koska intensiivistä kuntoutusta saavilla aivohalvauspotilailla on ollut suurempi tehokkuus ja korkeampi toipumisaste kuin niillä, jotka eivät saa intensiivistä kuntoutusta. Lääkäri ja lääketieteen tekniikan osaston tutkijaryhmä toteuttavat kuntoutusistunnot yhdessä. Lääketieteen tekniikan tutkijat vastaavat järjestelmän teknisistä puolista sekä FES- että BCI-puolella. Toisaalta lääkäri vastaa potilas- ja terapianäkökohdista, varmistaa, että liikkeet suoritetaan mahdollisimman luonnollisesti ja arvioi jatkuvasti turvallisuutta ja väsymystä istuntojen aikana.

Interventioon käytettävä P300 BCI-FES -järjestelmä koostuu pääosin kahdesta lääketieteellisestä laitteesta ja tietokoneesta, joka suorittaa lääkinnällisten laitteiden ja BCI:n toimintaa ohjaavia ohjelmia. Lääketieteelliset laitteet koostuvat biolääketieteellisestä signaalinkeräysjärjestelmästä (g.Nautilus, g.tec medical engineering GmbH, Schiedlberg, Itävalta) ja sähköisestä stimulaatiojärjestelmästä (Rehastim 2, Hasomed GmbH, Magdeburg, Saksa). Molemmat laitteet ovat lääkinnällisiä laitteita koskevan kansainvälisen standardin (IEC/EN 60601) mukaisia.

Yleisesti ottaen BCI (signaalin hankintajärjestelmä + ohjausohjelmisto) vastaa potilaan valitseman liikkeen määrittämisestä ja vastaavan komennon lähettämisestä Neuroprosthesille (stimulaattori + ohjausohjelmisto), joka puolestaan ​​lähettää stimulaatiosekvenssit vastaavalle elektrodit, jotka auttavat potilaan liikkumista yläraajan toiminnallisten tehtävien harjoittamisen aikana.

Potilaita pyydetään käyttämään mukavia vaatteita, pestyt ja kuivat hiukset ilman voiteita tai geelejä. EEG-signaalien tallentamiseen käytetään langatonta tiedonkeruujärjestelmää. EEG-signaalit tallennetaan 13 EEG-kanavalta käyttämällä laajennettua kansainvälistä järjestelmää 10-20 (F3, F4, Cz, C3, C4, Pz, P3 P4, PO3, PO4, PO7, PO8, Oz, yhteinen viite oikeaan korvalehteen, maadoitettu AFz:ssä). Ohjelmoitavaa sähköstimulaattoria Rehastim 2 käytetään sähköstimulaatioon. BCI2000-ohjelmistoalustaa käytetään suorittamaan kaikki BCI-tehtävät: EEG-signaalin hankinta, ERP-ominaisuuden erottaminen, signaalin käsittely ja luokittelu sekä lopuksi käyttäjän valitseman kohteen liikkeen ennustaminen. Kun kohdeliike on valittu, BCI lähettää vastaavan lähtökomennon FES-ohjauslohkoon, joka on kehitetty MATLAB 2017b:ssä ja Simulinkissä, mikä puolestaan ​​aktivoi FES-järjestelmän.

Kuntoutusistuntojen suorittamiseen yllä ehdotetulla P300-BCI-FES-järjestelmällä käytetään klassisen matriisijärjestelmän "P300 Donchin Speller Interface" modifioitua versiota, jossa kirjaimet ja merkit korvataan kuvilla käsien liikkeistä ja eleistä, mukaan lukien : käden avaaminen, tarttuminen, puristaminen, pronaatio ja supinaatio. BCI-lähestymistapa perustuu "oddball-paradigmaan", joka perustuu siihen, että käyttäjä tunnistaa tietoisesti käden liikkeen tai eleen sisältävän kohteen voimistumisen (värinmuutoksen ja koon kasvun) muiden ei-kohteen sekvenssien sisällä. satunnaisia ​​visuaalisia ärsykkeitä. Tämä herättää P300-komponentin tapahtumaan liittyvässä potentiaalissa.

Kalibrointiistunto suoritetaan, jotta saadaan ensimmäinen tietue EEG-signaaleista, joita käytetään luokittelualgoritmin opettamiseen (vaiheittainen menetelmä lineaarinen erotteluanalyysi, SWLDA) käyttämällä BCI2000-alustan P3Classifier-työkalua. Tässä kalibrointiistunnossa saatuja luokittelukertoimia käytetään BCI-FEST-istunnon aikana käyttäjän valitsemien kohteiden ennustamiseen.

Lisäksi kuntoutusistunnot jaetaan 4 vaiheeseen. Ensimmäinen vaihe koostuu toiminnan tarkkailusta ja kohteen valinnasta; tässä vaiheessa kohdetta pyydetään kiinnittämään huomionsa tiettyyn kuvaan 20-30 sekunnin ajan ja häntä pyydetään laskemaan, kuinka monta kertaa kuvaa tehostetaan; heitä pyydetään myös ajattelemaan, että heidän oma kätensä suorittaa havaitun liikkeen. Vaiheessa 2 heitä pyydetään tekemään samoin kuin vaiheessa yksi, mutta lisäksi heitä pyydetään yrittämään vapaaehtoisesti suorittaa näytöllä esimerkkinä esitetty liike. Kolmannessa vaiheessa heitä pyydetään tekemään samoin kuin ensimmäisessä vaiheessa, mutta tässä vaiheessa palautetta annetaan FES:n avulla, mutta heitä pyydetään vain tarkkailemaan liikettä passiivisesti, tekemättä vapaaehtoisia liikkeitä. Vaiheessa 4 sen lisäksi, mitä vaiheessa 3 tehdään, heitä pyydetään suorittamaan tehtävä, joka sisältää toiminnallisen liikkeen (päivittäisessä toiminnassa käytettävillä välineillä); Tällä tavoin heitä ohjataan synkronoimaan vapaaehtoiset liikkeensä FES:n aiheuttamien liikkeiden kanssa, jolloin he voivat suorittaa toiminnallisen tehtävän. Toimenpiteen aikana tarkkaillaan huolellisesti mahdollista visuaalista väsymystä, heikentynyttä keskittymiskykyä/näkökykyä, lihasväsymystä, kipua yläraajan nivelissä, ihoärsytystä/punoitusta elektrodien alla.

FES-kalibrointi suoritetaan neljällä parilla transkutaanisia liimaelektrodeja, jotka on jaettu kahteen kanavaan, joista toinen vastaa ranteen ja sormien koukistuslihasten aktivoinnista ja toinen ranteen ja sormien ojentajalihasten aktivoinnista. Näiden elektrodien anatomiset kohteet ovat mediaani-, kyynär- ja säteittäishermot, jotka hermottavat ranteen ja sormien koukistus-ojentajalihaksia. Kanava 1 aktivoi ranteen koukistajat flexor carpi radialis ja flexor carpi ulnaris; kanava 2 aktivoi sormen koukistajat palmaris longus, flexor digitorum superficialis, flexor digitorum profundus; kanava 3 aktivoi ranteen ojentajat extensor carpi radialis longus, extensor carpi radialis brevis, extensor carpi ulnaris; kanava 4 aktivoi sormen extensorit digitorum, extensor digiti minimi, extensor indicis, extensor pollicis brevis, extensor pollicis longus.

Perinteistä fysio- ja toimintaterapiaa tarjotaan yli 20 yhden tunnin mittaista hoitokertaa 5 kertaa viikossa 4 viikon ajan sekä kontrolli- että koeryhmissä, jotta varmistetaan sama annostus molempien ryhmien välillä. Potilaita pyydetään käyttämään mukavia vaatteita ja heille tarjotaan erilaisia ​​fysioterapeutin tai laillistetun terveydenhuollon ammattilaisen johtamia harjoituksia, jotka työskentelevät sairaan yläraajan proprioseptiivisten ja sensorimotoristen komponenttien kanssa lihasryhmissä: olkapää ja käsivarsi, kyynärpää ja kyynärvarsi, ranne, käsi ja sormet; parantaakseen voimaa ja asennon hallintaa, vähentää spastisuutta ja ylläpitää liikkuvuusalueita. Samoin järjestetään muita harjoituksia itsenäisyyden parantamiseksi arjen toiminnassa. Näihin kuuluvat esimerkiksi lasin poimiminen, palloon tarttuminen ja irrottaminen, hammasharjan käyttö, paidan/paidan pukeminen, hedelmän/vihanneksen leikkaaminen jne.

FMRI:n osalta suoritetaan kaksi arviointia neuroplastisuuteen liittyvien muutosten määrittämiseksi, yksi ennen interventiota ja yksi sen jälkeen. Tätä tarkoitusta varten potilaita pyydetään käyttämään mukavia ja väljiä vaatteita välttäen metalliosien käyttöä. Noin tunnin kestävän tutkimuksen menettely ja kesto selostetaan sekä magneettikuvaustutkimusten aikana mahdollisesti ilmenevät sivuvaikutukset, jotka ovat yleensä lieviä tai kohtalaisia, mukaan lukien: korvien soiminen, parestesia, hyperestesia , lihasten nykiminen, päänsärky, huimaus, selkäkipu, uneliaisuus, ärtyneisyys, ahdistuneisuus, pahoinvointi ja kserostomia, mikä selventää, että potilas voi keskeyttää tutkimuksen, jos hänellä on suuria epämukavuutta. Lisäksi lääkäri on läsnä tutkimusten aikana tarkkailemassa ja ratkaisemassa mahdollisia tilanteita.

Kokeellisessa suunnittelussa käytetään lepotilan fMRI:tä, jonka avulla voidaan arvioida toiminnallista liitettävyyttä. Myös lateraalisuusindeksiä (LI) käytetään arvioimaan aivokuoren aktiivisuuden lateralisaatiota ja kvantifioimaan palautumista. Tämä lateraalisuusindeksi lasketaan fMRI-signaalin muutoksen suuruuden perusteella arvioiduilla kiinnostavilla alueilla, ja se esitetään seuraavasti: LI = ROIAff-ROIUnaff / ROIAff+ROIUnaff, jossa ROIAff ja ROIUnaff edustavat fMRI:n osoittamaa aktiivisuutta sairastuneella. ja vaikutamattomille kiinnostaville alueille, vastaavasti. Tämä laskelma antaa luvun välillä -1 ja +1, jolloin positiiviset arvot osoittavat lateralisaatiota vahingoittuneen pallonpuoliskoon päin ja negatiiviset arvot osoittavat lateralisaatiota kohti vahingoittumatonta pallonpuoliskoa. Huomaa, että arvioitavia alueita ovat kunkin pallonpuoliskon ensisijainen motorinen alue (M1), primaarinen somatosensorinen alue (S1), dorsaalinen premotorinen aivokuori (PMd) ja ventraalinen premotorinen aivokuori (PMv), täydentävä motorinen alue (SMA). ja esitäydentävä motorinen alue (pre-SMA) sekä ylempi parietaalilohko (BA7).