BCI-FES a felső végtagok rehabilitációjához krónikus stroke esetén (BCI-FES)

A stroke-on átesett betegek körülbelül egyharmada továbbra is súlyos és maradandó fogyatékossággal rendelkezik, ami másodlagos motoros következmények és mozgáskorlátozottság miatt. A fiziko- és foglalkozásterápia jelenti a fő rehabilitációs alternatívát a paretikus felső végtagban szenvedő betegeknél, azonban ennek ellenére az esemény hat hónapja után a betegek mintegy 2/3-a továbbra sem tudja használni a végtagot a mindennapi életében.

Ez új terápiás alternatívák kifejlesztéséhez vezetett, amelyek képesek fokozni a hagyományos fizikoterápia hatásait. Az agy-számítógép interfészek használata paradigmát jelent a felső végtag neurorehabilitációjában, mivel képes értelmezni a felhasználó szándékait, és lehetővé teszi számukra, hogy a mozgás végrehajtásának megkönnyítésével interakcióba lépjenek a környezettel. Néhány effektor eszközt teszteltek, amelyek megkönnyítik ezt a mozgás végrehajtását, a funkcionális elektromos stimuláció az egyik leggyakrabban használt.

Ezért ennek a kutatásnak az a célja, hogy értékelje egy kísérleti terápia előnyeit a kar stroke utáni motoros helyreállítására, amely magában foglalja a P-300 alapú Brain-Computer Interface rendszerhez (BCI-) kapcsolt funkcionális elektromos stimulációs terápia alkalmazását. FES). Ebből a célból a kutatók két csoportot hasonlítanak össze, az első csak a hagyományos fizikai és foglalkozási terápiát, míg a második a hagyományos terápiát BCI-FES terápiával együtt kapja.

Harminchárom, paretikus felső végtaggal rendelkező, krónikus stroke-on átesett alanyt hívnak meg a vizsgálatban való részvételre. Ezeket az Országos Rehabilitációs Intézet Luis Guillermo Ibarra Ibarra (INRLGII) neurológiai rehabilitációs osztályának betegadatbázisán keresztül, valamint közvetlenül a neurológiai szolgálathoz rendelt orvosokkal fogják felvenni, akiknek az lesz az utasítása, hogy hívják meg a krónikus stroke-ban szenvedő betegeket és a felvételi kritérium jellemzőit.

Véletlenszerűen két csoportra osztják őket: a kísérleti csoport P300-BCI-FES terápiát kap a hagyományos fizikai és foglalkozási terápiával együtt, a kontrollcsoport pedig csak a hagyományos fizikai és foglalkozási terápiát. A véletlenszerűsítést főként a következő változók figyelembevételével rétegzik: kiindulási FMA-UE pontszám és életkor.

A szociodemográfiai változókat és a releváns klinikai előzményeket össze kell gyűjteni. Ezen túlmenően egy sor klinikai mérést végeznek el egy sor teszten keresztül, amelyek lehetővé teszik a felső végtag funkcionális szintjének és önfelfogásának megismerését a napi tevékenységekben való felhasználási képességükről a következő skálákon keresztül: 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. Ezeket a teszteket mindkét csoportban elvégzik a beavatkozás előtt és végén.

Húsz rehabilitációs alkalom kerül végrehajtásra a P300-BCI-FES rendszerrel, körülbelül 1 órás időtartammal, heti öt alkalommal 4 héten keresztül. Intenzív terápia mellett döntöttek, mivel az intenzív rehabilitációban részesülő stroke-os betegeknél nagyobb hatékonyság és nagyobb gyógyulási fok volt tapasztalható, mint az intenzív rehabilitációban nem részesülőknél. Az orvos és az orvosmérnöki részleg kutatócsoportja közösen végzi a rehabilitációs foglalkozásokat. A rendszer műszaki vonatkozásaiért az orvosmérnök kutatók felelnek majd mind a FES, mind a BCI oldalon. Másrészt a beteg- és terápiás szempontokat az orvos irányítja, ellenőrzi, hogy a mozdulatok a lehető legtermészetesebben történjenek, és az ülések során folyamatosan értékeli a biztonságot és a fáradtságot.

A beavatkozáshoz használandó P300 BCI-FES rendszer döntően két orvostechnikai eszközből és az orvosi eszközök és a BCI működését vezérlő programokat futtató számítógépből áll. Az orvosi berendezés egy orvosbiológiai jelgyűjtő rendszerből (g.Nautilus, g.tec medical engineering GmbH, Schiedlberg, Ausztria) és egy elektromos stimulációs rendszerből (Rehastim 2, Hasomed GmbH, Magdeburg, Németország) áll. Mindkét készülék megfelel az orvosi eszközökre vonatkozó nemzetközi szabványnak (IEC/EN 60601).

Általánosságban elmondható, hogy a BCI (jelgyűjtő rendszer + vezérlőszoftver) felelős a páciens által kiválasztott mozgás meghatározásáért, és a megfelelő parancs elküldéséért a Neuroprosthesisnek (stimulátor + vezérlőszoftver), amely viszont elküldi a stimulációs szekvenciákat a megfelelő helyre. elektródák, amelyek segítik a páciens mozgását a felső végtagi funkcionális feladatok gyakorlása során.

A betegeknek kényelmes ruhát, mosott és száraz hajat kell viselniük, anélkül, hogy krémet vagy zselét alkalmaztak volna. Vezeték nélküli adatgyűjtő rendszert fognak használni az EEG-jelek rögzítésére. Az EEG jelek rögzítése 13 EEG csatornáról történik a 10-20 kiterjesztett nemzetközi rendszer segítségével (F3, F4, Cz, C3, C4, Pz, P3 P4, PO3, PO4, PO7, PO8, Oz, közös referencia a jobb fülcimpában, földelés AFz-ben). A Rehastim 2 programozható elektromos stimulátort elektromos stimulációra fogják használni. A BCI2000 szoftverplatformot az összes BCI-feladat elvégzésére használják majd: EEG-jelgyűjtés, ERP-funkciók kinyerése, jelfeldolgozás és -osztályozás, végül pedig a felhasználó által kiválasztott célmozgás előrejelzése. A célmozgás kiválasztása után a BCI elküldi a megfelelő kimeneti parancsot a MATLAB 2017b-ben és a Simulinkben kifejlesztett FES vezérlőblokknak, amely viszont aktiválja a FES rendszert.

A fent javasolt P300-BCI-FES rendszerrel végzett rehabilitációs foglalkozások lebonyolításához a klasszikus mátrixrendszer "P300 Donchin Speller Interface" módosított változatát használják, ahol a betűket és karaktereket kézmozdulatokat és gesztusokat ábrázoló képekkel helyettesítik, beleértve : kéznyitás, megfogás, csípés, pronáció és szupináció. A BCI-megközelítés a „furcsa paradigmán” fog alapulni, amely arra támaszkodik, hogy a felhasználó tudatosan felismeri egy kézmozdulatot vagy gesztust tartalmazó konkrét célpont felerősödését (színváltozását és méretének növekedését) egy másik, nem célpont sorozatán belül. véletlenszerű vizuális ingerek. Ez kiváltja a P300 komponenst az eseményhez kapcsolódó potenciálban.

Kalibrációs munkamenetet kell végezni az EEG-jelek első rekordjának megszerzésére, amelyet egy osztályozási algoritmus betanításához használnak (lépcsős módszerű lineáris diszkriminációs analízis, SWLDA), a BCI2000 platform P3Classifier eszközével. Az ebben a kalibrációs munkamenetben kapott osztályozó együtthatókat a BCI-FEST munkamenet során használják fel a felhasználó által kiválasztott célok előrejelzésére.

Ezenkívül a rehabilitációs foglalkozások 4 szakaszra oszlanak. Az első szakasz a cselekvés megfigyeléséből és a cél kiválasztásából áll; ebben a fázisban az alany arra kéri, hogy 20-30 másodpercig tartsa fenn a figyelmét egy adott képen, és számolja meg, hogy a kép hányszor lett felerősítve; arra is felkérik őket, hogy gondolják azt, hogy a saját kezük hajtja végre a megfigyelt mozgást. A 2. fázisban ugyanazt kell megtenniük, mint az első fázisban, de emellett arra kérik őket, hogy próbálják meg önként végrehajtani a képernyőn bemutatott mozdulatot. A harmadik fázisban ugyanarra kérik őket, mint az első fázisban, de ebben a fázisban a visszacsatolás a FES-szel történik, de csak passzívan, akaratlagos mozgás nélkül kell megfigyelniük a mozgást. A 4. fázisban a 3. fázisban elvégzett feladatokon túl olyan feladat elvégzésére is felkérik őket, amely funkcionális mozgással jár (a napi tevékenységek során használt eszközökkel); így utasítják őket, hogy akaratlagos mozdulataikat szinkronizálják a FES által indukáltakkal, így lehetővé válik a funkcionális feladat ellátása. A beavatkozás során gondosan ellenőrizni kell az esetleges látási fáradtságot, csökkent koncentrációt/látási figyelmet, izomfáradtságot, fájdalmat a felső végtag ízületeiben, bőrirritációt/bőrpírt az elektródák alatt.

A FES kalibráció négy pár transzcutan ragasztóelektródával történik, amelyek két csatornára oszlanak, az egyik a csukló és az ujjak hajlító izmainak aktiválásáért, a másik pedig a csukló és az ujjak feszítő izmainak aktiválásáért felel. Ezen elektródák anatómiai célpontjai a medián, az ulnaris és a radiális idegek lesznek, amelyek beidegzik a csukló és az ujjak hajlító-extensor izmait. Az 1. csatorna aktiválja a csuklóhajlító flexor carpi radialis és a flexor carpi ulnaris; a 2. csatorna aktiválja a palmaris longust, a flexor digitorum superficialis-t, a flexor digitorum profundus-t; a 3. csatorna aktiválja a csukló extensor extensor carpi radialis longus, extensor carpi radialis brevis, extensor carpi ulnaris; A 4-es csatorna aktiválja az ujjfeszítőket: extensor digitorum, extensor digiti minimi, extensor indicis, extensor pollicis brevis, extensor pollicis longus.

A hagyományos fizikai és foglalkozási terápiát több mint 20 alkalomból, egy órán keresztül, heti 5 alkalom gyakorisággal biztosítják 4 héten keresztül, mind a kontroll, mind a kísérleti csoportban, hogy biztosítsák a két csoport közötti egyenlő adagolást. A betegeknek kényelmes ruházatot kell viselniük, és gyógytornász vagy okleveles egészségügyi szakember vezetésével különféle gyakorlatokat végeznek az érintett felső végtag proprioceptív és szenzomotoros komponenseivel, izomcsoportokban: váll és kar, könyök és alkar, csukló, kéz és szájüreg; az erő és a testtartás szabályozásának javítása, a görcsösség csökkentése és a mobilitási tartományok fenntartása érdekében. Hasonlóképpen más gyakorlatokat is biztosítanak a mindennapi tevékenységekben való függetlenség javítása érdekében. Ez magában foglal olyan tevékenységeket, mint egy pohár felemelése, egy labda megfogása és elengedése, fogkefe használata, ing/ing felhúzása, gyümölcs/zöldség vágása stb.

Az fMRI-vel kapcsolatban két értékelést végeznek a neuroplaszticitással kapcsolatos változások meghatározására, egy beavatkozás előtti és egy beavatkozás utáni értékelést. Ebből a célból a betegeket kényelmes és bő szabású ruházat viselésére kérjük, kerülve a fém alkatrészek használatát. Elmagyarázzuk a körülbelül 1 órás vizsgálat menetét és időtartamát, valamint az MRI-vizsgálatok során esetlegesen fellépő, általában enyhe vagy közepesen súlyos mellékhatásokat, beleértve: fülzúgást, paresztéziát, hiperesztéziát. , izomrángások, fejfájás, szédülés, hátfájás, álmosság, ingerlékenység, szorongás, hányinger és xerostomia, egyértelművé téve, hogy a beteg nagyobb kellemetlenség esetén megszakíthatja a vizsgálatot. Ezenkívül egy orvos jelen lesz a vizsgálatok során, hogy figyelemmel kísérje és megoldja az esetleges eshetőségeket.

A kísérleti tervezéshez nyugalmi állapotú fMRI-t használnak, amely lehetővé teszi a funkcionális kapcsolódás értékelését. Ezenkívül egy laterális indexet (LI) használnak a kérgi aktivitás lateralizációjának értékelésére és a felépülés számszerűsítésére. Ezt a lateralitási indexet a vizsgált területeken az fMRI jel változásának nagysága alapján számítják ki, és a következőképpen ábrázolják: LI = ROIAff-ROIUnaff / ROIAff+ROIUnaff, ahol a ROIAff és a ROIUnaff az fMRI által igazolt aktivitást képviseli az érintettben. és a nem érintett érdeklődési területek. Ez a számítás -1 és +1 közötti számot ad, ahol a pozitív értékek az érintett félteke felé lateralizációt, a negatív értékek pedig a nem érintett félteke felé lateralizációt jelzik. Megjegyzendő, hogy az értékelendő területek az egyes féltekék elsődleges motoros területe (M1), az elsődleges szomatoszenzoros terület (S1), a dorsalis premotor cortex (PMd) és a ventrális premotoros kéreg (PMv), a kiegészítő motoros terület (SMA) és a pre-kiegészítő motoros terület (pre-SMA), valamint a felső parietális lebeny (BA7).