Riabilitazione dell'ictus cronico con interfaccia cervello-computer contralesionale

Lo scopo di questo studio di ricerca è dimostrare che un computer può analizzare le onde cerebrali e che tali onde cerebrali possono essere utilizzate per controllare un dispositivo esterno. Inoltre, questo studio mostrerà se il movimento passivo della mano interessata come risultato del controllo basato sul cervello può causare la riabilitazione dagli effetti di un ictus.

L'ictus è il disturbo neurologico più comune negli Stati Uniti con 795.000 ictus all'anno (Lloyd-Jones et al. 2009). Dei sopravvissuti, il 77% sperimenta debolezza dovuta alla perdita della funzione motoria nell'arto superiore (Lawrence et al, 2001). Il recupero motorio nei pazienti con ictus post-acuto è complicato da un apparente plateau nella capacità di raggiungere il recupero oltre i 3 mesi dopo l'ictus (Duncan et al. 1992; Jorgensen et al. 1995; Lloyd-Jones et al. 2009). L'ampia popolazione di pazienti con una ridotta qualità della vita e che richiede risorse mediche significative alimenta l'urgente necessità di sviluppare nuovi metodi per migliorare la riabilitazione funzionale nei sopravvissuti a ictus cronico. Proponiamo che i segnali corticali dall'emisfero inalterato dei sopravvissuti all'ictus cronico possano essere utilizzati per controllare il sistema Brain-Computer Interface (BCI) per facilitare il recupero funzionale. Lo sviluppo di tali sistemi BCI riabilitativi è significativo perché fornisce un percorso per il recupero funzionale attualmente non disponibile per molti pazienti con ictus cronico.

Selezione del soggetto:

I partecipanti saranno reclutati da popolazioni di pazienti di collaboratori e colleghi del ricercatore principale, nonché da precedenti studi di ricerca del ricercatore principale e colleghi. Saranno reclutati anche partecipanti provenienti da precedenti studi di ricerca. I colleghi forniranno informazioni sullo studio ai candidati interessati e i candidati contatteranno il gruppo di ricerca se saranno selezionati dal personale dello studio. Ai pazienti verrà posta una serie di domande di screening per determinare la loro ammissibilità allo studio.

Metodi di studio

Il personale dello studio esaminerà i partecipanti per l'idoneità dopo aver completato il processo di consenso informato e la documentazione. Dopo lo screening per l'ammissibilità allo studio, il partecipante verrà assegnato al gruppo 1 o al gruppo 2. I partecipanti al gruppo 1 completeranno lo studio con l'aggiunta di imaging MRI funzionale (fMRI) e un programma di esercizi a casa del range di movimento (ROM) appropriato per il paziente come determinato da uno specialista clinico. I partecipanti del gruppo 1 saranno sottoposti a 12 settimane ciascuno di utilizzo del dispositivo e al programma di esercizi a casa. Metà dei partecipanti utilizzerà il dispositivo prima del programma ROM e metà dopo (ovvero un design crossover). Le scansioni di neuroimaging verranno eseguite immediatamente prima dell'uso del dispositivo, immediatamente prima dell'inizio della terapia ROM e al completamento dello studio. I partecipanti del gruppo 2 partecipano allo studio senza imaging. Dopo lo screening di idoneità, i partecipanti verranno inseriti nel Gruppo 1 o 2 in base alla capacità e alla volontà di partecipare alle scansioni MRI. Lo studio si svolgerà in due fasi. Nella Fase 1, ogni partecipante completerà fino a 3 sessioni per la registrazione dei segnali EEG. Per la registrazione, i pazienti indosseranno un auricolare EEG di grado di ricerca con elettrodi EEG in posizione. I segnali saranno registrati con il software di interfaccia del computer cerebrale. Se i segnali EEG del partecipante sono adeguati per il controllo di un'ortesi della mano mediata da BCI, continueranno alla fase 2 di questo studio. Fase 2 di questo studio, ai partecipanti verrà rilasciata un'ortesi per la mano mediata da BCI e verrà consigliato di utilizzare il dispositivo quotidianamente a casa (5 giorni consecutivi su 7) per un minimo di 12 settimane. Il partecipante avrà valutazioni motorie a 4 settimane, 8 settimane e 12 settimane di utilizzo del dispositivo. I pazienti del gruppo 1 seguono lo stesso programma per la terapia ROM e le valutazioni continue della funzione motoria. Se il partecipante sta ottenendo progressi come evidenziato dalle valutazioni motorie a 12 settimane di utilizzo del dispositivo, al partecipante può essere chiesto di continuare a utilizzare questa terapia quotidianamente a casa fino al raggiungimento del plateau. In tal caso, i partecipanti avrebbero completato le valutazioni motorie ogni 4 settimane di utilizzo aggiuntivo del dispositivo (oltre le 12 settimane minime). I partecipanti possono essere contattati per completare uno screening motorio 6 mesi dopo l'uso del dispositivo per valutare la durata del recupero motorio dell'arto superiore interessato.

Fase 1 - Valutazione del segnale EEG I partecipanti completeranno due visite di screening EEG per trovare un segnale EEG coerente per controllare l'ortesi della mano robotica. Ai partecipanti può essere chiesto di completare un terzo screening EEG se non è stato possibile identificare un segnale coerente nei primi due screening EEG. Durante le proiezioni EEG, i partecipanti indosseranno un auricolare EEG con un sottoinsieme del sistema standard 10-20 di coordinate dell'elettrodo. La corretta connessione verrà verificata mediante l'ispezione del segnale. Verrà registrato un set di dati a riposo di 7,5 minuti. In secondo luogo, verrà completato un compito di immaginazione motoria in cui i partecipanti riceveranno segnali/suggerimenti visivi sullo schermo di un computer per immaginare i movimenti di tocco delle dita della mano sinistra, della mano destra o di entrambe le mani per un periodo di 5-10 secondi per segnale. I dati di screening saranno analizzati per garantire che siano presenti segnali corticali sufficienti per il controllo del dispositivo. I cambiamenti di potenza spettrale nell'emisfero non interessato saranno analizzati utilizzando un'analisi r-quadrato. I partecipanti devono mostrare cambiamenti di potenza significativi nelle posizioni degli elettrodi del motore e delle aree corticali pre-motorie per ottenere il controllo del dispositivo.

Metodi di risonanza magnetica:

Otterremo l'imaging strutturale, del tensore di diffusione (DTI) e lo stato di riposo fMRI (rs-fMRI) dai pazienti in questo studio. Le immagini strutturali vengono acquisite utilizzando scansioni pesate in T1 e T2. Le scansioni DTI saranno acquisite con valori b di 300, 1000 e 2000 s/mm² e 8, 32 e 60 direzioni di diffusione. Misure specifiche del tratto, come volume, diffusività radiale e anisotropia frazionaria (FA) saranno ottenute dai dati DTI. Raccoglieremo circa 22,5 minuti di rs-fMRI (3 scansioni a 7,5 minuti ciascuna). I dati saranno sottoposti a un flusso di pre-elaborazione standard che include il livellamento spaziale, il filtraggio passa-banda temporale e la rimozione mediante regressione delle fonti di varianza spuria. I dati saranno censurati in volume per evitare artefatti indotti dal movimento.

Fase 2 - Terapia BCI e valutazioni motorie

Dopo aver completato gli screening EEG, i partecipanti al Gruppo 1 e al Gruppo 2 completeranno due serie di valutazioni motorie in ufficio in due giorni separati per stabilire una linea di base. Queste valutazioni da completare sono:

• UEFM
• Indice di motricità
• Scala di Ashworth modificata (flessione del gomito, flessione del polso)
• Dinamometro per mano a presa lorda
• Test di capacità motoria del braccio (AMAT)

I partecipanti riceveranno un dispositivo e saranno addestrati al suo uso e cura da uno specialista clinico dopo le valutazioni motorie iniziali. Ad ogni visita di valutazione motoria di follow-up, lo specialista clinico chiederà al partecipante di portare il proprio dispositivo in ogni follow-up. Lo specialista clinico scaricherà tutti i dati memorizzati sul dispositivo, risolverà eventuali domande o dubbi, modificherà l'adattamento del dispositivo e modificherà il programma di esercizi a casa secondo necessità.

Durante la visita di valutazione motoria finale, ai partecipanti verrà chiesto di completare uno schermo EEG finale identico allo schermo EEG di base al fine di studiare robusti cambiamenti nell'attività corticale che potrebbero essersi verificati durante la riabilitazione BCI. Al partecipante verrà inoltre chiesto di completare un sondaggio sull'esperienza del paziente in relazione all'esperienza dell'utente del dispositivo.

I pazienti saranno rimborsati per la loro partecipazione allo studio. Gli screening EEG e le valutazioni motorie saranno rimborsati a una tariffa di $ 25,00 ciascuno. Le scansioni MRI saranno rimborsate a una tariffa di $ 50,00 ciascuna. I pazienti che completano lo studio sul protocollo riceveranno un incentivo bonus di $ 50,00.

Informazioni sui rischi/sicurezza (uso del dispositivo):

Probabile: nessuno

Meno probabile: stanchezza da attività ripetitive al computer e/o frustrazione. Affaticamento degli occhi e affaticamento potrebbero derivare da tentativi prolungati, guardando lo schermo del computer per tutto il tempo.

Raro: lieve disagio associato alla stimolazione muscolare.

Un membro del personale di ricerca sarà disponibile mentre il soggetto partecipa a qualsiasi parte dello studio di ricerca. Durante la sperimentazione, al paziente verrà ricordato che può interrompere lo studio in qualsiasi momento e può ritardare o terminare qualsiasi sessione se avverte disagio. La carica della batteria dell'auricolare EEG è molto bassa e quindi non presenta alcun rischio. L'ortesi robotica della mano verrà utilizzata per muovere la mano dei partecipanti all'interno del loro raggio di movimento fisiologico e non eserciterà forze sufficientemente grandi da danneggiare fisicamente il paziente.

Inoltre, la partecipazione è volontaria e l'individuo può scegliere di terminare in qualsiasi momento.

Informazioni sui rischi/sicurezza (MRI):

Probabile: lieve: affaticamento, disagio dovuto allo scanner.

Meno probabile: Lieve - Sensazione di claustrofobia. Disagio dovuto al forte rumore dello scanner.

Raro: pericolo di vita - Ferita da oggetto metallico nel corpo. Esiste un rischio sostanziale per le persone che hanno oggetti metallici all'interno dei loro corpi, poiché lo scanner MRI utilizza un magnete ad alta resistenza. Esempi di questi includono graffette chirurgiche lasciate nel corpo dopo un intervento chirurgico, protesi dell'orecchio medio o impianti cocleari, eye liner permanente, oggetti metallici estranei alloggiati all'interno dell'occhio, pacemaker cardiaci e perni all'interno delle ginocchia o di altre articolazioni. Se i pazienti hanno qualsiasi tipo di oggetto metallico nel loro corpo che non è stato testato per la sicurezza della risonanza magnetica, non possono partecipare alla parte di risonanza magnetica dello studio.

Supervisione dello studio:

La decisione di partecipare a questo studio è volontaria. Il partecipante può scegliere di non partecipare o può ritirarsi dallo studio per qualsiasi motivo senza penalità o perdita dei benefici a cui ha altrimenti diritto e senza alcun effetto sulle future cure mediche.

Il ricercatore principale o lo sponsor possono interrompere la propria partecipazione in qualsiasi momento senza il consenso del partecipante per qualsiasi motivo. Alcuni motivi possono includere, ma non sono limitati a:

• Se sembra essere dannoso dal punto di vista medico per il partecipante;
• Se il partecipante non riesce a seguire le indicazioni per la partecipazione allo studio;
• Se si scopre che il partecipante non soddisfa i requisiti di studio;
• Se lo studio viene annullato; O
• Per motivi amministrativi, inclusa l'iscrizione competitiva, il numero target di soggetti è entrato nello studio

Il medico dello studio/ricercatore principale dello studio fornirà la supervisione durante tutta la sperimentazione clinica.

Analisi/gestione dei dati:

I dati saranno analizzati con molteplici tecniche, tra cui:

• Verranno utilizzati algoritmi matematici multipli per tradurre l'attività elettrocorticale analogica grezza in un profilo di segnale statisticamente significativo. Questi includerebbero approcci come l'analisi autoregressiva, le trasformate veloci di Fourier, l'analisi della varianza, la tecnica del rapporto segnale-rumore (SNR), la tecnica del segnale di correlazione incrociata, ecc. Questi metodi verrebbero utilizzati principalmente per l'analisi offline dei segnali.
• Nella fase 2, i test della funzione motoria (UEFM, indice di motricità, Ashworth modificato, forza di presa, durante l'uso del dispositivo e dopo l'utilizzo del dispositivo verranno utilizzati per testare l'impatto del dispositivo sugli effetti riabilitativi della funzione dell'arto superiore.
• Nella fase 2, i cambiamenti nei modelli di connettività funzionale prima e dopo il trattamento saranno valutati utilizzando l'analisi statistica come segue: costruzione di regioni di interesse (ROI); Il ROI verrà utilizzato come "seed" per creare il ROI per le mappe di correlazione voxel-wise dell'intero cervello; metodologie statistiche della mappa di correlazione (analisi che trattano i partecipanti come un effetto casuale per testare gli effetti di gruppo nelle mappe di correlazione trasformate di Fischer-z e mappe di gruppo risultanti corrette per confronti multipli utilizzando simulazioni Monte-Carlo calcolate in precedenza).

L'UEFM fungerà da misura primaria del successo statistico. Poiché utilizzeremo i test di base prima dell'inizio del trattamento, utilizzeremo un test a misure ripetute, come il t-test accoppiato, assumendo una normale distribuzione dei punteggi. La parte dell'estremità superiore dell'UEFM valuta la funzione motoria di presa nell'estremità superiore interessata. Il risultato statistico chiave si baserà sulla comprensione del sottotest poiché il dispositivo ha il maggiore impatto potenziale su questo dominio. Le stime di potenza suggeriscono che 10 soggetti saranno sufficienti per risultati significativi in ​​un test T accoppiato; saranno arruolati fino a 20 pazienti per consentire l'attrito.

Riservatezza:

Tutti i dati clinici e sperimentali saranno resi anonimi mediante l'assegnazione di un codice generato casualmente. Inoltre, verranno rimossi anche tutti i dati tracciabili dalle cartelle cliniche copiate. I registri cartacei saranno conservati in un armadietto chiuso a chiave in una suite per ufficio chiusa a chiave. I record elettronici saranno archiviati su un computer di laboratorio in un file protetto da password. Solo i membri del gruppo di studio avranno accesso ai record. Al termine del progetto di ricerca, il ricercatore principale eliminerà tutti i file elettronici e distruggerà tutti i moduli cartacei contenenti identificatori.

Un membro del gruppo di ricerca può discutere lo studio con il partecipante di persona o per telefono per descrivere lo studio al paziente e determinare se è disposto a partecipare. Tuttavia, il paziente sarà acconsentito di persona.

Obiettivo del progetto:

L'obiettivo finale di questo progetto è quello di sviluppare un metodo funzionante e clinicamente fattibile per ripristinare la funzione ai sopravvissuti a ictus con disabilità motoria. Nello sviluppo di un nuovo metodo di riabilitazione, speriamo di creare un sistema che consenta un feedback a ciclo chiuso attraverso un'ortesi robotica della mano sul lato con problemi motori dei pazienti colpiti da ictus in risposta ai movimenti previsti dei muscoli. Il metodo, in caso di successo, rappresenterebbe un metodo non invasivo per promuovere l'apprendimento motorio e il recupero nei sopravvissuti all'ictus.