BCI-FES per la riabilitazione dell'arto superiore nell'ictus cronico (BCI-FES)

Circa un terzo dei pazienti colpiti da ictus presenta una disabilità grave e permanente, secondaria a sequele motorie e mobilità ridotta. La terapia fisica ed occupazionale rappresenta la principale alternativa riabilitativa nei pazienti con arto superiore paretico, tuttavia, nonostante ciò, dopo sei mesi dall'evento circa 2/3 dei pazienti non saranno ancora in grado di utilizzare l'arto nelle attività della vita quotidiana.

Ciò ha portato allo sviluppo di nuove alternative terapeutiche in grado di potenziare gli effetti della terapia fisica convenzionale. L'utilizzo di interfacce cervello-computer rappresenta un paradigma nella neuroriabilitazione dell'arto superiore poiché è in grado di interpretare le intenzioni dell'utente e permettergli di interagire con l'ambiente facilitando l'esecuzione del movimento. Sono stati testati alcuni dispositivi effettori che facilitano l'esecuzione di questo movimento, tra cui la stimolazione elettrica funzionale è uno dei più utilizzati.

Pertanto, l'obiettivo di questa ricerca è valutare i benefici di una terapia sperimentale per il recupero motorio del braccio dopo un ictus, che include l'applicazione di una terapia di stimolazione elettrica funzionale accoppiata al sistema Brain-Computer Interface basato su P-300 (BCI- FES). A questo scopo, i ricercatori confronteranno due gruppi, il primo riceverà solo terapia fisica e occupazionale convenzionale, mentre il secondo riceverà terapia convenzionale insieme alla terapia BCI-FES.

Trentatré soggetti con arto superiore paretico e storia di ictus cronico saranno invitati a partecipare allo studio. Questi saranno reclutati attraverso il database dei pazienti del dipartimento di riabilitazione neurologica dell'Istituto Nazionale di Riabilitazione Luis Guillermo Ibarra Ibarra (INRLGII), così come direttamente con i medici assegnati al servizio di neurologia che saranno incaricati di invitare pazienti con ictus cronico e le caratteristiche dei criteri di inclusione.

Saranno randomizzati in due gruppi: il gruppo sperimentale riceverà la terapia P300-BCI-FES insieme alla terapia fisica e occupazionale convenzionale e il gruppo di controllo riceverà solo la terapia fisica e occupazionale convenzionale. La randomizzazione sarà stratificata tenendo conto principalmente delle seguenti variabili: punteggio FMA-UE al basale ed età.

Verranno raccolte le variabili sociodemografiche e la storia clinica rilevante. Inoltre, verranno eseguite una serie di misurazioni cliniche attraverso una batteria di test che permetteranno di conoscere il grado di livello funzionale dell'arto superiore e l'autopercezione riguardo alla propria capacità di utilizzarlo nelle attività quotidiane attraverso le seguenti scale: FMA- UE: scala di valutazione Fugl-Meyer degli arti superiori, ARAT: test del braccio di ricerca d'azione, MAS: scala di Ashworth modificata, FIM: misura dell'indipendenza funzionale, MAL: registro dell'attività motoria. Questi test verranno eseguiti prima e alla fine dell'intervento in entrambi i gruppi.

Verranno eseguite venti sedute riabilitative con il sistema P300-BCI-FES della durata di circa 1 ora, in ragione di cinque sedute a settimana per 4 settimane. Si è deciso di fornire una terapia intensiva, poiché nei pazienti con ictus che ricevono riabilitazione intensiva sono stati riscontrati una maggiore efficacia e un grado di recupero più elevato rispetto a quelli che non ricevono riabilitazione intensiva. Insieme, il medico e il gruppo di ricercatori della divisione di ingegneria medica condurranno le sessioni di riabilitazione. I ricercatori di ingegneria medica saranno responsabili degli aspetti tecnici del sistema, sia lato FES che BCI. Il medico, invece, si occuperà degli aspetti del paziente e della terapia, verificando che i movimenti vengano eseguiti nel modo più naturale possibile e valutando continuamente la sicurezza e l'affaticamento durante le sedute.

Il sistema P300 BCI-FES, da utilizzare per l'intervento, è composto principalmente da due dispositivi medici e da un computer su cui sono eseguiti i programmi che controllano il funzionamento dei dispositivi medici e della BCI. L'attrezzatura medica è costituita da un sistema di acquisizione del segnale biomedico (g.Nautilus, g.tec medical engineering GmbH, Schiedlberg, Austria) e da un sistema di stimolazione elettrica (Rehastim 2, Hasomed GmbH, Magdeburgo, Germania). Entrambi i dispositivi sono conformi allo standard internazionale per i dispositivi medici (IEC/EN 60601).

In generale, il BCI (sistema di acquisizione del segnale + software di controllo) ha il compito di determinare il movimento selezionato dal paziente e di inviare il comando corrispondente alla Neuroprotesi (stimolatore + software di controllo), che a sua volta invia le sequenze di stimolazione al corrispondente elettrodi, per assistere il movimento del paziente durante la pratica dei compiti funzionali dell'arto superiore.

Ai pazienti verrà chiesto di indossare abiti comodi, capelli lavati e asciutti, senza aver applicato creme o gel. Verrà utilizzato un sistema di acquisizione wireless per registrare i segnali EEG. I segnali EEG verranno registrati da 13 canali EEG utilizzando il sistema internazionale esteso 10-20 (F3, F4, Cz, C3, C4, Pz, P3 P4, PO3, PO4, PO7, PO8, Oz, riferimento comune nel lobo dell'orecchio destro, terra in AFz). Per la stimolazione elettrica verrà utilizzato l'elettrostimolatore programmabile Rehastim 2. La piattaforma software BCI2000 verrà utilizzata per eseguire tutte le attività BCI: acquisizione del segnale EEG, estrazione delle funzionalità ERP, elaborazione e classificazione del segnale e infine previsione del movimento del target selezionato dall'utente. Una volta selezionato il movimento target, la BCI invia il comando di uscita corrispondente al blocco di controllo FES, sviluppato in MATLAB 2017b e Simulink, che a sua volta attiva il sistema FES.

Per condurre le sedute riabilitative con il sistema P300-BCI-FES sopra proposto, verrà utilizzata una versione modificata del classico sistema a matrice “P300 Donchin Speller Interface”, dove le lettere e i caratteri verranno sostituiti da immagini di movimenti e gesti della mano tra cui : apertura, presa, pizzicamento, pronazione e supinazione delle mani. L'approccio BCI si baserà sul "paradigma stravagante", basandosi sul riconoscimento cosciente da parte dell'utente dell'intensificazione (cambiamento di colore e aumento delle dimensioni) di un target specifico contenente un movimento o un gesto della mano, all'interno di una sequenza di altri non target stimoli visivi casuali. Ciò susciterà il componente P300 nel potenziale correlato all'evento.

Verrà effettuata una sessione di calibrazione per ottenere una prima registrazione dei segnali EEG che verrà utilizzata per addestrare un algoritmo di classificazione (metodo stepwises analisi di discriminazione lineare, SWLDA), utilizzando lo strumento P3Classifier della piattaforma BCI2000. I coefficienti del classificatore ottenuti in questa sessione di calibrazione verranno utilizzati durante la sessione BCI-FEST per prevedere i target selezionati dall'utente.

Inoltre, le sedute riabilitative saranno suddivise in 4 fasi. La prima fase consisterà nell'osservazione dell'azione e nella selezione del target; in questa fase al soggetto verrà chiesto di mantenere l'attenzione su una determinata immagine per 20-30 secondi e verrà chiesto di contare il numero di volte in cui l'immagine viene intensificata; verrà inoltre chiesto loro di pensare che sia la propria mano ad eseguire il movimento osservato. Nella fase 2 verrà chiesto loro di fare le stesse operazioni della fase 1 ma in più verrà chiesto loro di provare ad eseguire volontariamente il movimento esemplificato sullo schermo. Nella fase tre verrà chiesto loro di fare lo stesso della prima fase, ma in questa fase verrà fornito il feedback con la FES, ma verrà chiesto loro solo di osservare passivamente il movimento, senza compiere alcun movimento volontario. Nella fase 4, oltre a quanto verrà svolto nella fase 3, verrà chiesto loro di svolgere un compito che preveda un movimento funzionale (con utensili utilizzati nelle attività quotidiane); in questo modo verranno istruiti a sincronizzare i loro movimenti volontari con quelli indotti dalla FES, permettendo loro così di svolgere il compito funzionale. Durante l'intervento verrà attentamente monitorata l'eventuale presenza di affaticamento visivo, diminuzione della concentrazione/attenzione visiva, affaticamento muscolare, dolore alle articolazioni degli arti superiori, irritazione/arrossamento cutaneo sotto gli elettrodi.

La calibrazione FES verrà eseguita con quattro coppie di elettrodi adesivi transcutanei, divisi in due canali, uno responsabile dell'attivazione dei muscoli flessori del polso e delle dita e l'altro responsabile dell'attivazione dei muscoli estensori del polso e delle dita. I bersagli anatomici di questi elettrodi saranno i nervi mediano, ulnare e radiale, che innervano i muscoli flessori-estensori del polso e delle dita. Il canale 1 attiverà i flessori del polso, flessore radiale del carpo e flessore ulnare del carpo; il canale 2 attiverà i flessori palmare lungo, flessore superficiale delle dita, flessore profondo delle dita; il canale 3 attiverà gli estensori del polso: estensore radiale lungo del carpo, estensore radiale breve del carpo, estensore radiale del carpo ulnare; il canale 4 attiverà gli estensori delle dita: estensore delle dita, estensore delle dita minime, estensore degli indici, estensore breve del pollice, estensore lungo del pollice.

La terapia fisica e occupazionale convenzionale sarà fornita nell'arco di 20 sessioni della durata di un'ora, al ritmo di 5 sessioni a settimana per 4 settimane, sia nel gruppo di controllo che in quello sperimentale per garantire un dosaggio uguale tra entrambi i gruppi. Ai pazienti verrà chiesto di indossare abiti comodi e verranno proposti vari esercizi guidati da un fisioterapista o da un operatore sanitario certificato, lavorando con le componenti propriocettive e sensomotorie dell'arto superiore interessato, nei gruppi muscolari: spalla e braccio, gomito e avambraccio, polso, mano e falangi; al fine di migliorare la forza e il controllo posturale, ridurre la spasticità e mantenere i range di mobilità. Allo stesso modo verranno forniti altri esercizi per migliorare l'indipendenza nelle attività della vita quotidiana. Ciò includerà attività come prendere un bicchiere, afferrare e rilasciare una pallina, usare uno spazzolino da denti, indossare una maglietta/maglietta, tagliare un frutto/verdura, ecc.

In relazione alla fMRI, verranno eseguite due valutazioni per determinare i cambiamenti associati alla neuroplasticità, una pre-intervento e una post-intervento. A tale scopo verrà chiesto ai pazienti di indossare indumenti comodi e larghi, evitando l'uso di componenti metallici. Verrà spiegata la procedura e la durata dello studio, che dura circa 1 ora, nonché i possibili effetti collaterali che possono verificarsi durante gli studi MRI, che solitamente sono lievi o moderati, tra cui: ronzio nelle orecchie, parestesia, iperestesia , contrazioni muscolari, mal di testa, vertigini, mal di schiena, sonnolenza, irritabilità, ansia, nausea e xerostomia, chiarendo che il paziente può interrompere lo studio in caso di disagio maggiore. Inoltre, durante gli studi sarà presente un medico per monitorare e risolvere ogni eventualità.

Per il disegno sperimentale verrà utilizzata la fMRI a riposo, consentendo di valutare la connettività funzionale. Inoltre, verrà utilizzato un indice di lateralità (LI) per valutare la lateralizzazione dell'attività corticale e per quantificare il recupero. Questo indice di lateralità sarà calcolato in base all'entità della variazione del segnale fMRI nelle regioni di interesse valutate ed è rappresentato come: LI = ROIAff-ROIUnaff / ROIAff+ROIUnaff, dove ROIAff e ROIUnaff rappresentano l'attività evidenziata dalla fMRI nelle regioni interessate e regioni di interesse non interessate, rispettivamente. Questo calcolo produrrà un numero compreso tra -1 e +1, con valori positivi che indicano la lateralizzazione verso l'emisfero interessato e valori negativi che indicano la lateralizzazione verso l'emisfero non interessato. Da notare, le regioni di interesse da valutare saranno l'area motoria primaria (M1) di ciascun emisfero, l'area somatosensoriale primaria (S1), la corteccia premotoria dorsale (PMd) e la corteccia premotoria ventrale (PMv), l'area motoria supplementare (SMA). e l'area motoria pre-supplementare (pre-SMA), nonché il lobo parietale superiore (BA7).