対病変ブレインコンピュータインターフェースによる慢性脳卒中リハビリテーション

この調査研究の目的は、コンピューターが脳波を分析できること、およびそれらの脳波を使用して外部デバイスを制御できることを示すことです。 さらに、この研究は、脳ベースの制御の結果として影響を受けた手の受動的な動きが、脳卒中の影響からのリハビリテーションを引き起こすことができるかどうかを示します.

脳卒中は、米国で最も一般的な神経疾患であり、年間 795,000 件の脳卒中が発生しています (Lloyd-Jones et al. 2009)。 生存者の 77% が上肢の運動機能の喪失を経験しています (Lawrence et al, 2001)。 急性脳卒中後の患者の運動回復は、脳卒中後 3 か月を超えて回復を達成する能力が明らかにプラトーになることによって複雑になります (Duncan et al. 1992; Jorgensen et al. 1995; Lloyd-Jones et al. 2009)。 生活の質が低下し、重要な医療リソースを必要とする大規模な患者集団は、慢性脳卒中生存者の機能的リハビリテーションを改善するための新しい方法を開発する緊急の必要性を煽っています。 慢性脳卒中生存者の影響を受けていない半球からの皮質信号を使用して、脳とコンピューターのインターフェイス (BCI) システムを制御し、機能回復を促進できることを提案します。 このようなリハビリテーション BCI システムの開発は、多くの慢性脳卒中患者が現在利用できない機能回復への道を提供するため、重要です。

被験者の選択:

参加者は、共同研究者および主任研究者の同僚の患者集団、ならびに主任研究者および同僚の以前の調査研究から募集されます。 以前の調査研究からの参加者も募集されます。 同僚は関心のある候補者に研究情報を提供し、候補者は研究スタッフによるスクリーニングを受ける場合は研究チームに連絡します。 患者は、研究への適格性を判断するために、一連のスクリーニングの質問を受けます。

研究方法

研究スタッフは、インフォームド コンセントのプロセスと文書化を完了した後、適格性について参加者をスクリーニングします。 研究の適格性をスクリーニングした後、参加者はグループ1またはグループ2に割り当てられます。グループ1の参加者は、機能的MRIイメージング（fMRI）および患者に適した可動域（ROM）のホームエクササイズプログラムを追加して研究を完了します。臨床専門家によって決定されます。 グループ 1 の参加者は、デバイスの使用と自宅での運動プログラムをそれぞれ 12 週間受けます。 参加者の半分は ROM プログラムの前にデバイスを使用し、半分は後でデバイスを使用します (つまり、クロスオーバー デザイン)。 神経画像スキャンは、デバイス使用の直前、ROM 療法の開始直前、および研究の完了時に行われます。 グループ 2 の参加者は、イメージングなしで研究に参加します。 適格性スクリーニングの後、MRIスキャンに参加する能力と意欲に基づいて、参加者はグループ1または2に分類されます。 この調査は 2 段階で実施されます。 フェーズ 1 では、各参加者は EEG 信号を記録するために最大 3 つのセッションを完了します。 記録のために、患者は、脳波電極が所定の位置にある研究グレードの脳波ヘッドセットを着用します。 信号は、ブレイン コンピューター インターフェイス ソフトウェアで記録されます。 参加者の EEG 信号が BCI を介した手装具を制御するのに十分である場合、彼らはこの研究のフェーズ 2 に進みます。 この研究のフェーズ 2 では、参加者は BCI 介在の手装具を発行され、自宅で毎日 (連続 7 日間のうち 5 日間) デバイスを最低 12 週間使用するようにアドバイスされます。 参加者は、4 週間、8 週間、および 12 週間のデバイス使用時に運動評価を受けます。 グループ 1 の患者は、ROM 療法と継続的な運動機能評価について同じスケジュールに従います。 参加者は、12 週間のデバイス使用時の運動評価によって証明されるように進歩を達成している場合、進行がプラトーになるまで自宅で毎日この治療法を利用し続けるように求められる場合があります。 これが発生した場合、参加者は追加のデバイス使用の 4 週間ごとに (最低 12 週間を超えて) 運動評価を完了する必要があります。 参加者は、影響を受けた上肢の運動回復の耐久性を評価するために、デバイス使用の6か月後に運動スクリーニングを完了するように連絡を受ける場合があります。

フェーズ 1 - EEG 信号の評価 参加者は、ロボットハンド装具を制御するための一貫した EEG 信号を見つけるために、2 回の EEG スクリーニング訪問を完了します。 最初の 2 回の EEG スクリーニングで一貫した信号を特定できなかった場合、参加者は 3 回目の EEG スクリーニングを完了するよう求められる場合があります。 EEG スクリーニング中、参加者は、電極座標の標準 10-20 システムのサブセットを備えた EEG ヘッドセットを着用します。 適切な接続は、信号検査を使用して検証されます。 7.5 分間の安静時のデータが記録されます。 第二に、参加者がコンピューター画面上で視覚的な合図/プロンプトを受け取り、合図ごとに 5 ～ 10 秒間、左手、右手、または両手の指のタッピングの動きを想像する運動イメージ タスクが完了します。 スクリーニングデータを分析して、デバイス制御に十分な皮質信号が存在することを確認します。 影響を受けていない半球のスペクトル パワーの変化は、r 二乗分析を使用して分析されます。 参加者は、デバイス制御を実現するために、モーターおよび運動前皮質領域の電極位置で大幅な電力変化を示す必要があります。

MRI 法:

この研究では、患者から構造、拡散テンソル イメージング (DTI) および静止状態 fMRI (rs-fMRI) を取得します。 構造画像は、T1 および T2 強調スキャンを使用して取得されます。 DTI スキャンは、300、1000、および 2000 s/mm² の b 値と、8、32、および 60 の拡散方向で取得されます。 ボリューム、放射状拡散率、分数異方性 (FA) などの路固有の測定値は、DTI データから取得されます。 約 22.5 分間の rs-fMRI を収集します (各 7.5 分のスキャンを 3 回)。 データは、空間平滑化、一時的なバンドパス フィルタリング、およびスプリアス分散のソースの回帰による除去を含む標準的な前処理ストリームを受けます。 動きによるアーティファクトを避けるために、データはボリューム打ち切りになります。

フェーズ 2 - BCI 療法と運動評価

EEG スクリーニングを完了した後、グループ 1 とグループ 2 の参加者は、ベースラインを確立するために、2 つの別々の日にオフィスで 2 セットの運動評価を完了します。 完了する必要があるこれらの評価は次のとおりです。

• UEFM
• 運動性指数
• 修正アッシュワース スケール (肘の屈曲、手首の屈曲)
• グロスグリップハンドダイナモメーター
• 腕の運動能力テスト (AMAT)

参加者にはデバイスが与えられ、最初の運動評価に続いて、臨床専門家によるその使用とケアのトレーニングを受けます。 各フォローアップの運動評価の訪問で、臨床専門家は参加者に各フォローアップでデバイスを持ってきてもらいます。 臨床専門家は、デバイスに保存されているすべてのデータをダウンロードし、質問や懸念事項に対処し、フィット感を修正し、必要に応じて自宅でのエクササイズ プログラムを修正します。

最終的な運動評価の訪問中に、参加者は、BCI リハビリテーション中に発生した可能性のある皮質活動の堅牢な変化を研究するために、ベースライン EEG 画面と同一の最終 EEG 画面を完了するよう求められます。 参加者は、デバイスのユーザー エクスペリエンスに関連するため、患者エクスペリエンス調査を完了するよう求められます。

患者は、研究への参加に対して払い戻されます。 EEG スクリーニングと運動評価は、それぞれ $25.00 のレートで払い戻されます。 MRI スキャンは、それぞれ 50.00 ドルの割合で払い戻されます。 プロトコルに関する研究を完了した患者は、ボーナス $50.00 のインセンティブを受け取ります。

リスク/安全情報 (デバイスの使用):

可能性: なし

可能性が低い: 反復的なコンピューター作業による疲労および/またはフラストレーション。 眼精疲労や疲労は、コンピューターの画面を長時間見続けることによって生じる可能性があります。

まれ: 筋肉の刺激に伴う軽度の不快感。

被験者が研究のどの部分に参加している間も、研究スタッフメンバーが利用できます。 実験中、患者はいつでも研究を中止することができ、不快感を感じた場合はセッションを遅らせたり終了したりできることに注意してください。 EEG ヘッドセットのバッテリー残量は非常に少ないため、リスクはありません。 ロボットハンド装具は、参加者の手を生理学的な可動範囲内で動かすように操作され、患者に物理的に害を及ぼすほど大きな力を加えることはありません。

さらに、参加は任意であり、個人はいつでも終了することを選択できます。

リスク/安全性情報 (MRI):

可能性: 軽度 - 疲労、スキャナーで横になっていることによる不快感。

可能性が低い: 軽度 - 閉所恐怖症の感覚。 スキャナの大きなノイズによる不快感。

レア: 生命を脅かす - 体内の金属物による負傷。 MRI スキャナーは高強度の磁石を使用しているため、体内に金属製の物体を持っている人にはかなりのリスクがあります。 これらの例には、手術後に体内に残った外科用ステープル、人工中耳または人工内耳、永久的なアイライナー、目の中に詰まった金属異物、心臓ペースメーカー、および膝または他の関節の内側のピンが含まれます. 患者の体内に MRI の安全性がテストされていない何らかの種類の金属物がある場合、研究の MRI 部分に参加できない場合があります。

研究の監督:

この研究への参加は任意です。 参加者は、何らかの理由で参加しないことを選択したり、何らかの理由で参加を取りやめたりすることができます。それ以外の場合は資格があるものの、ペナルティや利益の損失はなく、将来の医療に影響を与えることはありません。

研究代表者またはスポンサーは、理由の如何を問わず、参加者の同意なしにいつでも参加を中止することができます。 いくつかの理由には以下が含まれますが、これらに限定されません:

• 参加者に医学的に有害であると思われる場合。
• 参加者が研究に参加するための指示に従わなかった場合;
• 参加者が研究要件を満たしていないことが判明した場合。
• 研究がキャンセルされた場合。また
• 競争的登録を含む管理上の理由 - 目標数の被験者が研究に参加した

治験担当医師/治験責任医師は、治験全体を通して監督を行います。

データ分析・管理：

データは、次のような複数の手法で分析されます。

• 生のアナログ電気皮質活動を統計的に有意な信号プロファイルに変換するために、複数の数学的アルゴリズムが使用されます。 これらには、自己回帰分析、高速フーリエ変換、分散分析、信号対雑音比 (SNR) 技術、相互相関信号技術などのアプローチが含まれます。 これらの方法は、主にシグナルのオフライン分析に使用されます。
• フェーズ 2 では、運動機能 (UEFM、Motricity Index、Modified Ashworth、デバイスの使用中、およびデバイスの使用後の握力) のテストを使用して、上肢機能のリハビリ効果に対するデバイスの影響をテストします。
• フェーズ 2 では、治療前後の機能的結合パターンの変化を、次のように統計分析を使用して評価します。関心領域 (ROI) の構築。 ROI は、脳全体のボクセル単位の相関マップに対する ROI を作成するための「シード」として使用されます。相関マップの統計的手法 (参加者をランダム効果として扱い、Fischer-z 変換された相関マップのグループ効果をテストする分析、および以前に計算されたモンテカルロ シミュレーションを使用して複数の比較のために修正された結果のグループ マップ)。

UEFM は、統計的成功の主要な尺度として機能します。 治療を開始する前にベースライン テストを使用するため、スコアの正規分布を仮定した対応のある t 検定などの反復測定テストを使用します。 UEFM の上肢部分は、影響を受けた上肢の把握運動機能を評価します。 デバイスがこのドメインに最大の影響を与える可能性があるため、主要な統計結果はサブテストの把握に基づいています。 検出力の推定値は、対応のある T 検定で有意な結果を得るには 10 人の被験者で十分であることを示唆しています。減少を考慮して、最大 20 人の患者が登録されます。

機密性:

すべての臨床および実験データは、ランダムに生成されたコードが割り当てられることにより、匿名化されます。 さらに、コピーされた医療記録から追跡可能なすべてのデータも削除されます。 紙の記録は、施錠されたオフィス スイートの施錠されたキャビネットに保管されます。 電子記録は、ラボのコンピューターにパスワードで保護されたファイルとして保存されます。 研究チームのメンバーのみが記録にアクセスできます。 研究プロジェクトが完了した後、主任研究者はすべての電子ファイルを削除し、識別子を含む紙のフォームをシュレッダーにかけます。

研究チームのメンバーは、参加者と直接または電話で研究について話し合い、患者に研究について説明し、参加する意思があるかどうかを判断します。 ただし、患者様ご本人の同意とさせていただきます。

プロジェクトの目標:

このプロジェクトの最終的な目標は、運動障害のある脳卒中生存者の機能を回復するための、機能的で臨床的に実行可能な方法を開発することです。 新しいリハビリテーション方法の開発では、意図した筋肉の動きに応じて、脳卒中患者の運動障害側にロボットハンド装具を介して閉ループフィードバックを可能にするシステムを作成したいと考えています。 この方法が成功すれば、脳卒中生存者の運動学習と回復を促進する非侵襲的な方法となります。