만성 뇌졸중의 상지 재활을 위한 BCI-FES (BCI-FES)

뇌졸중을 앓는 환자의 약 1/3은 운동 후유증과 이동성 저하로 인해 심각하고 영구적인 장애를 갖게 됩니다. 물리 치료 및 작업 치료는 마비된 상지 환자의 주요 재활 대안이지만, 그럼에도 불구하고 6개월이 지난 후에도 환자의 약 2/3는 여전히 일상 생활 활동에서 사지를 사용할 수 없습니다.

이로 인해 기존 물리치료의 효과를 향상시킬 수 있는 새로운 치료 대안이 개발되었습니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스의 사용은 사용자의 의도를 해석하고 동작 실행을 촉진하여 환경과 상호 작용할 수 있도록 하기 때문에 상지 신경 재활의 패러다임을 나타냅니다. 이러한 움직임 실행을 촉진하는 일부 이펙터 장치가 테스트되었으며 기능적 전기 자극이 가장 많이 사용되는 것 중 하나입니다.

따라서 본 연구의 목적은 뇌졸중 후 팔의 운동 회복을 위한 실험적 치료법의 이점을 평가하는 것입니다. 여기에는 P-300 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템(BCI- FES). 이를 위해 연구자들은 두 그룹을 비교할 것입니다. 첫 번째 그룹은 기존의 물리 및 작업 치료만 받고 두 번째 그룹은 BCI-FES 요법과 함께 기존 치료를 받습니다.

상지 마비가 있고 만성 뇌졸중 병력이 있는 33명의 피험자가 연구에 참여하도록 초대됩니다. 이들은 국립 재활 연구소 루이스 기예르모 이바라 이바라(INRLGII)의 신경 재활 부서의 환자 데이터베이스를 통해 모집될 뿐만 아니라 만성 뇌졸중 및 포함 기준 특성.

이들은 두 그룹으로 무작위 배정됩니다. 실험 그룹은 기존의 물리 및 작업 치료와 함께 P300-BCI-FES 치료를 받고, 대조군은 기존의 물리 및 작업 치료만 받게 됩니다. 무작위화는 기본 FMA-UE 점수 및 연령과 같은 변수를 주로 고려하여 계층화됩니다.

사회인구학적 변수와 관련 임상 이력이 수집됩니다. 또한 상지의 기능적 수준과 일상 활동에서 상지를 사용할 수 있는 능력에 대한 자기 인식 정도를 알 수 있는 일련의 테스트를 통해 일련의 임상 측정을 다음 척도를 통해 수행합니다. FMA- UE: 상지의 Fugl-Meyer 평가 척도, ARAT: 동작 연구 팔 테스트, MAS: 수정된 Ashworth 척도, FIM: 기능적 독립 측정, MAL: 운동 활동 로그. 이러한 테스트는 두 그룹 모두에서 개입 전과 종료 시 수행됩니다.

20개의 재활 세션은 P300-BCI-FES 시스템을 사용하여 대략 1시간 동안, 4주 동안 주당 5회 세션 비율로 수행됩니다. 집중 재활을 받지 않은 뇌졸중 환자에 비해 집중 재활을 받은 뇌졸중 환자의 경우 더 큰 효과와 회복도가 나타났기 때문에 집중 치료를 제공하기로 결정했습니다. 의사와 의공학부 연구진이 함께 재활 세션을 진행합니다. 의료 공학 연구원들은 FES와 BCI 측면 모두에서 시스템의 기술적 측면을 담당하게 됩니다. 한편, 의사는 환자와 치료 측면을 담당하여 움직임이 최대한 자연스럽게 수행되는지 확인하고 세션 중에 안전성과 피로도를 지속적으로 평가합니다.

중재에 사용되는 P300 BCI-FES 시스템은 크게 두 개의 의료기기와 의료기기의 작동을 제어하는 ​​프로그램과 BCI를 실행하는 컴퓨터로 구성된다. 의료 장비는 생체의학 신호 획득 시스템(g.Nautilus, g.tec Medical Engineering GmbH, 오스트리아 쉬들베르크)과 전기 자극 시스템(Rehastim 2, Hasomed GmbH, 독일 마그데부르크)으로 구성됩니다. 두 장치 모두 의료기기에 대한 국제 표준(IEC/EN 60601)을 준수합니다.

광범위하게 말하면 BCI(신호 획득 시스템 + 제어 소프트웨어)는 환자가 선택한 움직임을 결정하고 해당 명령을 신경 보철물(자극기 + 제어 소프트웨어)에 보내는 역할을 담당합니다. 상지 기능 작업을 수행하는 동안 환자의 움직임을 돕기 위한 전극입니다.

환자는 편안한 옷을 입고 머리를 감고 말려야 하며 크림이나 젤을 바르지 않아야 합니다. 무선 획득 시스템은 EEG 신호를 기록하는 데 사용됩니다. EEG 신호는 확장된 국제 시스템 10-20(F3, F4, Cz, C3, C4, Pz, P3 P4, PO3, PO4, PO7, PO8, Oz, 오른쪽 귓불의 공통 참조, AFz에서 접지). 프로그래밍 가능한 전기 자극기 Rehastim 2는 전기 자극에 사용됩니다. BCI2000 소프트웨어 플랫폼은 EEG 신호 획득, ERP 특징 추출, 신호 처리 및 분류, 최종적으로 사용자가 선택한 목표 동작 예측 등 모든 BCI 작업을 수행하는 데 사용됩니다. 목표 모션이 선택되면 BCI는 MATLAB 2017b 및 Simulink에서 개발된 FES 제어 블록에 해당 출력 명령을 보내고, FES 시스템이 활성화됩니다.

위에서 제안한 P300-BCI-FES 시스템으로 재활 세션을 수행하기 위해 기존 매트릭스 시스템 "P300 Donchin Speller Interface"의 수정된 버전이 사용됩니다. 여기서 문자와 문자는 다음을 포함하는 손 움직임과 제스처의 이미지로 대체됩니다. : 손 열기, 잡기, 꼬집기, 내전 및 외전. BCI 접근 방식은 "이상한 패러다임"을 기반으로 하며, 다른 비대상 시퀀스 내에서 손 움직임이나 제스처를 포함하는 특정 대상의 강화(색상 변화 및 크기 증가)를 사용자가 의식적으로 인식하는 것에 의존합니다. 무작위 시각적 자극. 이는 이벤트 관련 잠재력에서 P300 구성 요소를 이끌어냅니다.

BCI2000 플랫폼의 P3Classifier 도구를 사용하여 분류 알고리즘(단계적 방법 선형 판별 분석, SWLDA)을 훈련하는 데 사용될 EEG 신호의 첫 번째 기록을 얻기 위해 교정 세션이 수행됩니다. 이 교정 세션에서 얻은 분류기 계수는 BCI-FEST 세션 중에 사용자가 선택한 목표를 예측하는 데 사용됩니다.

또한 재활 세션은 4단계로 나누어집니다. 첫 번째 단계는 행동 관찰과 목표 선택으로 구성됩니다. 이 단계에서 피험자는 특정 이미지에 20~30초 동안 주의를 집중하라는 요청을 받고 이미지가 강화된 횟수를 세도록 요청받게 됩니다. 그들은 또한 관찰된 움직임을 실행하는 것이 자신의 손이라고 생각하도록 요청받을 것입니다. 2단계에서는 1단계와 동일하게 수행하되 추가적으로 화면에 표시된 동작을 자발적으로 수행하도록 요청받습니다. 3단계에서는 첫 번째 단계와 동일한 작업을 수행하도록 요청 받지만 이 단계에서는 FES를 통해 피드백이 제공되지만 자발적인 움직임 없이 수동적으로 움직임을 관찰하도록 요청됩니다. 4단계에서는 3단계에서 수행할 작업 외에도 기능적 움직임(일상 활동에 사용되는 도구 사용)과 관련된 작업을 수행하도록 요청받습니다. 이런 식으로 그들은 자발적인 움직임을 FES에 의해 유도된 움직임과 동기화하도록 지시를 받아 기능적 작업을 수행할 수 있습니다. 개입 중에 시각적 피로, 집중력/시각적 주의력 감소, 근육 피로, 상지 관절 통증, 전극 아래의 피부 자극/발적 등이 나타날 수 있는지 주의 깊게 모니터링합니다.

FES 교정은 4쌍의 경피 접착 전극으로 수행되며, 이는 두 개의 채널로 나누어져 있는데, 하나는 손목과 손가락의 굴근을 활성화하는 역할을 담당하고 다른 하나는 손목과 손가락의 신근 근육을 활성화하는 역할을 합니다. 이러한 전극의 해부학적 목표는 손목과 손가락의 굴근-신근 근육에 신경을 분포시키는 정중 신경, 척골 신경 및 요골 신경입니다. 채널 1은 손목 굴곡근인 요측 수근 굴곡근과 척측 수근 굴곡근을 활성화합니다. 채널 2는 긴손바닥 굴곡근, 표재 굴곡근, 심지 굴곡근을 활성화합니다. 채널 3은 손목 신근인 장요측수근신근, 단요수근신근, 척측수근신근을 활성화합니다. 채널 4는 손가락 신전근, 손가락 신전근, 최소지 신전근, 지표 신전근, 단무지 신전근, 긴 무지 신전근을 활성화합니다.

전통적인 물리 및 작업 치료는 두 그룹 사이에 동일한 복용량을 보장하기 위해 대조군과 실험군 모두에서 4주 동안 주당 5회씩 1시간 동안 20회에 걸쳐 제공됩니다. 환자는 편안한 옷을 입어야 하며 물리 치료사 또는 인증된 건강 전문가가 이끄는 다양한 운동을 제공받으며, 영향을 받은 상지의 근육 그룹(어깨, 팔, 팔꿈치 및 팔뚝)의 고유 감각 및 감각 운동 구성 요소를 사용합니다. 손목, 손 및 지골; 근력과 자세 조절을 개선하고 경직을 줄이고 이동 범위를 유지하기 위해. 마찬가지로 일상 생활 활동에서 독립성을 향상시키기 위한 다른 운동도 제공됩니다. 여기에는 유리잔 집기, 공 잡기 및 놓기, 칫솔 사용하기, 셔츠/셔츠 입기, 과일/야채 자르기 등의 활동이 포함됩니다.

fMRI와 관련하여 신경가소성과 관련된 변화를 확인하기 위해 중재 전과 중재 후의 두 가지 평가가 수행됩니다. 이를 위해 환자는 편안하고 헐렁한 옷을 착용하고 금속 부품의 사용을 피해야 합니다. 약 1시간 동안 진행되는 연구 절차 및 기간뿐만 아니라 MRI 연구 중에 발생할 수 있는 부작용(귀 울림, 감각 이상, 감각 과민 등 일반적으로 경증 또는 중등도)에 대해 설명합니다. , 근육 경련, 두통, 현기증, 요통, 졸음, 과민성, 불안, 메스꺼움 및 구강 건조증 등 환자가 심각한 불편함을 느끼는 경우 연구를 중단할 수 있음을 명확히 했습니다. 또한, 연구 중에 의사가 참석하여 만일의 사태를 모니터링하고 해결하게 됩니다.

휴식 상태 fMRI는 실험 설계에 사용되어 기능적 연결성을 평가할 수 있습니다. 또한 측면성 지수(LI)를 사용하여 피질 활동의 측면화를 평가하고 회복을 정량화합니다. 이 측면성 지수는 평가된 관심 영역의 fMRI 신호 변화 크기를 기반으로 계산되며 다음과 같이 표시됩니다. LI = ROIAff-ROIUnaff / ROIAff+ROIUnaff, 여기서 ROIAff 및 ROIUnaff는 영향을 받은 영역에서 fMRI에 의해 입증된 활동을 나타냅니다. 영향을 받지 않은 관심 영역. 이 계산은 -1과 +1 사이의 숫자를 산출하며 양수 값은 영향을 받은 반구를 향한 편측화를 나타내고 음수 값은 영향을 받지 않은 반구를 향한 편측화를 나타냅니다. 참고로 평가할 관심 영역은 각 반구의 일차 운동 영역(M1), 일차 체성 감각 영역(S1), 등쪽 전운동 피질(PMd) 및 복부 전운동 피질(PMv), 보조 운동 영역(SMA)입니다. 및 사전 보충 운동 영역(pre-SMA) 및 상두정엽(BA7).