BCI-FES for rehabilitering av øvre lemmer ved kronisk hjerneslag (BCI-FES)

Omtrent en tredjedel av pasientene som får hjerneslag forblir med en alvorlig og varig funksjonshemming, sekundært til motoriske følgetilstander og nedsatt bevegelighet. Fysio- og ergoterapi representerer det viktigste rehabiliteringsalternativet hos pasienter med paretisk overekstremitet, men til tross for dette vil ca. 2/3 av pasientene etter seks måneder etter hendelsen fortsatt være ute av stand til å bruke lemmen i sine daglige aktiviteter.

Dette har ført til utviklingen av nye terapeutiske alternativer som kan forsterke effekten av konvensjonell fysioterapi. Bruken av hjerne-datamaskin-grensesnitt representerer et paradigme innen nevrorehabilitering av øvre lem siden det kan tolke brukerens intensjoner og tillate dem å samhandle med miljøet ved å lette utførelse av bevegelser. Noen effektorenheter som letter denne bevegelsesutførelsen er testet, med funksjonell elektrisk stimulering som en av de mest brukte.

Derfor er målet med denne forskningen å evaluere fordelene med en eksperimentell terapi for motorisk gjenoppretting av armen etter et slag, som inkluderer bruk av en funksjonell elektrisk stimuleringsterapi koblet til P-300-basert Brain-Computer Interface-system (BCI- FES). For dette formålet vil etterforskerne sammenligne to grupper, den første vil kun motta konvensjonell fysio- og ergoterapi, mens den andre vil motta konvensjonell terapi sammen med BCI-FES-terapi.

Trettitre personer med paretisk overekstremitet og historie med kronisk hjerneslag vil bli invitert til å delta i studien. Disse vil bli rekruttert gjennom pasientdatabasen til den nevrologiske rehabiliteringsavdelingen ved National Institute of Rehabilitation Luis Guillermo Ibarra Ibarra (INRLGII), samt direkte med legene som er tildelt nevrologitjenesten som vil bli instruert om å invitere pasienter med kronisk hjerneslag og inklusjonskriteriets egenskaper.

De vil bli randomisert i to grupper: Eksperimentgruppen vil motta P300-BCI-FES-terapi sammen med konvensjonell fysio- og ergoterapi og kontrollgruppen vil kun motta konvensjonell fysio- og ergoterapi. Randomisering vil bli stratifisert med hensyn til hovedsakelig følgende variabler: baseline FMA-UE-score og alder.

Sosiodemografiske variabler og relevant klinisk historie vil bli samlet inn. I tillegg vil en rekke kliniske målinger bli utført gjennom et batteri av tester som vil gjøre det mulig å vite graden av funksjonsnivå til overekstremiteten og selvoppfatning angående deres evne til å bruke det i daglige aktiviteter gjennom følgende skalaer: FMA- UE: Fugl-Meyer Assessment Scale of Upper Extremity, ARAT: Action Research Arm Test, MAS: Modified Ashworth Scale, FIM: Functional Independence Measure, MAL: Motor Activity Log. Disse testene vil bli utført før og ved slutten av intervensjonen i begge grupper.

Tjue rehabiliteringsøkter vil bli utført med P300-BCI-FES-systemet med en omtrentlig varighet på 1 time, med en hastighet på fem økter per uke i 4 uker. Det ble besluttet å gi intensiv terapi, siden det er sett større effektivitet og høyere grad av rehabilitering hos slagpasienter som får intensiv rehabilitering enn de som ikke får intensiv rehabilitering. Sammen skal legen og forskergruppen fra avdeling for medisinsk ingeniørfag gjennomføre rehabiliteringsøktene. De medisinske ingeniørforskerne vil ha ansvaret for de tekniske aspektene ved systemet, både på FES- og BCI-siden. På den annen side vil legen ha ansvaret for pasient- og terapiaspektene, verifisere at bevegelsene utføres så naturlig som mulig, og fortløpende vurdere sikkerhet og tretthet under øktene.

P300 BCI-FES-systemet, som skal brukes til intervensjonen, består hovedsakelig av to medisinske enheter og en datamaskin som kjører programmene som styrer driften av det medisinske utstyret og BCI. Det medisinske utstyret består av et biomedisinsk signalinnsamlingssystem (g.Nautilus, g.tec medical engineering GmbH, Schiedlberg, Østerrike), og et elektrisk stimuleringssystem (Rehastim 2, Hasomed GmbH, Magdeburg, Tyskland). Begge enhetene er i samsvar med den internasjonale standarden for medisinsk utstyr (IEC/EN 60601).

Stort sett er BCI (signalopptakssystem + kontrollprogramvare) ansvarlig for å bestemme bevegelsen valgt av pasienten, og for å sende den tilsvarende kommandoen til Neuroprotesen (stimulator + kontrollprogramvare), som igjen sender stimuleringssekvensene til tilsvarende elektroder, for å hjelpe pasientens bevegelse under utøvelse av funksjonelle oppgaver i øvre lemmer.

Pasienter vil bli bedt om å bruke komfortable klær, vasket og tørt hår, uten å ha påført noen kremer eller geler. Et trådløst innsamlingssystem vil bli brukt til å registrere EEG-signaler. EEG-signaler vil bli tatt opp fra 13 EEG-kanaler ved bruk av det utvidede internasjonale systemet 10-20 (F3, F4, Cz, C3, C4, Pz, P3 P4, PO3, PO4, PO7, PO8, Oz, vanlig referanse i høyre øreflipp, jord i AFz). Den programmerbare elektriske stimulatoren Rehastim 2 skal brukes til elektrisk stimulering. BCI2000-programvareplattformen vil bli brukt til å utføre alle BCI-oppgaver: EEG-signalinnsamling, ERP-funksjonsekstraksjon, signalbehandling og klassifisering, og til slutt prediksjon av den brukervalgte målbevegelsen. Når målbevegelsen er valgt, sender BCI den tilsvarende utgangskommandoen til FES-kontrollblokken, utviklet i MATLAB 2017b og Simulink, som igjen aktiverer FES-systemet.

For å gjennomføre rehabiliteringsøktene med P300-BCI-FES-systemet foreslått ovenfor, vil det brukes en modifisert versjon av det klassiske matrisesystemet "P300 Donchin Speller Interface", hvor bokstavene og tegnene vil bli erstattet av bilder av håndbevegelser og bevegelser inkl. : håndåpning, griping, klyping, pronasjon og supinasjon. BCI-tilnærmingen vil være basert på "oddball-paradigmet", og stole på bevisst anerkjennelse av brukeren av intensiveringen (fargeendring og økning i størrelse) av et spesifikt mål som inneholder en håndbevegelse eller gest, innenfor en sekvens av andre ikke-mål tilfeldige visuelle stimuli. Dette vil fremkalle P300-komponenten i hendelsesrelatert potensial.

En kalibreringsøkt vil bli gjennomført for å få en første registrering av EEG-signaler som vil bli brukt til å trene en klassifiseringsalgoritme (stepwise method linear discrimination analysis, SWLDA), ved å bruke P3Classifier-verktøyet til BCI2000-plattformen. Klassifikatoren oppnådd i denne kalibreringsøkten vil bli brukt under BCI-FEST-økten for å forutsi brukervalgte mål.

I tillegg vil rehabiliteringsøktene deles inn i 4 faser. Første fase vil bestå av handlingsobservasjon og målvalg; i denne fasen vil motivet bli bedt om å holde oppmerksomheten på et spesifikt bilde i 20-30 sekunder og vil bli bedt om å telle antall ganger bildet intensiveres; de vil også bli bedt om å tro at det er deres egen hånd som utfører den observerte bevegelsen. I fase 2 vil de bli bedt om å gjøre det samme som i fase én, men i tillegg vil de bli bedt om å prøve å frivillig utføre bevegelsen eksemplifisert på skjermen. I fase tre vil de bli bedt om å gjøre det samme som i første fase, men i denne fasen vil tilbakemeldingen bli gitt med FES, men de vil kun bli bedt om å observere bevegelsen passivt, uten å gjøre noen frivillige bevegelser. I fase 4 vil de i tillegg til det som skal gjøres i fase 3 bli bedt om å utføre en oppgave som innebærer en funksjonell bevegelse (med redskaper som brukes i daglige aktiviteter); på denne måten vil de bli instruert til å synkronisere sine frivillige bevegelser med de som induseres av FES, og dermed tillate dem å utføre den funksjonelle oppgaven. Under intervensjonen vil mulig tilstedeværelse av visuell tretthet, nedsatt konsentrasjon/visuell oppmerksomhet, muskeltretthet, smerter i ledd i øvre ekstremiteter, hudirritasjon/rødhet under elektrodene bli nøye overvåket.

FES-kalibrering vil bli utført med fire par transkutane adhesive elektroder, som er delt inn i to kanaler, den ene har ansvaret for å aktivere bøyemusklene i håndleddet og fingrene og den andre har ansvaret for å aktivere ekstensormusklene i håndleddet og fingrene. De anatomiske målene til disse elektrodene vil være median-, ulnar- og radialnervene, som innerverer flexor-extensor-musklene i håndleddet og fingrene. Kanal 1 vil aktivere håndleddsbøyerne flexor carpi radialis og flexor carpi ulnaris; kanal 2 vil aktivere fingerbøyerne palmaris longus, flexor digitorum superficialis, flexor digitorum profundus; kanal 3 vil aktivere håndleddsekstensorene extensor carpi radialis longus, extensor carpi radialis brevis, extensor carpi ulnaris; kanal 4 vil aktivere fingerextensorene extensor digitorum, extensor digiti minimi, extensor indicis, extensor pollicis brevis, extensor pollicis longus.

Konvensjonell fysio- og ergoterapi vil bli gitt over 20 økter som varer en time, med en hastighet på 5 økter per uke i 4 uker, både i kontroll- og eksperimentelle grupper for å sikre lik dosering mellom begge grupper. Pasienter vil bli bedt om å bruke komfortable klær og vil bli utstyrt med ulike øvelser ledet av en fysioterapeut eller sertifisert helsepersonell, som arbeider med de proprioseptive og sensorimotoriske komponentene i det berørte overekstremiteten, i muskelgrupper: skulder og arm, albue og underarm, håndledd, hånd og phalanges; for å forbedre styrke og postural kontroll, redusere spastisitet og opprettholde mobilitetsområder. På samme måte vil andre øvelser bli gitt for å forbedre uavhengigheten i dagliglivets aktiviteter. Dette vil inkludere aktiviteter som å plukke opp et glass, gripe og slippe en ball, bruke tannbørste, ta på seg en skjorte/skjorte, kutte en frukt/grønnsak osv.

I forhold til fMRI vil det bli utført to evalueringer for å bestemme endringene knyttet til nevroplastisitet, en pre-intervensjon og en post-intervensjon. For dette formålet vil pasienter bli bedt om å bruke komfortable og løstsittende klær, og unngå bruk av metalliske komponenter. Prosedyren og varigheten av studien, som varer ca. 1 time, vil bli forklart, samt mulige bivirkninger som kan oppstå under MR-studiene, som vanligvis er milde eller moderate, inkludert: øresus, parestesi, hyperestesi , muskelrykninger, hodepine, svimmelhet, ryggsmerter, døsighet, irritabilitet, angst, kvalme og xerostomi, noe som tydeliggjør at pasienten kan avbryte studien ved store ubehag. I tillegg vil en lege være tilstede under studiene for å overvåke og løse eventuelle hendelser.

fMRI i hviletilstand vil bli brukt for det eksperimentelle designet, noe som gjør det mulig å vurdere funksjonell tilkobling. En lateralitetsindeks (LI) vil også bli brukt for å vurdere lateralisering av kortikal aktivitet og for å kvantifisere utvinning. Denne lateralitetsindeksen vil bli beregnet basert på størrelsen på fMRI-signalendringen i de vurderte interesseområdene, og er representert som: LI = ROIAff-ROIUnaff / ROIAff+ROIUnaff, der ROIAff og ROIUnaff representerer aktiviteten som er dokumentert av fMRI i de berørte og upåvirkede områder av interesse, henholdsvis. Denne beregningen vil gi et tall mellom -1 og +1, med positive verdier som indikerer lateralisering mot den berørte halvkulen og negative verdier som indikerer lateralisering mot den upåvirkede hemisfæren. Det er verdt å merke seg at regionene av interesse som skal evalueres vil være det primære motoriske området (M1) av hver halvkule, primært somatosensorisk område (S1), dorsal premotorisk cortex (PMd) og ventral premotorisk cortex (PMv), supplerende motorisk område (SMA) og pre-supplerende motorisk område (pre-SMA), samt den overlegne parietallappen (BA7).