Rehabilitacja po przewlekłym udarze mózgu z interfejsem Contralesional mózg-komputer

Celem tego badania jest wykazanie, że komputer może analizować fale mózgowe i że te fale mózgowe mogą być używane do sterowania urządzeniem zewnętrznym. Dodatkowo badanie to wykaże, czy bierny ruch dotkniętej chorobą ręki w wyniku kontroli opartej na mózgu może spowodować rehabilitację po skutkach udaru.

Udar jest najczęstszym zaburzeniem neurologicznym w Stanach Zjednoczonych z 795 000 udarów rocznie (Lloyd-Jones i in. 2009). Spośród osób, które przeżyły, 77% doświadcza osłabienia lub utraty funkcji motorycznych kończyny górnej (Lawrence i in., 2001). Powrót do sprawności motorycznej u pacjentów po ostrym udarze jest utrudniony przez widoczne plateau zdolności do powrotu do zdrowia po upływie 3 miesięcy od udaru (Duncan i wsp. 1992; Jorgensen i wsp. 1995; Lloyd-Jones i wsp. 2009). Duża populacja pacjentów o obniżonej jakości życia i wymagających znacznych zasobów medycznych podsyca pilną potrzebę opracowania nowych metod poprawy rehabilitacji funkcjonalnej u osób po przewlekłym udarze mózgu. Proponujemy, aby sygnały korowe z niedotkniętej chorobą półkuli osób, które przeżyły przewlekły udar mózgu, można wykorzystać do sterowania systemem interfejsu mózg-komputer (BCI) w celu ułatwienia powrotu do funkcji. Rozwój takich rehabilitacyjnych systemów BCI jest znaczący, ponieważ zapewnia ścieżkę do funkcjonalnego powrotu do zdrowia, obecnie niedostępną dla wielu pacjentów z przewlekłym udarem mózgu.

Wybór przedmiotu:

Uczestnicy będą rekrutowani z populacji pacjentów współpracowników i współpracowników głównego badacza, a także z wcześniejszych badań naukowych głównego badacza i współpracowników. Rekrutowani będą również uczestnicy poprzednich badań naukowych. Koledzy przekażą informacje o badaniu zainteresowanym kandydatom, a kandydaci skontaktują się z zespołem badawczym, jeśli będą chcieli zostać poddani kontroli przez personel badawczy. Pacjenci zostaną poproszeni o serię pytań przesiewowych, aby określić, czy kwalifikują się do badania.

Metody nauki

Personel badawczy sprawdzi uczestników pod kątem kwalifikowalności po ukończeniu procesu świadomej zgody i dokumentacji. Po sprawdzeniu kwalifikacji do udziału w badaniu uczestnik zostanie przydzielony do grupy 1 lub grupy 2. Uczestnicy z grupy 1 zakończą badanie, dodając funkcjonalne obrazowanie MRI (fMRI) i zakres ruchu (ROM) program ćwiczeń domowych odpowiednich dla pacjenta zgodnie z ustaleniami specjalisty klinicznego. Uczestnicy grupy 1 przejdą przez 12 tygodni korzystanie z urządzenia i program ćwiczeń w domu. Połowa uczestników będzie korzystać z urządzenia przed programem ROM, a połowa po (tj. projekt crossover). Skany neuroobrazowe będą wykonywane bezpośrednio przed użyciem urządzenia, bezpośrednio przed rozpoczęciem terapii ROM oraz po zakończeniu badania. Uczestnicy z grupy 2 biorą udział w badaniu bez obrazowania. Po sprawdzeniu kwalifikacji uczestnicy zostaną przydzieleni do grupy 1 lub 2 na podstawie zdolności i chęci udziału w badaniach MRI. Badanie będzie przebiegać w dwóch etapach. W fazie 1 każdy uczestnik wykona do 3 sesji rejestracji sygnałów EEG. Do rejestracji pacjenci będą nosić zestaw słuchawkowy EEG klasy badawczej z elektrodami EEG na miejscu. Sygnały będą rejestrowane za pomocą oprogramowania interfejsu komputerowego mózgu. Jeśli sygnały EEG uczestnika są odpowiednie do kontrolowania ortezy ręki pośredniczonej przez BCI, przejdą oni do fazy 2 tego badania. W fazie 2 tego badania uczestnikom zostanie wydana orteza ręki za pośrednictwem BCI i zostanie im zalecone codzienne korzystanie z urządzenia w domu (5 z 7 kolejnych dni) przez co najmniej 12 tygodni. Uczestnik będzie miał ocenę motoryczną po 4 tygodniach, 8 tygodniach i 12 tygodniach używania urządzenia. Pacjenci z grupy 1 przestrzegają tego samego harmonogramu terapii ROM i ciągłej oceny funkcji motorycznych. Jeśli uczestnik osiąga postępy, o czym świadczą oceny motoryczne po 12 tygodniach używania urządzenia, uczestnik może zostać poproszony o dalsze codzienne korzystanie z tej terapii w domu, aż do osiągnięcia plateau postępu. W takim przypadku oceny motoryczne uczestników będą przeprowadzane co 4 tygodnie dodatkowego korzystania z urządzenia (poza minimalnym okresem 12 tygodni). Można skontaktować się z uczestnikami w celu przeprowadzenia badania motorycznego 6 miesięcy po użyciu urządzenia w celu oceny trwałości powrotu motorycznego dotkniętej chorobą kończyny górnej.

Faza 1 – ocena sygnału EEG Uczestnicy przejdą dwie wizyty przesiewowe EEG, aby znaleźć spójny sygnał EEG do sterowania robotyczną ortezą ręki. Uczestnicy mogą zostać poproszeni o wykonanie trzeciego badania przesiewowego EEG, jeśli nie można było zidentyfikować spójnego sygnału w pierwszych dwóch badaniach przesiewowych EEG. Podczas seansów EEG uczestnicy będą nosić słuchawki EEG z podzbiorem standardowego układu współrzędnych elektrod 10-20. Prawidłowe połączenie zostanie zweryfikowane za pomocą kontroli sygnału. Zostanie zarejestrowany 7,5-minutowy zestaw danych spoczynkowych. Po drugie, zostanie wykonane zadanie obrazowania motorycznego, w którym uczestnicy otrzymają wizualne wskazówki/podpowiedzi na ekranie komputera, aby wyobrazić sobie stukanie palcem ruchów lewej, prawej ręki lub obu rąk przez okres 5-10 sekund na wskazówkę. Dane przesiewowe zostaną przeanalizowane, aby upewnić się, że obecne są wystarczające sygnały korowe do sterowania urządzeniem. Widmowe zmiany mocy w nienaruszonej półkuli zostaną przeanalizowane przy użyciu analizy r-kwadrat. Aby uzyskać kontrolę nad urządzeniem, uczestnicy muszą wykazywać znaczące zmiany mocy w lokalizacjach elektrod motorycznych i przedruchowych obszarach korowych.

Metody rezonansu magnetycznego:

Uzyskamy strukturalne obrazowanie tensora dyfuzji (DTI) i stan spoczynku fMRI (rs-fMRI) od pacjentów w tym badaniu. Obrazy strukturalne uzyskuje się za pomocą skanów ważonych T1 i T2. Skany DTI zostaną uzyskane z wartościami b wynoszącymi 300, 1000 i 2000 s/mm² oraz 8, 32 i 60 kierunkami dyfuzji. Pomiary specyficzne dla danego obszaru, takie jak objętość, dyfuzyjność radialna i ułamkowa anizotropia (FA), zostaną uzyskane z danych DTI. Zbierzemy około 22,5 minuty rs-fMRI (3 skany po 7,5 minuty każdy). Dane zostaną poddane standardowemu strumieniowi wstępnego przetwarzania, w tym wygładzaniu przestrzennemu, czasowemu filtrowaniu pasmowemu i usuwaniu przez regresję źródeł fałszywej wariancji. Dane będą cenzurowane według objętości, aby uniknąć artefaktów wywołanych ruchem.

Faza 2 - Terapia BCI i ocena motoryczna

Po ukończeniu badań przesiewowych EEG uczestnicy z grupy 1 i grupy 2 wykonają dwa zestawy ocen motorycznych w gabinecie w dwa oddzielne dni, aby ustalić punkt odniesienia. Te oceny do uzupełnienia to:

• UEFM
• Indeks motoryczności
• Zmodyfikowana skala Ashwortha (zgięcie łokcia, zgięcie nadgarstka)
• Dynamometr ręczny Gross Grasp
• Test zdolności motorycznych ramion (AMAT)

Uczestnicy otrzymają urządzenie i zostaną przeszkoleni w zakresie jego użytkowania i pielęgnacji przez specjalistę klinicznego po wstępnej ocenie motorycznej. Podczas każdej kolejnej wizyty oceniającej motorykę specjalista kliniczny poprosi uczestnika o przyniesienie swojego urządzenia na każdą wizytę kontrolną. Specjalista kliniczny pobierze wszystkie dane zapisane na urządzeniu, odpowie na wszelkie pytania lub wątpliwości, zmodyfikuje dopasowanie i zmodyfikuje program ćwiczeń domowych w razie potrzeby.

Podczas końcowej wizyty oceniającej motorykę uczestnicy zostaną poproszeni o wypełnienie końcowego ekranu EEG, identycznego z wyjściowym ekranem EEG, w celu zbadania silnych zmian w aktywności korowej, które mogły wystąpić podczas rehabilitacji BCI. Uczestnik zostanie również poproszony o wypełnienie ankiety dotyczącej doświadczenia pacjenta w odniesieniu do doświadczenia użytkownika z urządzeniem.

Pacjenci otrzymają zwrot kosztów udziału w badaniu. Badania przesiewowe EEG i oceny motoryczne zostaną zwrócone w wysokości 25,00 USD za każde. Skany MRI zostaną zwrócone w wysokości 50,00 USD za każde. Pacjenci, którzy ukończą badanie zgodnie z protokołem, otrzymają premię motywacyjną w wysokości 50,00 USD.

Informacje o ryzyku / bezpieczeństwie (korzystanie z urządzenia):

Prawdopodobne: Brak

Mniej prawdopodobne: Zmęczenie powtarzającymi się zadaniami komputerowymi i/lub frustracja. Zmęczenie oczu i zmęczenie mogą wynikać z długotrwałych prób ciągłego patrzenia na ekran komputera.

Rzadko: niewielki dyskomfort związany ze stymulacją mięśni.

Członek personelu badawczego będzie dostępny, gdy pacjent uczestniczy w dowolnej części badania naukowego. Podczas eksperymentowania pacjentowi przypomina się, że może przerwać badanie w dowolnym momencie i może opóźnić lub przerwać każdą sesję, jeśli odczuwa dyskomfort. Poziom naładowania baterii zestawu słuchawkowego EEG jest bardzo niski i dlatego nie stanowi zagrożenia. Zrobotyzowana orteza dłoni będzie obsługiwana w celu poruszania ręką uczestnika w ramach jego fizjologicznego zakresu ruchu i nie będzie wywierać siły wystarczająco dużej, aby fizycznie zaszkodzić pacjentowi.

Ponadto uczestnictwo jest dobrowolne, a osoba fizyczna może w dowolnym momencie zrezygnować.

Informacje o ryzyku / bezpieczeństwie (MRI):

Prawdopodobne: Łagodne — zmęczenie, dyskomfort podczas leżenia w skanerze.

Mniej prawdopodobne: łagodne — uczucie klaustrofobii. Dyskomfort z powodu głośnego hałasu skanera.

Rzadko: Zagrożenie życia — Uraz ciała spowodowany metalowym przedmiotem. Istnieje znaczne ryzyko dla osób, które mają metalowe przedmioty w swoich ciałach, ponieważ skaner MRI wykorzystuje magnes o dużej sile. Przykłady obejmują zszywki chirurgiczne pozostawione w ciele po operacji, protezy ucha środkowego lub implanty ślimakowe, trwałą kredkę do oczu, metalowe ciała obce utknięte w oku, rozruszniki serca oraz szpilki w kolanach lub innych stawach. Jeśli pacjenci mają w ciele jakikolwiek metalowy przedmiot, który nie został przetestowany pod kątem bezpieczeństwa MRI, nie mogą uczestniczyć w części badania MRI.

Nadzór naukowy:

Decyzja o udziale w tym badaniu jest dobrowolna. Uczestnik może zrezygnować z udziału w badaniu lub wycofać się z badania z dowolnego powodu bez kary lub utraty świadczeń, do których jest uprawniony i bez wpływu na przyszłą opiekę medyczną.

Kierownik projektu lub sponsor może w każdej chwili przerwać udział w badaniu bez zgody uczestnika z jakiegokolwiek powodu. Niektóre przyczyny mogą obejmować między innymi:

• Jeśli wydaje się to być medycznie szkodliwe dla uczestnika;
• Jeśli uczestnik nie zastosuje się do wskazówek dotyczących udziału w badaniu;
• Jeśli okaże się, że uczestnik nie spełnia wymagań badania;
• Jeśli badanie zostanie odwołane; Lub
• Ze względów administracyjnych, w tym konkursowych naborów - do badania wpisano docelową liczbę przedmiotów

Lekarz prowadzący badanie / główny badacz badania będzie sprawować nadzór nad badaniem klinicznym.

Analiza danych / zarządzanie:

Dane będą analizowane za pomocą wielu technik, w tym:

• Wiele algorytmów matematycznych zostanie wykorzystanych do przełożenia surowej analogowej aktywności elektrokorowej na statystycznie istotny profil sygnału. Obejmowałyby one takie podejścia, jak analiza autoregresyjna, szybkie transformaty Fouriera, analiza wariancji, technika stosunku sygnału do szumu (SNR), technika Cross Correlation Signal itp. Metody te byłyby wykorzystywane głównie do analizy sygnałów w trybie offline.
• W fazie 2 testy funkcji motorycznych (UEFM, Motricity Index, Modified Ashworth, siła chwytu, podczas używania urządzenia i po użyciu urządzenia zostaną wykorzystane do przetestowania wpływu urządzenia na efekty rehabilitacyjne funkcji kończyny górnej.
• W fazie 2 zmiany we wzorcach połączeń funkcjonalnych przed i po leczeniu zostaną ocenione za pomocą analizy statystycznej w następujący sposób: konstrukcja obszarów zainteresowania (ROI); ROI będzie używany jako „ziarno” do tworzenia map korelacji wokselowych całego mózgu; metodologie statystyczne mapy korelacji (analizy, które traktują uczestników jako efekt losowy w celu przetestowania efektów grupowych na mapach korelacji przekształconych przez Fischera-z oraz wynikowe mapy grup skorygowane o wielokrotne porównania przy użyciu wcześniej obliczonych symulacji Monte-Carlo).

UEFM będzie służyć jako podstawowa miara sukcesu statystycznego. Ponieważ przed rozpoczęciem leczenia użyjemy testów wyjściowych, użyjemy testu z powtarzanymi pomiarami, takiego jak test t dla par, przy założeniu normalnego rozkładu wyników. Część UEFM dotycząca kończyn górnych ocenia funkcję motoryczną chwytu w zajętej kończynie górnej. Kluczowy wynik statystyczny będzie oparty na uchwyceniu podtestu, ponieważ urządzenie ma największy potencjalny wpływ na tę domenę. Szacunki mocy sugerują, że 10 osób wystarczy do uzyskania znaczących wyników w sparowanym teście T; zapisanych zostanie do 20 pacjentów, aby umożliwić wyniszczenie.

Poufność:

Wszystkie dane kliniczne i eksperymentalne zostaną pozbawione elementów umożliwiających identyfikację poprzez przypisanie losowo wygenerowanego kodu. Ponadto wszystkie identyfikowalne dane ze skopiowanej dokumentacji medycznej również zostaną usunięte. Dokumentacja papierowa będzie przechowywana w zamykanej szafce w zamkniętym pakiecie biurowym. Zapisy elektroniczne będą przechowywane na komputerze laboratoryjnym w pliku chronionym hasłem. Tylko członkowie zespołu badawczego będą mieli dostęp do akt. Po zakończeniu projektu badawczego kierownik projektu usunie wszystkie pliki elektroniczne i zniszczy formularze papierowe zawierające identyfikatory.

Członek zespołu badawczego może omówić badanie z uczestnikiem osobiście lub telefonicznie, aby opisać pacjentowi badanie i ustalić, czy jest chętny do udziału. Zgodę pacjent będzie jednak wyrażał osobiście.

Cel projektu:

Ostatecznym celem tego projektu jest opracowanie funkcjonalnej i klinicznie wykonalnej metody przywracania funkcji osobom z upośledzeniem ruchowym, które przeżyły udar. Opracowując nową metodę rehabilitacji, mamy nadzieję stworzyć system, który pozwoli na sprzężenie zwrotne w pętli zamkniętej za pomocą robotycznej ortezy ręki po stronie pacjenta z upośledzeniem ruchowym po udarze w odpowiedzi na zamierzone ruchy mięśni. Metoda, jeśli się powiedzie, będzie stanowić nieinwazyjną metodę promowania uczenia się motorycznego i powrotu do zdrowia u osób po udarze mózgu.