BCI-FES w rehabilitacji kończyn górnych po przewlekłym udarze mózgu (BCI-FES)

Około jedna trzecia pacjentów po udarze pozostaje z ciężką i trwałą niepełnosprawnością, wynikającą z następstw ruchowych i ograniczonej sprawności ruchowej. Główną metodą rehabilitacji pacjentów z niedowładną kończyną górną jest terapia zajęciowa, mimo to po sześciu miesiącach od zdarzenia około 2/3 pacjentów w dalszym ciągu nie będzie w stanie posługiwać się kończyną w codziennych czynnościach.

Doprowadziło to do opracowania nowych alternatyw terapeutycznych, które mogą wzmocnić efekty konwencjonalnej fizykoterapii. Zastosowanie interfejsów mózg-komputer stanowi paradygmat w neurorehabilitacji kończyny górnej, ponieważ umożliwia interpretację intencji użytkownika i umożliwia mu interakcję z otoczeniem, ułatwiając wykonywanie ruchów. Przetestowano niektóre urządzenia efektorowe ułatwiające wykonanie tego ruchu, przy czym jedną z najczęściej stosowanych jest funkcjonalna stymulacja elektryczna.

Dlatego celem tego badania jest ocena korzyści terapii eksperymentalnej w zakresie regeneracji motorycznej ramienia po udarze mózgu, która obejmuje zastosowanie terapii funkcjonalnej elektrostymulacji sprzężonej z systemem interfejsu mózg-komputer opartym na P-300 (BCI- FES). W tym celu badacze porównają dwie grupy, pierwsza będzie otrzymywać wyłącznie konwencjonalną terapię fizykalną i zajęciową, natomiast druga będzie otrzymywać terapię konwencjonalną łącznie z terapią BCI-FES.

Do udziału w badaniu zostanie zaproszonych trzydziestu trzech pacjentów z niedowładem kończyny górnej i przebytym przewlekłym udarem mózgu. Zostaną oni rekrutowani za pośrednictwem bazy danych pacjentów oddziału rehabilitacji neurologicznej Narodowego Instytutu Rehabilitacji Luisa Guillermo Ibarra Ibarra (INRLGII), a także bezpośrednio u lekarzy przypisanych do oddziału neurologii, którzy zostaną poinstruowani, aby zapraszać pacjentów z przewlekłym udarem mózgu i cechy kryteriów włączenia.

Zostaną oni losowo podzieleni na dwie grupy: grupa eksperymentalna będzie otrzymywać terapię P300-BCI-FES w połączeniu z konwencjonalną terapią fizykalną i zajęciową, a grupa kontrolna będzie otrzymywać wyłącznie konwencjonalną terapię fizykalną i zajęciową. Randomizacja zostanie stratyfikowana, biorąc pod uwagę głównie następujące zmienne: wyjściowy wynik FMA-UE i wiek.

Zostaną zebrane zmienne socjodemograficzne i odpowiednia historia kliniczna. Dodatkowo zostanie wykonany szereg pomiarów klinicznych poprzez zestaw testów, które pozwolą poznać stopień poziomu funkcjonalnego kończyny górnej oraz samoocenę w zakresie możliwości wykorzystania jej w codziennych czynnościach w skalach: FMA- UE: Skala oceny kończyn górnych Fugl-Meyera, ARAT: Test na ramię w ramach badań nad działaniem, MAS: Zmodyfikowana skala Ashwortha, FIM: Miara niezależności funkcjonalnej, MAL: Dziennik aktywności ruchowej. Badania te zostaną wykonane przed i po zakończeniu interwencji w obu grupach.

Z wykorzystaniem systemu P300-BCI-FES zostanie wykonanych dwadzieścia sesji rehabilitacyjnych o przybliżonym czasie trwania 1 godziny, w tempie pięciu sesji tygodniowo przez 4 tygodnie. Zdecydowano się na intensywną terapię, gdyż u pacjentów po udarze mózgu objętych intensywną rehabilitacją zaobserwowano większą skuteczność i wyższy stopień wyzdrowienia w porównaniu z tymi, którzy nie podlegają intensywnej rehabilitacji. Zajęcia rehabilitacyjne poprowadzą wspólnie lekarz i grupa badaczy z Zakładu Inżynierii Medycznej. Naukowcy zajmujący się inżynierią medyczną będą odpowiedzialni za techniczne aspekty systemu, zarówno po stronie FES, jak i BCI. Z drugiej strony lekarz będzie odpowiedzialny za pacjenta i aspekty terapii, sprawdzając, czy ruchy są wykonywane tak naturalnie, jak to możliwe, oraz stale oceniając bezpieczeństwo i zmęczenie podczas sesji.

System P300 BCI-FES przeznaczony do interwencji składa się głównie z dwóch urządzeń medycznych oraz komputera, na którym uruchomione są programy sterujące pracą urządzeń medycznych i BCI. Sprzęt medyczny składa się z systemu akwizycji sygnałów biomedycznych (g.Nautilus, g.tec Medical Engineering GmbH, Schiedlberg, Austria) oraz systemu stymulacji elektrycznej (Rehastim 2, Hasomed GmbH, Magdeburg, Niemcy). Obydwa urządzenia są zgodne z międzynarodową normą dotyczącą wyrobów medycznych (IEC/EN 60601).

Najogólniej mówiąc, BCI (system akwizycji sygnału + oprogramowanie sterujące) odpowiada za określenie ruchu wybranego przez pacjenta i wysłanie odpowiedniego polecenia do Neuroprotezy (stymulator + oprogramowanie sterujące), która z kolei wysyła sekwencje stymulacji do odpowiednich elektrody wspomagające ruch pacjenta podczas ćwiczeń czynności funkcjonalnych kończyny górnej.

Pacjenci będą proszeni o założenie wygodnego ubrania, umycie i osuszenie włosów, bez stosowania kremów i żeli. Do rejestracji sygnałów EEG zostanie wykorzystany bezprzewodowy system akwizycji. Sygnały EEG będą rejestrowane z 13 kanałów EEG w rozszerzonym systemie międzynarodowym 10-20 (F3, F4, Cz, C3, C4, Pz, P3 P4, PO3, PO4, PO7, PO8, Oz, wspólne odniesienie w prawym płatku ucha, uziemione w AFz). Do stymulacji elektrycznej będzie używany programowalny stymulator elektryczny Rehastim 2. Platforma oprogramowania BCI2000 będzie wykorzystywana do wykonywania wszystkich zadań BCI: akwizycji sygnału EEG, ekstrakcji cech ERP, przetwarzania i klasyfikacji sygnału, a na koniec przewidywania wybranego przez użytkownika ruchu celu. Po wybraniu ruchu docelowego BCI wysyła odpowiednie polecenie wyjściowe do bloku sterującego FES opracowanego w MATLAB 2017b i Simulink, który z kolei aktywuje system FES.

Do prowadzenia zajęć rehabilitacyjnych z zaproponowanym powyżej systemem P300-BCI-FES zostanie wykorzystana zmodyfikowana wersja klasycznego systemu matrycowego „P300 Donchin Speller Interface”, w którym litery i znaki zostaną zastąpione obrazami ruchów rąk i gestów m.in. : otwieranie dłoni, chwytanie, szczypanie, pronacja i supinacja. Podejście BCI będzie opierać się na „paradygmacie dziwaków”, polegającym na świadomym rozpoznaniu przez użytkownika nasilenia (zmiany koloru i zwiększenia rozmiaru) konkretnego celu obejmującego ruch ręki lub gest, w ramach sekwencji innych niebędących celem przypadkowe bodźce wzrokowe. Spowoduje to wydobycie składnika P300 w potencjale związanym ze zdarzeniem.

Zostanie przeprowadzona sesja kalibracyjna w celu uzyskania pierwszego zapisu sygnałów EEG, który zostanie wykorzystany do szkolenia algorytmu klasyfikacji (analiza dyskryminacji liniowej metodą krokową, SWLDA) przy użyciu narzędzia P3Classifier platformy BCI2000. Współczynniki klasyfikatora uzyskane w tej sesji kalibracyjnej zostaną wykorzystane podczas sesji BCI-FEST do przewidywania celów wybranych przez użytkownika.

Ponadto zajęcia rehabilitacyjne zostaną podzielone na 4 etapy. Pierwsza faza będzie składać się z obserwacji działania i wyboru celu; w tej fazie osoba badana zostanie poproszona o utrzymanie uwagi na konkretnym obrazie przez 20-30 sekund i policzenie, ile razy obraz został wzmocniony; zostaną również poproszeni, aby pomyśleli, że obserwowany ruch wykonuje ich własna ręka. W fazie 2 zostaną poproszeni o zrobienie tego samego, co w fazie pierwszej, ale dodatkowo zostaną poproszeni o próbę dobrowolnego wykonania ruchu pokazanego na ekranie. W fazie trzeciej zostaną poproszeni o zrobienie tego samego, co w fazie pierwszej, ale w tej fazie informacja zwrotna zostanie przekazana za pomocą FES, ale zostaną poproszeni jedynie o bierną obserwację ruchu, bez wykonywania jakichkolwiek dobrowolnych ruchów. W fazie 4, oprócz tego, co zostanie wykonane w fazie 3, zostaną poproszeni o wykonanie zadania obejmującego ruch funkcjonalny (z przyborami używanymi w codziennych czynnościach); w ten sposób zostaną poinstruowani, aby zsynchronizować swoje dobrowolne ruchy z ruchami indukowanymi przez FES, umożliwiając im w ten sposób wykonanie zadania funkcjonalnego. Podczas zabiegu dokładnie monitorowane będzie możliwe występowanie zmęczenia wzroku, obniżonej koncentracji/uwagi wzrokowej, zmęczenia mięśni, bólu stawów kończyn górnych, podrażnienia/zaczerwienienia skóry pod elektrodami.

Kalibracja FES zostanie przeprowadzona za pomocą czterech par przezskórnych elektrod samoprzylepnych, które są podzielone na dwa kanały, jeden odpowiedzialny za aktywację mięśni zginaczy nadgarstka i palców, a drugi odpowiedzialny za aktywację mięśni prostowników nadgarstka i palców. Anatomicznymi miejscami docelowymi tych elektrod będą nerwy pośrodkowy, łokciowy i promieniowy, które unerwiają mięśnie zginacze-prostowniki nadgarstka i palców. Kanał 1 aktywuje zginacze nadgarstka: promieniowy i łokciowy nadgarstka; kanał 2 aktywuje zginacze palców dłoniowego długiego, zginacza palców powierzchownego, zginacza głębokiego palców; kanał 3 aktywuje prostowniki nadgarstka: prostownik promieniowy nadgarstka długi, prostownik promieniowy nadgarstka krótki, prostownik łokciowy nadgarstka; kanał 4 aktywuje prostowniki palców: prostownik palca, prostownik palca minimi, prostownik palca, prostownik krótkiego kciuka, prostownik długi kciuka.

Konwencjonalna terapia fizyczna i zajęciowa będzie prowadzona w ramach 20 sesji trwających godzinę, z częstotliwością 5 sesji tygodniowo przez 4 tygodnie, zarówno w grupie kontrolnej, jak i eksperymentalnej, aby zapewnić równe dawkowanie w obu grupach. Pacjenci zostaną poproszeni o założenie wygodnego stroju i zostaną poddani różnorodnym ćwiczeniom pod okiem fizjoterapeuty lub dyplomowanego pracownika służby zdrowia, pracujących z komponentą proprioceptywną i czuciowo-ruchową chorej kończyny górnej, w grupach mięśniowych: bark i ramię, łokieć i przedramię, nadgarstek, dłoń i paliczki; w celu poprawy siły i kontroli postawy, zmniejszenia spastyczności i utrzymania zakresów ruchomości. Podobnie zostaną przeprowadzone inne ćwiczenia mające na celu poprawę niezależności w czynnościach życia codziennego. Obejmuje to czynności takie jak podnoszenie szklanki, chwytanie i puszczanie piłki, używanie szczoteczki do zębów, zakładanie koszuli/koszuli, krojenie owocu/warzywa itp.

W odniesieniu do fMRI zostaną wykonane dwie oceny w celu określenia zmian związanych z neuroplastycznością, jedna przed interwencją i jedna po interwencji. W tym celu pacjenci będą proszeni o noszenie wygodnego i luźnego ubioru, unikając stosowania elementów metalowych. Wyjaśniony zostanie przebieg i czas trwania badania, które trwa około 1 godziny, a także możliwe skutki uboczne, które mogą wystąpić podczas badań MRI, które zwykle mają łagodny lub umiarkowany charakter, m.in.: dzwonienie w uszach, parestezje, przeczulica , drżenie mięśni, ból głowy, zawroty głowy, ból pleców, senność, drażliwość, niepokój, nudności i kserostomia, wyjaśniając, że pacjent może przerwać badanie w przypadku poważnego dyskomfortu. Ponadto podczas badań obecny będzie lekarz, który będzie monitorował i rozwiązywał wszelkie ewentualności.

Do projektowania eksperymentu zostanie wykorzystany fMRI w stanie spoczynku, co umożliwi ocenę połączeń funkcjonalnych. Do oceny lateralizacji aktywności korowej i ilościowego określenia powrotu do zdrowia zostanie zastosowany także wskaźnik lateralizacji (LI). Ten wskaźnik lateralizacji zostanie obliczony na podstawie wielkości zmiany sygnału fMRI w ocenianych obszarach zainteresowania i jest przedstawiony jako: LI = ROIAff-ROIUnaff / ROIAff+ROIUnaff, gdzie ROIAff i ROIUnaff reprezentują aktywność potwierdzoną przez fMRI w dotkniętym i nienaruszone obszary zainteresowania, odpowiednio. To obliczenie da liczbę od -1 do +1, przy czym wartości dodatnie wskazują lateralizację w kierunku półkuli dotkniętej chorobą, a wartości ujemne wskazują lateralizację w stronę półkuli nienaruszonej. Warto zauważyć, że ocenianymi obszarami zainteresowania będą pierwotny obszar motoryczny (M1) każdej półkuli, pierwotny obszar somatosensoryczny (S1), grzbietowa kora przedruchowa (PMd) i brzuszna kora przedruchowa (PMv), dodatkowy obszar motoryczny (SMA). i przeddodatkowy obszar motoryczny (przed SMA), a także płat ciemieniowy górny (BA7).