BCI-FES för rehabilitering av övre extremiteterna vid kronisk stroke (BCI-FES)

Ungefär en tredjedel av patienterna som drabbas av stroke kvarstår med en allvarlig och bestående funktionsnedsättning, sekundärt till motoriska följdsjukdomar och nedsatt rörlighet. Sjukgymnastik och arbetsterapi utgör det huvudsakliga rehabiliteringsalternativet hos patienter med paretisk övre extremitet, men trots detta kommer cirka 2/3 av patienterna efter sex månader efter händelsen fortfarande att vara oförmögna att använda extremiteten i sina dagliga aktiviteter.

Detta har lett till utvecklingen av nya terapeutiska alternativ som kan förstärka effekten av konventionell sjukgymnastik. Användningen av hjärn-datorgränssnitt representerar ett paradigm inom neurorehabilitering av den övre extremiteten eftersom det kan tolka användarens avsikter och tillåta dem att interagera med omgivningen genom att underlätta rörelseutförande. Vissa effektorenheter som underlättar denna rörelseutförande har testats, där funktionell elektrisk stimulering är en av de mest använda.

Därför är syftet med denna forskning att utvärdera fördelarna med en experimentell terapi för motorisk återhämtning av armen efter en stroke, vilket inkluderar tillämpningen av en funktionell elektrisk stimuleringsterapi kopplad till P-300-baserat Brain-Computer Interface-system (BCI- FES). För detta ändamål kommer utredarna att jämföra två grupper, den första kommer endast att få konventionell sjukgymnastik och arbetsterapi, medan den andra kommer att få konventionell terapi tillsammans med BCI-FES-terapi.

Trettiotre försökspersoner med paretisk övre extremitet och historia av kronisk stroke kommer att bjudas in att delta i studien. Dessa kommer att rekryteras genom patientdatabasen för den neurologiska rehabiliteringsavdelningen vid National Institute of Rehabilitation Luis Guillermo Ibarra Ibarra (INRLGII), såväl som direkt med läkare som tilldelats neurologtjänsten som kommer att instrueras att bjuda in patienter med kronisk stroke och inklusionskriteriernas egenskaper.

De kommer att randomiseras i två grupper: experimentgruppen kommer att få P300-BCI-FES-terapi tillsammans med konventionell sjukgymnastik och arbetsterapi och kontrollgruppen får endast konventionell sjukgymnastik och arbetsterapi. Randomisering kommer att stratifieras med hänsyn främst till följande variabler: baslinje FMA-UE-poäng och ålder.

Sociodemografiska variabler och relevant klinisk historia kommer att samlas in. Dessutom kommer en serie kliniska mätningar att utföras genom ett antal tester som gör det möjligt att känna till graden av funktionsnivå för den övre extremiteten och självuppfattning om deras förmåga att använda den i dagliga aktiviteter genom följande skalor: 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. Dessa tester kommer att utföras före och i slutet av interventionen i båda grupperna.

Tjugo rehabiliteringssessioner kommer att utföras med P300-BCI-FES-systemet med en ungefärlig längd på 1 timme, med en hastighet av fem sessioner per vecka under 4 veckor. Det beslutades att ge intensiv terapi, eftersom större effektivitet och högre grad av återhämtning har setts hos strokepatienter som får intensiv rehabilitering än de som inte får intensiv rehabilitering. Tillsammans kommer läkaren och gruppen av forskare från avdelningen för medicinteknik att genomföra rehabiliteringstillfällena. De medicintekniska forskarna kommer att ansvara för de tekniska aspekterna av systemet, både på FES- och BCI-sidan. Å andra sidan kommer läkaren att ansvara för patient- och terapiaspekterna, verifiera att rörelserna utförs så naturligt som möjligt och kontinuerligt utvärdera säkerhet och trötthet under sessionerna.

P300 BCI-FES-systemet, som ska användas för interventionen, består huvudsakligen av två medicinska apparater och en dator som kör programmen som styr driften av den medicinska utrustningen och BCI. Den medicinska utrustningen består av ett biomedicinskt signalinsamlingssystem (g.Nautilus, g.tec medical engineering GmbH, Schiedlberg, Österrike) och ett elektriskt stimuleringssystem (Rehastim 2, Hasomed GmbH, Magdeburg, Tyskland). Båda enheterna överensstämmer med den internationella standarden för medicinsk utrustning (IEC/EN 60601).

I stort sett är BCI (signalinsamlingssystem + kontrollmjukvara) ansvarig för att bestämma den rörelse som patienten väljer, och för att skicka motsvarande kommando till neuroprotesen (stimulator + kontrollmjukvara), som i sin tur skickar stimuleringssekvenserna till motsvarande elektroder, för att hjälpa patientens rörelse under utövandet av funktionella uppgifter i övre extremiteterna.

Patienterna kommer att uppmanas att bära bekväma kläder, tvättat och torrt hår, utan att ha applicerat några krämer eller geler. Ett trådlöst insamlingssystem kommer att användas för att spela in EEG-signaler. EEG-signaler kommer att spelas in från 13 EEG-kanaler med hjälp av det utökade internationella systemet 10-20 (F3, F4, Cz, C3, C4, Pz, P3 P4, PO3, PO4, PO7, PO8, Oz, vanlig referens i höger örsnibb, jord i AFz). Den programmerbara elektriska stimulatorn Rehastim 2 kommer att användas för elektrisk stimulering. Programvaruplattformen BCI2000 kommer att användas för att utföra alla BCI-uppgifter: EEG-signalinsamling, extrahering av ERP-funktioner, signalbehandling och klassificering, och slutligen förutsägelse av den användarvalda målrörelsen. När målrörelsen väl är vald skickar BCI motsvarande utgångskommando till FES-kontrollblocket, utvecklat i MATLAB 2017b och Simulink, vilket i sin tur aktiverar FES-systemet.

För att genomföra rehabiliteringssessionerna med P300-BCI-FES-systemet som föreslagits ovan kommer en modifierad version av det klassiska matrissystemet "P300 Donchin Speller Interface" att användas, där bokstäverna och tecknen kommer att ersättas av bilder av handrörelser och gester inklusive : handöppning, grepp, nypning, pronation och supination. BCI-metoden kommer att baseras på det "udda paradigmet", som förlitar sig på medvetet erkännande av användaren av intensifieringen (färgförändring och ökning i storlek) av ett specifikt mål som innehåller en handrörelse eller -gest, inom en sekvens av andra icke-mål slumpmässiga visuella stimuli. Detta kommer att framkalla P300-komponenten i händelserelaterad potential.

En kalibreringssession kommer att genomföras för att erhålla en första registrering av EEG-signaler som kommer att användas för att träna en klassificeringsalgoritm (stepwise method linear discrimination analysis, SWLDA), med hjälp av verktyget P3Classifier från BCI2000-plattformen. Klassificeringskoefficienterna som erhålls i denna kalibreringssession kommer att användas under BCI-FEST-sessionen för att förutsäga användarvalda mål.

Dessutom kommer rehabiliteringssessionerna att delas in i fyra faser. Den första fasen kommer att bestå av åtgärdsobservation och målval; i denna fas kommer motivet att uppmanas att behålla sin uppmärksamhet på en specifik bild i 20-30 sekunder och kommer att bli ombedd att räkna antalet gånger bilden intensifieras; de kommer också att bli ombedda att tro att det är deras egen hand som utför den observerade rörelsen. I fas 2 kommer de att bli ombedda att göra samma sak som i fas ett, men dessutom kommer de att bli ombedda att frivilligt försöka utföra rörelsen som exemplifieras på skärmen. I fas tre kommer de att bli ombedda att göra samma sak som i den första fasen, men i denna fas kommer återkopplingen att ges med FES, men de kommer endast att uppmanas att observera rörelsen passivt, utan att göra några frivilliga rörelser. I fas 4 kommer de, utöver det som kommer att göras i fas 3, att ombes utföra en uppgift som involverar en funktionell rörelse (med redskap som används i dagliga aktiviteter); på detta sätt kommer de att instrueras att synkronisera sina frivilliga rörelser med de som induceras av FES, vilket gör det möjligt för dem att utföra den funktionella uppgiften. Under interventionen kommer eventuell närvaro av syntrötthet, minskad koncentration/visuell uppmärksamhet, muskeltrötthet, smärta i lederna i de övre extremiteterna, hudirritation/rodnad under elektroderna att noggrant övervakas.

FES-kalibrering kommer att utföras med fyra par transkutana adhesiva elektroder, som är uppdelade i två kanaler, en som ansvarar för aktivering av handledens och fingrarnas böjmuskler och den andra för aktiveringen av extensormusklerna i handleden och fingrarna. De anatomiska målen för dessa elektroder kommer att vara median-, ulnar- och radialnerverna, som innerverar flexor-extensormusklerna i handleden och fingrarna. Kanal 1 kommer att aktivera handledsböjarna flexor carpi radialis och flexor carpi ulnaris; kanal 2 kommer att aktivera fingerböjarna palmaris longus, flexor digitorum superficialis, flexor digitorum profundus; kanal 3 kommer att aktivera handledsextensorerna extensor carpi radialis longus, extensor carpi radialis brevis, extensor carpi ulnaris; kanal 4 kommer att aktivera fingerextensorerna extensor digitorum, extensor digiti minimi, extensor indicis, extensor pollicis brevis, extensor pollicis longus.

Konventionell sjukgymnastik och arbetsterapi kommer att tillhandahållas under 20 sessioner på en timme, med en hastighet av 5 sessioner per vecka under 4 veckor, både i kontroll- och experimentgruppen för att säkerställa lika dosering mellan båda grupperna. Patienterna kommer att uppmanas att bära bekväma kläder och kommer att förses med olika övningar som leds av en sjukgymnast eller certifierad vårdpersonal, som arbetar med de proprioceptiva och sensorimotoriska komponenterna i den drabbade övre extremiteten, i muskelgrupper: axel och arm, armbåge och underarm, handled, hand och falanger; för att förbättra styrka och postural kontroll, minska spasticitet och bibehålla rörlighetsintervall. Likaså kommer andra övningar att tillhandahållas för att förbättra självständigheten i aktiviteter i det dagliga livet. Detta kommer att innefatta aktiviteter som att ta upp ett glas, ta tag i och släppa en boll, använda en tandborste, ta på sig en skjorta/skjorta, skära en frukt/grönsak, etc.

När det gäller fMRI kommer två utvärderingar att göras för att fastställa förändringarna associerade med neuroplasticitet, en pre-intervention och en post-intervention. För detta ändamål kommer patienter att uppmanas att bära bekväma och löst sittande kläder och undvika användning av metalliska komponenter. Proceduren och varaktigheten av studien, som varar cirka 1 timme, kommer att förklaras, liksom de möjliga biverkningar som kan uppstå under MRT-studierna, som vanligtvis är milda eller måttliga, inklusive: ringningar i öronen, parestesi, hyperestesi , muskelryckningar, huvudvärk, yrsel, ryggsmärtor, dåsighet, irritabilitet, ångest, illamående och xerostomi, vilket klargör att patienten kan avbryta studien vid större obehag. Dessutom kommer en läkare att vara närvarande under studierna för att övervaka och lösa eventuella problem.

fMRI i vilotillstånd kommer att användas för den experimentella designen, vilket gör det möjligt att bedöma funktionell anslutning. Ett lateralitetsindex (LI) kommer också att användas för att bedöma lateraliseringen av kortikal aktivitet och för att kvantifiera återhämtningen. Detta lateralitetsindex kommer att beräknas baserat på storleken på fMRI-signalförändringen i de bedömda områdena av intresse, och representeras som: LI = ROIAff-ROIUnaff / ROIAff+ROIUnaff, där ROIAff och ROIUnaff representerar aktiviteten som bevisas av fMRI i de drabbade respektive opåverkade områden av intresse. Denna beräkning kommer att ge ett tal mellan -1 och +1, med positiva värden som indikerar lateralisering mot den påverkade hemisfären och negativa värden som indikerar lateralisering mot den opåverkade halvklotet. Det bör noteras att regionerna av intresse som ska utvärderas är det primära motoriska området (M1) för varje hemisfär, primärt somatosensoriskt område (S1), dorsal premotorisk cortex (PMd) och ventral premotorisk cortex (PMv), kompletterande motorisk area (SMA) och pre-supplementärt motoriskt område (pre-SMA), såväl som den överlägsna parietalloben (BA7).