Управление активным экзоскелетом с помощью нейрокомпьютерного интерфейса со стороны неповрежденного полушария для восстановления двигательной функции ­ у пациентов после инсульта

Предпосылки и цель исследования. Существует несколько эффективных методов лечения, направленных на восстановление двигательных нарушений руки после инсульта. Цель настоящего исследования клинико-экономической целесообразности заключалась в изучении вопроса, позволяет ли активный экзоскелет, управляемый нейрокомпьютерным интерфейсом (НКИ), связанным с нейронами коры неповрежденного полушария, влиять на восстановление двигательной функции у пациентов с гемипарезом после инсульта. Эта новая система была разработана и создана для использования в домашних условиях. Методы. Десять пациентов с гемипарезом после инсульта с умеренными или тяжелыми двигательными нарушениями верхних конечностей (средний показатель оценки по тесту Action Research Arm Test 13,4 балла) использовали активный экзоскелет, который позволял сжимать и разжимать кисть пропорционально спектральной мощности электроэнцефалографических сигналов из неповрежденного полушария, связанных с воображаемыми движениями кисти паретической конечности. Пациенты использовали систему в домашних условиях в течение 12 недель. Двигательную функцию оценивали до, во время ­
и после лечения. Результаты. Наш подход к реабилитации с использованием НКИ привел к статистически значимому увеличению среднего показателя оценки по тесту Action Research Arm Test на 6,2 балла у всех пациентов. Это улучшение достоверно коррелировало ­
с улучшением управления НКИ. Кроме того, произошло значительное улучшение показателей вторичных исходов, таких как сила сжатия кисти, индекс Мотрисайти и оценка по канадской шкале производительности труда. Выводы. Полученные результаты демонстрируют терапевтический потенциал подхода к нейрореабилитации с помощью НКИ с использованием неповрежденного полушария в этой выборке пациентов, перенесших инсульт. Результаты также свидетельствуют о том, что нейрореабилитацию с помощью НКИ можно эффективно проводить в домашних условиях, что повышает вероятность клинического применения этой методики.

Значимой проблемой в лечении пациентов с инсультом является восстановление хронических двигательных нарушений. Несмотря на то что использование методов поведенческой терапии, таких как лечение движением, индуцированным ограничением [1] или роботизированной сенсомоторной стимуляцией [2], позволяет улучшить двигательную функцию верхних конечностей. Для эффективности такой терапии необходима некоторая сохранность движений в конечностях. Степень сохранности этой функции у пациентов значительно различается, а при полной гемиплегии отсутствует. Альтернативой поведенческой терапии является прямое взаимодействие с центральной нервной системой (ЦНС) пациента. В частности, система нейрокомпьютерного интерфейса (НКИ) позволяет измерять связанные с движением сигналы, поступающие из ЦНС, ­и обеспечивать эффективную обратную связь с ЦНС для воздействия на функцию нейропластичности.

В последнее время появились НКИ как новые ­ и потенциально мощные инструменты для восстановления функции у пациентов в хроническом периоде инсульта [3]. Результаты ранних исследований демонстрируют многообещающие данные о том, что контро­лируемые НКИ ортезы или функциональные электрические стимуляторы могут привести к улучшению двигательной функции у лиц в хроническом периоде инсульта [3–8]. Эти НКИ, разработанные специально для реабилитации пациентов с инсультом, основаны на получении сигналов из коры, окружающей зону поражения, контралатеральной пораженной конечности. Поскольку способность модулировать кортикальную активность вокруг зоны поражения снижается при увеличении повреждения коры [9], для систем нейрореабилитации особенно важным может быть сосредоточение на ипсилатеральной, контралатеральной поражению коре у пациентов с наиболее выраженными двигательными нарушениями.

Несмотря на то что связанную с движением активность нейронов регистрируют и в ипсилатеральной, ­и в контралатеральной коре [10, 11], роль неповреж­денного полушария в восстановлении после инсульта­ остается неизученной. В частности, в некоторых исследованиях продемонстрировали связь между снижением активности контралатеральной коры и оптимальным восстановлением [12, 13]. В других исследованиях показали, что увеличение активности контралатеральной коры может быть ассоциировано с восстановлением двигательной функции [14, 15], особенно у пациентов с незначительным восстановлением [16]. Поскольку восстановление двигательной функции имеет обратную корреляцию со степенью повреждения пирамидных путей [17], мы предположили, что использование активности контралатерального поражению полушария для управления контролируемого НКИ экзоскелетом может привести к функциональному улучшению. Ранее мы продемонстрировали, что пациенты в хроническом периоде инсульта могут управлять НКИ с использованием электроэнцефалографических (ЭЭГ) сигналов из контралатерального поражению полушария, соответствующих воображаемым движениям пораженной конечности [18]. Однако вызывало сомнение, будет ли иметь место оптимальная связь между активацией ипсилатеральной коры ­и результирующей сенсорной обратной связью.

Цель настоящего исследования клинико-экономической целесообразности заключалась в изучении возможности системы ЭЭГ-НКИ с использованием сигналов, связанных с воображаемыми движениями пораженной конечностью, зарегистрированных из неповрежденного полушария, контролировать движения пораженной кисти посредством активного экзоскелета. В настоящем исследовании впервые сосредоточили внимание на возможностях использования активности неповрежденного полушария в системах реабилитации с НКИ и впервые изучили возможность проведения терапии с применением НКИ в домашних условиях.­

Этот факт имеет большое значение, поскольку с ним связано повышение вероятности более широкого использования этого подхода у пациентов с инсультом.

МЕТОДЫ

Для определения возможности функциональной реабилитации с помощью активного экзоскелета, управляемого НКИ с использованием ЭЭГ сигналов из неповрежденного полушария, мы разработали новую систему для применения в домашних условиях под названием IpsiHand. Затем мы изучили, привело ли проведение реабилитации в течение 12 недель ­с использованием этой новой системы к функциональному улучшению у пациентов с гемипарезом в хроническом периоде инсульта.

Характеристики пациентов

Исследование завершили 10 пациентов с умеренным или тяжелым гемипарезом после инсульта, которых включали в исследование не раньше, чем через 6 месяцев после впервые развившегося полушарного инсульта. В связи с замедлением восстановления двигательной функции через 3 месяца [19] исследование было разработано как самоконтролируемое по сравнению двигательной функции до и после вмешательства для оценки целесообразности проведения НКИ-терапии. В таблице представлены демографические характеристики пациентов и исходные показатели двигательной функции. В дополнительных данных on-line подробно описаны критерии включения и исключения пациентов в исследование. В исследование пред...

Д.Т. Бунди, Л. Соудерс, К. Бараньяи, Л. Леонард, Г. Шалк, Р. Кокер, Д.В. Моран, Т. Хаски, Е.К. Леутхардт