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

14.11.2017
283

Department of Rehabilitation Medicine, University of Kansas Medical Center, Kansas City; Departments of Biomedical Engineering, Neurology, Neurological Surgery, Mechanical Engineering, Material Sciences and Neuroscience, Washington University, St. Louis, MO; National Center for Adaptive Neurotechnologies, Wadsworth Center, NYS Department of Health, Albany, NY

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...

Список литературы

  1. Wolf S.L., Thompson P.A., Winstein C.J., Miller J.P., Blanton S.R., Nichols-Larsen D.S., et al. The EXCITE stroke trial: comparing early and delayed constraint-induced movement therapy. Stroke. 2010;41:2309–2315. doi:10.1161/STROKEAHA.110.588723.
  2. Volpe B.T., Krebs H.I., Hogan N., Edelstein O.T.R. L., Diels C., Aisen M. A novel approach to stroke rehabilitation: robot-aided sensorimotor stimulation. Neurology. 2000;54:1938–1944.
  3. Soekadar S.R., Silvoni S., Cohen L.G., Birbaumer N. Brain–machine interfaces in stroke neurorehabilitation. In: Kansaku K, Cohen LG, Birbaumer N, eds. Clinical Systems Neuroscience. Tokyo, Japan: Springer; 2015:3–14.
  4. Ang K.K., Chua K.S., Phua K.S., Wang C., Chin Z.Y., Kuah C.W., et al. ­A randomized controlled trial of EEG-based motor imagery brain-computer interface robotic rehabilitation for stroke. Clin EEG Neurosci. 2015;46:310–320. doi: 10.1177/1550059414522229.
  5. Ono T., Tomita Y., Inose M., Ota T., Kimura A., Liu M., et al. Multimodal sensory feedback associated with motor attempts alters BOLD responses to paralyzed hand movement in chronic stroke patients. Brain Topogr. 2015;28:340–351. doi: 10.1007/s10548-014-0382-6.
  6. Ramos-Murguialday A., Broetz D., Rea M., Läer L., Yilmaz O., Brasil F.L., et al. Brain-machine interface in chronic stroke rehabilitation: a controlled study. Ann Neurol. 2013;74:100–108. ­doi: 10.1002/ana.23879.
  7. Várkuti B., Guan C., Pan Y., Phua K.S., Ang K.K., Kuah C.W., et al. Resting state changes in functional connectivity correlate with movement recovery for BCI and robot-assisted upper-extremity training after stroke. Neurorehabil Neural Repair. 2013;27:53–62. ­doi: 10.1177/1545968312445910.
  8. Young B.M., Nigogosyan Z., Remsik A., Walton L.M., Song J., Nair V.A., et al. Changes in functional connectivity correlate with behavioral gains in stroke patients after therapy using a brain-computer interface device. Front Neuroeng. 2014;7:25. doi: 10.3389/fneng.2014.00025.
  9. Buch E.R., Modir Shanechi A., Fourkas A.D., Weber C., Birbaumer N., Cohen L.G. Parietofrontal integrity determines neural modulation associated with grasping imagery after stroke. Brain. 2012;135­ (pt. 2):596–614. doi: 10.1093/brain/awr331.
  10. Kawashima R., Roland P.E., O’Sullivan B.T. Activity in the human primary motor cortex related to ipsilateral hand movements. Brain Res. 1994;663:251–256.
  11. Wisneski K.J., Anderson N., Schalk G., Smyth M., Moran D., Leuthardt E.C. Unique cortical physiology associated with ipsilateral hand movements and neuroprosthetic implications. Stroke. 2008;39:3351–3359. doi: 10.1161/STROKEAHA.108.518175.
  12. Ward N.S., Brown M.M., Thompson A.J., Frackowiak R.S. Neural correlates of motor recovery after stroke: a longitudinal fMRI study. Brain. 2003;126(pt 11):2476–2496. doi: 10.1093/brain/awg245.
  13. Ward N.S., Brown M.M., Thompson A.J., Frackowiak R.S. Neural correlates of outcome after stroke: a cross-sectional fMRI study. Brain. 2003;126(pt 6):1430–1448.
  14. Cramer S.C., Nelles G., Benson R.R., Kaplan J.D., Parker R.A., Kwong K.K., et al. A functional MRI study of subjects recovered from hemiparetic stroke. Stroke. 1997;28:2518–2527.
  15. Weiller C., Ramsay S.C., Wise R.J., Friston K.J., Frackowiak R.S. Individual patterns of functional reorganization in the human cerebral cortex after capsular infarction. Ann Neurol. 1993;33:181–189. doi: 10.1002/ana.410330208.
  16. Tecchio F., Zappasodi F., Tombini M., Oliviero A., Pasqualetti P., Vernieri F., et al. Brain plasticity in recovery from stroke: an MEG assessment. Neuroimage. 2006;32:1326–1334. doi: 10.1016/j.neuroimage.2006.05.004.
  17. Carter A.R., Patel K.R., Astafiev S.V., Snyder A.Z., Rengachary J., Strube M.J., et al. Upstream dysfunction of somatomotor functional connectivity after corticospinal damage in stroke. Neurorehabil Neural Repair. 2012;26:7–19. doi: 10.1177/1545968311411054.
  18. Bundy D.T., Wronkiewicz M., Sharma M., Moran D.W., Corbetta M., Leuthardt E.C. Using ipsilateral motor signals in the unaffected cerebral hemisphere as a signal platform for brain-computer interfaces in hemiplegic stroke survivors. J Neural Eng. 2012;9:036011. doi: 10.1088/1741-2560/9/3/036011.
  19. Duncan P.W., Goldstein L.B., Matchar D., Divine G.W., Feussner J. Measurement of motor recovery after stroke. Outcome assessment and sample size requirements. Stroke. 1992;23:1084–1089.
  20. Yozbatiran N., Der-Yeghiaian L., Cramer S.C. A standardized approach to performing the action research arm test. Neurorehabil Neural Repair. 2008;22:78–90. doi: 10.1177/1545968307305353.
  21. Bodiam C. The use of the Canadian Occupational Performance Measure for the assessment of outcome on a neurorehabilitation unit. Br J Occup Ther. 1999;62:123–126.
  22. Pfurtscheller G., Lopes da Silva F.H. Event-related EEG/MEG synchronization and desynchronization: basic principles. Clin Neurophysiol. 1999;110:1842–1857.
  23. van der Lee J.H., Beckerman H., Lankhorst G.J., Bouter L.M. ­The responsiveness of the Action Research Arm test and the Fugl-Meyer Assessment scale in chronic stroke patients. J Rehabil Med. 2001;33:110–113.
  24. Green J.B., Bialy Y., Sora E., Ricamato A. High-resolution EEG in poststroke hemiparesis can identify ipsilateral generators during motor tasks. Stroke. 1999;30:2659–2665.
  25. Johansen-Berg H., Rushworth M.F., Bogdanovic M.D., Kischka U., Wimalaratna S., Matthews P.M. The role of ipsilateral premotor cortex in hand movement after stroke. Proc Natl Acad Sci USA. 2002;99:14518–14523. doi: 10.1073/pnas.222536799.
  26. Levy C.E., Nichols D.S., Schmalbrock P.M., Keller P., Chakeres D.W. Functional MRI evidence of cortical reorganization in upper-limb stroke hemiplegia treated with constraint-induced movement therapy. Am J Phys Med Rehabil. 2001;80:4–12.
  27. Lotze M., Markert J., Sauseng P., Hoppe J., Plewnia C., Gerloff C. ­The role of multiple contralesional motor areas for complex hand movements after internal capsular lesion. J Neurosci. 2006;26:6096–6102. doi: 10.1523/JNEUROSCI.4564-05.2006.
  28. Murase N., Duque J., Mazzocchio R., Cohen L.G. Influence of interhemispheric interactions on motor function in chronic stroke. ­Ann Neurol. 2004;55:400–409. doi: 10.1002/ana.10848.
  29. Rossiter H.E., Eaves C., Davis E., Boudrias M.H., Park C.H., Farmer S., et al. Changes in the location of cortico-muscular coherence following stroke. Neuroimage Clin. 2012;2:50–55. doi: 10.1016/j.nicl.2012.11.002.
  30. Page S.J., Sisto S., Levine P., McGrath R.E. Efficacy of modified constraintinduced movement therapy in chronic stroke: a single-blinded randomized controlled trial. Arch Phys Med Rehabil. 2004;85:14–18.

Полный текст публикаций доступен только подписчикам

Нет комментариев

Комментариев: 0

Вы не можете оставлять комментарии
Пожалуйста, авторизуйтесь