Training der oberen Extremitäten, gefolgt von Training der unteren Extremitäten mit einem Gehirn-Computer-Schnittstellen-Rehabilitationssystem

Schlaganfall Rehabilitation ist nach wie vor ein großes globales Gesundheitsproblem, das sich trotz Fortschritten in der Prävention und Behandlung auf die Sterblichkeits- und Invaliditätsraten auswirkt. Die motorische Erholung nach einem Schlaganfall ist oft unzureichend, und viele Überlebende leiden unter Beeinträchtigungen der oberen und unteren Extremitäten, die ihre täglichen Aktivitäten beeinträchtigen. Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) bieten einen vielversprechenden Weg zur motorischen Rehabilitation, indem sie neuronale Aktivität zur Steuerung externer Geräte nutzen.

Diese Studie untersucht die Wirksamkeit eines BCI-Systems, das motorische Bilder, funktionelle Elektrostimulation (FES) und visuelles Feedback mithilfe eines 3D-Avatars verwendet, um die Funktion der oberen und unteren Extremitäten bei Schlaganfallpatienten zu verbessern. Neunzehn Teilnehmer wurden aufeinanderfolgenden BCI-Behandlungen unterzogen, wobei vor und nach jeder Behandlung Untersuchungen durchgeführt wurden, um die funktionellen Ergebnisse zu bewerten.

Lesen Sie den Originalartikel in frontiers

Die Studie implementierte einen neuartigen Therapieansatz für Schlaganfallpatienten unter Verwendung der Brain-Computer Interface (BCI)-Technologie in Kombination mit funktioneller Elektrostimulation (FES) und realistischem visuellem 3D-Avatar-Feedback. Während der Therapiesitzungen trugen die Patienten drahtlose EEG-Hauben mit 16 aktiven Elektroden, die den sensomotorischen Kortex abdeckten. Für die Therapie der oberen Extremitäten (UE) saßen die Patienten mit ihren Unterarmen auf einem Schreibtisch, an denen Oberflächen-FES-Elektroden an Handgelenkstreckern befestigt waren. Während der Therapie der unteren Extremitäten (LE) saßen die Patienten mit leicht angehobenem betroffenen Bein und FES-Elektroden wurden an den Dorsalflexoren des Handgelenks und des Fußes angebracht.

Die BCI-verstärkte Motor-Imagery-Therapie zeigt vielversprechende Ergebnisse in klinischen Untersuchungen

Während der Therapiesitzungen beschäftigten sich die Patienten mit motorischen Bildgebungsaufgaben (MI), wobei sie sich die Dorsalflexion der jeweiligen Seite vorstellten. Der BCI lieferte synchrones visuelles und propriozeptives Feedback, wenn die MI-Anweisung mit der klassifizierten MI-Seite übereinstimmte. Die Therapiesitzungen bestanden aus drei Durchläufen mit jeweils 40 MI-Versuchen, und EEG-Daten wurden zum Trainieren des Klassifikators verwendet. Zu den klinischen Bewertungen gehörten Skalen wie das Fugl-Meyer-Assessment (FMA), der Barthel-Index (BI), die modifizierte Ashworth-Skala (MAS), der 10-Meter-Gehtest (10 MWT) und der Timed Up and Go (TUG)-Test. Statistische Analysen wurden durchgeführt, um Veränderungen der klinischen Skalen und der BCI-Leistung zu bewerten.

Studie enthüllt wichtige Patientenmerkmale und Behandlungskennzahlen in der Schlaganfall Rehabilitation

Die Ausgangsmerkmale der Patienten zeigten ein Durchschnittsalter von 53,1 Jahren, wobei die mittlere Zeit seit dem Schlaganfall 23,6 Monate betrug. Die meisten Patienten hatten einen ischämischen Schlaganfall mit verschiedenen Läsionsstellen. Der mittlere FMA-UE-Score vor der UE-Behandlung betrug 19,0 Punkte. Die mittlere Zeit zwischen den Behandlungen betrug 7,4 Monate, mit einer mittleren Gehgeschwindigkeit von 1,2 m/s vor der LE-Behandlung. Statistische Analysen zielten darauf ab, MI-Lerneffekte und die Beziehung zwischen der BCI-Leistung während UE- und LE-Behandlungen zu bewerten, wobei die p-Werte hinsichtlich der Multiplizität korrigiert wurden.

Verbesserungen nach BCI-Behandlungen für obere und untere Extremitäten

Die Studie beobachtete Verbesserungen der motorischen Funktion und der täglichen Lebensaktivitäten bei Schlaganfallpatienten, die sich einer Brain-Computer-Interface-Behandlung (BCI) für die oberen Extremitäten (UE) und unteren Extremitäten (LE) unterzogen. Bei der UE-Behandlung zeigten die Patienten einen signifikanten Anstieg der Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity (FMA-UE)-Scores (p < 0,001), der Barthel-Index-Scores (BI) (p < 0,001) und eine Verringerung der Handgelenks- und Fingerspastik (p < 0,001). 0,001). In ähnlicher Weise führte die LE-Behandlung zu einer verbesserten Ganggeschwindigkeit (p = 0,001), BI-Scores (p = 0,049) und einer verringerten Knöchelspastik (p = 0,011).

Klinisch relevante Schwellenwerte wurden für FMA-UE, BI, die modifizierte Ashworth-Skala (MAS), den 10-Meter-Gehtest (10 MWT) und den Timed Up and Go Test (TUG) erreicht. Es gab keine signifikanten Unterschiede bei BI- und FMA-UE-Veränderungen zwischen UE- und LE-Behandlungen, aber die kombinierte Behandlung zeigte signifikante Verbesserungen sowohl bei FMA-UE (p = 0,002) als auch bei BI (p = 0,007). Die BCI-Leistung verbesserte sich während der UE-Behandlungssitzungen (p = 0,020), nicht jedoch während der LE-Behandlungssitzungen (p = 0,102). Die mittlere BCI-Leistung war bei LE im Vergleich zur UE-Behandlung höher (p = 0,020), mit einer moderaten Korrelation zwischen UE- und LE-BCI-Leistungen (ρ = 0,614, p = 0,020).

Die Studie untersuchte die Auswirkungen von Brain-Computer Interface (BCI)-Behandlungen auf die motorische Funktion der oberen Extremität (UE) und der unteren Extremität (LE) bei Schlaganfallpatienten. Für die UE-Behandlung wurde das Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity (FMA-UE) verwendet, das eine signifikante durchschnittliche Verbesserung von 4,2 Punkten mit einer durchschnittlichen Verbesserung von 22 % zeigte. Die meisten Patienten zeigten trotz schwerer Beeinträchtigung eine deutliche Verbesserung. Darüber hinaus verbesserten sich die Aktivitäten des täglichen Lebens (ADLs) und die Spastik des Handgelenks, selbst bei dem Patienten, der keine FMA-UE-Verbesserung zeigte. In ähnlicher Weise zeigte die LE-Behandlung eine Steigerung der Gehgeschwindigkeit (10 MWT) um durchschnittlich 0,15 m/s, was einer Verbesserung von 23 % entspricht. Auch die ADLs verbesserten sich bei den Patienten und die Knöchelspastik nahm ab.

Die Studie zeigte vergleichbare Verbesserungen mit früheren BCI-Studien auf, obwohl bilaterales Training und unterschiedliche Feedback-Mechanismen zum Einsatz kamen. Trotz schwerer Beeinträchtigung zeigten die Patienten Motivation und deutliche Fortschritte sowohl bei der UE- als auch bei der LE-Behandlung. Darüber hinaus zeigte die Studie nachhaltige Verbesserungen der motorischen Funktion auch nach Beendigung der Behandlung. Die Patienten berichteten über anekdotische Hinweise auf verbesserte tägliche Aktivitäten, Mobilität und Lebensqualität.

Zukünftige Studien zielen darauf ab, längere Behandlungssitzungen und Variationen in der Trainingsintensität zu untersuchen. Bemerkenswerterweise zeigten die Patienten im Laufe der Zeit ein Lernen und eine Verbesserung der MI-Leistung, was auf intrinsische Fähigkeiten zur BCI-Nutzung hinweist. Obwohl die BCI-Leistung während der LE-Behandlung im Allgemeinen höher war, korrelierte sie mit der UE-Behandlungsleistung, was auf konsistente patientenspezifische Faktoren schließen lässt, die die BCI-Leistung beeinflussen. Die Klassifizierungsgenauigkeit für die BCI-Kontrolle übertraf die Signifikanzschwellen, vergleichbar mit der Leistung bei gesunden Personen, was die Machbarkeit und Wirksamkeit von BCI-Interventionen in der Schlaganfallrehabilitation zeigt.

Die Studie identifiziert Einschränkungen in der Trainingsforschung für Gehirn-Computer-Schnittstellen der oberen Extremität

Die aktuelle Studie erkennt bestimmte Einschränkungen an, die in zukünftigen Forschungen berücksichtigt werden sollten. Obwohl die Verbesserungen nach dem Brain-Computer-Interface-Training (BCI) der oberen Extremität (UE) mit den Ergebnissen in der vorhandenen Literatur übereinstimmen, schränkt das Fehlen einer separaten UE-BCI-Gruppe als Kontrolle die Möglichkeit ein, die Verbesserungen zu vergleichen, die bei Patienten erzielt wurden, die sich sowohl einer UE als auch einer unteren Extremität unterzogen (LE) BCI-Training gegen diejenigen, die ausschließlich ein LE BCI-Training absolvieren. Darüber hinaus weist die Patientenstichprobe zwar eine Heterogenität in Bezug auf Schlaganfalltyp und Läsionsort auf, ihre Größe bleibt jedoch klein, sodass größere Kohorten erforderlich sind, um umfassendere Einblicke in die beobachteten Verbesserungen und deren Korrelation mit Schlaganfallmerkmalen zu erhalten.

Echtzeitüberwachung zeigt die Rolle der Neuroplastizität bei der funktionellen Wiederherstellung

Sebastián-Romagosa et al. (2020b) heben das einzigartige Potenzial von BCI-Therapien zur Überwachung der Gehirnaktivität während der Behandlung hervor und bieten Einblicke in Neuroplastizitätsmechanismen, die funktionelle Verbesserungen vorantreiben. In der aktuellen Studie absolvierten 19 Schlaganfallpatienten ein BCI-Training mit motorischen Bildern (MI), funktioneller Elektrostimulation (FES) und einem 3D-Avatar in jeweils 25 Sitzungen für die oberen und unteren Extremitäten. Echtzeit-Feedback erfolgte über FES und den Avatar. Nach der UE-BCI-Behandlung wurden signifikante Verbesserungen der Zielextremitäten und der täglichen Aktivitäten festgestellt, einschließlich einer Verbesserung der motorischen Funktion und einer Verringerung der Spastik. Die anschließende LE-BCI-Behandlung verbesserte die Knöchelspastik, Beweglichkeit, das Gleichgewicht und die Gehgeschwindigkeit weiter, was auf zusätzliche Vorteile durch aufeinanderfolgende Behandlungen hindeutet.

Der Datenzugriff ist aufgrund von Datenschutzbestimmungen eingeschränkt und Anfragen zum Zugriff auf Datensätze sollten an die verantwortliche Partei gerichtet werden. Es wurde eine ethische Genehmigung eingeholt und die Teilnehmer gaben ihre Einverständniserklärung ab. Die Finanzierung der Studie erfolgte durch die FFG, Österreich.

Lesen Sie den Originalartikel in frontiers