뇌졸중은 예방과 치료의 발전에도 불구하고 사망률과 장애율에 영향을 미치면서 전 세계적으로 중요한 건강 문제로 남아 있습니다. 뇌졸중 후 운동 회복은 불충분한 경우가 많으며, 많은 생존자들이 일상 활동에 영향을 미치는 상지 및 하지 손상에 직면하고 있습니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 신경 활동을 활용하여 외부 장치를 제어함으로써 운동 재활을 위한 유망한 방법을 제공합니다. 이 연구에서는 뇌졸중 환자의 상지 및 하지 기능을 향상시키는 데 있어 운동 이미지, 기능적 전기 자극(FES) 및 3D 아바타를 사용한 시각적 피드백을 사용하는 BCI 시스템의 효능을 조사합니다. 19명의 참가자는 연속적인 BCI 치료를 받았으며, 기능적 결과를 평가하기 위해 각 치료 전후에 평가가 수행되었습니다.

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이 연구는 기능적 전기 자극(FES) 및 사실적인 3D 아바타 시각적 피드백과 결합된 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 활용하여 뇌졸중 환자를 위한 새로운 치료 접근 방식을 구현했습니다. 환자들은 치료 세션 동안 감각운동 피질을 덮고 있는 16개의 활성 전극이 있는 무선 EEG 캡을 착용했습니다. 상지(UE) 치료를 위해 환자는 손목 신근에 부착된 표면 FES 전극이 있는 책상 위에 팔뚝을 올려놓고 앉았습니다. 하지(LE) 치료 동안 환자는 영향을 받은 다리를 약간 올려 앉았고 FES 전극을 손목과 발의 배측 굴곡근에 배치했습니다.

BCI 강화 운동 이미지 치료는 임상 평가에서 유망한 결과를 보여줍니다

치료 세션 동안 환자는 MI(Motor Imagery) 작업에 참여하여 각 측면의 배측 굴곡을 상상했습니다. BCI는 MI 명령이 분류된 MI 측면과 일치하는 경우 동기식 시각 및 고유 감각 피드백을 제공했습니다. 치료 세션은 각각 40번의 MI 시험이 포함된 3번의 실행으로 구성되었으며 분류자를 훈련하는 데 EEG 데이터가 사용되었습니다. 임상 평가에는 FMA(Fugl-Meyer 평가), BI(Barthel Index), MAS(수정된 Ashworth 척도), 10MWT(10미터 걷기 테스트) 및 TUG(Timed Up and Go) 테스트와 같은 척도가 포함되었습니다. 임상 규모와 BCI 성능의 변화를 평가하기 위해 통계 분석이 수행되었습니다.

연구에 따르면 뇌졸중 재활의 주요 환자 특성 및 치료 지표가 밝혀졌습니다.

환자의 기본 특성은 평균 연령이 53.1세였으며, 뇌졸중 이후 평균 기간은 23.6개월이었습니다. 대부분의 환자는 병변 위치가 다양한 허혈성 뇌졸중을 앓고 있었습니다. UE 치료 전 FMA-UE 점수 중앙값은 19.0점이었습니다. 치료 간 평균 시간은 7.4개월이었고, LE 치료 전 평균 보행 속도는 1.2m/s였습니다. UE와 LE 치료 중 MI 학습 효과와 BCI 성능 간의 관계를 평가하기 위한 통계 분석은 다중성에 대해 p-값이 수정되었습니다.

상지 및 하지의 BCI 치료 후 개선

이 연구에서는 상지(UE)와 하지(LE)에 대한 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 치료를 받은 뇌졸중 환자의 운동 기능과 일상 생활 활동의 개선이 관찰되었습니다. UE 치료의 경우, 환자들은 FMA-UE(Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity) 점수(p < 0.001), Barthel Index(BI) 점수(p < 0.001), 손목 및 손가락 경직의 감소(p < 0.001)에서 유의미한 증가를 보였습니다. 0.001). 마찬가지로, LE 치료는 보행 속도 개선(p = 0.001), BI 점수(p = 0.049), 발목 경직 감소(p = 0.011)를 가져왔습니다. FMA-UE, BI, Modified Ashworth Scale(MAS), 10미터 걷기 테스트(10MWT) 및 Timed Up and Go Test(TUG)에 대해 임상적으로 관련된 임계값에 도달했습니다. UE와 LE 치료 간 BI와 FMA-UE 변화에는 유의한 차이가 없었으나, 병용 치료에서는 FMA-UE(p=0.002)와 BI(p=0.007) 모두 유의한 개선을 보였다. BCI 성능은 UE 치료 세션(p = 0.020) 동안 향상되었지만 LE 치료 세션(p = 0.102)에서는 향상되지 않았습니다. 중앙값 BCI 성능은 UE 처리에 비해 LE에서 더 높았으며(p = 0.020), UE와 LE BCI 성능 간에는 중간 정도의 상관관계가 있었습니다(ρ = 0.614, p = 0.020).

이 연구에서는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 치료가 뇌졸중 환자의 상지(UE) 및 하지(LE) 운동 기능에 미치는 영향을 평가했습니다. UE 치료의 경우 FMA-UE(Fugl-Meyer Assessment for Upper Extremity)를 사용하여 평균 22%의 개선으로 평균 4.2점의 유의한 개선을 보였습니다. 심각한 장애에도 불구하고 대부분의 환자는 눈에 띄는 개선을 보였습니다. 또한 FMA-UE 개선을 보이지 않은 환자의 경우에도 일상 생활 활동(ADL) 및 손목 경직이 개선되었습니다. 마찬가지로, LE 치료는 보행 속도(10MWT)를 평균 0.15m/s 향상시켜 23%의 개선을 보였습니다. 환자의 ADL도 개선되었으며 발목 경직도 감소했습니다.

이 연구는 양측 훈련과 다양한 피드백 메커니즘을 사용했지만 이전 BCI 연구와 비교 가능한 개선점을 강조했습니다. 심각한 장애에도 불구하고 환자들은 UE와 LE 치료 모두에서 동기 부여와 상당한 진전을 보였습니다. 또한, 연구에서는 치료 중단 후에도 운동 기능이 지속적으로 개선되는 것으로 나타났습니다. 환자들은 일상 활동, 이동성 및 삶의 질이 향상되었다는 일화적인 증거를 보고했습니다.

향후 연구는 확장된 치료 세션과 훈련 강도의 변화를 탐구하는 것을 목표로 합니다. 특히, 환자들은 시간이 지남에 따라 MI 성능의 학습 및 개선을 보여 주었으며 이는 BCI 활용에 대한 본질적인 능력을 나타냅니다. BCI 성능은 일반적으로 LE 치료 중에 더 높았지만 UE 치료 성능과 상관관계가 있어 BCI 성능에 영향을 미치는 일관된 환자별 요인을 제시합니다. BCI 제어에 대한 분류 정확도는 건강한 개인의 성능과 비교할 수 있는 유의성 임계값을 초과하여 뇌졸중 재활에서 BCI 개입의 타당성과 효과를 보여줍니다.

연구는 상지 뇌-컴퓨터 인터페이스 훈련 연구의 한계를 확인합니다

현재 연구는 향후 연구에서 해결해야 할 특정 제한 사항을 인정합니다. 상지(UE) 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 훈련에 따른 개선은 기존 문헌의 결과와 일치하지만 별도의 UE BCI 그룹을 대조군으로 사용하지 않기 때문에 UE와 하지를 모두 받은 환자가 달성한 개선을 비교할 수 있는 능력이 제한됩니다. (LE) LE BCI 교육만 받는 사람들에 대한 BCI 교육입니다. 또한, 환자 표본은 뇌졸중 유형 및 병변 위치에서 이질성을 나타내지만 그 크기는 여전히 작기 때문에 관찰된 개선 사항 및 뇌졸중 특성과의 상관 관계에 대한 보다 포괄적인 통찰력을 얻으려면 더 큰 코호트가 필요합니다.

실시간 모니터링을 통해 기능 회복에서 신경가소성의 역할이 밝혀졌습니다.

Sebastián-Romagosaet al. (2020b)는 치료 중 뇌 활동을 모니터링하는 BCI 치료법의 고유한 잠재력을 강조하여 기능적 개선을 주도하는 신경가소성 메커니즘에 대한 통찰력을 제공합니다. 현재 연구에서 19명의 뇌졸중 환자는 상지와 하지에 대해 각각 25회에 걸쳐 운동 이미지(MI), 기능적 전기 자극(FES) 및 3D 아바타를 포함하는 BCI 교육을 받았습니다. FES와 아바타를 통해 실시간 피드백이 제공되었습니다. 운동 기능 향상 및 경직 감소를 포함하여 UE BCI 치료 후 표적 사지 및 일상 활동의 상당한 개선이 나타났습니다. 후속 LE BCI 치료는 발목 경직, 이동성, 균형 및 보행 속도를 더욱 개선하여 순차적 치료의 추가적인 이점을 나타냅니다.

개인 정보 보호 규정으로 인해 데이터 접근성이 제한되며, 데이터 세트 액세스 요청은 책임자에게 전달되어야 합니다. 윤리적 승인을 얻었으며 참가자는 사전 동의를 제공했습니다. 연구 자금은 오스트리아 FFG에서 제공되었습니다.

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