CLINICAL EXPERIENCE OF POST-STROKE REHABILITATION WITH THE USE OF HAND EXOSKELETON CONTROLLED BY BRAIN-COMPUTER INTERFACE


Cite item

Abstract

Aim - to evaluate the efficiency of the motor recovery rehabilitation procedure with the use of hand exoskeleton controlled by the brain-computer interface (BCI). Materials and methods. 60 post-stroke patients participated in the study. 46 patients had ischemic stroke and 14 had hemorrhagic stroke. 42 patients of the main experimental group were trained in kinesthetic motor imagery using hand exoskeleton controlled by BCI, 18 patients of the control group carried out the imitating procedure. Exoskeleton - BCI system consists of encephalograph NVX52 («Medical Computer Systems», Russia), personal computer and hand exoskeleton («Android Technique», Russia). Motor functions were estimated by neurological scales ARAT and Fugl-Meyer. Results were statistically analyzed by Mann-Whitney, Wilcoxon and x2 tests, Spearman's correlation and RM-ANOVA using Statsoft Statistica v. 6.0. Results. It is shown that post-stroke patients are able to control BCI with the same efficiency as healthy subjects, regardless of the duration, severity and localization of the disease. Ten days of BCI training significantly improved patients’ motor functions according to neurological scales ARAT and Fugl-Meyer. Improvement was mainly provided by the small movements of the hand. According to several sections of neurological scales, improvement in the main group is significantly higher than in the control group. However, according to general scores, statistically significant difference between two groups was not observed. Conclusion. It is shown that the rehabilitation procedure using hand exsoskeleton controlled by BCI significantly improves motor functions of the paretic arm regardless of the duration, severity and localization of the disease. Increase of the training duration enhances the rehabilitation efficiency.

Full Text

■ ВВЕДЕНИЕ Постинсультный паралич является одной из основных причин инвалидности. Поэтому создание более совершенных методов восстановления движений, которые бы способствовали улучшению качества жизни таких больных, является весьма актуальной проблемой. Однако ни один из существующих методов двигательной реабилитации не имеет наивысшего уровня доказательности и степени рекомендации в отношении восстановления двигательных функций руки. Средним уровнем доказательности обладают технология виртуальной реальности, роботизированные методики (за счет обеспечения большого количества повторов движений), терапия, основанная на ограничении (за счет максимально возможного вовлечения пораженной конечности в функциональные, прикладные движения), а также «мысленные тренировки», в частности воображение движения [1, 2]. Известно, что при кинестетическом (в отличие от зрительного) воображении движений активируются почти те же области мозга, что и при совершении движений [3]. Идея совместить активацию моторных областей мозга с помощью воображения движений с контролем степени этой активации по биологической обратной связи лежит в основе использования для реабилитации постинсультных и посттравматических больных интерфейсов «мозг-компьютер» (ИМК). Особенно перспективным представляется использование технологии ИМК в комплексе с экзоскелетом паретич-ной конечности, т.к. в этом случае центральная моторная команда подкрепляется периферийным сигналом о ее исполнении. ■ ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ Оценить эффективность процедуры двигательной реабилитации с использованием экзоскелета кисти руки, управляемого ИМК, в рамках многоцентрового слепого рандомизированного контролируемого исследования. ■ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Исследование проводится на базе трех центров (НЦН, МОНИКИ и городская клиническая больница № 31) с декабря 2014 г. и будет продолжаться до включения в общей сложности 120 пациентов. Протокол, критерии включения пациентов в основную и контрольную группы, а также результаты более ранних этапов исследования описаны в работах [4, 5]. Протокол исследования зарегистрирован в международном реестре клинических исследований Национального института здоровья США ClinicalTrials.gov (Identifier: NCT02325947). Пациенты основной группы проходят тренинги с технологией «ИМК-экзоскелет», а пациенты контрольной группы - с имитатором данной технологии. Всего в каждой группе до 12 тренингов длительностью до 40 мин, ежедневно кроме выходных дней (допустимый интервал - до 3 дней). С пациентами обеих групп также проводят стандартные реабилитационные мероприятия: лечебную гимнастику с инструктором, массаж. Для отбора участников исследования был проведен скрининг 245 пациентов. Критериям включения соответствовал 71 пациент, 11 из них отказались участвовать после первой или второй процедуры. Таким образом, полное исследование и анализ его результатов был проведен на 60 пациентах. 46 пациентов имели ишемический и 14 - геморрагический инсульт. Все участники подписали информационное согласие. В исследовании используется ИМК, основанный на анализе паттернов ЭЭГ при воображении движений кистей рук. Регистрация проводилась 40 электродами. Сигналы ЭЭГ фильтруются в полосе частот от 5 до 30 Гц. В исследовании применяли классификатор паттернов ЭЭГ, основанный на методе Байеса, который при значительной экономии затрат на вычисления лишь незначительно уступает в точности классификации другим более изощренным методам [6]. В состав комплекса «ИМК-экзоскелет» входит энцефалограф NVX52 («Медицинские компьютерные системы», Россия), персональный компьютер (ОС Windows 7), осуществляющий сбор данных, их классификацию и передачу команды внешним техническим устройствам, монитор компьютера, осуществляющий зрительную обратную связь, и экзоскелет кисти руки, осуществляющий кинестетическую обратную связь. На кисти паретичной руки фиксируется экзоскелет («Андроид-ная техника», Россия), предназначенный для сгибания-разгибания пальцев кисти в объеме, не превышающем физиологический. В процессе тренинга пациент сидит за столом перед компьютерным монитором, руки лежат на подлокотниках кресла или на столе перед ним в удобном положении. В центре темного экрана монитора находится круг, служащий для фиксации взгляда, вокруг него расположены 3 стрелки для обозначения инструкций изменяющимся цветом. Пациент выполняет одну из трех инструкций: расслабиться, кинестетически представить медленное разгибание пальцев левой или правой кисти. Инструкции на воображение разгибания пальцев правой и левой руки предъявляются в случайном порядке, каждая в течение 10 с. Между инструкциями по воображению движений предъявляется инструкция «расслабиться» также в течение 10 с. По инструкции «расслабиться» пациент должен спокойно сидеть и смотреть в центр экрана. Результаты распознавания выполняемой ментальной задачи предъявляются пациенту по зрительной и кинестетической обратной связи: в случае успешного распознавания классификатором задачи, соответствующей предъявляемой инструкции, фиксирующая взор метка в середине экрана меняет яркость, а экзоскелет разгибает пальцы кисти. При распознавании других задач яркость метки не меняется и экзоскелет не срабатывает. Один тренинг (одна процедура) содержит до трех вышеописанных сессий, каждая длительностью 10 мин. Между сессиями пациент отдыхает в течение 5 мин. Во время процедуры имитации используется комплекс ИМК в том же составе и при тех же условиях, что и в основной группе. Пациенты группы контроля выполняют инструкцию «расслабиться, следить за изменением цвета стрелок». Цвет стрелок меняется в случайном порядке, каждое изменение длится 10 с, при этом экзоскелет раскрывает пальцы паретичной кисти при предъявлении стрелки, ей соответствующей. Рисунок 1. Распределение показателя качества управления ИМК - доли правильных ответов классификатора - для постинсультных больных и здоровых испытуемых на пятый день тренировки. Для трех инструкций доля случайных правильных ответов составляет 0.33. 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Таким образом, пациент из контрольной группы не воображает движение и не пытается управлять экзоскелетом, а получает процедуру пассивной механотерапии паретичной кисти. До и после курса тренингов пациентам проводят оценку движений и силы в руке с помощью шкал Fugl-Meyer Assessment scale (FM) и Action Research Arm Test (ARAT). Статистическую обработку результатов проводили с помощью тестов Манна-Уитни, Уилкоксона и %2, коэффициента корреляции Спирмена и дисперсионного анализа RM-ANOVA с применением пакета прикладных программ Statsoft Statistica v. 6.0. Данные представлены в виде медианы и 25%, 75% квартилей медианы. Статистически значимыми считали различия при р < 0,05. Исследователь, производящий клиническую оценку пациентов, не знал о группе, в которую включен пациент. ■ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Не было статистически значимых различий по показателям возраста, локализации, давности и тяжести инсульта, как между пациентами основной и контрольной групп, так и пациентами трех центров. Как показано на рис. 1, все пациенты основной группы были способны управлять ИМК примерно с тем же качеством, что и здоровые испытуемые. Не было также обнаружено зависимости качества управления от давности, тяжести или локализации инсульта. В таблице 1 показано, что и в основной, и в контрольной группе наблюдалось улучшение двигательной функции руки по шкалам ARAT и FM (разделы, посвященные руке: A-D). Однако только в основной группе выявлено улучшение шарового захвата кисти, щипкового захвата пальцев кисти, а также крупных движений руки (шкала ARAT). Между группами статистически значимых различий по методу RM-ANOVA в улучшении двигательной функции выявлено не было. В основной группе клинически значимое улучшение двигательной функции руки по шкале ARAT (увеличение на 5 баллов и более) и по шкале FM (увеличение на 7 баллов и более) отмечено у 31% пациентов. Клинически значимое улучшение двигательной функции руки по обеим шкалам выявлено у 17% пациентов основной группы. При этом наблюдавшаяся положительная динамика отмечена преимущественно за счет восстановления двигательной функции кисти. Параметр Основная группа (n=42) Контрольная группа (n=18) Область изменения ARAT Общий бал До 4.5 [0, 31] После 7 [1, 43] p < 0.001 7 [0, 30] 9 [0.31] 0.008 0 1 (Л Шаровой захват До 1.5 [0, 14] После 3.5 [0, 15] p < 0.001 0.5 [0, 12] 1.5 [0, 12] 0.345 0 - 18 Цилидрический захват До 0.5 [0, 8] После 1.5 [0, 10] p < 0.001 1 [0, 6] 2 [0, 7] 0.028 0 - 12 Щипковый захват До 0 [0, 7] После 1 [0, 12] p = 0.002 1 [0, 4] 1 [0, 5] 0.675 0 - 18 Крупные движения руки До 2 [0, 7] После 3 [1, 7] p < 0.001 1.5 [0, 6] 2 [0, 6] 0.178 0 - 9 Число случаев улучшения на 5 баллов и более, % (n) 31 (13) 11 [2] 0 - 100 FM Двигательные функции верхней конечности До 27.5 [10, 40] После 33.5 [15, 47] p < 0.001 12.5 [11, 49] 17.5 [12, 51] p < 0.001 0 1 о> о> Число случаев улучшения на 7 баллов и более, % (n) 31 (13) 11 (2) 0 - 100 Таблица 1. Изменение основных клинических показателей в основной и контрольной группах (Прим. Красным цветом выделены статистически значимые изменения.) Исходная степень пареза по шкале FM (разделы B-C) N Шкала FM, баллы Before After P Плегия или грубый парез, 0-12 баллов 28 2 [1, 6] 2.5 [1, 8] 0.002 Из них 0-7 баллов 23 1 [1, 2] 2 [1, 6] 0.002 Умеренный или легкий парез, 13-24 балла 14 17 [14, 21] 22 [18, 24.0] 0.002 Таблица 2. Улучшение двигательных функций паретичной кисти у пациентов основной группы в зависимости от исходной тяжести заболевания средняя корреляция степени восстановления функции руки (и, в частности, кисти) по шкале ARAT и исходной тяжести неврологического дефицита (г = 0,4, p <0,05), однако в основной группе статистически значимое улучшении функции кисти наблюдали как в подгруппе с исходно тяжелым парезом, так и в подгруппе с исходно легким или умеренным парезом (табл. 2). В контрольной группе доля пациентов с клинически значимым улучшением двигательной функции руки была меньше: 11% по шкалам ARAT и FM. Ни в основной, ни в контрольной группе восстановление функции руки не зависело от давности инсульта и возраста пациента. В каждой из групп выявлена умеренная или Три пациента основной группы при повторной плановой госпитализации прошли второй курс тренингов с технологией «ИМК-экзоскелет» с интервалом между курсами 6-9 мес. Как показано на рис. 2, к моменту второй госпитализации двигательная функция руки по шкале ARAT ни у кого из пациентов не ухудшилась. 1 до 1 после 2 до 2 после 1 до 1 после 2 до 2 после Рисунок 2. Динамика показателей двигательной функции руки у пациентов, прошедших два курса тренингов. I и II - номер госпитализации (курса тренингов), «до» и «после» - показатели до и после прохождения каждого курса тренингов. Давность инсульта при первичной и повторной госпитализации: ♦ Пациент 1 - 21 и 30 мес., -Ш- Пациент2 - 9 и 14 мес., А Пациент 3 - 6 и 12 мес. Балл по шкале FM (разделы C-D) у Пациента 1 снизился на момент повторной госпитализации, но все еще значительно превышал исходный показатель. При повторном курсе терапии с включением в реабилитационную программу тренингов с технологией ИМК-экзоскелет у всех трех пациентов отмечена положительная динамика показателей двигательной функции руки. Результаты нашего исследования согласуются с данными других контролируемых исследований в данной области. В работе [7] было исследовано 16 пациентов с постинсультным гемипарезом, которые проходили тренинги с технологией ИМК-ортез, и еще 16 составили группу контроля, у которых ортез во время тренингов не соединялся с ИМК и открывался случайным образом. Тренинги в обеих группах проходили в течение 4 нед. (в среднем пациенты прошли примерно по 18 тренингов). В результате в группе ИМК улучшение двигательной функции по шкале FM было в среднем на 3,41 балла выше, чем в группе контроля (р = 0,018). В работе [8] было исследовано 26 пациентов, сравнивался эффект лечения у пациентов, получавших тренинги с использованием ИМК и получавших только робототерапию. По окончании 4-недельного курса терапии ее эффективность была сопоставима в обеих группах, однако через 12 нед. от начала наблюдения дальнейшее улучшение двигательных функций в руке отмечено у 63,6 % пациентов группы ИМК-Manus и лишь у 35,7% - из контрольной. ■ ВЫВОДЫ 1. Показано, что реабилитационная процедура с использованием экзоскелета кисти, управляемого ИМК, значимо улучшает движения паретичной руки у постинсультных больных независимо от давности, тяжести и локализации заболевания. 2. Увеличение длительности тренировок способствует повышению эффективности реабилитации. W
×

About the authors

A A Frolov

11nstitute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RAS 2Pirogov Russian National Research Medical University

Email: aafrolov@mail.ru
PhD (Biology), professor, Head of the Laboratory of neurobiology of learning, IHNA&NP RAS; Head of the Department of neurointerfaces, Institute of translational medicine RNRMU ap. 43, Khersonskaya st., Moscow Russia, 117461.

O A Mokienko

2Pirogov Russian National Research Medical University 3Research Center of Neurology

Email: lesya.md@yandex.ru
PhD (Medicine), senior scientist of the Department of neurointerfaces of Institute of translational medicine RNRMU and the Department of Neurorheabilitation of RCN.

E V Biryukova

11nstitute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RAS 2Pirogov Russian National Research Medical University

Email: ebiryukova@mail.ru
PhD (Phys-Math), senior scientist of the Laboratory of neurobiology of learning of IHNA&NP RAS and the Department of neurointerfaces of Institute of translational medicine RNRMU.

P D Bobrov

1nstitute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RAS; Pirogov Russian National Research Medical University

Email: p-bobrov@yandex.ru
PhD (Biology), senior scientist of the Laboratory of neurobiology of learning of IHNA&NP RAS and the Department of neurointerfaces of Institute of translational medicine RNRMU.

R Kh Lukmanov

Pirogov Russian National Research Medical University; Research Center of Neurology

Email: xarisovich@gmail.com
junior scientist of the Department of neurointerfaces of Institute of translational medicine RNRMU and the Department of Neurorheabilitation of RCN

A A Kondur

Vladimirsky Moscow Regional Research Clinical Institute

Email: annasams@mai
post-graduate student at MRRCI.

I Z Dzhalagonya

1nstitute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology RAS

Email: slimjeem@gmail.com
post-graduate student at IHNA&NP RAS.

References

  1. Langhorne P, Coupar F, Pollock A. Motor recovery after stroke: a systematic review. Lancet Neurol. 2009; 8 (8): 741 - 754. doi: 10.1016/S1474-4422(09)70150-4
  2. Pollock A, Farmer SE, Brady MC, Langhorne P, Mead GE, Mehrholz J, et al. Interventions for improving upper limb function after stroke. Cochrane Database Syst Rev. 2014 Nov 12; 11:CD010820. doi: 10.1002/14651858.CD010820.pub2
  3. Frolov AA, Husek D, Silchenko AV, Tintera J, Rydlo J. The changes in the hemodynamic activity of the brain during motor imagery training with the use of brain-computer interface. Human Physiology. 2016; 42 (1): 1-12. doi: 10.1134/ S0362119716010084
  4. Mokienko OA, Lyukmanov RK, Chernikova LA, Suponeva NA, Piradov MA, Frolov AA. Brain-computer interface: The first experience of clinical use in Russia. Human Physiology. 2016; 42 (1): 24-31. doi: 10.1134/S0362119716010126
  5. Фролов А.А., Мокиенко О.А., Люкманов Р.Х. и др. Предварительные результаты контролируемого исследования эффективности технологии ИМК-экзоскелет при постинсультном парезе руки. ВестникРГМУ. 2016; (2): 17 -25.
  6. Frolov A, Husek D, Bobrov P. Comparison of four classification methods for brain-computer interface. Neural Network World. 2011; 21 (2): 101-115
  7. Ramos-Murguialday A, Broetz D, Rea M, Laer L, Yilmaz O, Brasil FL, et al. Brain-machine interface in chronic stroke rehabilitation: a controlled study. Ann Neurol. 2013 Jul; 74 (1): 100-108. doi: 10.1002/ana.23879
  8. Ang KK, Chua KS, Phua KS, Wang C, Chin ZY, Kuah CW, et al. A Randomized Controlled Trial of EEG-Based Motor Imagery Brain-Computer Interface Robotic Rehabilitation for Stroke. Clinical EEG and neuroscience. 2015; 46 (4): 310-20. doi: 10.1177/1550059414522229

Copyright (c) 2016 Frolov A.A., Mokienko O.A., Biryukova E.V., Bobrov P.D., Lukmanov R.K., Kondur A.A., Dzhalagonya I.Z.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС77-65957 от 06 июня 2016 г.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies