Summary

Interface cérebro-computador de imagens motoras na reabilitação da disfunção motora do membro superior após acidente vascular cerebral

Published: September 01, 2023
doi:

Summary

O objetivo deste estudo é fornecer uma referência importante para a operação clínica padrão da interface cérebro-computador de imagens motoras (MI-BCI) para disfunção motora do membro superior após acidente vascular cerebral.

Abstract

O efeito reabilitador de pacientes com disfunção motora moderada ou grave do membro superior após acidente vascular encefálico é pobre, o que tem sido foco de pesquisa devido às dificuldades encontradas. A interface cérebro-computador (BCI) representa uma tecnologia de fronteira na pesquisa em neurociência do cérebro. Refere-se à conversão direta da percepção sensorial, imagens, cognição e pensamento de usuários ou sujeitos em ações, sem depender de nervos ou músculos periféricos, para estabelecer canais diretos de comunicação e controle entre o cérebro e dispositivos externos. A interface cérebro-computador de imagens motoras (MI-BCI) é a aplicação clínica mais comum da reabilitação como um meio não invasivo de reabilitação. Estudos clínicos anteriores confirmaram que o MI-BCI melhora positivamente a disfunção motora em pacientes após acidente vascular cerebral. No entanto, há uma falta de demonstração de operação clínica. Para esse fim, este estudo descreve em detalhes o tratamento do IM-BCI para pacientes com disfunção moderada e grave do membro superior após acidente vascular cerebral e mostra o efeito da intervenção do IM-BCI por meio da avaliação da função clínica e dos resultados da avaliação da função cerebral, fornecendo ideias e referências para a aplicação da reabilitação clínica e pesquisa de mecanismos.

Introduction

Quase 85% dos pacientes com AVC apresentam disfunção motora1, especialmente devido ao efeito de reabilitação limitado de pacientes com disfunção motora moderada e grave do membro superior, o que afeta seriamente a capacidade dos pacientes de viver uma vida diária independente e tem sido o foco e a dificuldade da pesquisa. A interface cérebro-computador (BCI) não invasiva é conhecida como um tratamento emergente para reabilitação da disfunção motora após AVC2. BCI é a conversão direta da percepção sensorial, imagens, cognição e pensamento de usuários ou sujeitos em ações, sem depender de nervos ou músculos periféricos, para estabelecer canais diretos de comunicação e controle entre o cérebro e dispositivos externos3. Atualmente, os paradigmas do BCI para reabilitação clínica incluem imagens motoras (IM), potenciais evocados visuais em estado estacionário (SSVEP) e potenciais evocados auditivos (AEP) P3004, dos quais o mais comumente usado e conveniente é a interface cérebro-computador de imagens motoras (MI-BCI). MI é uma intervenção que usa imagens motoras visuais/cinestésicas para visualizar a execução de tarefas motoras (como movimentos de mãos, braços ou pés). Por um lado, estudos anteriores demonstraram que a ativação do córtex motor associado durante o IM é semelhante à execução motora real5. Por outro lado, ao contrário de outros paradigmas, o IM pode ativar uma área específica de atividade por meio da memória motora sem nenhum estímulo externo para melhorar a função motora; Isso é propício para implementação em pacientes com AVC, especialmente quando combinado com disfunção auditiva6.

Além disso, o MI-BCI demonstrou ter um efeito positivo na melhora da disfunção motora em pacientes com AVC. Cheng et al. relataram que, em comparação com a intervenção simples com luva robótica macia, a luva robótica macia baseada em MI-BCI combinada com tarefas orientadas para atividades da vida diária mostrou melhora funcional mais óbvia e experiência cinestésica mais duradoura em pacientes com AVC crônico após 6 semanas de intervenção. Além disso, também foi capaz de eliciar a percepção dos movimentos motores7. Além disso, Ang et al. incluíram 21 pacientes com AVC crônico com disfunção moderada a grave do membro superior para intervenção randomizada. A função clínica foi avaliada antes e após a intervenção pela avaliação de Fugl-Meyer da extremidade superior (FMA-UE). Os resultados mostraram que, em comparação com a intervenção do robô do botão háptico simples (HK) (grupo HK) e a intervenção da terapia de braço padrão (grupo SAT), o efeito de ganho de movimento do HK com base na intervenção MI-BCI (grupo BCI-HK) foi significativamente melhor do que o dos outros dois grupos8. No entanto, a operação específica do MI-BCI ainda requer padrões normativos, e o mecanismo de remodelação neural deve ser totalmente compreendido, o que limita a aplicação clínica e a promoção do MI-BCI. Portanto, ao mostrar o processo de intervenção do MI-BCI em um paciente com AVC do sexo masculino de 36 anos com disfunção motora do membro superior, este estudo resumirá as alterações do resultado funcional e a remodelação da função cerebral antes e depois da intervenção para demonstrar o processo de operação completo do MI-BCI e fornecer ideias e referências para aplicação de reabilitação clínica e pesquisa de mecanismos.

Protocol

Este projeto foi aprovado pela Associação de Ética Médica do Quinto Hospital Afiliado da Universidade Médica de Guangzhou (aprovação nº. KY01-2021-05-01) em 19 de agosto de 2021. O estudo foi registrado no Registro Chinês de Ensaios Clínicos (número de registro: NO. ChiCTR2100050162) em 19 de agosto de 2021. Todos os pacientes assinaram o termo de consentimento livre e esclarecido. 1. Recrutamento Critérios de inclusãoRecrutar pacientes que atend…

Representative Results

O estudo apresenta a função clínica e a remodelação da função cerebral antes e depois da intervenção do MI-BCI em um paciente com AVC do sexo masculino de 36 anos. Mais de 4 meses após a hemorragia cerebral, os resultados de imagem mostraram foco de sangramento crônico no lobo frontal direito e na região dos gânglios da base direita – região radiativa da coroa. O paciente foi diagnosticado com disfunção motora do membro esquerdo durante a convalescença de uma hemorragia cerebral. O tratamento ambulatoria…

Discussion

O período de reabilitação da disfunção motora moderada e grave do membro superior após o AVC é longo e a recuperação é difícil, o que sempre foi o foco da pesquisa clínica em reabilitação18. O treinamento tradicional de reabilitação de membros superiores é principalmente intervenção periférica simples ou intervenção central19. Enquanto isso, devido à falta de participação ativa de pacientes com disfunção moderada e grave do membro, o tratamento pa…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este estudo foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciências da Província de Guangdong (No.2023A1515010586), projeto de construção de tecnologia de características clínicas de Guangzhou (2023C-TS19), Projeto de Planejamento de Ciências da Educação da Província de Guangdong (No.2022GXJK299), Programa de Orientação Geral de Saúde e Planejamento Familiar Municipal de Guangzhou (20221A011109, 20231A011111), 2022 Projeto de Qualidade de Ensino e Reforma de Ensino de Guangzhou de Ensino Superior Projeto Geral de Reforma de Ensino (No.2022JXGG088/02-408-2306040XM), Projeto do Plano de Melhoria da Capacidade de Inovação do Estudante da Universidade de Medicina de Guangzhou 2022 (No.PX-66221494/02-408-2304-19062XM), Projeto de planejamento de ciências da educação em nível escolar de 2021 (2021: NO.45), Fundo de Construção de Graduação de Primeira Classe de 2023 da Universidade de Alto Nível (2022JXA009, 2022JXD001, 2022JXD003)/(02-408-2304-06XM), Projeto de pesquisa universitária do Departamento de Educação de Guangzhou (nº 202235384), Projeto de Qualidade de Ensino de Graduação e Reforma do Ensino de 2022 da Universidade Médica de Guangzhou (2022 Nº 33), Fundação Nacional de Ciências da Província de Guangdong (Nº 2021A1515012197) e Fundação Universitária de Guangzhou e Universidade (Nº 202102010100).

Materials

MI-BCI Rui Han, China RuiHan Bangde NA
E-Prime  version 3.0 behavioral research software.
fNIRS Hui Chuang, China NirSmart-500 NA
NirSpark preprocess near-infrared data

Referencias

  1. Dawson, J., et al. Vagus nerve stimulation paired with rehabilitation for upper limb motor function after ischaemic stroke (VNS-REHAB): a randomised, blinded, pivotal, device trial. Lancet. 397 (10284), 1545-1553 (2021).
  2. Lin, Q., et al. The Frequency Effect of the Motor Imagery Brain Computer Interface Training on Cortical Response in Healthy Subjects: A Randomized Clinical Trial of Functional Near-Infrared Spectroscopy Study. Frontiers in Neuroscience. 16, 810553 (2022).
  3. Carino-Escobar, R. I., et al. Longitudinal Analysis of Stroke Patients’ Brain Rhythms during an Intervention with a Brain-Computer Interface. Neural Plasticity. 2019, 7084618 (2019).
  4. Mane, R., Chouhan, T., Guan, C. BCI for stroke rehabilitation: motor and beyond. Journal of Neural Engineering. 17 (4), 041001 (2020).
  5. Khan, M. A., Das, R., Iversen, H. K., Puthusserypady, S. Review on motor imagery based BCI systems for upper limb post-stroke neurorehabilitation: From designing to application. Computers In Biology And Medicine. 123, 103843 (2020).
  6. Hendricks, H. T., van Limbeek, J., Geurts, A. C., Zwarts, M. J. Motor recovery after stroke: a systematic review of the literature. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 83 (11), 1629-1637 (2002).
  7. Cheng, N., et al. Brain-Computer Interface-Based Soft Robotic Glove Rehabilitation for Stroke. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 67 (12), 3339-3351 (2020).
  8. Ang, K. K., et al. Brain-computer interface-based robotic end effector system for wrist and hand rehabilitation: results of a three-armed randomized controlled trial for chronic stroke. Frontiers in Neuroengineering. 7, 30 (2014).
  9. Nuwer, M. R., et al. IFCN standards for digital recording of clinical EEG. The International Federation of Clinical Neurophysiology. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 52, 11-14 (1999).
  10. Klem, G. H., Lüders, H. O., Jasper, H. H., Elger, C. The ten-twenty electrode system of the International Federation. The International Federation of Clinical Neurophysiology. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 52, 3-6 (1999).
  11. Uwe Herwig, ., Peyman Satrapi, ., Schönfeldt-Lecuona, C. Using the international 10-20 EEG system for positioning of transcranial magnetic stimulation. Brain Topography. , (2003).
  12. Mane, R., Robinson, N., Vinod, A. P., Lee, S. W., Guan, C. A Multi-view CNN with Novel Variance Layer for Motor Imagery Brain Computer Interface. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2020, 2950-2953 (2020).
  13. Sanford, J., Moreland, J., Swanson, L. R., Stratford, P. W., Gowland, C. Reliability of the Fugl-Meyer assessment for testing motor performance in patients following stroke. Physical Therapy. 73 (7), 447-454 (1993).
  14. Martinez, C., et al. A Reaching Performance Scale for 2 Wolf Motor Function Test Items. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 101 (11), 2015-2026 (2020).
  15. Dufouil, C., et al. Population norms for the MMSE in the very old: estimates based on longitudinal data. Mini-Mental State Examination. Neurology. 55 (11), 1609-1613 (2000).
  16. Thompson, E. Hamilton Rating Scale for Anxiety (HAM-A). Occupational Medicine. 65 (7), 601 (2015).
  17. Zimmerman, M., Martinez, J. H., Young, D., Chelminski, I., Dalrymple, K. Severity classification on the Hamilton Depression Rating Scale. Journal of Affective Disorders. 150 (2), 384-388 (2013).
  18. Bai, X., et al. Different Therapeutic Effects of Transcranial Direct Current Stimulation on Upper and Lower Limb Recovery of Stroke Patients with Motor Dysfunction: A Meta-Analysis. Neural Plasticity. 2019, 1372138 (2019).
  19. Dimyan, M. A., Cohen, L. G. Neuroplasticity in the context of motor rehabilitation after stroke. Nature Reviews Neurology. 7 (2), 76-85 (2011).
  20. Bai, Z., Fong, K. N. K., Zhang, J. J., Chan, J., Ting, K. H. Immediate and long-term effects of BCI-based rehabilitation of the upper extremity after stroke: a systematic review and meta-analysis. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation. 17 (1), 57 (2020).
  21. Yang, W., et al. The Effect of Brain-Computer Interface Training on Rehabilitation of Upper Limb Dysfunction After Stroke: A Meta-Analysis of Randomized Controlled Trials. Frontiers in Neuroscience. 15, 766879 (2021).
  22. Pandian, S., Arya, K. N. Stroke-related motor outcome measures: do they quantify the neurophysiological aspects of upper extremity recovery. Journal of Bodywork and Movement Therapies. 18 (3), 412-423 (2014).
  23. Potter, S. M., El Hady, A., Fetz, E. E. Closed-loop neuroscience and neuroengineering. Frontiers in Neural Circuits. 8, 115 (2014).
  24. Nowak, D. A., Grefkes, C., Ameli, M., Fink, G. R. Interhemispheric competition after stroke: brain stimulation to enhance recovery of function of the affected hand. Neurorehabilitation and Neural Repair. 23 (7), 641-656 (2009).

Play Video

Citar este artículo
Jiang, Y., Yin, J., Zhao, B., Zhang, Y., Peng, T., Zhuang, W., Wang, S., Huang, S., Zhong, M., Zhang, Y., Tang, G., Shen, B., Ou, H., Zheng, Y., Lin, Q. Motor Imagery Brain-Computer Interface in Rehabilitation of Upper Limb Motor Dysfunction After Stroke. J. Vis. Exp. (199), e65405, doi:10.3791/65405 (2023).

View Video