Trening zgornjih okončin, ki mu sledi trening spodnjih okončin z rehabilitacijskim sistemom možgansko-računalniškega vmesnika

Objavljeno: Front. Neurosci., 4. marca 2024

Sec. Neural Technology

Izviren članek si preberite TUKAJ

Uvod

Možgansko-računalniški vmesniki (BCI), ki temeljijo na funkcionalni električni stimulaciji, so ključni pri rehabilitaciji motorike zgornjih okončin po možganski kapi. Da bi razumeli celoten potencial večmodalnih BCI pristopov, smo v študiji vključili 19 bolnikov, ki so opravili 25 terapij za zgornje in nato še 25 terapij za spodnje okončine.

Metode

Funkcionalno stanje bolnikov je bilo ocenjeno z dvema sklopoma kliničnih lestvic za obe obravnavi z BCI. Fugl-Meyerjeva ocena zgornje okončine (FMA-UE) in test hoje na 10 metrov (10MWT) sta bila primarna merila za terapije z BCI za zgornjo oziroma spodnjo okončino.

Rezultati

Po terapiji z BCI za zgornje okončine se je motorična funkcija bolnikov, ocenjena s FMA-UE, v povprečju izboljšala za 4,2 točke (p < 0,001). Poleg tega so opazili izboljšanje vsakodnevnih življenjskih aktivnosti in klinično pomembno izboljšanje spastičnosti rok in prstov. Po terapiji z BCI za spodnje okončine so se pri bolnikih pokazale nadaljnje izboljšave, pri čemer se je hitrost hoje, izmerjena z 10MWT (hoja na 10 metrov), povečala za 0,15 m/s (p = 0,001), kar kaže na bistveno pomembno spremembo. Poleg tega so opazili klinično pomembno izboljšanje spastičnosti gležnja, hitrosti hoje, ravnotežja in gibljivosti.

Razprava

V pričujoči študiji smo preučevali učinkovitost nevrorehabilitacije zgornjih in spodnjih okončin z BCI pri osebah po možganski kapi ter učinke dveh zaporednih nevrirehabilitacij z BCI (tj. terapijam za zgornje okončine so sledile terapije za spodnje okončine z BCI). Po terapijah zgornjih okončin so se izboljšale motorične funkcije bolnikov, dejavnosti vsakdanjega življenja, zmanjšala se je spastičnost rok in prstov. Po terapijah spodnjih okončnin so se še dodatno izboljšale dejavnosti vsakdanjega življenja in motorična funkcija rok, izboljšala pa se je tudi hitrost hoje, funkcionalna mobilnost in spastičnost gležnja. Ti rezultati skupaj kažejo, da se pozitivni učinki niso ustavili po prvih 25 terapevtskih seansah in da so imeli bolniki koristi tako od nevrorehabilitacije za zgornje kot za spodnje okončine.

Obravnava zgornjih okončin s pomočjo BCI

Primarno merilo za nevrorehabilitacijo z BCI za zgornje okončine je bil test FMA-UE, ki ocenjuje motorično funkcijo rok. Po terapijah za zgornje okončine se je motorična funkcija bolnikov v povprečju znatno izboljšala, in sicer za 4,2 točke. Odstotek izboljšanja FMA-UE je bil v povprečju 22 %, pri 18 od 19 bolnikov pa se je ocena FMA-UE izboljšala. Vendar je pomembno poudariti, da se je pri bolniku, pri katerem se stanje po FMA-UE ni izboljšalo, še vedno izboljšalo stanje ADL in tudi spastičnost zapestja. Pomembno je tudi, da je bila mediana ocene FMA-UE 19, kar pomeni, da so bili bolniki praviloma močno oslabljeni. Dejansko je bilo 15 bolnikov hudo oslabljenih, en bolnik srednje oslabljen in trije bolniki blago oslabljeni, zato je izboljšanje za 4,2 točke pri večinoma hudo oslabljenih bolnikih. Največja izboljšanja so običajno dosežena pri zmerno prizadetih bolnikih, saj ni učinka zgornje meje kot pri blago prizadetih bolnikih in spastičnost ni tako huda kot pri hudo prizadetih bolnikih. Kljub temu so tako bolniki s hudo kot zmerno do minimalno prizadetostjo dosegli prag klinično pomembne razlike za FMA-UE.

Izhodiščni BI bolnikov je bil relativno visok, 85,0 točke (mediana), in se je dodatno povečal za 5 točk, kar je pomenilo znatno povečanje uspešnosti pri opravilih ADL. Na splošno se je BI izboljšal pri 13 od 19 bolnikov. Zanimivo je tudi to, da je BI relativno visok, čeprav so imeli bolniki težje okvare zgornjih okončin, kar ponovno kaže na to, da so se ti bolniki naučili nadomestiti večino vsakodnevnih dejavnosti z zdravo roko.

Zmanjšanje spastičnosti zapestja in prstov ima bistveno vlogo, saj omogoča izboljšanje finih in grobih motoričnih spretnosti. Spastičnost zapestja in prstov se je pri bolnikih zmanjšala za -1,0 točke glede na mediano. Pomembno je, da je to zmanjšanje spastičnosti preseglo klinično pomembno razliko. Pri trinajstih od 19 bolnikov se je spastičnost zapestja oziroma prstov izboljšala. Dva bolnika v času pred ocenjevanjem in po njem nista imela nobene spastičnosti, kar je prav tako pomembno, da terapija nanjo ni negativno vplivala. Pravzaprav se spastičnost pri nobenem od bolnikov v tej študiji ni povečala.

V pričujoči študiji so bili večinoma bolniki s hudo okvaro, za katere je znano, da imajo v primerjavi z bolniki z zmerno okvaro počasnejše in manj funkcionalno okrevanje. Vendar so bili ti hudo prizadeti bolniki dovolj motivirani, da so izvajali terapije tako za zgornje in spodnje okončine, da bi dosegli večje izboljšanje.

Pred začetkom nevrorehabilitacije spodnjih okončin z BCI smo ponovno ocenili funkcionalno stanje bolnikov. Med nevrorehabilitacijo zgornjih okončin in nevrorehabilitacijo spodnjih okončin nismo ugotovili pomembnih sprememb v BI in FMA-UE, kar kaže, da sta na ravni skupine samostojnost bolnikov pri opravilih ADL in motorična funkcija zgornjih okončin ostali dokaj stabilni v srednjem času med terapijami, kar je bilo 7,4 meseca. Po terapijah zgornjih okončin so bolniki v vsakdanjem življenju začeli pogosteje premikati roke, zato so mišice in gibe trenirali tudi v času po terapijah in se zato v teh 7,4 meseca niso poslabšali.

Obravnava spodnjih okončin s pomočjo BCI

Primarni rezultat nevrorehabilitacije z BCI za spodnjo okončino je bil 10MWT (test hoje na 10 metrov), ki je odražal hitrost hoje v m/s na srednjih 6 metrih 10MWT. Po nevrorehabilitaciji spodnjih okončin so bolniki v povprečju hodili 0,15 m/s hitreje, kar pomeni 23 % izboljšanje. Majhne in bistvene pomembne spremembe za 10MWT so ocenjene na 0,05 in 0,10 m/s, ki jih je preseglo 13 oziroma 11 bolnikov (Perera et al., 2006). Šestnajst od 19 bolnikov je izboljšalo hitrost hoje. Vsi trije očitno neodzivni bolniki pa so izboljšali svojo zmogljivost TUG (test Vstani & Pojdi), pri čemer se je eden od njih izboljšal celo za 40 %. Poleg tega se je v isti podskupini bolnikov zmanjšala spastičnost gležnja, če je bila prisotna že pred ocenjevanjem. Dva od treh bolnikov sta se izboljšala tudi pri opravilih ADL, pri čemer je drugi bolnik ostal pri 95 točkah v BI.

Bolnikova izhodiščna vrednost BI je bila 90,0 točk glede na mediano in se je v skladu s statističnim testom še izboljšala. Vendar je bilo ugotovljeno, da je bila številčna sprememba mediane enaka nič. Osem od 19 bolnikov se je glede na rezultate BI izboljšalo pri opravljanju ADL. Upoštevajte, da je bil izhodiščni BI že blizu najvišje vrednosti 100 točk in da je BI količinsko opredeljen v korakih po 5 točk. Pri bolnikih z že obstoječo spastičnostjo gležnja je bilo ugotovljeno klinično pomembno zmanjšanje spastičnosti gležnja za -0,5 točke v MAS. Poleg tega se je TUG v povprečju zmanjšal za 2,7 s, kar pomeni relativno spremembo TUG za -24,5 %. To kaže na dejansko izboljšanje ravnotežja in gibljivosti na ravni skupine (Flansbjer et al., 2005). Menimo, da je test TUG zelo pomemben test, saj vključuje veliko različnih gibov: (i) vstajanje iz sedečega položaja, (ii) hojo naprej, (iii) obrat za 180°, (iv) hojo nazaj do stola, (v) ponoven obrat za 180° in (vi) sedenje. Zato test TUG ne pokaže le hitrosti hoje, temveč tudi koordinacijo gibov, preusmerjanje gibov in ravnotežje. Čeprav so bolniki izvajali terapije za spodnje okončine, je bilo kljub temu mogoče opaziti izboljšanje motorične funkcije zgornjih okončin s povečanjem FMA-UE za 3,3 točke.

Izboljšave hitrosti hoje so v skladu s tistimi, o katerih so v literaturi poročali za eksperimentalne skupine BCI: (2020) in 0,10 m/s (2021). Čeprav je opaženo izboljšanje 0,19 m/s, ki so ga zabeležili Sebastián-Romagosa et al. (2023), večje od tukaj opaženega, je treba poudariti, da je relativna sprememba hitrosti hoje podobna. Tudi v tem primeru obstajajo nekatere razlike med tokratno študijo BCI in študijami Chunga in drugih (2020) ter Mihare in drugih (2021), saj so izbrali enostranske gibe. Poleg tega so Chung et al. (2020) uvedli paciente v izvajanje motorične izvedbe/poskusov, Mihara et al. (2021) pa so kot način snemanja uporabili fNIRS. Medtem ko fNIRS in EEG omogočata podobno natančnost MI (Hirsch et al., 2020), ima fNIRS po naravi nižjo časovno ločljivost, ki potencialno omejuje uporabnikovo izkušnjo, saj povratne informacije ni mogoče zagotoviti sinhrono z uporabnikovim MI. Skratka, opaženo izboljšanje hitrosti hoje za 0,15 m/s je odličen rezultat, saj pomeni 90 m daljšo hojo na vsakih 10 min hoje.

Splošno izboljšanje

Najpomembnejše dejstvo te študije je, da se pozitivni učinki usposabljanja z BCI niso ustavili po prvih 25 terapijah, na katerih je bila obravnavana zgornja okončina. Dejansko so pacienti med terapijami za spodnje okončine še naprej napredovali in poleg izboljšanja hoje se je izboljšala tudi roka. Poleg vseh teh ocenjevalnih parametrov, o katerih smo že poročali, so bolniki poročali o izboljšanju vsakdanjega življenja.

Nekateri bolniki niso več potrebovali 4-točkovne sprehajalne palice in so prešli na 1-točkovne sprehajalne palice ali pa so lahko hodili brez palic in v vsakdanjem življenju celo pozabili na sprehajalne palice. Drugi bolniki so pred terapijo uporabljali bergle, po njej pa so lahko hodili brez njih. Ena pacientka je poročala, da zdaj veliko bolje hodi po hribu navzdol in navzgor ter da lahko pri tem celo potiska voziček. To prej ni bilo mogoče. Druga pacientka je poročala, da lahko zdaj igra mini golf, kar prej ni bilo mogoče.

V naslednji študiji bomo raziskali izboljšanje pacientov, ko bodo opravili 50 terapij zgornjih uokončin in 50 terapij spodnjih okončin, da bi ugotovili, koliko izboljšav lahko dosežemo v primerjavi s 25 terapevtskimi seansami. Še en parameter, ki ga je zanimivo spreminjati, je intenzivnost vadbe. V trenutni študiji pacienti izvajajo 2 ali 3 terapije na teden. Vendar je lahko intenzivnejše usposabljanje učinkovitejše, zato ga je treba raziskati (Ballester et al., 2022).

Delovanje BCI

Bolniki so med nevrorehabilitacijo zgornjih okončin izboljšali učinkovitost BCI s 73 % na 76 %, če primerjamo zgodnjo in pozno terapijo (tj. mediano prvih in zadnjih petih terapij). Pomembno je, da se je pri dveh bolnikih, katerih uspešnost BCI med zgodnjimi seansami je bila 58- oziroma 68-odstotna, izboljšala za 14 oziroma 10 %. Ti rezultati kažejo, da se bolniki po možganski kapi lahko naučijo in izboljšajo svojo motorično predstavo (MI), če imajo dovolj časa in vaje.

Uspešnost BCI bolnikov je bila na splošno boljša med terapijami za spodnje okončine v primerjavi s terapijami za spodnje okončine. Te ugotovitve so v skladu z Neo et al. (2021), ki so ugotovili, da križanje med hemisferami vodi do slabše učinkovitosti motorične predstave (MI) leve in desne roke v primerjavi z MI roke in noge. Takšno križanje lahko na primer odraža koaktivacijo ipsi- in kontralateralnih senzomotoričnih področij med enostranskimi ročnimi dejanji (Bai et al., 2005; Serrien et al., 2006; Begliomini et al., 2015). Ta pojav se še poslabša zaradi hiperekscitabilnosti kontralezionalne hemisfere pri bolnikih po možganski kapi (Dodd et al., 2017), kar vodi do manj razločevalnih lastnosti.

Čeprav je bila uspešnost BCI bolnikov večja med terapijami za spodnje okončine, je bila uspešnost BCI bolnikov vseeno v korelaciji z uspešnostjo med terapijami za zgornje okončine. Z drugimi besedami, bolniki, pri katerih je bila uspešnost BCI večja med izvajanjem MI za roke, so jo imeli tudi pri izvajanju MI za roke v primerjavi z MI za noge in obratno. To opažanje kaže, da je učinkovitost BCI do neke mere neločljivo povezana z bolnikom, čeprav so možne izboljšave, kot je bilo opisano prej. Čeprav obstajajo napovedniki uspešnosti MI na podlagi EEG v stanju mirovanja, kot sta moč theta in mu (Ahn et al., 2013), spektralna entropija (Zhang et al., 2015), mikrostanja (Cui et al., 2023) in povezljivost (Lee et al., 2020), so te analize običajno značilne za zdrave posameznike, zato so potrebne podobne študije pri bolnikih po možganski kapi.

Ena od omejitev trenutne analize učinkovitosti BCI je, da bolniki niso bili vključeni v navzkrižno študijo. Zato je težko ugotoviti, zakaj so bolniki med terapijami za zgornje okončine izboljšali delovanje BCI, ne pa tudi med terapijami za spodnje okončine. Tu predlagamo dve možni razlagi: (i) V trenutni študiji so se bolniki med prvimi terapijami zgornjih okončin naučili MI, kar je privedlo do opaženega izboljšanja zmogljivosti BCI med terapijami zgornjih okončin. Ko so se bolniki naučili MI, pa je njihova zmogljivost BCI ostala dokaj stabilna. (ii) MI roke proti MI noge je lahko v primerjavi z MI roke po naravi lažja naloga, zato se izboljšave v uspešnosti BCI pri pacientih pojavijo že zgodaj med prvimi terapijami.

Najpomembneje je, da je bila natančnost klasifikacije BCI v obeh primerih nad 62-odstotnim pragom pomembnosti za 240 poskusov (tj. ponovitev gibanja) v eni seji. Da bi bolniki lahko upravljali napravo FES in avatarja s pomembno natančnostjo, naj bi bili nad tem pragom. Zanimivo je, da je natančnost razvrščanja naših bolnikov z možgansko kapjo (tj. največja natančnost v fazi povratne informacije) primerljiva z natančnostjo, pridobljeno s študenti v študiji, ki so jo izvedli Ortner in drugi (2015). Natančneje, Ortner in drugi (2015) so v skupini 20 študentov ugotovili povprečno 81-odstotno natančnost klasifikacije pri izvajanju MI leve in desne roke. Takrat smo mislili, da bodo bolniki po možganski kapi težko dosegli to raven. Vendar so tukaj naši bolniki z možgansko kapjo v povprečju dosegli 79- in 85-odstotno natančnost razvrščanja pri izvajanju MI roke oziroma roke proti nogi.

REZULTATI

V preglednici 1 so prikazane osnovne značilnosti nevrorehabilitacije zgornjih in spodnjih okončin. Povprečna starost bolnikov je bila 53,1 leta, od tega 8 žensk in 11 moških. Srednji čas od možganske kapi je bil 23,6 meseca in je znašal od 3 do 376 mesecev, pri čemer je bil eden od 19 bolnikov v subakutni fazi. Šestnajst bolnikov je utrpelo ishemično možgansko kap, pri čemer je imelo 10, 3 in 3 bolniki subkortikalne, kortikalne+subkortikalne oziroma poškodbe možganskega debla. Preostali trije bolniki so utrpeli hemoragično možgansko kap s kortikalnimi+subkortikalnimi lezijami. Ta razvrstitev glede na lokacijo lezije je bila opravljena na podlagi medicinske dokumentacije in medicinskih slikovnih posnetkov. Srednja ocena FMA-UE je bila pred nevrorehabilitacijo zgornjih okončin 19,0 točke, pri čemer je bilo 15, 1 in 3 bolniki hudo, srednje in blago prizadeti (Woytowicz et al., 2017). Mediana časa med terapijami je bila 7,4 meseca, mediana hitrosti hoje pred terapijami zgornjih okončin pa 1,2 m/s.

Obravnava zgornjih in spodnjih okončin z BCI

Seveda je zanimivo videti izboljšanje po vsaki od terapij BCI. Preglednica 2 prikazuje izhodiščne vrednosti (Pre) in spremembe (Post – Pre) kliničnih lestvic za rehabilitacijo zgornjih okončin in rehabilitacijo spodnjih okončin, vključno z vrednostmi p. FMA-UE se je povečala za 4,2 (4,0) točke (p < 0,001), kar odraža izboljšanje motorične funkcije zgor njih okončin (glej sliko 2A). BI bolnikov se je izboljšal za 5,0 [0,0; 5,0] točk (p < 0,001), kar kaže na izboljšanje dejavnosti vsakdanjega življenja. Spastičnost zapestja in prstov se je pri bolnikih zmanjšala za -1,0 [-1,0; 0,0] točke (p < 0,001). Upoštevajte, da MAS ocenjuje spastičnost na lestvici od 0 do 4 točk, pri čemer 0 točk pomeni, da se mišični tonus ne poveča, 4 točke pa togost pri upogibanju ali iztegovanju. Pri prstu MAS sta bila dva bolnika izključena iz statistične analize, saj se jima mišični tonus ni povečal tako pri oceni pred ocenjevanjem kot tudi po njem.

Uspešnost BCI

Tabela 3 prikazuje uspešnost BCI pri vseh bolnikih med terapijami zgornjih in spodnjih okončin. Uspešnost BCI je bila na splošno dobra, med terapijami zgornjih okončin pa so bolniki med zgodnjimi in poznimi seansami izboljšali svojo uspešnost BCI za 3,4 (5,2) % (p = 0,020). Nasprotno pa to ni veljalo za terapije spodnjih okončin (p = 0,102). Vendar pa je bila mediana uspešnosti BCI bolnikov med vsemi sejami na splošno večja za 5,1 (8,2) % pri terapijah spodnjih okončin v primerjavi s terapijami zgornjih okončin (parni t-test t(18) = 2,7, p = 0,020). Nazadnje so bile zmogljivosti BCI za zgornje okončine in spodnje okončine zmerno povezane glede na Spearmanovo korelacijo (ρ = 0,614, p = 0,020, glej sliko 3).

Korelacija med zmogljivostjo BCI zgornjih in spodnjih okončin. Vsaka pika predstavlja mediano uspešnosti enega posameznika v vseh sejah. Polna črta označuje prileganje premici, dve črtkani črti pa označujeta 95-odstotni interval napovedi.

Zaključek

V okviru te študije je 19 bolnikov po možganski kapi sodelovalo v programu rehabilitacije, ki je vključeval 25 terapij za zgornje in 25 terapij za spodnje okončine s sistemom BCI. Ta sistem temelji na motorični predstavi(MI), funkcionalni električni stimulaciji (FES) in uporabi realističnega 3D avatarja. Ključni vidik sistema BCI je bilo zagotavljanje takojšnjih proprioceptivnih in vizualnih povratnih informacij preko FES in 3D avatarja, kar je bolnike spodbujalo k aktivnemu sodelovanju in pravilni uporabi MI.

Rezultati študije so pokazali opazno izboljšanje pri bolnikih, ne samo v smislu motoričnih funkcij ciljnih okončin, ampak tudi pri opravljanju dejavnosti vsakdanjega življenja. Po terapiji z BCI, namenjeni zgornjim okončinam, so zabeležili znatno izboljšanje v motorični funkciji zgornjih okončin, v aktivnostih vsakdanjega življenja in klinično pomembno zmanjšanje spastičnosti zapestja ter prstov. Poleg tega so pri istih bolnikih zabeležili nadaljnje izboljšave tudi po terapijah s sistemom BCI za spodnje okončine, vključno s klinično pomembnim napredkom v zmanjšanju spastičnosti gležnja, izboljšanju gibljivosti, ravnotežja ter hitrosti hoje.

Na podlagi zbranih podatkov ta študija jasno dokazuje, da nevrorehabilitacija z BCI za zgornje okončine prinaša dodatne koristi pri kasnejši nevrorehabilitaciji z BCI za spodnje okončine. Ta dvojni pristop k rehabilitaciji ponuja obetavne rezultate za bolnike po možganski kapi, kar kaže na potencial za izboljšanje kakovosti njihovega vsakdanjega življenja in neodvisnosti.

Izviren članek si preberite TUKAJ