PREDICTORS OF EFFICIENCY OF NEUROREHABILITATION IN PATIENTS WITH MOTOR DISORDERS USING THE BRAIN-COMPUTER NEUROINTERFACE


A.A. Kondur

Moscow Regional Scientific Research Clinical Institute n.a. M.F. Vladimirsky (MRSRCI), Moscow, e-mail: annasams@mail.ru
In recent years, the possibilities of rehabilitation of stroke patients have increased due to the use of the “brain-computer neurointerface +hand exoskeleton (BCIHE) technology, which is based on the stimulation of the mechanism of neuroplasticity. The processes of activation of the motor structures arising in the nervous system with the regular kinesthetic imagination of the purposeful movement (hand extension), reinforced by the reverse visual and proprioceptive connections, contribute to the restoration and/or compensation of the lost motor function. In the study, 89 patients were screened to select patients for rehabilitation, and 75 stroke patients met the inclusion criteria. Active participation of the patient during training with the help of a neurointerface is considered an important aspect of this type of neurorehabilitation. Directive teaching of the patient to the kinesthetic imagination during the training using BCIHE technology promotes the stimulation of the preserved brain regions that are able to control the movement. It is emphasized that the level of cognitive function can serve as a criterion for estimating the reserve of individual ability to imagine the movement. This proposition suggests that stimulation of cognitive functions in stroke patients can contribute to a more successful motor
rehabilitation process.

Внедрение новых технологий в комплексную реабилитацию пациентов, перенесших инсульт, – важная задача современной медицины. Возможности нейрореабилитации в последние годы возросли в связи с применением технологии «нейроинтерфейс мозг–компьютер+экзоскелет кисти» (НМКЭ), в основе которой лежит стимуляция механизма нейропластичности [1]. Возникающие в нервной системе процессы активации двигательных структур при регулярном кинестетическом воображении целенаправленного движения (разжимания кисти), подкрепленные обратной зрительной и проприоцептивной связями, способствуют восстановлению и/или компенсации утраченной двигательной функции [2, 3]. Эффективность методики НМКЭ зависит от многих факторов, в. т.ч. от способности к полноценному выполнению ментальной задачи – кинестетическому воображению движения [4]. Уточнение факторов, влияющих на качество выполнения воображения движения, представляется весьма важным для применения методики НМКЭ [5], поскольку позволяет выявлять целевую группу пациентов с высокими предикторами эффективности.

Целью исследования было выявление предикторов эффективности нейрореабилитации больных с постинсультными двигательными нарушениями для применения процедур НМКЭ.

Материал и методы

Проведение исследования одобрено этическим комитетом МОНИКИ (протокол № 9 от 02.10.2014). Пациенты подписывали информированное согласие на участие в исследовании. Протокол исследования зарегистрирован в международном реестре клинических исследований Национального института здоровья США ClinicalTrials.gov (Identifier: NCT02325947). Исследование проведено на базе неврологического отделения ГБУЗ МО МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского.

С целью отбора пациентов для проведения реабилитации был проведен скрининг 89 пациентов, критериям включения соответствовали 75 пациентов, распределенных на 3 группы (основная группа – 36, контрольная – 20, группа сравнения – 37). Медиана возраста участников составила 62 [53; 66] года. У всех исследуемых пациентов был диагностирован единичный очаг инсульта, подтвержденный при нейровизуализации, со сроком от 1 до 24 месяцев, медиана давности инсульта составила 8,5 [5; 16] месяцев. Тяжесть пареза в руке составила от 1 до 4 баллов по Британской шкале оценки мышечной силы (MRC-SS). Во всех группах обследуемые были сопоставимыми по тяжести двигательных и когнитивных нарушений, срокам давности перенесенного инсульта. В предыдущих клинических исследованиях показано, что в основной группе восстановление идет лучше по сравнению с контрольной [6, 7] и группой сравнения [8]. В настоящем исследовании проведен анализ основной группы с целью оценки способности к кинестетическому воображению.

НМКЭ представляет собой программно-инженерный комплекс, осуществляющий регистрацию биоэлектрической активности мозга, связанной с кинестетическим воображением целенаправленного действия (разжиманием кисти) и преобразованием его по механизму обратной связи в команду внешнему устройству – экзоскелету кисти [9].

В ходе процедуры [10] пациенту необходимо было воспроизвести три ментальные задачи на воображение: поочередное разжимание правой и левой кисти, релаксация. При этом в период воображения целенаправленного движения кисти рук должны быть неподвижными. С целью количественной оценки качества выполнения задач на воображение движений в основной группе вычислялось среднее значение среди максимальных вероятностей распознавания при выполнении трех ментальных задач. С этой целью бралось среднее значение максимальных вероятностей распознавания задач на кинестетическое воображение – раскрытие правой, левой кистей, расслабление в течение тренировки на НМКЭ. Эти величины получены классификатором в результате анализа ЭЭГ-мониторинга в процессе процедуры по методу Байеса [11]. Индекс «каппа Коэна» отражает показатель точности классификации и при идеальном распознавании равен 1 (κ=1), при случайном – менее 0,3 (κ<0,3).

Протокол исследования

Всем пациентам была проведена комплексная терапия, включившая ЛФК, массаж, физиопроцедуры по показаниям. Из них 36 пациентов были включены в основную группу и получали ежедневные тренировки при помощи НМКЭ, включившие 10 занятий по 3 сессии в день. При проведении процедуры НМКЭ осуществлена обратная связь по двум каналам: в случае правильного выполнения задачи пациентом – кинестетического воображения движения (разжимание кисти) – экзоскелет осуществлял раскрытие кисти, а в качестве обратной зрительной связи – метка в центре экрана окрашивалась в зеленый цвет. Если классификатор не распознавал выполнения задачи как соответствующего инструкции, раскрытие кисти пациента экзоскелетом не производилось, метка на экране цвет не меняла. Пациенты контрольной группы (n=20) получали 10 тренировок по 3 сессии ежедневно, без задачи на воображение, соответственно, без обратной связи, экзоскелет срабатывал в случайном режиме.

Пациенты группы сравнения (n=36) получали только стандартную терапию, включивщую ЛФК, массаж, физиопроцедуры по показаниям.

Оценка результата реабилитации

Оценка когнитивной функции до и после тренировок с НМКЭ проведена с использованием Монреальской шкалы оценки когнитивной функции (МоСА) и таблиц Шульте. Анализ динамики двигательной функции руки был проведен с применением международных шкал Fugl-Meyer Assessment scale (FM), при этом использовали раздел, отвечающий за показатели в проксимальных и дистальных отделах руки, Action Research Arm Test (ARAT), Британской шкалы оценки мышечной силы (MRC-SS), модифицированной шкалы спастичности Ашворта (MAS). С целью объективизации результата тренировок с помощью НМКЭ кроме общепринятых клинических шкал (FM, ARAT, MRC-SS) дополнительно изучали биомеханические параметры движения. Для оценки биомеханики активного движения руки перед началом комплексной реабилитации и после окончания регистрировался кинематический портрет движения руки [12, 13].

Для регистрации использовалась электромагнитная система trakStar (Ascension Techn. Corp., USA), оснащенная четырьмя датчиками, которые устанавливались на акромионе лопатки, плече, предплечье и кисти как паретичной, так и здоровой руки. По данным регистрации движений вычислялись суставные углы и ускорения. Полученные данные сопоставлялись с результатами клинических шкал оценки двигательной функции. Кинематический портрет пациента включал активные движения, которые соответствовали всем степеням свободы в руке (сгибание/разгибание и приведение/отведение кисти; сгибание/разгибание и пронация/супинация локтя; сгибание/разгибание, приведение/отведение и вращение плеча), выполняемые с удобной для конкретного пациента скоростью и максимальной амплитудой. По данным регистрации движений вычислялись суставные углы, угловые скорости и ускорения. Увеличение угловых ускорений, пропорциональное суммарному моменту мышечных сил, действующих на сустав, отражает изменение мышечной силы.

Статистическая обработка данных проводилась при помощи пакета прикладных программ Statistica 10 на персональном компьютере с помощью критериев Уилкоксона для зависимых выборок, Манна–Уитни для независимых выборок, коэффициента корреляции Спирмена.

Результаты

При анализе вероятности распознавания у всех пациентов основной группы она варьировалась от 0,4 до 0,8, случайного распознавания выявлено не было (рис.1). В зависимости от величины вероятности распознавания пациенты основной группы были разделены на 2 подгруппы: с высокой вероятностью распознавания (κ>0,56) и с низкой вероятностью распознавания (κ<0,56).

По результатам анализа исходного когнитивного уровня пациентов до начала тренировок на НМКЭ и оценки способности пациентов к кинестетическому воображению были выявлены некоторые взаимосвязи. Так, при анализе связи между значениями теста МоСА и вероятностью распознавания с помощью коэффициента ранговой корреляции Спирмена выявлена положительная высокозначимая связь, коэффициент Спирмена составил 0,5. В группе с низкой вероятностью распознавания (менее 0,56) медиана уровня когнитивной функции по МоСА составила 23 [22; 23], в группе с вероятностью распознавания более 0,56 – 26 [25; 27] (рис. 2), различие между группами было статистически значимым (р<0,05).

При анализе таблицы Шульте и вероятности распознавания установлено: в подгруппе с низким распознаванием (ниже 0,56) показатель эффективности работоспособности из теста «Таблица Шульте» был достоверно хуже по сравнению с подгруппой, где вероятность распознавания была выше 0,56 (р<0,05; рис. 3).

При оценке динамики изменений двигательной функции руки при помощи шкал FM и ARAT получены результаты, представленные на рис. 4.

Динамика улучшения движения руки по шкале FM и в кисти по шкале ARAT в группе с вероятностью распознавания >0,56 составила 7 [5; 11] и 3 [1; 5] соответственно, в группе с вероятностью распознавания <0,56 – 2,5 [0; 4] по FM и 1 [0; 3] по ARAT, разница между группами была статистически значимой (p<0,05).

На рис. 5 представлены данные биомеханического анализа движений в паретичной руке двух пациентов – М. и Ш. основной группы. Пациенты были схожими по демографическому показателю, оба – мужчины в возрасте 68 лет после перенесенного ишемического инсульта со сроком давности 9 месяцев; степень пареза в руке по Британской шкале мышечной силы до начала тренировок на НМКЭ составила 1 балл; уровень спастичности мышц по модифицированной шкале Ашворта – 3 балла у пациента М. и 1 балл у Ш.; степень дееспособности по модифицированной шкале Рэнкина – 3-я степень у обоих.

Однако эти пациенты значительно различались по уровню когнитивной функции (по показателю МоСА пациент М. набрал 27, Ш. – 23 балла), психофизиологическим показателям (показатель эффективности работоспособности по таблице Шульте у М. составил 84 с, у Ш. – 181,6 с), наличию тревоги и депрессии (по шкале HADS у пациента М. отсутствовали достоверно выраженные клинические симптомы тревоги и депрессии, у пациента Ш. отмечена клинически выраженная тревога и депрессия). Показатели распознавания также различались: у пациента М. вероятность распознавания составила 0,7, у Ш. – 0,4.

Динамика двигательных изменений при оценке по шкалам Fugl–Meyer, ARAT, MRC-SS была одинаковой для обоих пациентов (см. таблицу).

Анализ биомеханических параметров движений паретичной конечности до и после процедуры НМКЭ показал, что у пациента М. с высокой вероятностью распознавания 0,7 появилось активное сгибание в лучезапястном суставе (рис. 5а), увеличилась амплитуда сгибания в локтевом суставе (рис. 5б), а также амплитуда отведения/приведения плеча (рис. 7а).

У пациента Ш. изначально наблюдались активные движения в лучезапястном суставе с небольшой амплитудой 15°, однако по окончании курса амплитуда движения в лучезапястном суставе снизилась до 0 (рис. 6а). Снижение амплитуды движения наблюдалось и в локтевом суставе (рис. 6б).

Биомеханический анализ отведения/приведения в плечевом суставе паретичной руки у пациента М. показал увеличение амплитуды движения почти в 4 раза относительно исходного уровня (рис. 7а), тогда как у пациента Ш. разница с исходным уровнем была небольшой (рис. 7б).

Обсуждение и выводы

Активное участие пациента в ходе тренировки с помощью нейроинтерфейса – важный аспект этого вида нейрореабилитации. Целенаправленное обучение пациента кинестетическому воображению в процессе занятий по технологии НМКЭ способствует стимуляции сохранных областей мозга, способных управлять движением.

У всех пациентов основной группы, проходивших обучение воображению движения на НМКЭ, классификатором определялась различная вероятность ЭЭГ-паттернов движения (от 0,4 до 0,8), причем у всех обследуемых показатель был выше 0,3, что указывает на отсутствие случайного распознавания в ходе процедуры (рис. 1). Способность к выполнению ментальной задачи каждого пациента была индивидуальной. Пациенты с высокой способностью к кинестетическому воображению лучше проходили обучение на НМКЭ, соответственно, результаты двигательного восстановления у таких пациентов были выше (рис. 4). Особенно наглядно это показывает биомеханический анализ движений, результаты которого представлены на рис. 5–7 для двух пациентов с разными когнитивными показателями и разной способностью к воображению движения. Необходимо отметить, что клинические шкалы оценки двигательной функции не показали динамики ее изменения в ходе процедур НМКЭ (см. таблицу). Это свидетельствует о недостаточной чувствительности шкал F-M и ARAT для оценки эффективности НМКЭ и о необходимости использования для такой оценки объективных инструментальных методов.

Обнаруженная взаимосвязь между начальным уровнем когнитивной функции и способностью к кинестетическому воображению (рис. 2) указывает на резерв когнитивных возможностей пациента для качественного выполнения ментальной задачи. Связь между показателем эффективности работоспособности и вероятностью распознавания (рис. 3) отражает способность удерживать внимание на протяжении всей 40-минутной сессии, что положительно влияет на качество тренировки. Таким образом, уровень когнитивной функции может служить критерием оценки резерва индивидуальной способности к воображению движения. Это положение позволяет предполагать, что стимуляция когнитивных функций у пациентов, перенесших инсульт, может способствовать более успешному процессу двигательной реабилитации.


About the Autors


Corresponding author: A.A. Kondur – Moscow Regional Scientific Research Clinical Institute n.a. M.F. Vladimirsky (MRSRCI), Moscow, e-mail: annasams@mail.ru


Similar Articles


Бионика Медиа