Реабилитация больных, перенесших инсульт, с помощью биоинженерного комплекса "интерфейс мозг-компьютер + экзоскелет"

Авторы:
  • С. В. Котов
    ГБУЗ МО "Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского", Москва
  • Л. Г. Турбина
    ГБУЗ МО "Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М.Ф. Владимирского", Москва
  • П. Д. Бобров
    ФГБУ "Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии" РАН, Москва
  • А. А. Фролов
    ФГБУ "Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии" РАН, Москва
  • О. Г. Павлова
    ФГБУ "Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии" РАН, Москва
  • М. Е. Курганская
    ФГБУ "Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии" РАН, Москва
  • Е. В. Бирюкова
    ФГБУ "Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии" РАН, Москва; ГБОУ ВПО "Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова", Москва
Журнал: Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. Спецвыпуски. 2014;114(12): 66-72
Просмотрено: 516 Скачано: 822

Сердечно-сосудистые заболевания являются проблемой чрезвычайной медицинской и социальной значимости, глобальной эпидемией, угрожающей жизни и здоровью населения всего мира, причем в структуре смертности населения они занимают 1-е место, составляя 56%. За последние 5 лет в Российской Федерации от болезней системы кровообращения умерли 6,4 млн человек, из них 18,9% - лица трудоспособного возраста. В структуре смертности от болезней системы кровообращения 1-е место занимает ишемическая болезнь сердца (ИБС, 48%), 2-е - сосудистые заболевания мозга (39%), а в структуре инвалидизации цереброваскулярные болезни выходят на 1-е место [1, 2]. В исследовании S. Paolucci и соавт. [3] показано, что при выписке из реабилитационного стационара почти половина пациентов, перенесших инсульт, передвигаются только на кресле-коляске, менее 15% могут передвигаться в помещении самостоятельно, менее 10% - выходить на улицу, менее 5% - способны подниматься по ступенькам, при этом нарушение функций верхних конечностей более выражено, чем нижних.

Восстановлению функции руки способствует использование различных упражнений. Их эффективность зависит от интенсивности тренировок, правильного выполнения движений, квалификации специалистов, осуществляющих реабилитацию, и от подкрепления обратной связью [4, 5]. Важным аспектом, влияющим на нейропластичность и восстановление нарушенных функций, является число повторений упражнений, при этом оказывается, что у большинства пациентов оно недостаточно [6]. Это обосновывает поиск новых реабилитационных технологий при инсульте, в том числе разработку технических устройств с целью увеличения интенсивности тренировок и числа повторений, подключения биологической обратной связи. К таким технологиям, получившим активное развитие в последние годы, относятся роботы, нейропротезы, неинвазивная стимуляция мозга, интерфейс «мозг - компьютер» (ИМК) [7, 8].

ИМК - совокупность различных устройств, осуществляющих регистрацию и распознавание биоэлектрической активности мозга, связанной с намерением осуществить какое-то действие, и преобразование ее в сигналы биологической обратной связи и/или команды управления внешними устройствами. Так, ИМК, выявляя намерение совершить двигательный акт, может использоваться в качестве передающего звена для управления компьютером, а через него - другими устройствами. Если в прошлые годы ИМК использовали в первую очередь как звено, помогающее заменить выпавшую функцию, т.е. для создания нейропротезов, то в настоящее время все большее внимание исследователей привлекает возможность применения ИМК в нейрореабилитации, в том числе - в моторном восстановлении. Перспективным направлением нейрореабилитации является сочетание ИМК и роботов для усиления активного участия пациента в процессе восстановления [9-11].

Цель настоящего исследования - изучение возможности использования ИМК в сочетании с экзоскелетом кисти руки для проведения двигательной реабилитации у пациентов с постинсультными парезами верхней конечности.

Материал и методы

Исследование проводилось на базе неврологического отделения Московского областного научно-исследовательского клинического института им. М.Ф. Владимирского в 2013-2014 гг. и носило пилотный характер. В него были включены 5 пациентов, 2 мужчины и 3 женщины, в возрасте 30 - 66 лет (средний - 47,0±7,7 года), 4 из которых перенесли ишемический и 1 геморрагический инсульт в срок от 2 мес до 4 лет (пациентка №1 - 2 мес, №2 - 3 мес, №3 - 11 мес, №4 - 1 год, №5 - 4 года). У 2 пациентов (№3 и 5) имелась постинсультная эпилепсия, на момент проведения исследования они находились в лекарственной ремиссии на фоне постоянного приема вальпроатов.

Неврологическое обследование пациентов проводили по общепринятой схеме. Хотя срок, прошедший после инсульта, у всех пациентов различался, для количественной оценки неврологических нарушений использовали единую шкалу инсульта NIHSS [12]. Выраженность спастичности в мышцах конечностей оценивали с помощью модифицированной шкалы Эшворта. Уровень повседневной активности оценивали по индексу Бартел (ИБ), степень инвалидизации - по модифицированной шкале Рэнкина (мШР). Исследования проводили в динамике - до и после окончания курса реабилитации.

Для оценки локализации и величины постинсультного дефекта проводили нейровизуализацию на магнитно-резонансном томографе Initial Achieva 3.0 Т («Philips Medical System Nederland B.V.», Нидерланды) с напряженностью магнитного поля 3 Тл. Протокол магнитно-резонансной томографии (МРТ) включал использование Т1-, Т2- и Т2*-взвешенных изображений (Т1-ВИ, Т2-ВИ, Т2*-ВИ) с использованием импульсных последовательностей TSE (Turbo spin echo), FFE (Fast field echo), GraSE (Gradient spin echo).

Реабилитационные занятия проводили с использованием биоинженерного комплекса ИМК, включающего в себя: 1) электроэнцефалографическую шапочку с системой 32 активных электродов ActiCap («Brain Products», Германия) для регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ); 2) энцефалографический аналого-цифровой преобразователь NVX52 (ООО «Нейроботикс», Россия); 3) персональный компьютер с программным обеспечением для синхронной передачи данных, распознавания и классификации сигналов ЭЭГ и формирования управляющей команды в реальном времени; 4) экзоскелет кисти руки производства ООО «Нейроботикс», состоящий из 5 пальцев, каждый из которых управляется независимыми пневмомышцами.

Реабилитационные занятия проводились следующим образом. На голову пациента одевалась шапочка с электродами для регистрации ЭЭГ, а на кисти паретичной руки фиксировали экзоскелет. Отведение биоэлектрической активности головного мозга выполняли 32 электродами, наложенными по системе «10-20». В течение всего занятия осуществлялся ЭЭГ-мониторинг. Пациент располагался в кресле перед монитором компьютера. На экране монитора был расположен круг для фиксации взгляда пациента во время занятия и три стрелки для обозначения инструкций: 1) расслабиться; 2) вообразить активное медленное разгибание пальцев правой кисти; 3) вообразить активное медленное разгибание пальцев левой кисти. Инструкции по воображению движения пациенту предъявлялись в случайном порядке, каждая в течение 10 с, при этом между инструкциями по воображению движения давалась инструкция на 10-секундный период покоя. Результаты распознавания воображаемого движения предъявлялись пациенту по зрительной и кинестетической обратной связи: в случае успешного распознавания классификатором задачи, соответствующей предъявляемой инструкции, фиксирующая взор метка в середине экрана приобретала зеленый цвет, а экзоскелет осуществлял пассивное разгибание пальцев кисти. В случае невозможности распознавания воображаемого движения по результатам анализа ЭЭГ цвет метки не изменялся, а экзоскелет не осуществлял движения. Каждое занятие по воображению движений состояло из 3-5 сессий продолжительностью 5-10 мин в зависимости от самочувствия и состояния пациента. Во время процедуры проводили мониторинг частоты сердечных сокращений (ЧСС), артериального давления (АД) и контроль насыщения крови кислородом с помощью пульсоксиметра. Курс состоял из 8-10 ежедневных занятий.

Результаты

Все обследованные пациенты имели постинсультный спастический гемипарез выраженностью 2-3 балла, причем наибольшая слабость отмечалась в мышцах кисти, преимущественно - в разгибателях. У пациентки №1 движения в мышцах кисти отсутствовали полностью, у остальных сила мышц составляла 1-2 балла.

При нейровизуализации у всех пациентов обнаруживались обширные постинсультные дефекты вещества мозга (табл. 1).

При этом у пациентов №2 и №3 выявлялось поражение первичной сенсомоторной и премоторной зон коры полушария головного мозга (см. рисунок), у 3 - подкорковое поражение с вовлечением пирамидного тракта.
Рисунок 1. МРТ головного мозга пациентки №3. Т2-ВИ, FLAIR. Наблюдается обширный дефект вещества головного мозга, захватывающий бо`льшую часть бассейна левой средней мозговой артерии

При мониторинге витальных показателей в процессе реабилитационных занятий у всех пациентов не было выявлено отрицательных изменений, которые могли бы свидетельствовать о нарушении реактивности сердечно-сосудистой системы: регистрировалась адекватная реакция на выполнение ментальной задачи - снижение или повышение ЧСС на 5-10 уд/мин, снижение или повышение показателя систолического АД на 5-10 мм рт.ст., показатель сатурации крови составлял 94-96%, время восстановления показателей до исходного уровня после окончания процедуры было не более 3 мин.

В результате проведенных занятий отмечены положительные изменения в неврологическом статусе, которые прежде всего заключались в увеличении объема и силы движений в паретичной руке, улучшении в ней координации движений при незначительном снижении уровня спастичности и небольшом улучшении сенсорных функций. Как видно из табл. 2, у всех пациентов после проведенного курса реабилитации отмечалось уменьшение неврологического дефицита, в среднем составившее 39%.

У пациентов, находившихся в раннем восстановительном периоде, показатель улучшения по шкале NIHSS составил 67%, в то время как у больных со сроком 1 год и более после перенесенного инсульта - 25%. Отчетливое снижение уровня спастичности произошло у 1 пациентки (№1) с минимальным сроком после перенесенного инсульта, у нее же отмечался и наибольший регресс неврологической симптоматики.

Представляет особое значение ответ на вопрос, какое влияние на уровень инвалидизации и повсе­дневной активности оказывают реабилитационные занятия с использованием комплекса «ИМК + экзоскелет». Хотя в процессе занятий тренировки были направлены на восстановление функции кисти паретичной руки, причем преимущественно - на разгибание пальцев, тем не менее после курса у пациентов отмечено улучшение ИБ в среднем на 9 баллов (табл. 3).

Это положительное изменение было достигнуто в результате как улучшения мелкой моторики - больные стали самостоятельно выполнять гигиенические процедуры, застегивать пуговицы и т.д., так и увеличения способности к самостоятельному передвижению. При этом у пациентов в раннем восстановительном периоде улучшение составило 18%, в позднем восстановительном - 11%, у пациента №5 с последствиями инсульта изменений отмечено не было. Отчетливо изменился и показатель инвалидизации пациентов по результатам мШР. При этом у 4 пациентов получено улучшение на 1 балл, у пациента №5 динамика отсутствовала.

Интересным и практически важным, учитывая наличие у 2 пациентов постинсультной эпилепсии, явился анализ ЭЭГ в процессе реабилитационных занятий. Биоэлектрическая активность у обследованных пациентов характеризовалась диффузным доминированием β-ритма без существенных зональных различий (исследование происходило в помещении с естественным освещением при открытых глазах). У 2 из 5 пациентов на фоне общемозговых выявлялись очаговые изменения в виде периодически возникавших вспышек τ-волн лобно-центральной локализации на стороне пораженного полушария. В периоды выполнения ментальных задач отмечалось нарастание десинхронизации, выражавшееся в снижении амплитуды записи. Во второй половине занятия по мере утомления отмечено появление вспышек α-ритма затылочно-центральной локализации. У пациента №5 по мере нарастания утомления возникали вспышки заднецентрального регионального замедления τ-диапазона, которые позже сливались, образуя диффузное τ-замедление. Лишь однократно у пациента №2 в течение 1-го занятия возникла билатерально-синхронная вспышка высокоамплитудных (150-200 мкВ) δ-волн.

Обсуждение

Проведенное исследование по изучению возможности использования биоинженерного комплекса «ИМК + экзоскелет кисти руки» для проведения двигательной реабилитации у пациентов с постинсультными парезами верхней конечности показало положительный результат у всех 5 включенных пациентов. Улучшение зарегистрировано как в отношении восстановления функций паретичной конечности, так и уровня повседневной активности и инвалидизации больных в раннем и позднем восстановительном периодах инсульта. Менее выраженная положительная динамика была у пациента с отдаленными последствиями инсульта. Отметим, что у всех пациентов при нейровизуализации выявлены обширные очаги постинсультных корково-подкорковых изменений.

В проведенном исследовании осуществлялось мультимодальное реабилитационное воздействие. Во-первых, пациенты учились целенаправленному воображаемому движению, во-вторых, по результатам анализа ЭЭГ осуществлялась биологическая обратная связь с включением зрительного анализатора - при распознавании воображаемого движения появлялся сигнал на мониторе компьютера, в-третьих, происходил другой вид биологической обратной связи - воображаемое движение подкреплялось пассивным разгибанием пальцев с помощью роботизированного устройства, наконец, пациенты учились достигать состояния релаксации. Все эти реабилитационные факторы ранее использовались по отдельности и доказали свою эффективность.

Результат восстановления нарушенных функций после инсульта зависит от большого числа факторов, причем локализация и размер очага повреждения мозга являются наиболее значимыми из них. Восстановление моторных функций наиболее активно происходит в первые 8-12 нед после инсульта, что связано с возвращением функциональной активности сохранившихся участков мозга и консолидацией деятельности анализаторов. Дальнейшее восстановление если происходит, то сниженными темпами, однако имеются данные о существенном улучшении функций мозга спустя длительные сроки, что связывают с нейропластичностью [13]. Термин «нейропластичность» подразумевает различные механизмы - замещение (изменение локализации представительства функции в коре), пластичность (способность к перестройке), компенсация (вовлечение дополнительных моторных корковых зон), реорганизация и др. [14]. Очевидно, что у наблюдавшихся нами пациентов процесс восстановления функций был обусловлен нейропластичностью.

Воображение движения является сравнительно новым подходом в реабилитации после инсульта. Оно активирует моторную зону контралатерального полушария также активно, как и произвольное движение. Ряд исследователей отмечают вовлечение в процесс воображаемого движения премоторной и дополнительной моторной коры, теменной доли, круговой извилины, базальных ганглиев и мозжечка [15, 16]. При этом как подготовка к произвольному движению, так и воображаемое движение проявляются десинхронизацией -ритма (10-12 Гц) на ЭЭГ в области корковых двигательных зон, в большей степени - контралатерально (event-related desynchronization - ERD - десинхронизация, связанная с событием). После завершения движения может наблюдаться синхронизация биоэлектрической активности в β-диапазоне (13-30 Гц), так называемая синхронизация, связанная с событием (event-related synchronization - ERS) или β-восста­новление [17, 18]. Несмотря на то что были получены весьма обнадеживающие данные при использовании воображаемых движений в реабилитологии, сохраняются две серьезные проблемы, ограничивающие применение этого метода. Во-первых, воображаемое движение - это чисто ментальное действие без двигательного акта, что не позволяет врачу контролировать тренировочный процесс и быть уверенным в комплаентности пациента. Во-вторых, сам пациент не имеет обратной связи от воображаемого движения, что мешает ему контролировать собственные усилия. ИМК позволяет разрешить эти две проблемы, переводя биоэлектрическую активность головного мозга в команды, управляющие различными устройствами [17, 19]. Именно этот принцип, описанный ранее и опробованный на здоровых добровольцах, был заложен в основу использованного в исследовании реабилитационного биоинженерного комплекса «ИМК + экзоскелет» [15, 20].

Роботизированные приспособления для реабилитации после инсульта позволяют в первую очередь увеличить интенсивность и длительность пассивных движений, однако проведенные исследования показали довольно скромные результаты, особенно в отношении функционального восстановления и увеличения повседневной активности [21, 22]. M. Milot и соавт. [23] считают, что для увеличения эффективности роботизированной терапии необходимо одновременное использование виртуальной реальности. Нами роботизированное устройство было использовано в комплексе «ИМК + экзоскелет», т.е. не просто для выполнения пассивных движений, а для создания дополнительного канала биологической обратной связи сенсомоторного анализатора.

Таким образом, использование комплекса «ИМК + экзоскелет» в реабилитации пациентов с постинсультными парезами руки дало положительный результат, причем отмечены улучшения не только двигательных функций, но также и повсе­дневной активности и уменьшение инвалидизации, что указывает на необходимость продолжения исследований. В частности, представляется важным проанализировать влияние занятий на состояние мелкой моторики руки, когнитивные и психоэмоциональные показатели. Можно предполагать, что ментальные упражнения (воображение движения с биологической обратной связью, осуществляемой ИМК по двум каналам - зрительному и кинестетическому) способствуют не только реорганизации сенсомоторного анализатора, но и восстановлению интегративной деятельности мозга.

Исследование выполнено при поддержке Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н.И. Пирогова (Договор №0373100108213000320_45551) и грантов РФФИ №13-04-12034-офим и №13-04-12019-офим.

Список литературы:

  1. Котов С.В., Стаховская Л.В., Исакова Е.В. и др. Инсульт. Под ред. Л.В. Стаховской, С.В. Котова. М: МИА 2014; 400.
  2. Lloyd-Jones D., Adams R.J., Brown T.M. et al. Heart disease and stroke statistics - 2010 update: a report from the American heart association. Circulation 2010; 121: 46-215.
  3. Paolucci S., Bragoni M., Coiro P. et al. Quantification of the probability of reaching mobility independence at discharge from a rehabilitation hospital in nonwalking early ischemic stroke patients: a multivariate study. Cerebrovascular Diseases 2008; 26: 1: 16-22.
  4. Cirstea M.C., Levin M.F. Improvement of arm movement patterns and endpoint control depends on type of feedback during practice in stroke survivors. Neurorehabilitation and Neural Repair 2007; 21: 5: 398-411.
  5. Lang C.E., Macdonald J.R., Reisman D.S. et al. Observation of amounts of movement practice provided during stroke rehabilitation. Arch Phys Med Rehabil 2009; 90: 10: 1692-1698.
  6. Krakauer J.W. Motor learning: its relevance to stroke recovery and neurorehabilitation. Current Opinion in Neurology 2006; 19: 1: 84-90.
  7. Belda-Lois J.M., Mena-Del Horno S., Bermejo-Bosch I. et al. Rehabilitation of gait after stroke: a review towards a top-down approach. J Neuro Engineering and Rehabil 2011; 13: 8-66.
  8. Iosa M., Morone G., Fusco A. et al. Seven Capital Devices for the Future of Stroke Rehabilitation. Hindawi Publishing Corporation Stroke Research and Treatment 2012; doi:10.1155/2012/187965.
  9. Bobrov P., Frolov A., Cantor C. et al. Brain-computer interface based on generation of visual images. PLoS One 2011; 6: 6: 20674. doi: 10.1371/journal.pone.0020674.
  10. Enzinger C., Ropele S., Fazekas F. et al. Brain motor system function in a patient with complete spinal cord injury following extensive brain-computer interface training. Experimental Brain Research 2008; 190: 2: 215-223.
  11. Pfurtscheller G., Muller-Putz G.R., Scherer R., Neuper C. Rehabilitation with brain-computer interface systems. Computer 2008; 41: 10: 58-65.
  12. Adams H.P., del Zoppo G., Alberts M.J. et al. Guidelines for the Early Management of Adults With Ischemic Stroke. Stroke 2007; 38: 1655-1711.
  13. Nichols-Larsen D.S., Clark P.C., Zeringue A. et al. Factors influencing stroke survivors' quality of life during subacute recovery. Stroke 2005; 36: 7: 1480-1484.
  14. Albert S.J., Kesselring J. Neurorehabilitation. In: Textbook of Stroke Medicine. Ed. M. Brainin, W.-D. Heiss. Cambridge University Press 2010; 283-306.
  15. Dickstein R., Deutsch J.E. Motor imagery in physical therapist practice. Phys Ther 2007; 87: 942-953: doi:10.2522/ptj.20060331.
  16. Sharma N., Pomeroy V.M., Baron J.C. Motor imagery: a backdoor to the motor system after stroke? Stroke 2006; 37: 1941-1952: doi:10.1161/01.STR.0000226902.43357.fc.
  17. Neuper C., Scherer R., Wriessnegger S., Pfurtscheller G. Motor imagery and action observation: modulation of sensorimotor brain rhythms during mental control of a brain-computer interface. Clin Neurophysiol 2009; 120: 239-247.
  18. Pfurtscheller G., Lopes da Silva F.H. Event-related EEG/MEG synchronization and desynchronization: basic principles. Clin Neurophysiol 1999; 110: 1842-1857.
  19. McFarland D.J., Wolpaw J.R. Sensorimotor rhythm-based brain computer interface (BCI): model order selection for autoregressive spectral analysis. J Neural Eng 2008; 5: 155-162.
  20. Фролов А.А., Бирюкова Е.В., Бобров П.Д. и др. Принципы нейрореабилитации, основанные на использовании интерфейса "мозг - компьютер" и биологически адекватного управления экзоскелетом. Физиология человека 2013; 39: 2: 99-113.
  21. Lo A.C., Guarino P.D., Richards L.G. et al. Robot-assisted therapy for long-term upper-limb impairment after stroke. N Engl J Med 2010; 362: 1772-1783.
  22. Takahashi C.D., Der-Yeghiaian L., Le V. et al. Robot-based hand motor therapy after stroke. Brain 2008; 131: 425-437.
  23. Milot M.-H., Spencer S.J., Chan V. et al. A crossover pilot study evaluating the functional outcomes of two different types of robotic movement training in chronic stroke survivors using the arm exoskeleton BONES. J Neuro Engin and Rehabil 2013; 10: 112.