JNER:一种用于亚急性脊髓损伤患者手部治疗的BCI-FES系统——一项可用性研究

2021-09-20 MedSci原创 MedSci原创

很多年轻人患有创伤性脊髓损伤(SCI),并且生活了几十年。根据他们的神经水平和受伤的严重程度,他们在日常生活活动(ADL)方面需要依赖护理人员。对于这些人来说,实现最大的手功能对于ADL至关重要,研究

很多年轻人患有创伤性脊髓损伤(SCI),并且生活了几十年。根据他们的神经水平和受伤的严重程度,他们在日常生活活动(ADL)方面需要依赖护理人员。对于这些人来说,实现最大的手功能对于ADL至关重要,研究表明,手功能是四肢瘫痪患者的首要任务。虽然最大程度和最快速的功能恢复发生在受伤后的第一年,但出于成本的考虑,患者一般受伤后几个月内出院。这可能会限制患者的康复,因为获得物理治疗和康复的机会仅限于专业中心。因此,需要易于一种易于使用和有效的解决方案来促进SCI患者的社区康复。

脑-计算机接口(BCI)技术已与功能性电刺激(FES)相结合,用于中风和脊髓损伤后的康复,并已被证明在临床环境中有效。对于患者来说,系统的有效性和准确性很重要,而护理人员则关注硬件设置的简单性和用户界面的友好性。因此,为了测试将BCI系统引入社区医疗工具的可行性,需要了解三个群体、治疗师、护理者和患者在学习和使用系统过程中的需求和障碍,以便将他们纳入UCD(以用户为中心的设计)过程。本研究的目的是测试使用基于消费者级脑电技术的定制BCI-FES系统用于脊髓损伤患者手部治疗康复的可行性。本文发表在《Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation》。

该研究涉及三组BCI-FES使用者:OTs、亚急性SCI患者及其护理者(通常为家庭成员)。所有参与者都没有参与过BCI。总共招募了8名SCI患者及其护理人员,但其中一对在一次BCI-FES治疗后退出。在8名SCI患者中,2名为女性,6名为男性,平均年龄为55.4岁 ± 15.6年。损伤特征为:C2级损伤2例,C4级损伤4例,C5级损伤2例;四个AIS C表示感觉和运动不完全损伤,运动等级低于损伤等级3级,四个AIS D不完全损伤,但运动等级高于损伤等级3级;招募时受伤后平均时间为12.4 ± 6.2周(最少6周,最多26周)。在招募的护理人员中,5名为女性,3名为男性,平均年龄为45.3岁 ± 14.3年。

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以用户为中心的设计流程

研究人员招募了OTs,教他们使用该系统,然后对每个参与者进行监督和评估。OTs在最多五个小时的培训课程中学习使用BCI系统,并在最多五个小时的培训课程中教每位护理人员操作BCI系统。成功培训后,SCI使用者和护理者可以选择独立完成最多10个额外的疗程(由研究者监督,但无OT)。护理者的角色是为SCI患者搭建系统。SCI患者的角色是实际执行BCI促进的手部治疗。 

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用户在进行康复训练

硬件由BCI和FES设备组成。在C++中开发了一个专有的用户应用程序, 启用脑电设备和FES刺激器之间的BCI控制和通信。为了在治疗过程中获取EEG信号,使用EMOTIVEPOC(美国Emotiv公司),采样频率为128 Hz。对于初始和最终EEG评估,使用GTech g.USBamp生物放大器(奥地利Guger Technologies),采样率为256 Hz,在以下位置使用16个EEG通道:AFz、F3、Fz、F4、FC3、FCz、FC4、C3、Cz、C4、CP3、CPz、CP4、P3、Pz、P4,地面在A1上,参考在A2上。阻抗保持在5kΩ以下。FES刺激器Rehastim(德国Hasomed有限公司)允许最多四个通道独立使用。OT单独评估每个用户的特定运动缺陷。最常见的是,FES电极放置在前臂上,以交替方式激活手腕和手指屈肌和伸肌。

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软件界面及流程

有效性:BCI的准确率为70–90%。效率:中位数穿戴时间从最初的40.5分钟减少到最后一次训练的27分钟(N = 7) ,在最后一次训练中降至14分钟(N = 3)。BCI和FES参数在训练间保持稳定。满意度:SCI使用者和护理者对系统的平均满意度为3.68 ± 0.81。实施BCI-FES技术的主要促进因素是“看手移动”、“为所爱的人做一些有用的事情”、良好的计算机素养(SCI患者和护理人员)、“积极参与治疗”(OT),而主要障碍是设置的技术复杂性(所有组)和“缺乏临床证据”(OT)

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患者初始神经评估期间的群体脑电图特征

研究结束时,OTs报告了使用该系统并将其介绍给SCI使用者和护理者的信心。有了足够的实践、适当的学习辅助和指导以及持久的远程支持,治疗师可以继续教授需要治疗的人及其护理者,甚至可以将知识传授给其他治疗师。生活在农村和偏远地区,附近没有康复中心的人可能最需要这种方便的家庭治疗。因此,为了使任何基于家庭的治疗成为真正可行和可持续的解决方案,必须在当地组织培训,并提供本地和远程支持。

尽管一些SCI使用者认为手功能有所改善,但由于多种因素,不能断定这是BCI-FES治疗的结果。首先,自然恢复发生在受伤后,每个SCI使用者在研究过程中积极参加物理治疗和职业治疗课程。其次,BCI-FES训练时间太短,因为最少的治疗次数约为10次长疗程或20次短疗程。参与OTs的动机是SCI患者积极参与治疗的必要性。他们认为这有利于患者的康复,因为他们经常鼓励患者积极参与,但许多患者在接受FES常规治疗时仍保持被动。

总之,BCI-FES系统有可能被SCI或中风患者用作家庭手部治疗,前提是它易于使用。

Zulauf-Czaja, A., Al-Taleb, M.K.H., Purcell, M. et al. On the way home: a BCI-FES hand therapy self-managed by sub-acute SCI participants and their caregivers: a usability studyJ NeuroEngineering Rehabil 18, 44 (2021). https://doi.org/10.1186/s12984-021-00838-y

 

 

 

 

 

 

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