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国际期刊的创新在计算机和通信工程的研究

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Brain-Computer-Interfaces康复的中风和创伤

T.Shanmugapriya1,S.Senthilkumar2
  1. 助理教授,信息技术部,SSN Engg大学,钦奈,印度泰米尔纳德邦,
  2. 助理教授、电子系、仪器仪表、Bharath大学,钦奈,印度泰米尔纳德邦,
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文摘

中风或创伤后瘫痪的主要原因之一是长期残疾的成年人。开发人脑计算机接口(BCI)系统,允许在线分类电动或代谢的大脑活动和他们的翻译成控制信号的外部设备或电脑导致了两种主要的方法在解决的问题瘫痪。而辅助BCI系统争取连续高维控制机械设备或功能性电刺激(FES)瘫痪肌肉代替失去的运动功能在日常生活环境中(例如Velliste et al . 2008[1],其et al . 2006 [2], Pfurtscheller et al . 2000[3]),恢复BCI系统针对神经生理活动正常化可能促进运动恢复(例如Birbaumer et al . 2007, 2009 (4、5);戴利et al . 2008 [6])。为了使辅助BCI系统工作在日常生活中,高速BCI沟通是必要的,现在的问题只能通过入侵大脑活动的录音(如通过多部件数组,邮件用户代理或electrocorticogramm ECoG)。恢复性BCI系统,相比之下,开发培训工具基于非侵入性的方法如电,或者脑磁图描记术(EEG /梅格)。最近开发的实时方法使用功能性磁共振成像(rtfMRI)或近红外光谱(NIRS)。这里,我们概述当前状态的发展和应用的辅助和恢复性BCI和引入新方法来改善BCI控制大脑刺激,如经颅直流电刺激(tDCS)。使用BCI的前景在中风和创伤康复进行了探讨。

介绍
发展以来的脑电图仪的测量(EEG)在20世纪早期基于汉斯伯格发现电脑振荡[7],阅读的理念思想从大脑活动解雇了许多科学家的想象力。最近传感器技术的发展和计算能力的发展导致脑-计算机接口(BCI)。这些系统允许直接电动或代谢大脑活动转化为控制信号的外部设备或电脑。而基于分类的BCI系统记录的动作电位峰值列车由单个或多部件电极或局部场电位(联赛)记录下electrocorticography (ECoG)需要植入(入侵BCI)[1, 8 - 11],良好的技术,如脑电图(EEG)和脑磁图描记术(MEG)允许非侵入性BCI控制[日]。最近的事态发展使用near-infrared-spectroscopy (NIRS)或实时BCI系统的功能性磁共振成像(rtfMRI) [17]。
通过创建另一个大脑的传出通路,BCI被成功用于通信(12、18)或矫正的设备的控制,使偏瘫的患者如掌握[19]。中风和创伤属于全世界长期残疾的主要原因和影响的人的数量增加每年由于人口变化和增加存活率[20]。多达30%的中风患者的经验非常有限的运动恢复和依靠援助来管理他们的日常生活活动(21、22)。使患者能够重新把四肢瘫痪的能力,分别提高他们的运动行为的能力,可以大大改善他们的生活质量。虽然有令人鼓舞的研究提供的证据表明,例如constrained-induced治疗(CIT)或双边手臂训练可能有用的中风患者康复策略轻瘫的上肢(23、24),没有接受并有效的康复策略严重影响中风患者完全瘫痪肌肉,正是那些不参与共同培训康复治疗。

辅助和恢复性BCI NEUROREHABILITATION
根据BCI的目的使用瘫痪康复,两种主要的方法可以区分:虽然辅助BCI系统针对高维控制机器人的四肢或功能性电刺激(FES)专门激活瘫痪肌肉替代失去运动功能在日常生活中(1、2、25),恢复使用BCI瞄准选择性感应-依赖的神经可塑性,以促进汽车复苏(每股26到29)。
这两种方法从不同的研究传统和不一定是侵袭性相关的方法:在早期的埃伯哈德菲尔兹(1969)一只猴子,操作性条件反射的基础上,使用皮质单位活动转移杠杆提供奖励[30]。二十年后,解码实现单一神经元的不同的运动方向(31、32)。此后的重建复杂的运动神经元活动成为可能。射击模式运动皮层的单个细胞[33]或壁神经池[34]在动物是非常成功的重建运动轨迹。猴子学会控制电脑屏幕上的光标向移动目标在一个预先确定的顺序先后激活神经元的运动,运动前区,壁运动区。在一个特别成功的准备,32个细胞足够的人工手臂移动和执行技巧达到运动后大量训练[1]。这种技术使一只猴子来养活自己。皮层可塑性的电路允许直接从细胞活动甚至学会了控制动作以外的运动皮层的主要或次要homuncular表示[9],一个支持的假设的情况下操作性条件作用学习BCI控制是一个关键因素不论录制的面积。业务在一个令人鼓舞的实验(2006)密集的微电极阵列植入的几百个微电极在两个人类四肢瘫痪的患者[2]。几训练,患者学会使用LFP在几个方向来移动电脑光标。 This kind of BCI control with two degrees of freedom (DoF) could be used e.g. to switch on lights, a TV or make a phone call. However, in contrast to the studies in healthy animals none of the invasive procedures allowed restoration of skilful movement in paralyzed humans. It is not clear why so far the human preparations have achieved only limited results in terms of application to activities of daily living. There are a couple of major challenges that are unsolved so far, particularly stability, encapsulation and general safety issues [35- 37]. While the primary motor cortex (M1) has the most non- ambiguous influence on the motor neurons of the upper limb, it is tightly connected with supplementary (SMA) and other non-primary motor areas [38] that are involved in the integration of complex skilled movements [39,40]. Studies using retrograde transport tracers from the arm area of M1 in macaques showed, however, that up to 60% of all cortical projections to the spinal cord originate in pre-motor areas [41]. This indicates that complex motor behavior might not be exclusively decodable from the primary motor cortex and may in fact require multiple recording sites from various brain areas that integrate complex networks. In a very encouraging recent study, though, sufficient information could be extracted from a 4 x 4 mm grid with 96 silicon-based electrodes placed over M1 of a macaque to reconstruct 25 measured joint angles representing an estimated 10 DoF [42]. This electrode system (BrainGate II®) is currently investigated in a pilot human clinical trial to address reliability and safety [43].
研究使用硬膜外的微创方法植入ECoG电极网格显示一个主题可以学会控制光标移动只有几分钟的培训(44岁,45岁)。除了更好的地形分辨率和记录带宽相比,非侵入性方法[46、47],ECoG基于BCI有更好的信噪比由于缺乏肌污染[48]和其他工件。最近的工作表明,预测一只猴子的3 d手轨迹和7自由度手臂关节角与准确性可能类似于录音基于single-cell-recordings [49]。景深的水平,可以实现解码的ECoG-grid运动相关LFP脑损伤患者尚不清楚,不过,调查的问题。
尽管不是完全不可能的(50,51岁),提取的运动轨迹和在线解码无创性记录大脑活动[52]是困难的。然而,在矛盾斯金纳的提议,操作性和经典条件作用需要参与的肌肉骨骼系统[53],自愿脑振荡的控制是可行的,利用这种情况下打开大门为非侵入性BCI控制。平均通信率通过非侵入性BCI技术在人类范围之间每分钟5 - 25位[54],即25二进制(yes / no)选择每分钟可以正确分类。
病人,否则无法沟通,即locked-in-patients患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS),疾病的特点是上下运动神经元退化相结合,可以极大地受益于使用非侵入性的BCI[12、18, 55岁,56]:病人是第一个训练产生积极或消极的缓慢的皮层电位(SCP)听觉线索的命令实现超过70%的控制后,电脑屏幕上的字母或单词了。一个特定的字母被选中后通过创建SCP外观(12,57-59)。超过四十ALS患者在疾病的不同阶段被训练使用SCPBCI,其中7名患者的最终到达locked-in-state (LIS)和能够继续使用BCI。所有病人开始训练后进入完成locked-in-state(不过),然而,无法实现持久BCI控制[61]——这一发现可能的相关性的理解自愿调制的大脑活动和BCI控制。
鼻中隔黏膜下切除术后感觉-运动节奏除了SCP,()是最调查用于非侵入性BCI控制电子的生理信号。鼻中隔黏膜下切除术后的发现可以追溯到1950年代初:观察当地的特定信号振幅和频率在8—13赫兹的范围减少中央区域马达准备或执行期间成为了μ-rhythm建议后Gastaut (62、63)。根据地理位置、频率和反应性感觉输入或输出,不同组件的μ-rhythm假设[3]。与事件相关的发现desychronization (ERD)和同步(ERS)在motor-related活动[64]SMR-based BCI的发展的基础。ERD / ERS提供量化的stimulus-locked大脑活动在时间频率和空间域。假设ERD sensorymotor内反映了广泛的信息处理系统[65],虽然人是增加同步空转的感觉神经元网络[66]。鼻中隔黏膜下切除术后可访问性的认知操作使一个理想的候选人来驱动BCI系统。鼻中隔黏膜下切除术后使用BCI控制调制在格拉茨Pfurtscheller集团的广泛调查[3,13],沃尔波集团在奥尔巴尼(67、68)和图宾根Birbaumer集团[69]。2003年,Pfurtscheller BCI-group介绍第一SMR-based BCI被用来使一个四肢瘫痪的病人控制把握通过功能性电刺激激活运动图像[3]。
另一个经过良好测试的BCI控制器是基于与事件相关脑电位(ERP) Donchin P300-BCI [70]。而SCP -和SMR-control是通过视觉和听觉反馈学习通常需要十训练可靠的控制是实现之前,P300-BCI不需要广泛的培训。信息P300-BCI率可以达到每分钟20 - 25位[71]但是需要非常高的注意力水平,需求往往不是神经或精神障碍患者了。
最近还引入了一个基于BOLD-signal rtfMRI-BCI [72 - 75]。2003年Weiskopf & Birbaumer et al。[72]提出fMRI-BCIs的发展可能是一个强大的工具在治疗各种疾病和疾病。结果表明:皮层活动与当地血流量变化和大胆的高度相关信号[76]和意志的监管大胆的活动在皮层和杏仁核分皮质等领域,前扣带、岛叶和海马旁回与改变这些地区[75]之间的连通性。DeCharms等。[74]证明了使用实时fMRI-BCI会影响感知疼痛。
除了fMRI-BCI方法,近红外光谱(NIRS)也是一种非侵入性技术基于测量大脑的代谢变化。使用多个双或光源和光检测器渠道操作在两个或两个以上的离散波长在近红外范围(700 - 1000 nm)脑氧合和血流的特定区域的皮质表面可以确定。区域脑血流量增加的程度(rCBF)超过了区域脑氧代谢率增加(rCMRO2)导致缺氧期间静脉血液中血红蛋白减少需氧量高。因此,增加总血红蛋白和氧合血红蛋白减少缺氧可以测量血红蛋白激活大脑活跃区域。最近开发的便携式系统使NIRS有前途的工具,非侵入性的BCI研究[17日28]。
与这项工作旨在辅助设备的侵入性和非侵入性的BCI技术,恢复BCI系统的发展紧密相关的开发和成功neurofeedback (NF)和它的使用有目的地调控抑制大脑活动——质量显示有一些有益的各种神经和精神疾病的治疗效果与神经生理异常[77]。NF学科获得视觉和听觉在线反馈他们的大脑活动和自愿要求修改如特定类型的脑波[77]。反馈包含信息的成功程度控制信号,并将奖励正确的修改。NF被成功用于治疗癫痫(79、80),ADHD(81 - 83)慢性疼痛综合征[84]和卒中后完全瘫痪[3]。
中风可以关联到广泛的神经可塑性改变突触的神经和电路的水平。除了新的突触强化和重新布线[85]由于长期势差现象(LTP)或长期抑郁(有限公司),树突发芽,广泛的邻近梗塞重组和活动模式的变化在偏远的皮质区域[86]包括两半球间的抑制(87 - 90)。
各种干预措施,瞄准调制的神经可塑性,如减少的躯体感觉输入完整的手[91]或增加的影响[92],neuropharmacologic策略影响多巴胺和肾上腺素能系统[93],心理训练等motor-imagery培训(94 - 96)和非侵入性脑刺激[96 - 99]显示有益对卒中后运动功能的影响。
结果表明,能够使失调影响半球在SMR-range中风与临床相关的急性和亚急性阶段运动结果[100]。这一发现是一致的功能磁共振成像研究在中风患者,建议增加协会ipsilesional初级运动皮层的活动和功能恢复而参与contralesional运动皮层运动期间受影响的手与贫穷有关电机恢复[101102]。
这些线后,恢复BCI是基于两个假设:1。诱导中枢神经系统可塑性产生正常激活(如偏侧性的),将恢复正常的运动机能。2。或有感官输入到一个特定的激活模式给予奖励运动系统引起中枢神经系统可塑性,促进恢复正常的运动控制,可能通过重组和突触强化之前削弱或抑制汽车网络。
作为进一步发展的一个重要步骤SMR-based辅助和恢复性BCI系统,一项研究是由Buch et al。(2008)[19]评估慢性中风患者是否能够学会调节μ-rhythm。八慢性手plegia造成中风患者参与13至22 BCI训练学习自愿控制μ-rhythm振幅的感觉-运动区域的原始的皮层。诊断核磁共振成像显示单一的、单方面的皮层下,皮质或混合参与患者的病变。病人没有剩余的手指扩展函数。在实际的训练之前,患者想象几个不同的上、下肢的运动以及舌头。这样做时,梅格ipsilesional地区最强的振荡反应μ-range被确认。基于区域的位置,三个梅格传感器被选为BCI控制。在培训期间,μ-desychronization翻译在屏幕上的光标移动。大约4秒钟后向上或向下调节,受影响的手被一个hand-orthosis无论是打开或关闭贴在参与者的瘫痪的手指。鼻中隔黏膜下切除术后的培训,控制与增加范围和特异性μ-rhythm调制记录传感器覆盖中央ipsilesional(4例)或contralesional(2例)地区。 However, two patients were unable to gain BCI control. One patient started with high success rates of BCI control (approximately 85%) at the beginning of the training and did not improve much further. This study demonstrated for the first time that most patients with chronic stroke, even with complete hand paralysis, could learn to control SMR-based BCI-systems.
然而,应用BCI培训没有与显著的临床改善。每天一小时的BCI培训时间为2 - 3周可能不足以引发相关电机恢复患者的慢性中风后瘫痪。其他原因可能是有限的BCI-associated运动转化为日常活动(“转移包”)[103]和延误BCI-driven somato-sensory输入,导致低时间相切的大脑活动和感官的反馈。更大的临床研究使用BCI系统夫妇非常具体的temporo-spatial大脑激活模式在线或有感觉反馈可能有助于阐明SMR-based BCI系统的可行性恢复瘫痪。Buch等人未公布的数据表明,frontoparietal连接卒中后SMR-based BCI学习获得成功起着关键的作用[104]。
最近在al Broetz。(2010)[26]发表理论水平的结合BCI研究培训和有目的的物理治疗在慢性中风。一个67岁的偏瘫的病人患有皮层下出血收到三个街区的BCI训练加上有目的的物理治疗在过去的12个月。培训前他没有活跃的手指运动,依靠对个人卫生援助和穿着和使用轮椅的距离大于半英里。每个BCI训练块由每日SMR-based BCI训练超过30天。第一BCI训练块275 -传感器梅格使用翻译运动图像相关SMR-modulation影响半球打开或关闭的瘫痪手[25]。第二个和第三个是基于EEG-recordings训练块。有目的的物理治疗是持续了12个月。手臂运动机能以及步态(使用Fugl-Meyer评估,菲利普-马萨,沃尔夫运动功能测试,WMFT,和Ashworth规模)和大脑重组评估期间反复研究。一年之后,菲利普-马萨,WMFT Ashworth得分提高了46.6%的意思。病人能够延长他的手指,打开他的手抓住影响。 He regularly walked distances over half mile and did not use the wheelchair anymore. Analysis of spectral amplitudes in MEG data reflecting cortical activity revealed a significantly stronger SMR-desychronization during motor imagery and motor execution on the affected hemisphere.
多通道神经影像学方法基于功能磁共振成像和扩散张量成像(DTI)被用来进一步研究神经可塑性的变化与纵向临床评估[27]。Psycho-physiological交互(PPI)分析被用来评估功能连通性和显示活动的ipsilesional pre-motor皮层(PMC)积极合作随ipsilesional中小学感觉运动区域所有测量。皮质脊髓束(CST)完整性估计基于DTI分析和tractography显示明显降低探测ipsilesional中科纤维98%后内囊的前部,而大多数的证据保留纤维内囊的前一部分。它提出的前纤维中科来自前部分初级运动皮层(M1)或PMC可能构成了解剖观察临床改善存在的先决条件。功能磁共振成像数据分析显示增加活动ipsilesional背运动和辅助运动区年底最后BCI训练块,和一个显著增加分数各向异性(FA)反映脑白质微观结构的完整性影响春秋国旅。这proof-ofprinciple SMR-based BCI研究提供了令人鼓舞的数据训练加上目标导向理疗可能诱发有益使用的依赖可塑性perilesional地区促进汽车复苏。
另一项研究和和他的同事(2010)[105]两组相比sub-acute和慢性中风患者卒中后(1 - 35个月)主要分皮质脑损伤(80%)接受标准化(n = 10)或BCI-driven (n = 8)机器人康复,这是应用在12 4周内会话。在标准化机器人康复训练参与者的影响,手臂被绑在一个机器人设备(MITManus)。参与者被指示移动轻瘫的手根据视觉呈现在他们面前屏幕上的目标。如果这个话题不能执行自己运动,机器人会帮助和积极引导话题的手臂向目标。BCI组、辅助运动只有执行如果SMR-ERD半球在审判过程中影响检测。两组临床评估使用前后菲利普-马萨培训。菲利普-马萨分数介于4和61点之间(平均29.7 + / - 17.7)发病前培训。纠正对年龄和性别研究对象与积极的获得,BCI组改善越来越产生更高的获得两个月的post-rehabilitation接受标准治疗的患者相比,机器人康复。除了本研究由于样本量小的局限性以及群体的异质性对于病变部位,卒中后年龄和时间,它提供支持数据的潜在好处BCI训练中风康复的上下文中。
一项研究由戴利et al .(2009)[29]结合EEG-BCI培训和菲斯的手指肌肉瘫痪。一个43-yo 10个月中风后患者病变影响左额叶和顶叶皮质和分皮质区域的3周内经历了九个交易日BCI-FES培训。培训期间病人想象或者尝试手指动作交替影响一边试图放松。在培训之前,病人不能积极程度受影响的食指。持续motor-related ERD翻译在菲斯激活设备。BCI会话期间患者达到良好的BCI控制(超过88%的8 9会话试图运动)和恢复26度的意志孤立的食指扩展后会话9。
尽管所有这些报告令人鼓舞,更大的控制临床研究需要进一步评估的潜在作用非侵入性的辅助康复和恢复BCI技术的中风和创伤。成功的SMR-based BCI学习解剖和功能的重要条件和机制的临床改善需要识别和特征。
的中风患者并没有获得SMR-based BCI控制策略来提高BCI的学习将是特别重要的。在这种背景下,技术,可以用来调节大脑皮层可塑性等经颅直流电刺激(tDCS)或经颅磁刺激(TMS)可能是有用的工具来开发更好的BCI在患者团体培训协议。

改善与大脑刺激的BCI的性能
结果表明:经颅直流电刺激(tDCS),非侵入性和基于应用弱——容忍方法直接电流(例如1 ma / 20分钟)通过saline-soaked海绵头,可以诱导极性特定M1[106]和兴奋性的变化,因此,加强活动在M1。进一步的研究表明,tDCS在M1可以用来改善运动学习和整合(107 - 109)。中风后,调制M1兴奋性影响半球的阳极的tDCS与运动功能的改善局部麻痹的手[97110]。试点研究结合tDCS和机器人协助部门培训Hesse et al。(2007)[97]表示有益影响运动机能由菲利普-马萨(评估)和几位与会者失语症。
另一个非侵入性和成熟的技术来调节大脑兴奋性经颅磁刺激(TMS)。在TMS磁场用于诱导一个小电流,会导致大脑皮层神经元的去极化。取决于刺激的强度和频率,经颅磁刺激能产生持久的影响大脑的兴奋性,当交付重复(rTMS)。同样,基于发现rTMS可以引起持久的兴奋或抑制性影响,使用治疗工具重复性经颅磁刺激神经和精神疾病,如抑郁症[111],癫痫慢性疼痛[112],[113]或运动障碍[114]成为调查。在中风、低频(抑制)rTMS被用来减少影响初级运动皮层和皮质兴奋性导致瞬态改善运动机能(115 - 117)。针对影响半球中风患者高频(兴奋)rTMS,运动功能改善报告[118119]。
SMR-related ERD可以被解释为一个电生理学相关的皮质激活[120],阳极的tDCS或高频rTMS应用于运动皮层的影响可能是一个有用的工具来提高ERD-dependent BCI在中风患者的表现,因此加强辅助和恢复性BCI系统的实用性。

BCI的前景应用中风和创伤
辅助的发展和恢复BCI技术恢复中风或创伤是一种令人兴奋的新兴领域,潜在收益率显著改善影响许多人的生活质量。到目前为止,只有很少的研究应用程序的入侵或非侵入性中风或创伤患者可用BCI技术[29105]19日26日。机制自愿SMR-modulation BCI控制不是很好理解。最佳设置为BCI培训协议和算法对脑损伤患者是未知的。因此,研究基于梅格录音BCI控制特别重要的是梅格允许精确的和相对artifact-free皮质活动的因果分析模式。
EEG-based BCI系统最好的潜在广泛的临床使用。然而,准备时间限制其实用性和敏感肌工件。dry-electrode-systems与便携式放大器的发展提供了一个有前途的角度。在这种背景下结合FES系统和同步电脑刺激代表了吉祥的vista,辅助和恢复性BCI系统。虽然目前昂贵,BCI系统基于EEG检测可能成为一个有吸引力的替代品。
新概念创新BCI方法基于措施,目前在线应用程序太复杂,如双核波束形成[121]允许同时活跃的相关网络的识别,可能成为可行的一次所需的计算能力是可用的。
需要更多和更大的临床研究开发最优协议为辅助和恢复性BCI的应用程序。由于患者群体的异质性,多通道的方法来评估主体特定的解剖和功能特点包括如fMRI, DTI,梅格和诊断经颅磁刺激是一种很重要的先决条件,更好的理解BCI相关神经可塑性和可能有助于开发新的策略BCI neurorehabilitation使用。

结论
辅助和恢复性BCI技术可能是一个强大的工具来改善脑损伤患者的康复策略和严重运动麻痹,如中风、创伤性脑损伤。

确认
这个研究所支持的贡献是校内研究项目,国家卫生研究院(NIH),德意志Forschungsgemeinschaft (DFG)和德国教育部和研究(BMBF 01 gq0831)。

引用