fNIRSに基づく右半球損傷患者の上肢機能回復に対するさまざまな種類の運動の影響の調査

要約

ここでは、右半球損傷患者の上肢機能に対する機能的作業療法と補助的能動運動の組み合わせの影響を調査し、機能的近赤外分光法が脳機能リモデリングに及ぼす影響を調査します。

要約

機能的近赤外分光法(fNIRS)を分析することにより、右半球損傷(RHD)患者の上肢運動機能の回復と脳機能リモデリングに対する機能的作業療法(FOT)とさまざまなタイプの運動の組み合わせの影響を調査すること。北京博愛病院のRHD患者(n = 32)が募集され、受動的な動きと組み合わせたFOT(N = 16)または補助的な動きと組み合わせたFOT(N = 16)のいずれかを受けるようにランダムに割り当てられました。受動運動群(FOT-PM)は、各セッションで20分間の機能的作業療法と10分間の受動的運動を受けましたが、補助的能動運動群(FOT-AAM)は、20分間の機能的作業療法と10分間の補助的能動的運動を受けました。両群とも従来の薬物療法とその他のリハビリテーション療法を受けた。治療は1日1回、週5回、4週間行われました。治療前後のFugl-Meyer Assessment上肢(FMA-UE)と修正バーセル指数(MBI)を用いて、運動機能と日常生活動作(ADL)の回復を評価し、両側運動野の脳活動をfNIRSで解析した。その結果、AAMと組み合わせたFOTは、PMと組み合わせたFOTよりも、RHD患者の上肢と指の運動機能を改善し、日常生活動作を行う能力を向上させ、運動野の脳機能リモデリングを促進するのに効果的であることが示唆されました。

概要

脳半球の損傷は、対側肢^の感覚および運動機能障害^1,2,3を引き起こし、患者の運動制御、可動性、および機能学習に^{さまざまな程度で}悪影響を及ぼし4、したがって家族や社会に大きな負担を強いる⁵。右半球損傷(RHD)の患者にとって、回復速度は満足のいくものではありません。しかし、ほとんどのRHDの症例では、患部の左肢は体の非利き側にあり、患者と介護者から十分な注意が払われていません。上肢と手の機能障害が日常生活を行う能力と生活の質に深刻な影響を与えることを考えると、RHD患者の上肢機能のリハビリテーション効果を改善するためのより適切な方法が必要です6,7,8,9,10。

運動療法は、患者さんが手足の機能を回復するための重要な方法です。脳損傷患者の早期リハビリテーションには、通常、受動的運動(PM)および補助的運動(AAM)トレーニング方法が使用されます。AAMは、特定の関節の活動を伴い、それ自体の筋力と外部からの支援¹¹の組み合わせを通じて完了する。重要なのは、患者がリハビリテーションに積極的に参加することです。人間の脳が活性化する準備ができていることは、運動制御のサイクルで運動系を刺激し、統合するのに役立ちます。多くの研究は、AAM が神経可塑性変化を誘発し、それによって患者の機能回復の増加につながることを示しています^12,13。

機能的近赤外分光法(fNIRS)は、光学原理に基づくイメージング技術です。組織内の光の減衰と光吸収物質の濃度の違いとの相関関係に従って、fNIRSは脳組織内の酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を定量的に分析し、それによって大脳皮質の機能活性を監視できる¹⁴。多くの研究は、fNIRSが大脳半球損傷後の脳の酸素化とエネルギー代謝を監視する重要な手段であることを示しています15,16,17。したがって、fNIRSは、大脳半球損傷後の上肢運動機能の回復に関連する大脳皮質の変化を研究するための適切なモニタリング方法である可能性があります。

異なる感覚入力方法によって生成される運動信号と感覚野の調整状態は異なる^18,19。受動的および能動的な動きによって生成される感覚刺激は、知覚の安定性と、環境の正確な表現を構築する能力と密接に関連しており、それが次に行動を導きます²⁰。この研究は、fNIRSデータを分析することにより、脳半球損傷患者の早期の上肢リハビリテーションと脳活性化に対するさまざまな運動モードの影響を調査し、将来の患者の包括的なリハビリテーションのための科学的戦略を提供するように設計されました。

この研究の目的は、RHD患者の上肢機能と脳のリモデリングに対するFOTと異なるタイプの運動の組み合わせの影響を調査することでした。FOT-AAMは、RHD患者の上肢機能と脳の活性化を改善するのにFOT-PMよりも効果的であるという仮説を立てました。

プロトコル

この研究は単盲検無作為化比較試験であり、中国リハビリテーション研究センターの倫理委員会 (CRRC-IEC-RF-SC-005-01) によって承認され、中国臨床試験登録簿 (MR-11-23-023832) に登録されました。

1. 参加者

1. 既存の文献²¹ に基づいて、実験群と 4 週間の治療後の対照群の報告された Fugl-Meyer 評価上肢 (FMA-UE) スコアを標準として使用して、サンプル サイズを計算します。推定効果サイズが0.28、テスト水準(α)が0.05、Z値の両側分布、検出力が0.8の場合、計算されるサンプルサイズは28です。ドロップアウト率を 10% と仮定すると、最終的に必要なサンプル サイズは 32 です。
2. 中国リハビリテーション研究センターの作業療法部門から患者を募集します。次の選択基準に従って患者を選択します: 最初に発症した右半球損傷 (RHD) の診断。3ヶ月以内の発症時間;18歳から75歳までの年齢。Mini-Mental State Examination(MMSE)スコア²²>20;BrunnstromステージIまたはII上肢と手の^{ステージII23} 。そして右利き。
3. 明らかなうつ病、不安神経症、または重篤な身体疾患を併発している患者、およびトレーニングに協力しなかった患者は除外されました。
4. 研究前にインフォームドコンセントフォームに署名した参加者のみを含めます。採用フローチャートを 図1に示します。

2. ランダム化と割り当て

1. 実験基準を満たす患者を実験群 (EG) と対照群 (CG) に無作為に割り当てます。被験者の評価や選択に関与していないセラピストを、コンピューター上のランダムデータジェネレーターを使用して無作為化手順を実行するように割り当てます(https://www.randomizer.org/)。

3. 介入

1. 両方のグループに従来の薬物療法と従来のリハビリテーションを与えます。すべての患者に、毎日 20 分間の機能的作業療法 (FOT) と 10 分間のさまざまな種類の上肢運動 (EG は能動的補助運動、CG は受動的運動) を毎日 30 分間、週 5 日、4 週間実施します。介入の一貫性を確保するために、すべての介入を実行するセラピストを1人選択し、そのセラピストに事前研究トレーニングを提供します。
2. 機能的作業療法(FOT):
   注:患者は、影響を受けた指の中手指節関節と指節間関節を使用して、健康な側の手袋によって駆動される指をつかむ動きを行います。
   1. セラピストに、患肢の肩、肘、手首、親指、指を受動的に動かしてもらい、約1分間。
   2. 受動的な動きの後、患者に、影響を受けていない手足と手を使用して患肢と手を動かし、フォームローラーを押す、木製のペグを持ち上げる、小さな木製の棒を持ち上げる、ボールを保持するなどの活動を行うように指示します。各トレーニングセッションで、患者様の状態に応じて2〜3つのアクティビティをお選びください。
3. アシステッド・アクティブ・ムーブメント(AAM)
   1. トレーニングする手のリハビリテーショントレーニングデバイスを選択します。このデバイスは、患者が受動的または能動的な動きを行うのを助けるように設計されています。 [スマートミラーモード ]を選択し、[ 時間 ]を 10分に設定します。患者に自分の気持ちを尋ね、患者の経験と耐性に応じてレベル 1〜10 から選択します。次に、[ スタート ]ボタンをクリックします。
   2. 影響を受けていない手が自発的につかむため、患者に動きを観察し、手袋の助けを借りて影響を受けた手でつかむように指示します(図2A)。
   3. 影響を受けていない手が自発的に開かれるにつれて、動きを観察し、手袋の助けを借りて影響を受けた手の指を開こうとするように患者に指示します(図2B)
      注意: 影響を受けていない手が握ると、影響を受けていない手袋のセンサーは遮断された光信号を検出できず、影響を受けていない側の手袋がつかむようにトリガーされます。影響を受けていない手が開くと、影響を受けていない手袋のセンサーが光信号を検出し、影響を受けていない手の手袋を開くトリガーになります。
   4. 上記のプロセスを周期的に10分間繰り返すと、機器はトレーニングプロセスを自動的に終了します。
4. パッシブムーブメント(PM)
   1. 患者に同じデバイスを使用して、受動的な把持と手の開きを行ってもらいます。対応する手袋を患部の手に置きます。パッシブモードを選択し、時間を10分に設定し、患者の感覚に応じて強度をレベル1〜10に調整してから、[開始]ボタンをクリックします。
   2. 患者にリラックスしたままで、手袋の助けを借りて患部の手を開閉するように指示します(図2C)。患者に10分間続けてもらった後、デバイスは自動的にトレーニングを終了します。

4. 評価

1. グループの割り当てを知らされていない別のセラピストによって実施される臨床評価を持ってもらってください。このセラピストに、各患者を2回評価してもらいます:1回は介入前、もう1回は4週間の介入直後です。
   1. 年齢、性別、怪我の種類など、基本的な患者情報を収集します。
   2. 上肢のFugl-Meyer Assessment(FMA-UE)²⁴を使用して、介入前後の上肢運動機能を評価します。さらに、FMA (FMA-WH) の手首と手のコンポーネントを使用して、患者の手の機能を評価します。
   3. 修正バーセル指数(MBI)²⁵を使用して日常活動を行う能力を評価します。
   4. fNIRSを使用して、受動的な運動課題中の一次運動野の活性化を監視します。
   5. 機能的近赤外分光データ取得
      1. fNIRSデータを収集するための研究型近赤外脳機能イメージングシステムを入手する。このようなシステムは、3つの波長の近赤外光(780、805、および830 nm)を使用して、オキシヘモグロビン(Δ[Oxy-Hb])とデオキシヘモグロビン(Δ[Deoxy-Hb])の濃度、および総ヘモグロビン濃度(Δ[Hb])の変化を監視します。そのサンプリングレートは13Hzです。
      2. 国際的な10-20システムに従って、4つの光源エミッターと4つの検出器を両側の一次運動皮質(M1)に配置し、合計20のチャネルを配置します。特定の位置については、 図 3 を参照してください。
   6. タスク手順
      1. ステップ 4.1.6.2-4.1.6.9 で説明されているように、モジュラー パラダイム (rest [15 s]-task [30 s]-rest [15 s]) で 5 回連続した試行で fNIRS 評価を実施します ( 図 4 を参照)。
      2. fNIRSコンピュータインターフェースを開き、患者の基本情報を入力します。次に、オプトロードアレンジ メント2X4(R)、2X4(L)を選択します。 15-30-15 タスク パラダイムを選択し、評価時間を 5 に設定します。
      3. 近赤外線システム装置を、オプトのレイアウトに従って患者に装着します。エミッターと検出器の位置を調整し、オプトードが頭皮に密着するように慎重に毛を取り除きます。調整が完了したら、[ OK ]ボタンをクリックします。
      4. システムの自動信号調整インターフェースに移動し、[ スタンバイ]をクリックして、すべてのチャネルを緑色(良好な信号)を表示するように調整します。
      5. 手袋を患者の患部の手に置きます。 パッシブエクササイズ モードを選択します。トレーニングの頻度は強度によって変化するため、テスト中は各被験者の平均強度、つまり 5 つのギアを選択します。
      6. fNIRSコンピュータインターフェースの [スタート ]ボタンをクリックします。3つのフェーズでタスクを実行します。15秒から0秒までカウントダウンしながら、15秒の初期休息相を測定します。このプロセスでは、脳がリラックスした状態になるように、患者に静かに椅子に座り、じっとしていて、他のことを考えないようにするように指示します。
      7. 時間が0秒までカウントダウンしたら、ハンドデバイスの スタート ボタンをクリックします。患者の患部の手は、手袋の助けを借りて受動的に握り始め、動きを開きます。このとき、コンピューターは受動的な動きの持続時間である30秒からカウントダウンを開始します。カウントダウンが0秒に達したら、ハンドデバイスの [停止 ]ボタンをクリックしてエクササイズを終了します。握ったり開いたりする頻度は、デバイスによって設定されます。30秒のタスク中に3回の把持と開放のサイクルが3回完了します。
      8. 前に説明したように、さらに15秒の休息期間を開始します。この間隔が経過すると、最初の rest-task-rest テストは終了します。
      9. 上記の rest-task-rest テストを 5 回繰り返してから、fNIRS テストを終了します。
   7. 近赤外線データ解析:
      1. この解析には、以下で説明するように、fNIRSシステムにインストールされているデータ解析ソフトウェアを使用します。
      2. すべてのチャネルで重大なモーション アーティファクトによって引き起こされた外れ値データと、ドロップされたデータを排除します。
         注:このプロトコルを実行した場合、EGの1つの外れ値、CGの1つの外れ値、およびCGのドロップデータの2つのケースが排除されました。
      3. 明らかなモーションアーティファクトのあるチャネルは破棄します。
      4. 左右のチャンネル(片側10チャンネル)のオーバーレイ平均化を別々に行います。
      5. バンドパスフィルター(0.01〜0.08 Hz)を使用して、機械的ノイズや生理学的ノイズなど、信号に明らかな周期的な変動があるノイズ成分を除去します。除去する必要がある生理学的ノイズの種類には、心拍数(約1 Hz)、呼吸(約0.2〜0.3 Hz)、メイヤー波(約0.1 Hz)、および非常に低い周波数の生理学的変動(<0.01 Hz)が含まれます。
      6. 実験課題の開始前後の15秒をベースラインとし、ブロック(rest [15 s]-task [30 s]-rest [15 s])を試験単位とします。5つのブロックを重ね合わせ、平均を取ります。
      7. スムージングにはSavitzky-Golay法を使用します。スムージング ポイントの数を 5 に、スムージング回数を 1²⁶ に設定します。
      8. 前処理後、整数値と重心値を計算します。
      9. Shapiro-Wilk 検定 (Shapiro-Wilk, SW) を使用して、重心値、積分値、および 2 つのグループへの介入前後のそれらの差の正規性を検定します。結果の P 値が >0.05 の場合、データが正規分布していると考えてください。
      10. 独立群のt検定を使用して、介入前後の2つのグループ間のデータを比較します。対応のあるサンプルの t 検定を使用して、介入の前後の 2 つのグループ内の重心値と積分値を比較します。

5. 統計学

1. 統計分析にはSPSSを使用します。
2. SW検定を使用してデータの正規性を検定します。
3. フィッシャーの正確確率検定または独立標本のt検定を使用して、各グループの患者の一般データを比較します。
4. 行動データは、反復分散分析を使用してグループ間およびグループ内で比較され、平均±標準偏差として説明されました。

ディスカッション

この研究では、近赤外分光法を使用して、さまざまな運動モードでの上肢機能トレーニングと組み合わせたFOTがRHD患者の早期リハビリテーションに及ぼす影響を調査しました。FOTは、患者が硬直した上肢を受動的に動かし、その後のトレーニングを容易にするのに役立ちます。重要なのは、健康な手が、影響を受けた手が目的のある、重要で実用的な機能的なタスクを実行し、実際のオブジェクトを使用し、可能な限り実際のシナリオをシミュレートするように導くことです²⁸。これにより、患者の治療に対する熱意を刺激し、患者の積極的な動きを最大化することができます。AAMの最も重要な点は、患者の動きが影響を受けていない手足と手によって駆動されるのに対し、影響を受けた手足と手は自発的に能動的な試みをすることであり、これが受動的な動きと区別する最も重要な特徴です。リハビリテーション機器は、患者にリアルタイムの視覚的および触覚的なフィードバックを提供し、リハビリテーショントレーニング²⁹において中枢神経系と末梢との間の閉ループを完成させる。

リハビリテーション タスクのトレーニングには複雑な手法は必要ありませんが、fNIRS の患者を評価する際に考慮すべき多くの注意点があります。良好なfNIRS信号を確保し、モーションアーチファクトがテスト結果に干渉するのを防ぐために、通常、被験者の前のテーブルにヘッドホルダーを置きます。被験者のあごがヘッドホルダーに乗っかるように、テーブルの高さを調整しています。これにより、移動中の頭の揺れを抑えることができます。さらに、頭皮の皮膚油分は光信号に影響を与えます。そこで、実験前に患者の頭部に付着した油分を吸油紙で拭き取り、信号品質を確保します。これまでの経験から、自然光や自然光や音の影響を減らすと、fNIRS信号の収集が改善されることもわかりました。したがって、暗くて静かな環境ですべてのデータを収集します³⁰。

先行研究は、MT^が脳卒中後の指の柔軟性を効果的に改善できることを示しており、特に亜急性患者の^{リハビリテーション32}において、したがって、大脳半球損傷後の運動機能の回復と日常活動を行う能力の改善に大きな期待が寄せられている33,34,35,36.患者が影響を受けていない腕を動かすと、鏡によって形成された目の錯覚が患者によって影響を受けた手の動きであると見なされ、視覚および体性感覚皮質野の活動が増加し、それによって患者の注意力が高まり、片側無視の可能性が減少します^37,38。このようにして、患者は意識的に患肢をより頻繁に使用することを選択することができる³⁹。従来のMTに基づいて、AAMデバイスを介して患肢に体性感覚刺激と視覚フィードバックを直接提供し、患部の固有受容感覚と視力⁴⁰の非同期性によって引き起こされる不快感を軽減し、従来のMTよりも幅広い治療可能性を示します。当社のトレーニング機器は、シンプルな操作手順と強力な安全性プロファイルを備えており、テスト中に発生する可能性のある緊急事態を回避するために、閉じるボタンをクリックしてトレーニングをすぐに停止するオプションがあります。さらに、いくつかの研究では、MTがM1の興奮性を制御することにより、脳卒中後の半球バランスの正常化を促進できることが示されています。フォローアップ研究では、fNIRS を使用して大脳皮質の安静時の機能的接続性を評価し、治療後の RHD 患者の大脳半球の変化を確認します⁴¹。

この研究にはいくつかの制限があります。まず、近赤外分光法テストで選択されたタスクパラダイムは受動的ですが、脳の活性化は能動的な動きでより多く発生する可能性があります。したがって、能動的な試みのタスクパラダイムは、受動的な動きよりも適している可能性があります。第二に、M1領域のみをモニタリングしたが、MTは注意配分や認知制御に関与する領域の神経活動も増加させ、運動制御における認知的役割を増大させることで運動機能の回復を促進することができる⁴²。したがって、前頭前野の血行動態のモニタリングも必要になる場合があります。また、入院患者に対する治療計画の数が多いため、ハンドリハビリテーションのトレーニングは毎日10分しか行われていませんでした。将来的には、リハビリテーション効果をよりよく探求するために、トレーニング時間を延長する必要があります。このトレーニングの長期的な影響を観察するには、追跡調査が必要です。将来的には、大規模サンプルの多施設共同研究により、早期RHD患者に最適なリハビリテーション戦略を提供することが期待されます。

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hand Active Passive Rehabilitation Trainer	Soft Robot Technology Co., Ltd.	H1000	FOT-AAM group training/FOT-PM group training
Near-Infrared Brain Functional Imaging System	Shimadzu (China) Co.,Ltd.	LIGHTNIRS	Assessment