Исследование влияния различных видов упражнений на функциональное восстановление верхних конечностей у пациентов с повреждением правого полушария на основе fNIRS

Summary

В данной работе мы исследуем влияние функциональной трудотерапии в сочетании с активными или пассивными движениями на функцию верхних конечностей у пациентов с повреждением правого полушария и исследуем влияние функциональной спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне на ремоделирование функций мозга.

Abstract

Изучить влияние функциональной трудотерапии (ФОТ) в сочетании с различными видами физических упражнений на восстановление двигательной функции верхних конечностей и ремоделирование функции мозга у пациентов с повреждением правого полушария (ПЗП) путем анализа функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (фНИРС). Пациенты (n = 32) с РЗД в Пекинской больнице Боай были набраны и случайным образом распределены для получения либо ПОТ в сочетании с пассивным движением (N=16), либо ФОТ в сочетании с вспомогательным активным движением (N=16). Группа пассивного движения (FOT-PM) получала функциональную трудотерапию в течение 20 минут и пассивные упражнения в течение 10 минут на каждом сеансе, в то время как группа с помощью активного движения (FOT-AAM) получала функциональную трудотерапию в течение 20 минут и вспомогательные активные упражнения в течение 10 минут. Обе группы получали традиционную медикаментозную терапию и другую реабилитационную терапию. Лечение проводилось один раз в день, 5 раз в неделю в течение 4 недель. Восстановление двигательной функции и активности в повседневной жизни (ADL) оценивали с помощью оценки верхней конечности Фугла-Мейера (FMA-UE) и модифицированного индекса Бартеля (MBI) до и после лечения, а мозговую активацию билатеральной моторной области анализировали с помощью fNIRS. Полученные данные свидетельствуют о том, что ФОТ в сочетании с ААМ был более эффективным, чем ФОТ в сочетании с ПМ в улучшении двигательной функции верхних конечностей и пальцев пациентов с РЗД, улучшении их способности выполнять повседневные действия и содействии ремоделированию функции мозга в двигательной области.

Introduction

Повреждение полушарий головного мозга может привести к сенсорной и моторной дисфункции контралатеральных конечностей ^1,2,3, негативно влияя на двигательный контроль, подвижность и функциональное обучение пациентов в различной степени⁴ и, следовательно, ложась тяжелым бременем на семьи и общество⁵. У пациентов с поражением правого полушария (ПГБ) скорость восстановления менее чем удовлетворительна. Тем не менее, в большинстве случаев RHD пораженные левые конечности, находящиеся на недоминирующей стороне тела, получают недостаточное внимание со стороны пациента и лиц, осуществляющих уход. Учитывая, что дисфункция верхних конечностей и кистей рук серьезно влияет на способность выполнять повседневную деятельность и качество жизни, необходим более подходящий метод для улучшения реабилитационного эффекта функции верхних конечностей у пациентов с RHD 6,7,8,9,10.

Лечебная физкультура является важным методом, помогающим пациентам восстановить функцию конечностей. Для ранней реабилитации пациентов с черепно-мозговой травмой обычно используются методы тренировки пассивного движения (ПМ) и вспомогательного активного движения (ААМ). ААМ включает в себя активность конкретных суставов, осуществляемую за счет комбинации их собственной мышечной силы^{и внешней помощи}. Ключевым моментом является активное участие пациента в вспомогательной реабилитации. Готовность человеческого мозга к активации может помочь стимулировать и интегрировать двигательную систему в цикл моторного контроля. Многие исследования показали, что ААМ может вызывать нейропластические изменения, тем самым приводя к увеличению функционального восстановления у пациентов^12,13.

Функциональная ближняя инфракрасная спектроскопия (fNIRS) — это метод визуализации, основанный на оптических принципах. В соответствии с корреляцией между ослаблением света в ткани и различными концентрациями светопоглощающих веществ, fNIRS может количественно анализировать изменения концентраций оксигенированного гемоглобина и дезоксигенированного гемоглобина в тканях мозга, тем самым контролируя функциональную активность коры головного мозга¹⁴. Многие исследования показали, что fNIRS является важным средством мониторинга оксигенации мозга и энергетического метаболизма после травмы полушария головного мозга 15,16,17. Таким образом, fNIRS может быть подходящим методом мониторинга для изучения изменений коры головного мозга, связанных с восстановлением двигательной функции верхних конечностей после травмы полушария головного мозга.

Моторные сигналы, производимые различными методами сенсорного ввода, и состояния корректировки сенсорной коры различны^18,19. Сенсорные стимулы, производимые пассивными и активными движениями, тесно связаны со стабильностью восприятия и способностью создавать точные представления об окружающей среде, которые затем направляют поведение^{человека.} Данное исследование было разработано с целью изучения влияния различных режимов физических упражнений на раннюю реабилитацию верхних конечностей и активацию мозга у пациентов с полушарными повреждениями головного мозга путем анализа данных fNIRS и предоставления научных стратегий для комплексной реабилитации пациентов в будущем.

Целью данного исследования было изучение влияния ФОТ в сочетании с различными видами упражнений на функцию верхних конечностей и ремоделирование мозга у пациентов с РЗС. Мы предположили, что FOT-AAM более эффективен, чем FOT-PM, в улучшении функции верхних конечностей и активации мозга у пациентов с RHD.

Protocol

Это исследование было односторонним слепым рандомизированным контролируемым исследованием и было одобрено Комитетом по этике Китайского исследовательского центра реабилитации (CRRC-IEC-RF-SC-005-01) и зарегистрировано в Китайском реестре клинических испытаний (MR-11-23-023832).

1. Участники

1. Основываясь на существующей литературе²¹, используйте в качестве стандарта для расчета размера выборки оценки верхних конечностей по шкале Фугля-Мейера (FMA-UE) экспериментальной группы и контрольной группы после 4 недель лечения. Для расчетного размера эффекта 0,28, тестового уровня (α) 0,05, двустороннего распределения для значения Z и степени 0,8 расчетный размер выборки равен 28. Предполагая, что уровень отсева составляет 10%, окончательный необходимый размер выборки составляет 32 человека.
2. Набирайте пациентов из отделения трудотерапии Китайского исследовательского центра реабилитации. Отбирать пациентов по следующим критериям включения: диагноз первого начала правополушарного повреждения (ПГБ); время появления симптомов в течение 3 месяцев; возраст от 18 до 75 лет; Мини-обследование психического состояния (MMSE)²²> 20; Brunnstrom стадия I или II²³ для верхней конечности и кисти; и праворукость.
3. Исключены пациенты с явной депрессией, тревожностью или сопутствующими серьезными соматическими заболеваниями, а также те, кто не сотрудничал с тренингом.
4. Включайте только тех участников, которые подписали форму информированного согласия до начала исследования. Схема процесса подбора персонала представлена на рисунке 1.

2. Рандомизация и распределение

1. Случайным образом распределите пациентов, соответствующих критериям эксперимента, в экспериментальную группу (ЭГ) и контрольную группу (КГ). Назначьте терапевта, не участвующего в оценке или отборе субъекта, для выполнения процедуры рандомизации с помощью генератора случайных данных на компьютере (https://www.randomizer.org/).

3. Вмешательство

1. Назначают обеим группам традиционную медикаментозную терапию и конвенциональную реабилитацию. Дайте всем пациентам по 20 минут функциональной трудотерапии (ПДТ) и 10 минут различных видов упражнений для верхних конечностей (ЭГ выполняла активное вспомогательное движение, а КГ выполняла пассивное движение) ежедневно, в общей сложности 30 минут в день, 5 дней в неделю в течение 4 недель. Чтобы обеспечить последовательность вмешательства, выберите одного терапевта для проведения всех вмешательств и предложите ему предварительное обучение для исследования.
2. Функциональная трудотерапия (ФУТ):
   ПРИМЕЧАНИЕ: Пациент использует пястно-фаланговые и межфаланговые суставы пораженного пальца для выполнения захватывающих движений пальца, приводимых в движение перчаткой на здоровой стороне.
   1. Попросите терапевта пассивно двигать плечом, локтем, запястьем, большим пальцем и пальцами пораженной конечности в течение примерно 1 минуты.
   2. После пассивных движений проинструктируйте пациента использовать непораженную конечность и руку для приведения в действие пораженной конечности и кисти для выполнения таких действий, как толкание поролонового валика, поднятие деревянного колышка, поднятие маленьких деревянных палочек и удержание мяча. Выбирайте от двух до трех упражнений для каждой тренировки в зависимости от состояния пациента.
3. Вспомогательное активное движение (ААМ)
   1. Выберите реабилитационное тренировочное устройство для руки, которую вы будете тренировать. Устройство предназначено для того, чтобы помочь пациенту выполнять как пассивные, так и активные движения. Выберите режим «Умное зеркало » и установите время на 10 минут. Спросите пациента о его чувствах и выберите уровень 1-10 в соответствии с опытом пациента и его переносимостью. Затем нажмите кнопку « Пуск ».
   2. Когда непораженная рука выполняет произвольное схватывание, проинструктируйте пациента следить за движением и пытаться захватить пораженной рукой с помощью перчатки (рисунок 2А).
   3. Когда непораженная рука будет произвольно раскрыта, проинструктируйте пациента следить за движением и попытаться разжать пальцы пораженной руки с помощью перчатки (Рисунок 2B)
      ПРИМЕЧАНИЕ: Когда незатронутая сторона захватывает перчатку, датчики на незатронутой перчатке не могут обнаружить заблокированный световой сигнал, и перчатка на незатронутой стороне сработает для захвата. Когда незатронутая рука открывается, датчики на незатронутой перчатке обнаруживают световой сигнал и запускают раскрытие перчатки на незатронутой руке.
   4. Повторяйте вышеописанный процесс циклически в течение 10 минут, после чего оборудование автоматически завершит тренировочный процесс.
4. Пассивное движение (ПМ)
   1. Предложите пациенту использовать одно и то же устройство для пассивного захвата и раскрытия руки. Положите соответствующую перчатку на пораженную руку. Выберите Пассивный режим, установите Время на 10 минут, отрегулируйте интенсивность от уровней 1 до 10 в соответствии с ощущениями пациента, а затем нажмите кнопку Старт .
   2. Проинструктируйте пациента оставаться расслабленным, а также закрывать и разжимать пораженную руку с помощью перчатки (рисунок 2C). Пусть пациент продолжит обучение в течение 10 минут, после чего устройство автоматически завершит тренировку.

4. Оценка

1. Проводите клиническую оценку, проводимую другим терапевтом, не закрывая глаза на групповые задания. Пусть этот терапевт оценит каждого пациента дважды: один раз до вмешательства и один раз сразу после 4 недель вмешательства.
   1. Соберите основную информацию о пациенте, включая возраст, пол и тип травмы.
   2. Оцените двигательную функцию верхних конечностей до и после вмешательства с помощью оценки Фугля-Мейера для верхней конечности (FMA-UE)²⁴. Кроме того, используйте компонент FMA-WH (FMA-WH) для оценки функции кисти пациента.
   3. Оцените способность выполнять повседневную деятельность с помощью модифицированного индекса Бартеля (MBI)²⁵.
   4. Контролируйте активацию первичных моторных областей во время пассивных двигательных задач с помощью fNIRS.
   5. Сбор данных функциональной спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне
      1. Получить исследовательскую систему функциональной визуализации мозга в ближнем инфракрасном диапазоне, с помощью которой можно собирать данные fNIRS. Такая система использует три длины волны ближнего инфракрасного света (780, 805 и 830 нм) для мониторинга изменений концентрации оксигемоглобина (Δ[Oxy-Hb]) и дезоксигемоглобина (Δ[Deoxy-Hb]) и общей концентрации гемоглобина (Δ[Hb]); его частота дискретизации составляет 13 Гц.
      2. По международной системе 10-20 разместите 4 источника света и 4 детектора на двусторонней первичной моторной коре (М1), всего 20 каналов. Конкретные позиции приведены на рисунке 3 .
   6. Порядок выполнения задания
      1. Проведите оценку fNIRS в 5 последовательных испытаниях в модульной парадигме (отдых [15 с]-задача [30 с]-пауза [15 с]), как описано в шагах 4.1.6.2-4.1.6.9 (см. рис. 4).
      2. Откройте компьютерный интерфейс fNIRS и введите основную информацию о пациенте. Затем выберите оптодное расположение 2X4(R), 2X4(L). Выберите парадигму задачи 15-30-15 и установите время оценки на 5.
      3. Поместите устройство системы ближнего инфракрасного диапазона на пациента в соответствии с расположением оптодов. Отрегулируйте положение излучателей и детекторов и аккуратно удалите волосы так, чтобы оптоды находились в тесном контакте с кожей головы. После завершения настройки нажмите кнопку OK .
      4. Перейдите в интерфейс автоматической настройки сигнала системы, нажмите «Режим ожидания» и настройте отображение всех каналов зеленым цветом (хороший сигнал).
      5. Положите перчатку на пораженную руку пациента. Выберите режим «Пассивное упражнение ». Так как частота тренировок будет меняться вместе с силой, выберите среднюю силу, то есть 5 передач, для каждого испытуемого во время теста.
      6. Нажмите кнопку « Пуск » в компьютерном интерфейсе fNIRS. Выполняйте задачу в 3 этапа. Измерьте начальную фазу покоя продолжительностью 15 с, отсчитывая от 15 с до 0 с. Во время этого процесса проинструктируйте пациента спокойно сидеть в кресле, оставаться неподвижным и стараться не думать о других вещах, чтобы мозг находился в расслабленном состоянии.
      7. Когда время отсчитывается до 0 с, нажмите кнопку «Пуск » ручного устройства. Пораженная рука пациента начнет пассивные хватательные и разжимающие движения с помощью перчатки. В это время компьютер начнет обратный отсчет от 30 с, а именно столько длится пассивное движение. Когда обратный отсчет достигнет 0 с, нажмите кнопку «Стоп » на ручном устройстве, чтобы завершить упражнение. Частота захвата и раскрытия задается прибором; 3 цикла захвата и раскрытия будут завершены 3 раза в течение 30 с задания.
      8. Начните еще один 15-секундный период отдыха, как описано выше. По прошествии этого интервала первый тест «отдых-задача-отдых» завершен.
      9. Повторите приведенный выше тест rest-task-rest 5 раз, а затем завершите тест fNIRS.
   7. Анализ данных в ближнем инфракрасном диапазоне:
      1. Для этого анализа используйте программное обеспечение для анализа данных, установленное в системе fNIRS, как описано ниже.
      2. Исключите выбросы данных, вызванные серьезными артефактами движения во всех каналах и пропущенными данными.
         ПРИМЕЧАНИЕ: При выполнении этого протокола были исключены 1 выброс в EG, 1 выброс в CG и 2 случая выпадения данных в CG.
      3. Отбросьте все каналы с очевидными артефактами движения.
      4. Проведите оверлейное усреднение левого и правого каналов (по 10 каналов с каждой стороны) отдельно.
      5. Используйте полосовой фильтр (0,01-0,08 Гц) для удаления шумовых составляющих с явными периодическими колебаниями сигнала, включая механический шум и физиологический шум. Типы физиологических шумов, которые необходимо устранить, включают частоту сердечных сокращений (примерно 1 Гц), дыхание (примерно 0,2-0,3 Гц), волны Майера (примерно 0,1 Гц) и чрезвычайно низкочастотные физиологические колебания (<0,01 Гц).
      6. Возьмем за основу 15 с до и после начала экспериментальной задачи, а в качестве тестовой единицы возьмем блок (rest [15 s]-task [30 s]-rest [15 s]). Накладываем друг на друга пять блоков и берем среднее.
      7. Для разглаживания используйте метод Савицкого-Голея. Установите количество точек сглаживания равным 5, а количество времен сглаживания равным 1:²⁶.
      8. После предварительной обработки рассчитаем интегральные значения и значения центроида.
      9. Используйте критерий Шапиро-Уилка (Shapiro-Wilk, SW) для проверки нормальности значений центроида, интегральных величин и их различий до и после вмешательства в двух группах; Рассмотрим нормальное распределение данных, если результирующее значение P равно >0,05.
      10. Используйте t-критерий независимой выборки для сравнения данных между двумя группами до и после вмешательства. Используйте t-критерий парной выборки для сравнения значений центроида и интегральных значений в двух группах до и после вмешательства.

5. Статистика

1. Используйте SPSS для статистического анализа.
2. Проверьте нормальность данных с помощью теста SW.
3. Сравните общие данные пациентов в каждой группе, используя точный критерий Фишера или t-критерий независимой выборки.
4. Поведенческие данные сравнивались между группами и внутри групп с использованием повторного ANOVA и описывались как среднее ± стандартное отклонение.

Discussion

В этом исследовании, используя ближнюю инфракрасную спектроскопию, мы изучили влияние ФОТ в сочетании с функциональной тренировкой верхних конечностей в различных режимах упражнений на раннюю реабилитацию пациентов с РЗ. ФОТ помогает пациенту пассивно двигать жесткими верхними конечностями, чтобы облегчить последующую тренировку. Ключ в том, что здоровая рука ведет пораженную руку к выполнению целенаправленных, важных и практических функциональных задач, использованию реальных объектов и максимально возможному моделированию реальных^{сценариев.} Это может стимулировать энтузиазм пациента к лечению и максимизировать активное движение пациента. Наиболее важным моментом ААМ является то, что движение пациента приводится в движение незатронутой конечностью и рукой, в то время как пораженная конечность и кисть предпринимают спонтанную активную попытку, что является наиболее важной особенностью, отличающей ее от пассивного движения. Реабилитационные устройства предоставляют пациентам визуальную и тактильную обратную связь в режиме реального времени и замыкают замкнутый цикл между центральной нервной системой и периферией в реабилитационных тренировках²⁹.

Не существует сложных методов, задействованных в подготовке к задаче реабилитации, но есть множество предостережений, которые следует учитывать при оценке пациентов с fNIRS. Чтобы обеспечить хороший сигнал fNIRS и предотвратить вмешательство артефактов движения в результаты испытаний, мы обычно помещаем держатель для головы на стол перед испытуемым. Регулируем высоту стола так, чтобы подбородок объекта упирался в подголовник, не вызывая дискомфорта. Это помогает уменьшить раскачивание головы во время движения. Кроме того, кожное масло на коже головы будет влиять на оптический сигнал; Соответственно, перед экспериментом мы вытираем масло с головы пациента маслопоглощающей бумагой, чтобы убедиться в качестве сигнала. Основываясь на предыдущем опыте, мы также обнаружили, что уменьшение влияния естественного света и звука улучшает сбор сигналов fNIRS; Поэтому мы собираем все данные в темной и тихой обстановке³⁰.

Предыдущие исследования показали, что МТ может эффективно улучшить гибкость пальцев после инсульта ³¹, особенно для реабилитации верхних конечностей у пациентов с подострой^{формой 32}, и поэтому показывает большие перспективы в восстановлении двигательной функции и улучшении способности выполнять повседневную деятельность после повреждения полушария головного мозга 33,34,35,36 . Когда пациент двигает своей непораженной рукой, оптическая иллюзия, образованная зеркалом, рассматривается пациентом как движение его пораженной руки, которое увеличивает активность его зрительной и соматосенсорной корковых областей, тем самым усиливая внимание пациента и уменьшая возможность одностороннего пренебрежения^. Таким образом, пациент может сознательно выбрать более частое использование пораженных конечностей³⁹. На основе традиционной МТ мы непосредственно обеспечиваем соматосенсорную стимуляцию и визуальную обратную связь с пораженной конечностью через аппарат ААМ, что уменьшает неприятное ощущение, вызванное асинхронностью проприоцепции пораженной руки и зрения⁴⁰, тем самым демонстрируя более широкий терапевтический потенциал, чем обычный МТ. Наше учебное оборудование имеет простую процедуру работы и надежный профиль безопасности, с возможностью немедленной остановки тренировки нажатием кнопки «Закрыть», чтобы избежать аварийных ситуаций, которые могут произойти во время испытания. Кроме того, некоторые исследования показали, что МТ может способствовать нормализации полушарного баланса после инсульта, регулируя возбудимость М1. В последующих исследованиях мы будем использовать fNIRS для оценки функциональной связности коры головного мозга в состоянии покоя для верификации изменений в полушариях головного мозга у пациентов с RHD в дальнейшем после лечения⁴¹.

Это исследование имеет несколько ограничений. Во-первых, парадигма задачи, выбранная для исследования спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне, является пассивной, в то время как активация мозга может происходить чаще при активных движениях. Таким образом, парадигма задачи активных попыток может быть более подходящей, чем пассивное движение. Во-вторых, мы наблюдали только за областью М1, но МТ также увеличивает нейронную активность в областях, участвующих в распределении внимания и когнитивном контроле, что может способствовать восстановлению двигательной функции за счет увеличения когнитивной роли в моторном контроле⁴²; Поэтому также может потребоваться мониторинг префронтальной гемодинамики. Кроме того, из-за большого количества планов лечения для стационарных пациентов, каждый день проводилось всего 10 минут тренировок по реабилитации кисти. В дальнейшем время тренировок следует продлевать, чтобы лучше изучить реабилитационный эффект. Необходимы последующие исследования, чтобы наблюдать за долгосрочным эффектом этой тренировки. Ожидается, что в будущем многоцентровые исследования с большой выборкой позволят разработать наиболее подходящие стратегии реабилитации для пациентов с ранней РЗС.

Materials

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