Интерфейс мозг-компьютер-экзоскелет кисти для проведения мысленных тренировок с парадигмой представления движения (система «Экзокисть-2»)

Автор статьи: к.м.н. Мокиенко О.А.

ЧТО ТАКОЕ СИСТЕМА «ЭКЗОКИСТЬ-2»?

Система «Экзокисть-2» представляет собой нейрокомпьютерный интерфейс, основанный на регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ), в комплексе с экзоскелетом кисти российского производства для применения в двигательной реабилитации пациентов с постинсультным парезом руки. Разработчики технологии: команда исследоватей под руководством проф. Александра Алексеевича Фролова, производитель — НПО «Андроидная техника», правообладатель – РНИМУ имени Н.И. Пирогова.

Комплекс ИМК–экзоскелет.
1 – электроды ЭЭГ; 2 – энцефалограф; 3 – компьютер – передача данных в реальном времени, выделение рабочих показателей ЭЭГ, распознавание управляющей команды; 4 – презентационный монитор; 5 – экзоскелет кисти; пунктирная стрелка – визуальная обратная связь, непрерывная стрелка – кинестетическая обратная связь.

ЧТО ЛЕЖИТ В ОСНОВЕ ТРЕНИНГОВ С СИСТЕМОЙ «ЭКЗОКИСТЬ-2»?

В основе применения технологии «Экзокисть-2» лежат мысленные тренировки с парадигмой представления движения (идеаторные тренировки), рекомендованные международными и отечественными клиническими рекомендациями в качестве дополнительного (адъювантного) метода двигательной реабилитации после инсульта [1-3]. В процессе мысленных тренировок пациенту дается инструкция представлять выполнение определенного движения (например, раскрыть кисть) от первого лица.

Существует несколько основных гипотез относительно механизма действия мысленных тренировок. Первая теория [4] предполагает, что мысленная тренировка вызывает подпороговую активацию мышц, участвующих в мысленном движении, что приводит к закреплению двигательной программы. Согласно второй теории, представление движения способствует активации двигательных структур центральной нервной системы, которые вовлечены в выполнение реального движения. Данные исследований с применением методов нейровизуализации говорят о перестройке двигательной системы в обоих полушариях головного мозга на фоне тренировок представления движения [5-8].

Технология «Экзокисть-2» позволяет предъявлять пациенту сразу два вида обратной связи в ходе ментальных тренировок: при распознавании нейрокомпьютерным интерфейсом ЭЭГ-сигналов мозга, соответствующих представлению движения, происходит изменение цвета индикатора на мониторе (визуальная обратная связь) и раскрытие кисти с помощью экзоскелета (кинестетическая обратная связь). Таким образом, пациент получает объективную информации о ходе и качестве мысленных тренировок и быстрее обучается их правильному выполнению.

ДОКАЗАНА ЛИ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЫСЛЕННЫХ ТРЕНИРОВОК?

Включение тренировок представления движения в комплексную двигательную реабилитацию повышает эффективность терапии в отношении восстановления движений руки, что было показано в исследованиях с участием в общей сложности более 500 пациентов [1].

Эффективность применения нейрокомпьютерноего интерфейса (в том числе с экзоскелетом) для предъявления обратной связи в процессе мысленных тренировок также показана в нескольких клинических исследованиях [9-13].

КОМУ ПОКАЗАНЫ ТРЕНИРОВКИ С ТЕХНОЛОГИЕЙ «ЭКЗОКИСТЬ-2»?

Мысленные тренировки с парадигмой представления движения рекомендованы пациентам с постинсультным парезом руки любой степени выраженности при давности инсульта более одного месяца и наличии реабилитационного потенциала.

Технология не показана при выраженных когнитивных нарушениях, не позволяющих пациенту понять инструкцию, а также при выраженном нарушении зрения.

ВОЗМОЖНЫЙ РЕЖИМ ДОЗИРОВАНИЯ

Эффективность тренировок представления движения показана при занятиях по 30 минут 2 раза в неделю, в течение 6 недель [14, 15]. Эффективность тренировок представления движения с применением системы «Экзоксить-2» показана при занятиях по 20-40 минут 5 раз в неделю в течение 2 недель [9-13].

КАКОВО МЕСТО ТЕХНОЛОГИИ «ЭКЗОКИСТЬ-2» В РЕАЛЬНОЙ КЛИНИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ?

Мысленные тренировки являются адъювантным, или дополнительным, методом двигательной реабилитации [1, 2]. Это означает, что подобные тренировки, в том числе с применением системы «Экзокисть-2», назначаются в дополнение к основной двигательной терапии, повышая её эффективность. К основной терапии в двигательной реабилитации относят лечебную физкультуру, эрготерапию и, при наличии спастичности, ботулинотерапию.

Система «Экзокисть-2» может применяться как стационарно, так и амбулаторно. Также у пациента, обученного с помощью системы «Экзокисть-2», можно увеличить общее время активных тренировок, давая ему домашнее задание на представление движений. На данный момент система проходит процедуру регистрации в качестве изделия медицинского назначения (на завершающем этапе) и пока применяется в рамках клинических исследований.

Технология «Экзокисть-2»

Процедура тренинга с технологией «Экзокисть – 2»

10.02.2018

   

Источники:
1. Hatem, S.M., G. Saussez, M. Della Faille, V. Prist, X. Zhang, D. Dispa, Y. Bleyenheuft, Rehabilitation of Motor Function after Stroke: A Multiple Systematic Review Focused on Techniques to Stimulate Upper Extremity Recovery. Frontiers in human neuroscience, 2016. 10: p. 442.
2. Союз Реабилитологов России, Ассоциация Психологов России, Инсульт у взрослых: центральный парез верхней конечности., 2017.
3. Winstein, C.J., J. Stein, R. Arena, B. Bates, L.R. Cherney, S.C. Cramer, F. Deruyter, J.J. Eng, B. Fisher, R.L. Harvey, C.E. Lang, M. MacKay-Lyons, K.J. Ottenbacher, S. Pugh, M.J. Reeves, L.G. Richards, W. Stiers, R.D. Zorowitz, Guidelines for Adult Stroke Rehabilitation and Recovery: A Guideline for Healthcare Professionals From the American Heart Association/American Stroke Association. Stroke, 2016. 47(6): p. e98-e169.
4. Schmidt, R., T. Lee, Motor Control and Learning: A Behavioral Emphasis. 3 ed1999, Champaign, IL: Human Kinetics.
5. Bajaj, S., A.J. Butler, D. Drake, M. Dhamala, Brain effective connectivity during motor-imagery and execution following stroke and rehabilitation. Neuroimage Clin. 8: p. 572-82.
6. Mokienko, O.A., L.A. Chernikova, A.A. Frolov, P.D. Bobrov, [Motor imagery and its practical application]. Zh Vyssh Nerv Deiat Im I P Pavlova, 2013. 63(2): p. 195-204.
7. Sharma, N., J.C. Baron, J.B. Rowe, Motor imagery after stroke: relating outcome to motor network connectivity. Ann Neurol, 2009. 66(5): p. 604-16.
8. Bajaj, S., A.J. Butler, D. Drake, M. Dhamala, Brain effective connectivity during motor-imagery and execution following stroke and rehabilitation. Neuroimage Clin, 2015. 8: p. 572-82.
9. Ang, K.K., C. Guan, K.S. Phua, C. Wang, L. Zhou, K.Y. Tang, G.J. Ephraim Joseph, C.W. Kuah, K.S. Chua, Brain-computer interface-based robotic end effector system for wrist and hand rehabilitation: results of a three-armed randomized controlled trial for chronic stroke. Frontiers in neuroengineering, 2014. 7: p. 30.
10. Ang, K.K., K.S. Chua, K.S. Phua, C. Wang, Z.Y. Chin, C.W. Kuah, W. Low, C. Guan, A Randomized Controlled Trial of EEG-Based Motor Imagery Brain-Computer Interface Robotic Rehabilitation for Stroke. Clinical EEG and neuroscience, 2015. 46(4): p. 310-20.
11. Ramos-Murguialday, A., D. Broetz, M. Rea, L. Laer, O. Yilmaz, F.L. Brasil, G. Liberati, M.R. Curado, E. Garcia-Cossio, A. Vyziotis, W. Cho, M. Agostini, E. Soares, S. Soekadar, A. Caria, L.G. Cohen, N. Birbaumer, Brain-machine interface in chronic stroke rehabilitation: a controlled study. Annals of neurology, 2013. 74(1): p. 100-8.
12. Ono, T., K. Shindo, K. Kawashima, N. Ota, M. Ito, T. Ota, M. Mukaino, T. Fujiwara, A. Kimura, M. Liu, J. Ushiba, Brain-computer interface with somatosensory feedback improves functional recovery from severe hemiplegia due to chronic stroke. Frontiers in neuroengineering, 2014. 7: p. 19.
13. Фролов, А.А., О.А. Мокиенко, Р.Х. Люкманов, Л.А. Черникова, С.В. Котов, Л.Г. Турбина, П.Д. Бобров, Е.В. Бирюкова, А.А. Кондур, Г.Е. Иванова, А.Н. Старицын, Ю.В. Бушкова, И.З. Джалагония, М.Е. Курганская, О.Г. Павлова, С.Ю. Будилин, Г.А. Азиатская, А.Е. Хижникова, А.В. Червяков, А.Л. Лукьянов, Г.Г. Надарейшвили, Предварительные результаты контролируемого исследования эффективности технологии ИМК–экзоскелет при постинсультном парезе руки. Вестник РГМУ 2016(2): p. 17-25.
14. Page, S.J., P. Levine, A. Leonard, Mental practice in chronic stroke: results of a randomized, placebo-controlled trial. Stroke, 2007. 38(4): p. 1293-7.
15. Page, S.J., P. Levine, A.C. Leonard, Effects of mental practice on affected limb use and function in chronic stroke. Arch Phys Med Rehabil, 2005. 86(3): p. 399-402.