Motor Imagery Brain-Computer Interface in Rehabilitation of Upper Limb Motor Dysfunction After Stroke

Yongchun Jiang; Junxiao Yin; Biyi Zhao; Yajie Zhang; Tingting Peng; Wanqi Zhuang; Siqing Wang; Siqi Huang; Meilian Zhong; Yanni Zhang; Guibing Tang; Bingchi Shen; Haining Ou; Yuxin Zheng; Qiang Lin

doi:10.3791/65405

Motorische Vorstellungskraft Gehirn-Computer-Schnittstelle bei der Rehabilitation der motorischen...

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Motor Imagery Brain-Computer Interface in Rehabilitation of Upper Limb Motor Dysfunction After Stroke

Motorische Vorstellungskraft Gehirn-Computer-Schnittstelle bei der Rehabilitation der motorischen Dysfunktion der oberen Gliedmaßen nach einem Schlaganfall

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09:42 min

September 1, 2023

DOI: 10.3791/65405-v

Yongchun Jiang*^1,2,3, Junxiao Yin*⁴, Biyi Zhao^1,3,5, Yajie Zhang^1,3, Tingting Peng^1,3, Wanqi Zhuang^1,3, Siqing Wang^1,3, Siqi Huang^1,3, Meilian Zhong^1,3, Yanni Zhang^1,3, Guibing Tang^1,3, Bingchi Shen⁶, Haining Ou^1,3, Yuxin Zheng*^2,3, Qiang Lin*^2,3

¹Guangzhou Medical University, ²Department of Rehabilitation Medicine,The Seventh Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University, ³Department of Rehabilitation Medicine,The Fifth Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, ⁴Clinical Medical College of Acupuncture and Rehabilitation,Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine, ⁵School of Traditional Chinese Medicine,Jinan University, ⁶Department of Stomatology, Second Clinical Medical College,Dongguan Campus of Guangdong Medical University

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study explores the clinical application of motor imagery brain-computer interface (MI-BCI) for enhancing upper limb motor function in stroke patients. By utilizing functional near-infrared spectroscopy (fNIRS), it aims to provide insights into the mechanism and operationalization of MI-BCI interventions. The findings indicate positive effects on motor dysfunction which could guide future rehabilitation protocols.

Key Study Components

Area of Science

Neuroscience
Rehabilitation
Clinical Neuroscience

Background

Motor imagery brain-computer interfaces (MI-BCI) are emerging rehabilitation technologies for stroke patients.
Upper limb motor dysfunction is a common aftermath of stroke.
Standardizing clinical operations for MI-BCI can enhance therapeutic outcomes.

Purpose of Study

To establish a reference for the clinical operation of MI-BCI.
To evaluate the efficacy of MI-BCI in improving motor dysfunction in stroke patients.
To demonstrate the operational process and intervention effects of MI-BCI.

Methods Used

Utilized functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for real-time monitoring of hemoglobin concentration changes in the cerebral cortex.
Conducted assessments using Fugl-Meyer and Wolf Motor Function Tests pre- and post-MI-BCI intervention.
Followed a structured training protocol involving EEG cap placement and task settings based on patient performance.

Main Results

MI-BCI training resulted in significant improvements in both motor and cognitive functioning post-treatment.
Increased activation of key cortical areas was observed during functional assessments.
Demonstrated the adaptability of task difficulty in MI-BCI based on patient feedback and performance.

Conclusions

The study establishes MI-BCI as a viable intervention for improving motor function in stroke rehabilitation.
Findings advocate the need for additional research to refine treatment protocols and enhance efficacy.
The operational framework provided can support further studies into the neuroplastic effects of MI-BCI in stroke care.

Frequently Asked Questions

What advantages does MI-BCI offer for stroke rehabilitation?

MI-BCI provides an innovative approach to engage patients in motor rehabilitation through mental imagery, potentially enhancing recovery outcomes.

How is the MI-BCI training protocol structured?

The training involves patient education, EEG cap placement, and gradual adjustments to task difficulty based on the patient's real-time performance.

What types of data are obtained from fNIRS during the study?

fNIRS measures changes in hemoglobin concentrations, which reflect the activation of cerebral areas related to motor tasks during MI-BCI sessions.

How can MI-BCI methods be adapted for various levels of stroke severity?

The training difficulty in MI-BCI can be modulated based on individual patient assessments, ensuring personalized rehabilitation protocols.

What are some limitations of the current MI-BCI study?

Future studies are necessary to confirm the long-term efficacy of MI-BCI and to develop standardized protocols that accommodate different patient needs.

Das Ziel dieser Studie ist es, eine wichtige Referenz für den klinischen Standardbetrieb der motorischen Bildsprache Gehirn-Computer-Schnittstelle (MI-BCI) bei motorischer Dysfunktion der oberen Gliedmaßen nach Schlaganfall zu liefern.

Diese Studie konzentriert sich auf die klinische Anwendung von MI-BCI bei Schlaganfallpatienten mit mittelschwerer bis schwerer motorischer Dysfunktion der oberen Extremitäten. Und es liefert Ideen und Referenzen für die standardisierte klinische Operations- und Mechanismusforschung, indem es den Operationsprozess und die Interventionswirkung von MI-BCI demonstriert. MI-BCI hat einen positiven Effekt auf die Verbesserung der motorischen Dysfunktion bei Schlaganfallpatienten.

In Zukunft werden jedoch weitere klinische Forschungen auf diesem Gebiet durchgeführt, um geeignetere Behandlungsprotokolle für dieses unterschiedliche Funktionsniveau bei Schlaganfallpatienten zu finden. In dieser Studie wurde die funktionelle Nahinfrarotspektroskopie, fNIRS, verwendet, um die Konzentrationsänderungen von Hämoglobin und sauerstoffreichem Hämoglobin in der Großhirnrinde in Echtzeit unter verschiedenen Stimulationsaufgaben zu überwachen. Damit ist ein bildgebender Beweis für die klinische Wirkung von MI-BCI erbracht.

Wir stellen ein Protokoll zur Anwendung des MI-BCI-Trainings bei Schlaganfallpatienten für die motorische Rehabilitation der oberen Gliedmaßen vor. Die Ergebnisse der Fugi-Meyer-Beurteilung der oberen Extremität und des Wolf-Motoriktests wurden nach der MI-BCI-Behandlung verbessert. In der Zwischenzeit zeigte die fNIRS-Bewertung auch eine stärkere Aktivierung des dorsolateralen präfrontalen Kortex, des primären motorischen Kortex und des primären sensorischen Kortex.

Die Ergebnisse deuten auf eine potenzielle Verbesserung der motorischen und kognitiven Funktion bei Schlaganfallpatienten nach einer MI-BCI-Intervention hin. Ursprüngliche Interventionsmethoden zur Rehabilitation der oberen Extremitäten, entweder periphere Intervention oder zentrale Intervention. Während MI-BCI auf dem Closed-Loop-Prinzip von Zentrum, Peripherie und Zentrum oder kombiniertem Zentralmodell mit peripherer Motorrückmeldung basiert.

Das Prinzip des geschlossenen Regelkreises ist besser für die Charakteristik der Erkrankungen des Zentralnervensystems geeignet.

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Schlüsselwörter: Motorische Vorstellungswelt Gehirn-Computer-Schnittstelle Schlaganfall motorische Dysfunktion der oberen Extremitäten Rehabilitation nicht-invasiv klinische Anwendung Bewertung der Gehirnfunktion