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

Interfaz cerebro-computadora de imágenes motoras en la rehabilitación de la disfunción motora de ...

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

Interfaz cerebro-computadora de imágenes motoras en la rehabilitación de la disfunción motora de las extremidades superiores después de un accidente cerebrovascular

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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.

El propósito de este estudio es proporcionar una referencia importante para el funcionamiento clínico estándar de la interfaz cerebro-computadora de imágenes motoras (MI-BCI) para la disfunción motora de las extremidades superiores después de un accidente cerebrovascular.

Este estudio se centra en la aplicación clínica de MI-BCI en pacientes con accidente cerebrovascular con disfunción motora de moderada a grave de las extremidades superiores. Y proporciona ideas y referencias para la investigación estandarizada de la operación clínica y los mecanismos al demostrar el proceso de operación y el efecto de intervención de MI-BCI. El MI-BCI ha presentado un efecto positivo en la mejora de la disfunción motora en pacientes con accidente cerebrovascular.

Sin embargo, en el futuro se realizarán más investigaciones clínicas de este campo para establecer protocolos de tratamiento más adecuados para este nivel diferente de función en pacientes con accidente cerebrovascular. En este estudio, se utilizó la espectroscopia funcional de infrarrojo cercano, fNIRS, para monitorear los cambios en la concentración de hemoglobina y la hemoglobina oxigenante en la corteza cerebral en tiempo real bajo diferentes tareas de estimulación. Por lo tanto, proporciona evidencia de imagen para el efecto clínico de MI-BCI.

Presentamos un protocolo para utilizar el entrenamiento MI-BCI en pacientes con ictus para la rehabilitación motora de miembros superiores. Las puntuaciones de la evaluación de Fugi-Meyer de la extremidad superior y la prueba de función motora de Wolf mejoraron después del tratamiento con MI-BCI. Mientras tanto, la evaluación fNIRS también mostró una mayor activación de la corteza prefrontal dorsolateral, la corteza motora primaria y la corteza sensorial primaria.

Los hallazgos sugieren una mejora potencial en la función motora y cognitiva en pacientes con accidente cerebrovascular tras la intervención de MI-BCI. Métodos originales de intervención para la rehabilitación del miembro superior, ya sea intervención periférica o central. Mientras que MI-BCI se basa en el principio de bucle cerrado de centro, periférico y centro, o modelo central combinado con retroalimentación de motor periférico.

El principio de circuito cerrado es más adecuado para la característica de la enfermedad del sistema nervioso central.

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Palabras clave: Imágenes motoras Interfaz cerebro-computadora Accidente cerebrovascular Disfunción motora de las extremidades superiores Rehabilitación No invasivo Aplicación clínica Evaluación de la función cerebral