A neurophysiological pipeline to assess disease severity and evaluate stroke rehabilitation interventions
Creators: name: Μπάρδα, Ελευθερία Ζήση
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Εγκεφαλικό
Ηλεκτροεγκεφαλογράφημα (ΗΕΓ)
Aνθρώπινη φυγόκεντρος κοντού βραχίονα
Stroke
Electroencephalography (EEG)
Short-Arm human centrifuge

description: Αγγλική περίληψη This thesis, conducted in order to attain a master’s degree in medical engineering and informatics, evaluated the effectiveness of a 24-session stroke rehabilitation program that combines artificial gravity with physical exercise through the Short-Arm Human Centrifuge (SAHC) infrastructure by means of neurophysiological outcome measures (resting state EEG and Event Related Potentials). The trial was an intervention conducted within the VITALISE project (https://vitalise-project.eu/) for a three-month period with an intensity of 3 sessions/week. We emphasize that data collection was done by experienced research staff within the premises of the Laboratory of Medical Physics and Digital Innovation, Aristotle University of Thessaloniki and this thesis was only concerned with the analysis of some of them. Demographic, behavioral, and raw electroencephalographic (EEG) data of 12 participants at pre- and post-intervention stages were provided for this study. The aim was to assess the stroke rehabilitation program through pre-post comparisons, employing two distinct pipelines. The first pipeline utilized contemporary mathematical tools such as functional connectivity and Relative Wavelet Entropy at the cortical level to extract statistically significant features before and after the intervention. These features were investigated within the Sensorimotor Resting State Network. In the second pipeline, Event-Related Potentials (ERPs) were extracted at the sensory level, focusing on components like N100, P100, P200, and Slow Positive Wave. Changes in amplitude and latency were examined for each participant in pre- and post-intervention conditions. EEG recordings obtained from a resting state and a picture naming task underwent preprocessing using custom MATLAB scripts. The preprocessing included the application of Independent Component Analysis (ICA) to enhance data quality. Additionally, for the resting state EEG data source reconstruction was performed using the Brainstorm freeware. Initial findings indicated significant alterations in Sensorimotor Network connectivity post-intervention, with a Time x Group Interaction effect (p = 0.025), while the ERP analysis revealed notable changes in several ERP activations, provoking the impact of the Short-Arm Human Centrifuge. Unfortunately, the limited number of participants receiving the intervention prevented us from drawing a firm conclusion.
description: Η παρούσα εργασία, αξιολογεί την αποτελεσματικότητα ενός προγράμματος αποκατάστασης εγκεφαλικού επεισοδίου 24 συνεδριών, μέσω νευροφυσιολογικών εκτιμήσεων (ΗΕΓ ηρεμίας και προκλητά δυναμικά) , που συνδυάζει την τεχνητή βαρύτητα με τη σωματική άσκηση χρησιμοποιώντας την υποδομή ανθρώπινης φυγόκεντρου κοντού βραχίονα (Short Arm Human Centrifuge ). Η περίοδος παρέμβασης ήταν τρεις μήνες και η συχνότητα 3 συνεδρίες/εβδομάδα. Η προσφορά των δεδομένων έγινε στα πλαίσια του προγράμματος VITALISE (https://vitalise-project.eu/) . Επισημαίνεται ότι η συλλογή των δεδομένων πραγματοποιήθηκε από έμπειρο ερευνητικό προσωπικό στους χώρους του Εργαστηρίου Ιατρικής Φυσικής και Ψηφιακής Καινοτομίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης και η παρούσα εργασία ασχολήθηκε μόνο με την ανάλυση ορισμένων εκ των δεδομένων. Για το σκοπό της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν δημογραφικά, συμπεριφορικά δεδομένα και ηλεκτροεγκεφαλογραφήματα (EEG) από 12 συμμετέχοντες σε στάδια πριν και μετά την παρέμβαση. Στόχος ήταν ο εντοπισμός αξιόπιστων δεικτών για την αξιολόγηση του προγράμματος αποκατάστασης του εγκεφαλικού επεισοδίου μέσω συγκρίσεων μεταξύ των δύο χρονικών στιγμών. Για την επίτευξη του, η μελέτη χωρίστηκε σε δύο ενότητες. Στην πρώτη εφαρμόστηκαν σύγχρονα μαθηματικά εργαλεία, όπως η λειτουργική συνδεσιμότητα και η Σχετική Κυματιδιακή Εντροπία σε φλοιώδες επίπεδο για την εξαγωγή στατιστικά σημαντικών χαρακτηριστικών πριν και μετά την παρέμβαση. Τα χαρακτηριστικά αυτά διερευνήθηκαν στο Αισθητοκινητικό Δίκτυο Ηρεμίας. Στο δεύτερο σκέλος και με απώτερο σκοπό γενικευμένα πιθανά οφέλη στη νευροπλαστικότητα του εγκεφάλου από τη χρήση της ανθρωποφυγοκέντρου και τη βελτίωση εκτελεστικών λειτουργιών, εξήχθησαν προκλητά δυναμικά (ERPs) σε αισθητηριακό επίπεδο, εστιάζοντας στις συνιστώσες N100, P100, P200 και SPW. Οι αλλαγές στο πλάτος και τον χρόνο απόκρισης εξετάστηκαν για κάθε συμμετέχοντα σε συνθήκες πριν και μετά την παρέμβαση. Οι καταγραφές ΗΕΓ που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια ηρεμίας όσο και κατά τη διαδικασία κατονομασίας εικόνων υποβλήθηκαν σε προ επεξεργασία με τη χρήση του λογισμικού MATLAB. Η προ επεξεργασία περιλάμβανε την εφαρμογή Ανάλυσης Ανεξάρτητων Συνιστωσών (ICA) για την απομάκρυνση τυχόν ανεπιθύμητων πηγών θορύβου και επιπλέον, για τα εγκεφαλογραφήματα σε κατάσταση ηρεμίας πραγματοποιήθηκε ανακατασκευή πηγών μέσω του λογισμικού Brainstorm. Τα αρχικά ευρήματα έδειξαν σημαντικές μεταβολές στη λειτουργική συνδεσιμότητα εντός του αισθητοκινητικού δικτύου μετά την παρέμβαση, ενώ η ανάλυση των προκλητών δυναμικών αποκάλυψε αξιοσημείωτες μεταβολές σε ενεργοποιήσεις που ενδέχεται να οφείλονται σε αυτήν. Δυστυχώς, ο περιορισμένος αριθμός των συμμετεχόντων που έλαβαν μέρος στην παρέμβαση μας εμπόδισε να βγάλουμε ένα ασφαλές συμπέρασμα.