Het blijft erg moeilijk om tekenen van residueel bewustzijn te detecteren bij patiënten met een ernstig hersenletsel. Damien Lesenfants heeft daarover een doctoraatsthesis geschreven binnen de Coma Science Group (ULg/CHU de Liège). Daarin stelt hij een nieuwe brein-computerinterface voor die de diagnose in twijfelgevallen kan verbeteren.

Inleiding

Er worden almaar meer levens gered dankzij de vooruitgang in de reanimatiegeneeskunde. Dat gaat evenwel gepaard met een andere werkelijkheid: er zijn almaar meer patiënten met hersenletsels die vaak onherstelbare bewustzijnsstoornissen veroorzaken (vegetatieve/niet-reagerende toestand, minimaal bewustzijn*) en patiënten met een locked-in-syndroom (LIS) (patiënten die een intact bewustzijn hebben, maar helemaal niet meer kunnen bewegen).

Klinisch is het moeilijk om een vegetatieve/niet-reagerende toestand te onderscheiden van een minimaal bewustzijn. Vaak zelfs wordt bij patiënten met een LIS verkeerdelijk een diagnose gesteld van vegetatieve toestand of minimaal bewustzijn. Klassiek wordt de motorische respons geëvalueerd met gedragsschalen. Caroline Schnakers, onderzoekster van het FNRS, en professor Steven Laureys, directeur van de Coma Science Group (ULg/CHU de Liège), hebben echter aangetoond dat de diagnose die op die manier gesteld wordt, in ongeveer 40% van de gevallen verkeerd is (1).

Damien Lesenfants, burgerlijk ingenieur gespecialiseerd in biomedische wetenschappen, verdedigde onlangs zijn doctoraatsthesis (2) die hij heeft uitgevoerd binnen de Coma Science Group. Daarin schrijft hij: “De gedragsschalen zijn hoofdzakelijk gebaseerd op motorische reacties en het begrijpen van woorden door de patiënt. Dat bemoeilijkt de diagnose bij dergelijke patiënten, die vaak motorische stoornissen, afasie en een schommelende waakzaamheid vertonen. De betrouwbaarheid van die diagnostische instrumenten hangt bovendien af van de ervaring van de persoon die het onderzoek uitvoert. Het is dan ook belangrijk om objectieve paramedische instrumenten te ontwikkelen die onafhankelijk zijn van de motorische controle, om tekenen van bewustzijn te kunnen detecteren als we geen duidelijke respons kunnen waarnemen aan het ziekbed van de patiënt.”

De Coma Science Group (ULg) heeft deelgenomen aan meerdere soortgelijke projecten die gebaseerd zijn op brein-computerinterfaces.

Cognitieve geëvoceerde potentialen

De groep van Joseph Giacino in de VS heeft een gestandaardiseerde en gevoelige gedragsschaal opgesteld, de Coma Recovery Scale-Revised of CRS-R. Caroline Schnakers en Steven Laureys hebben die schaal gevalideerd in het Frans en in het Nederlands (3). Door stelselmatig een dergelijke schaal te gebruiken, kan het aantal diagnostische fouten worden verlaagd tot 31%. In combinatie met beeldvorming door functionele nuclaire magnetische resonantie (fMRI) of beter nog een positronemissiescintigrafie (PET-scan) daalt dat percentage tot ongeveer 20%.

“fMRI en een PET-scan halen de informatie direct uit de hersenen”, zegt Damien Lesenfants. “Ze kunnen een eventuele activering in reactie op een bevel in beeld brengen, zelfs als de patiënt ernstige motorische stoornissen vertoont en dus niet kan bewegen.” Het residuele foutpercentage blijft echter vrij hoog. fMRI en PET-scan vertonen bovendien meerdere nadelen: het zijn dure onderzoeken, die niet vlot toegankelijk zijn, de toestellen zijn niet draagbaar, het onderzoek is gevoelig voor de bewegingen van de patiënt, het verwerven van de gegevens duurt lang en het concentratievermogen van de patiënten die aan een dergelijk onderzoek worden onderworpen, is zeer beperkt.

Sinds enkele jaren wordt er dan ook gezocht naar gevoelige, goedkope en gebruiksvriendelijke instrumenten. Er werden veel pogingen in die zin ondernomen, vooral pogingen die gebaseerd zijn op het eeg en de cognitieve geëvoceerde potentialen. De Coma Science Group (ULg) heeft deelgenomen aan meerdere soortgelijke projecten die gebaseerd zijn op brein-computerinterfaces (BCI’s). De doctoraatsthesis van Damien Lesenfants gaat over zo’n BCI.

Het was de bedoeling “de technologie van brein-computerinterfaces te gebruiken om een diagnostisch instrument te ontwikkelen dat losstaat van de motorische controle en waarmee men de respons op bevelen objectief kan evalueren bij patiënten met een locked-in-syndroom en bewustzijnsstoornissen”. Een aanvullende doelstelling was om via de interface ook te communiceren met bewuste patiënten.

Overt of covert

Hoe kan men voor elke patiënt met een ernstig hersenletsel nagaan of hij nog over een residueel bewustzijn beschikt? Dat is een vraag met belangrijke medische en ethische implicaties. De prognose (kans op herstel) en de revalidatietechnieken verschillen immers naargelang het gaat om een vegetatieve/niet-reagerende toestand, een toestand van minimaal bewustzijn of een locked-in-syndroom. Ook de medische behandeling verschilt naargelang de situatie. Patiënten met een minimaal bewustzijn voelen lichamelijke pijn (4), patiënten in een vegetatieve/niet-reagerende toestand niet. Ook rijst hier de vraag over de beslissing over het levenseinde. “Als een patiënt nog tekenen van bewustzijn vertoont, moet men proberen een dialoog met de patiënt aan te gaan die de patiënt in staat stelt om zijn gevoelens, behoeften (lijdt hij?) en wensen uit te drukken, met name zijn wensen wat het levenseinde betreft (5)”, zegt Steven Laureys.

Er bestaan meerdere soorten brein-computerinterfaces zoals motorische geëvoceerde potentialen. Damien Lesenfants heeft gekozen voor de techniek van visueel geëvoceerde potentialen in evenwichtstoestand (Steady State Visually Evoked Potential – SSVEP). Die biedt meerdere voordelen: geringe invloed van spier-, oog- en bewegingsartefacten, het onderzoek duurt minder lang, de gebruiker hoeft er niet voor te zijn getraind, een goede signaal-ruisverhouding en een hoge informatieoverdracht.

“Bij SSVEP-BCI’s worden één of meer oscillerende stimuli met constante en wisselende frequentie aan de gebruiker gepresenteerd”, schrijft Damien Lesenfants in zijn thesis. “Als de gebruiker zijn aandacht op een stimulus concentreert, detecteren we in de achterste zones en met name in de occipitale zones een toename van de eeg-activiteit met dezelfde frequentie als die van de stimulus.”

Eén van de problemen bij SSVEP-BCI’s is dat ze afhangen van de blikcontrole en dus van de perifere zenuwen en de spieren. Sommige patiënten met hersenletsels beschikken niet meer over die motorische controle. Bij systemen waarbij het individu de ogen moet richten naar een of meer targetprikkels in zijn gezichtsveld, is ‘open’ (overt) aandacht vereist. Dit kan men moeilijk toepassen bij patiënten met weinig of geen visuele controle. Damien Lesenfants heeft daarom een systeem ontwikkeld dat gebaseerd is op het alternatieve concept van ‘covert attention’, dat losstaat van de motorische controle en waarbij de proefpersoon zich mentaal concentreert op de targetstimulus zonder zijn ogen te moeten bewegen.

Hybride SSVEP-entropiesysteem

In het systeem dat de Coma Science Group heeft ontwikkeld, wordt een paneel geplaatst op 30cm van het hoofd van de proefpersoon. Dat paneel ziet eruit als een dambord van 7 x 7cm² en bestaat uit gele en rode, vierkante, elektroluminescente dioden van 1 x 1cm². De twee soorten prikkels (gele en rode dioden) bevinden zich dus constant in het gezichtsveld van de proefpersoon. Naargelang de kleur zenden de dioden lichtflitsen met een wisselende frequentie uit: 10 hertz voor de rode en 14 hertz voor de gele. “We plaatsen 12 elektroden achteraan op de schedel ter hoogte van de gezichtszones van de occipitale cortex”, zegt Damien Lesenfants. “Als de proefpersoon zich op een kleur concentreert, zal de activiteit van de neuronen van die zones synchroon worden met de knipperfrequentie van de overeenstemmende vierkantjes.”

Die covert SSVEP-BCI werd eerst getest bij gezonde proefpersonen. Net als met andere systemen van dat type, gaven ze een resultaat van ongeveer 70%. Dat is te weinig om de techniek toe te passen bij patiënten met ernstige hersenletsels. Damien Lesenfants heeft dan meerdere parameters (concentratietijd, algoritme voor extractie van de karakteristieken, het aantal harmonische tonen…) aangepast om het systeem te verbeteren. Hij heeft ook een nieuw algoritme uitgewerkt dat automatisch de elektroden selecteert die de beste resultaten zouden moeten geven bij een individuele proefpersoon afhankelijk van de kenmerken van diens hersenen.

“Ons covert SSVEP-BCI bereikte toen een prestatieniveau van 85% bij gezonde personen. Daarom hebben we het uitgetest bij patiënten met een locked-in-syndroom”, zegt de doctorandus van de ULg. “Het resultaat was minder goed bij die patiënten dan bij gezonde proefpersonen. Met een prestatievermogen van 60 of 70% bij gezonde proefpersonen konden we bij LIS-patiënten geen betere resultaten verkrijgen dan resultaten die equivalent waren aan het statistische toeval.”

Bij patiënten met een locked-in-syndroom wordt de interface op twee niveaus geëvalueerd: het vermogen van het systeem om een respons op commando te detecteren en zijn waarde als communicatiemiddel tussen de patiënt en de buitenwereld.

De resultaten waren vrij ontgoochelend. Slechts bij 2 van de 6 patiënten toonde de covert SSVEP-BCI een respons op bevel, hoewel ze allen per definitie bewust waren, en slechts bij 1 op de 4 patiënten kon communicatie worden bewerkstelligd.

“We moesten het systeem dus nog verbeteren”, zegt Damien Lesenfants. “Daarom hebben we samen met de aanvankelijk gevraagde taak (zich concentreren op rode of gele dioden) de focale aandacht onderzocht, d.w.z. de mate van concentratie van de proefpersoon op de aangeduide target. Die alternatieve methode voor detectie van vrijwillige antwoorden stoelde op een evaluatie via spectrale entropie van het aandachtsniveau van de proefpersoon tijdens het uitvoeren van de gevraagde taak en zodoende van diens bewuste investering in het vervullen van de taak. Met dat hybride systeem, dat twee evaluatiemethoden combineert, bereikten we een prestatievermogen van 95% bij gezonde proefpersonen en bij LIS-patiënten.”

De kaart van de complementariteit trekken

Het nieuwe, hybride SSVEP-entropiesysteem werd vervolgens uitgetest bij patiënten met bewustzijnsstoornissen. Bij de meeste patiënten bij wie eerder na een gedragsevaluatie een diagnose was gesteld van toestand van minimaal bewustzijn, werd een respons op commando gedetecteerd. Het aantal foutnegatieve uitkomsten was slechts 9% en er werd geen enkele foutpositieve uitkomst geregistreerd. “Ons hybride systeem blijkt dus een beter alternatief te zijn dan de andere BCI-systemen die in de literatuur over bewustzijnsstoornissen werden gepresenteerd. Met die laatste bedraagt het percentage foutnegatieve uitkomsten 25 tot 100%”, zegt Damien Lesenfants.

Maar wat met de communicatie met LIS-patiënten via een hybride interface? Damien Lesenfants probeert nu een dergelijk instrument te ontwikkelen gebaseerd op wijzigingen van het aandachtsniveau. Sommige LIS-patiënten communiceren via andere kanalen, met name via verticale oogbewegingen of door met de ogen te knipperen. Een patiënt met een volledig locked-in-syndroom kan echter helemaal niet meer bewegen, ook niet met zijn ogen. Ook bij stoornissen van de oogbewegingen zoals een nystagmus is het eye-tracking-systeem niet bruikbaar. Vandaar het nut van een brein-computerinterface bij een aantal LIS-patiënten.

Het hybride SSVEP-entropiesysteem werd ontworpen om een residueel bewustzijn te detecteren bij patiënten met ernstige hersenletsels, maar speelt daarbij niet ‘cavalier seul’. Integendeel, het is de bedoeling het systeem aan te vullen met andere bestaande technieken zoals gedragsschalen en BCI’s. “Met een combinatie van meerdere tests beogen we de onzekerheid in een domein waar er geen gouden standaard is, zo sterk mogelijk te verminderen. Meer dan ooit is een combinatie van informatie de toekomst”, concludeert Steven Laureys.