EUR MED PHYS 2008;44(Suppl. 1 to No. 3)
L’utilizzo della tecnologia robotica nella
disabilità motoria cronica dell’arto superiore da stroke
E. GALLOTTA1, N. MANCUSO1, A. LISTRANI1, G. MAGRONE1, A. ROMANELLI1, L. ZOLLO2, E. GUGLIELMELLI2, S. STERZI1
1U.O.
Introduzione
Lo Stroke è un accidente cerebrovascolare definito dall’OMS
come “un segno clinico a rapida evoluzione di un deficit focale della
funzione cerebrale di origine vascolare” di durata superiore alle 24
ore. In Italia, come in tutti i paesi industrializzati, l’ictus è la terza
causa di morte dopo le malattie cardiovascolari e le neoplasie,
essendo responsabile del 10-12% di tutti i decessi per anno e rappresenta inoltre la principale causa d’invalidità1.
La riabilitazione nel paziente emiplegico è finalizzata ad ottenere
il recupero della menomazione e l’ottimizzazione delle abilità residue migliorando la qualità di vita attraverso il recupero fisico, cognitivo, psicologico, funzionale e delle relazioni sociali nell’ambito dei
bisogni dell’individuo e della sua famiglia. Numerose sono le metodiche riabilitative utilizzate nel paziente emiplegico: il metodo
Bobath, basato su tecniche inibenti i riflessi motori patologici; la
metodica Kabat, basata su facilitazioni neuromuscolari e propriocettive; il metodo Perfetti, che considera la funzione motoria non isolatamente, ma nella sua totale integrazione con le funzioni cognitive e
percettive. Identificare il trattamento riabilitativo migliore risulta difficile2, mentre l’unica importante evidenza che emerge è la necessità
di iniziare, già in fase acuta, un trattamento riabilitativo al fine di
influenzare il potenziale di neuroplasticità presente nel sistema nervoso centrale3.
Negli ultimi anni si è sviluppata, tra le tecniche riabilitative, la
tecnologia robotica. L’introduzione dei supporti robotici come strategia riabilitativa per l’apprendimento, è giustificata dalla potenzialità
intrinseca di fornire un approccio terapeutico strutturato, ripetitivo
ed intensivo, capace di promuovere la riorganizzazione corticale in
seguito ad un evento ictale4. Ulteriore caratteristica dell’apparecchiatura robotica è la possibilità di monitorare e registrare in modo
quantitativo la performance del paziente in fase di esecuzione dello
specifico task motorio5. Questo ha due importanti implicazioni: la
prima è di adattare il trattamento riabilitativo alle caratteristiche di
ogni paziente monitorandone i progressi; la seconda è favorire l’implementazione di un database che fornisca evidenze utili per lo studio dei meccanismi di riorganizzazione corticale.
Il presente contributo descrive i risultati preliminari di uno studio,
inserito in una sperimentazione clinica multicentrica cui partecipano
il Burke Rehabilitation Hospital di New York e il Massachusset Institute of Technology di Boston, prendendo in considerazione gli outcome successivi al protocollo riabilitativo adottato.
Vol. 44 - Suppl. 1 to No. 3
Complessa di Medicina Riabilitativa,
Università Campus Bio-Medico di Roma;
2Unità di Ricerca in Robotica Biomedica, Centro Interdisciplinare
di Ricerca Università Campus Bio-Medico di Roma
Materiali e metodi
Il protocollo di sperimentazione, preventivamente valutato ed
approvato dal comitato etico di questa Università, ha visto la partecipazione di 11 pazienti con emisindrome motoria cronica post-ictale
(Fig. 1). Tutti i pazienti hanno volontariamente accettato di partecipare alla sperimentazione, firmando il consenso informato al trattamento dei dati personali.
I pazienti sono stati selezionati secondo i seguenti criteri: disabilità
motoria cronica (almeno 6 mesi) dell’arto superiore dovuta ad una
lesione isolata della corteccia motoria o dei nuclei della base isolata [6];
assenza di retrazione importante dei tendini della mano, funzioni cognitive e di linguaggio sufficienti a capire e seguire le istruzioni del fisioterapista, punteggio medio della Motor Power Scale ≥ 1/5 e ≤ 3/5 e FuglMeyer ≥ 7 e ≤ 36; condizioni stabili durante tre sedute di valutazione
pre-trattamento, effettuate a distanza di una settimana l’una dall’altra. Le
valutazioni pre-trattamento hanno lo scopo di evitare il cosiddetto
“Hawthorne effect”, e cioè un incremento delle prestazioni motorie che
alcuni soggetti mostrano prima dell’inizio del trattamento per il coinvolgimento nello studio. Per questo motivo, nessun soggetto viene incluso
nella sperimentazione se nelle tre sedute di valutazione delle performances motorie pre-trattamento non mostra un plateau del grado di
disabilità. Non sono stati inclusi: soggetti con deformità strutturata dell’arto paretico; soggetti con paralisi flaccida completa dell’arto superiore.
Lo studio prevede l’impiego delle piattaforme robotiche
InMotion2 e InMotion3 sviluppate presso il MIT di Boston. Entrambi i
robot appartengono alla categoria dei robot operazionali e consistono in un effettore che guida il paziente nell’esecuzione di specifici
movimenti dosando il livello di interazione, compensando i deficit
motori del paziente e stimolandone la componente residua. Il robot
InMotion2 (MIT-MANUS) è in grado di far eseguire al paziente movimenti del comparto prossimale dell’arto superiore (movimenti di
spalla-gomito), mentre il robot InMotion3 (WRIST) è progettato per
allenare la parte distale dell’arto superiore (movimenti del polso).
Trias clinici che hanno utilizzato solo il modulo Inmotion2 hanno
evidenziato un positivo impatto sul recupero motorio di pazienti sia
acuti sia cronici, mostrando un miglioramento dell’impairment motorio dell’arto trattato soprattutto nella componente prossimale, in cui
si è effettivamente concentrato il trattamento6-9.
EUROPA MEDICOPHYSICA
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GALLOTTA
L’UTILIZZO DELLA TECNOLOGIA ROBOTICA NELLA DISABILITÀ MOTORIA CRONICA DELL’ARTO SUPERIORE DA STROKE
Tabella 1. – Risultati preliminari del protocollo sperimentale.
Scale
FM
MP
Figura 1. – Principali dati anamnestici.
Al fine di utilizzare entrambi i moduli robotici il protocollo prevede 3 sessioni di trattamento robot-assistiti a settimana per un totale
di 36 sessioni complessive (12 settimane), suddividendo i pazienti in
maniera casuale in 2 gruppi di lavoro differenti:
1. i pazienti del gruppo A sono sottoposti a 18 sessioni di riabilitazione del distretto prossimale (spalla-gomito) seguite da altre 18
sessioni per il distretto distale (polso);
2. i pazienti del gruppo B, seguono un percorso riabilitativo inverso, esercitando prima il polso per 18 sessioni e successivamente
spalla e gomito per 18 sessioni.
La suddivisione ha l’obiettivo di indagare quale sia il trattamento
sensitivo-motorio che ottimizzi il recupero e in particolare in che
modo l’ordine di esecuzione di movimenti prossimali (spalla-gomito)
rispetto a movimenti distali (polso) lo influenzi.
I pazienti, all’inizio del trattamento, vengono sottoposti a scale di
valutazione clinica (Fugl Meyer, Motor Power Scale, Wolf Motor
Function e Stroke Impact Scale); la valutazione viene ripetuta a metà
del trattamento quando passano da una piattaforma all’altra, a fine
trattamento e a distanza di tre mesi per il follow up. Ogni sessione di
trattamento consiste in una serie di movimenti punto-punto assistiti
dai robot. L’esperimento è strutturato come un videogioco, costituito
media
dev. std
media
dev. std
Variazione
(ingresso vs
intermedio)
Variazione
(intermedio vs
dimissione)
Variazione
complessiva
3,64
1,12
2,45
1,69
2,82
1,25
2,18
1,60
6,46
1,97
4,63
1,57
da 20 gruppi di movimenti, ognuno formato da 16 movimenti puntopunto. Ciascun gioco dura da 10 a 15 minuti, a seconda del tempo
impiegato ad effettuare il movimento (figura 3). Una seduta tipo è
costituita da 3 “giochi”, con un breve intervallo tra un “gioco” e l’altro, per una durata complessiva di circa un’ora. Il livello di assistenza
è costantemente controllato da uno specifico software che rileva il
movimento residuo del paziente in modo tale da agire come supporto al completamento del task motorio solo se necessario, registrando
comunque le performance motorie durante l’intera sessione.
Al fine di valutare l’impatto ed il livello di gradimento del trattamento con ausilio di robot da parte dei soggetti è stato sviluppato
un questionario che è stato somministrato telefonicamente ai
pazienti una volta finito il protocollo riabilitativo. Il questionario
adotta una scala con range 0-7, i valori negativi rientrano nell’intervallo 0-3, quelli positivi da 4 a 7. Le domande si prefiggono di esaminare la percezione, da parte dei pazienti, del trattamento robot
mediato in termini di efficacia e di confort, di valutare l’eventuale
primato sulle altre forme di trattamento e di esprimere un giudizio
fra il lavoro svolto con il robot e quello tradizionale svolto con un
fisioterapista.
Risultati
L’analisi preliminare degli outcome, valutati attraverso la somministrazione delle scale Fugl Meyer e Motor Power, è stata limitata
agli effetti del trattamento robotico nei due gruppi considerati congiuntamente. L’omogeneità del campione preso in esame permette
infatti di analizzare il grado di riapprendimento motorio conseguente
al protocollo riabilitativo robot assistito in entrambi in gruppi.
In tabella I abbiamo riportato l’incremento medio ottenuto sulla
base dei punteggi delle scale di valutazione (FM-MP) somministrate
Figura 2 e 3. – Pazienti durante una seduta di trattamento con le piattaforme robotiche.
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October 2008
L’UTILIZZO DELLA TECNOLOGIA ROBOTICA NELLA DISABILITÀ MOTORIA CRONICA DELL’ARTO SUPERIORE DA STROKE
Figura 4. – Livello di apprezzamento del trattamento robotico da parte dei
pazienti.
all’ingresso, a metà trattamento, quando i soggetti cambiano la piattaforma robotica, ed alla dimissione. I valori riportati consistono nella variazione assoluta tra i punteggi ottenuti all’ingresso e alla dimissione, e nelle due componenti intermedie.
La variazione complessiva media di 6,46 punti della scala FM,
pari a circa il 10% del totale della scala (FM spalla gomito 42 punti,
FM polso 24), si apprezza maggiormente (56% del guadagno complessivo) durante la prima fase, quando cioè il paziente inizia il protocollo di sperimentazione. Analoghe considerazioni valgono per la
scala MP dove emerge un incremento complessivo del 7%, anche
questo ottenuto principalmente durante la prima delle due fasi previste dal protocollo.
L’elaborazione delle risposte al questionario ha rilevato che il trattamento robot assistito è stato giudicato positivamente (valori medi
6,20±1,50) dai pazienti per quanto concerne sia l’interazione con il
macchinario sia l’efficacia riabilitativa. Giudizi discordanti (valori
medi 4,50 ± 2,50) si riscontrano nel confronto tra la sessione robot
mediata e il trattamento riabilitativo tradizionale dove è prevista una
maggiore interazione con il fisioterapista (Fig. 4).
Conclusioni
L’utilizzo delle apparecchiature robotiche in ambito riabilitativo
fornisce un valido strumento per indagare i processi di neuroplasticità sottostanti al processo di recupero a seguito di un evento ictale
e comprendere i meccanismi di organizzazione motoria del sistema
nervoso centrale. I diversi livelli di analisi impliciti nel protocollo di
sperimentazione10 potrebbero fornire ulteriori chiarimenti sulle dinamiche che condizionano i processi di riorganizzazione motoria fornendo indicazioni utili alla stesura di specifici programmi riabilitativi.
La possibilità di utilizzare due piattaforme robotiche, simili sotto il
profilo hardware e di controllo software, ma diverse per finalità riabilitative, permette di indagare l’eventualità di una diversa risposta
motoria dei pazienti rispetto all’approccio terapeutico adottato11,12.
Meritevole di ulteriore indagine è quanto emerso dal livello di
apprezzamento da parte dei soggetti sottoposti al trattamento con le
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GALLOTTA
piattaforme robotiche. La percezione dell’efficacia del trattamento è
contrapposta alla ricerca di uno schema riabilitativo in cui sia prevalente l’interazione con il fisioterapista. Una possibile interpretazione
potrebbe essere attribuita al fatto che il trattamento robotico inducendo un feedback tra la rappresentazione virtuale della posizione
nello spazio dell’arto e l’interazione continua con il software che
gestisce il robot obbliga il paziente ad attuare in maniera indiretta la
coordinazione oculo-motoria, attraverso l’associazione monitor-arto
superiore, mentre viene costantemente stimolato ad eseguire i task
motori richiesti, impegnandolo, quindi, ad individuare in modo completamente autonomo la migliore strategia motoria.
Ambiti di intervento che possono essere ulteriormente indagati e
sviluppati sono l’individuazione di setting alternativi al trattamento
(teleriabilitazione domestica13), la sostituzione del videogioco con
scenari virtuali o reali collegati alle attività di vita quotidiana, e
soprattutto sfruttare la potenzialità valutativa della piattaforma robotica tramite interpretazione clinica della moltitudine di dati registrati
dal robot in termini di velocità, forza e coordinazione spaziale.
Bibliografia
1. Stroke Prevention And Educational Awareness Diffusion (SPREAD). Ictus
Cerebrale: linee guida italiane di prevenzione e trattamento. Milano:Ed.
Catel-Hyperphar Group. 2007.
2. Ernst E. A review of stroke rehabilitation and physiotherapy. Stroke.
1990.
3. Royal College of Physicians Guidelines of Stroke. 2004 London, National
Health Service. http://www.rcplondon.ac.uk/pubs/books/stroke/
stroke_guidelines_2ed.pdf
4. Nudo RJ, Friel KM, Cortical plasticity after stroke: implications for rehabilitation. Revue Neurologique. 1999.
5. Prange GB, Jannink MJA, Groothuis-Oudshoorn CG. M, Heremens H. J,
IJzerman MJ. Systematic review of the effect of robot-aided therapy on
recovery of the hemiparetic arm after stroke. JRRD, 2006.
6. Volpe BT, Krebs HI, Hogan N. Is robot-aided sensorimotor training in
stroke rehabilitation a realistic option? Current Opinion Neurol, vol. 14,
no. 2001;6:pp. 745-52.
7. Ferraro M, Palazzolo JJ, Krol J, Krebs HI, Hogan N, Volpe BT, “Robot
aided sensorimotor arm training improves outcome in patients with
chronic stroke,” Neurology 2003;61:1604-7.
8. Fasoli S, Krebs HI, Stein J, Frontera WR, Hughes R, Hogan H. Robotic
therapy for chronic motor impairments after stroke: Follow-up results.
Arch. Phys. Med. Rehabil, 2004;85: 1106-114.
9. Ferraro M, Palazzolo JJ, Krol, Krebs HI, Hogan N, Volpe BT. Robot-aided
sensori-motor arm training improves outcome in patients with chronic
stroke. Neurology. 2003.
10. Krebs HI, Volpe BT, Williams D, Celestino J, Charles SK, Lynch D, Hogan
N. Robot-Aided Neurorehabilitation:A Robot for Wrist Rehabilitation,
IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering,
2007;15.
11. A. Shumway-Cook A, Woollacott MH. Motor Control: Theory and Practical Applications, 2nd ed. Philadelphia, PA: Lippincott Williams Wilkins,
2001.
12. Luft AR, McCombe-Waller S,Whitall J, Forrester LW, Macko R, Sorkin JD,
Schulz JB, Goldberg AP, Hanley DF. Repetitive bilateral arm training and
motor cortex activation in chronic stroke a randomized controlled trial, J.
Amer. Med. Assoc,, 2004;292:1853-61.
13. Johnson MJ, Feng X, Johnson LM, Winters JM, Potential of a suite of
robot/computer-assisted motivating systems for personalized, homebased, stroke rehabilitation, Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation 2007.
EUROPA MEDICOPHYSICA
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