Application of Ultrasound Imaging in Functional Assessment of Musculoskeletal System and Non-Invasive Characterization of Peripheral Nervous Structures

Introduction Advanced and enabling technologies find broad application in numerous sectors of healthcare. Within the health landscape, the field of rehabilitation is certainly one of those most influenced by the latest technological advancements, likely accelerated by the COVID-19 pandemic, which further boosted its spread and usage. Telerehabilitation, extended reality, robotic rehabilitation, human movement analysis systems, and advanced imaging systems have increasingly become integral parts of a technological "revolution" in the healthcare system. Within this context, ultrasound imaging undoubtedly offers numerous advantages, with applications in rehabilitation, too. This technology represents an economical, portable, non-invasive, and rapid imaging method that does not require specific preparation of the patient or the subject under examination and allows for in vivo evaluation of soft tissues, both in static and dynamic conditions. Ultrasound imaging can be used for diagnostic and evaluative purposes or as a measurement tool in clinical research, integrated with other systems such as human movement analysis systems, wearable motion tracking technologies, and surface electromyography devices. Objective Therefore, this doctoral thesis aims to integrate different enabling technologies within specific functional and structural evaluation pathways, particularly concerning the musculoskeletal and nervous systems. To achieve this general goal, four specific objectives were identified, in particular: 1) to analyse the integrated use of technologies in the functional assessment of musculoskeletal disorders and pathologies; 2) to explore the potential use of advanced technological solutions for human movement analysis in diagnostic support; 3) to analyse the use of ultrasound imaging in the evaluation of musculoskeletal issues; 4) to study the use of ultrasound imaging in the non-invasive characterisation of the peripheral nervous system. Following the definition of these objectives, this doctoral thesis includes four papers published in international scientific journals and three pilot studies, two conducted at the Human Performance Lab of the University of Brescia and one at the Rehab Technologies Lab of the Italian Institute of Technology. Conclusions The works included in this thesis, mainly focused on the use of ultrasound imaging, highlight how interprofessional collaboration between health professionals and engineers brings benefits to both worlds, with an exchange of information leading to a faster and more precise answer to clinical questions, thanks to the possibility of using technological supports increasingly advanced. This results in better and faster assessment/diagnosis and care capabilities for the benefit of patients.

Introduzione Le tecnologie avanzate ed abilitanti trovano un’ampia applicazione in numerosi settori della sanità. All’interno dello scenario della salute, il campo della riabilitazione è sicuramente uno di quelli maggiormente influenzati dai più recenti progressi tecnologici, probabilmente anche a causa della pandemia di COVID-19, che ne ha ulteriormente velocizzato la diffusione e l’utilizzo. Teleriabilitazione, realtà estesa, riabilitazione robotica, sistemi di analisi del movimento umano e sistemi di imaging avanzato sono diventati sempre più parte integrante di una “rivoluzione” tecnologica all’interno del sistema sanitario. All’interno di questo contesto, l’imaging ecografico presenta sicuramente innumerevoli vantaggi, e vede la sua applicazione anche all’interno del percorso riabilitativo. Questa tecnologia rappresenta infatti una modalità di imaging economica, portatile, non-invasiva e di rapida esecuzione, in quanto non richiede una preparazione specifica del paziente o del soggetto da sottoporre all’esame, e consente inoltre di effettuare una valutazione in vivo dei tessuti molli, sia in condizioni statiche che dinamiche. L’imaging ecografico può essere utilizzato infatti sia a scopo diagnostico che valutativo, oppure come strumento di misurazione nella ricerca clinica, integrato anche ad altri sistemi, come ad esempio i sistemi di analisi del movimento umano, le tecnologie indossabili per il motion tracking, i dispositivi per l’elettromiografia di superficie. Obiettivo L’obiettivo generale di questa tesi di dottorato è stato quindi quello di integrare differenti tecnologie abilitanti all’interno di specifici percorsi di valutazione funzionale e strutturale, con particolare attenzione per il sistema muscolo-scheletrico e nervoso. Al fine di raggiungere questo obiettivo generale, sono stati identificati quattro obiettivi specifici, in particolare: 1) analizzare l’uso integrato di tecnologie nella valutazione funzionale di disordini e delle patologie muscolo-scheletriche; 2) analizzare la possibilità di utilizzo di soluzioni tecnologiche avanzate per l’analisi del movimento umano in fase di supporto alla diagnosi; 3) analizzare l’utilizzo dell’imaging ecografico nella valutazione delle problematiche muscolo-scheletriche; 4) analizzare l’utilizzo dell’imaging ecografico nella caratterizzazione non-invasiva del sistema nervoso periferico. Seguendo la definizione di questi obiettivi, la presente tesi di dottorato include quattro paper pubblicati su riviste scientifiche internazionali e tre studi pilota, di cui due realizzati presso lo Human Performance Lab dell’Università degli Studi di Brescia, ed uno realizzato al Rehab Technologies Lab dell’Istituto Italiano di Tecnologia. Conclusioni I lavori inclusi in questa tesi, concentrati prevalentemente sull’utilizzo dell’imaging ecografico, evidenziano come la collaborazione interprofessionale professionisti sanitari/ingegneri porti a vantaggi per entrambi i mondi, con un interscambio di informazioni che portano ad una più veloce e precisa risposta ai quesiti clinici, grazie alla possibilità di utilizzo di supporti tecnologici sempre più avanzati. Questo si traduce in una migliore e più veloce capacità di valutazione/diagnosi e cura, a vantaggio dei pazienti.