Innovative Techniques for Biomechanical Evaluation of Stroke Survivors: Combined fMRI-Gait Analysis Assessment and Fugl-Meyer Clinical Scores Estimation Through Wearable Sensors

La capacità di camminare autonomamente con la velocità e resistenza che permettono le attività di tutti i giorni è uno degli obiettivi primari per la riabilitazione neurologica dopo l'ictus (Stroke) che, tra le lesioni cerebro-vascolari, è considerato la principale patologia responsabile di disabilità e di difficoltà nell'inserimento sociale dopo l'evento acuto. Questa patologia può davvero influire sulla funzionalità dei pazienti, che generalmente impediscono loro di svolgere le semplici attività quotidiane come camminare, mangiare e così via. Ecco che diventa di fondamentale importanza riuscire a pianificare dei programmi di riabilitazione individuali ad hoc per risolvere gli specifici deficit motori e le limitazioni funzionali, questo, quindi, diventa basilare per ottimizzare i risultati della riabilitazione a livello individuale-soggettivo. Per valutare l'efficacia dei programmi di riabilitazione è pratica comune utilizzare alcune scale cliniche che si basano sull'osservazione delle performances motorie dei soggetti, tuttavia queste valutazioni richiedono molto tempo, sono costose e di fatto soggettive; perciò solitamente i fisioterapisti e i clinici preferiscono aumentare il tempo dedicato alla terapia a scapito di una valutazione longitudinale delle capacità motorie dei pazienti. L'obiettivo di questo lavoro è di fornire una metodologia oggettiva e veloce per valutare il recupero motorio dei pazienti post-ictus: il primo metodo si basa su un'analisi combinata di risonanza magnetica funzionale (fMRI)-analisi del cammino, dove l'fMRI è una tecnica di imaging biomedico che misura l'attività cerebrale rilevando i cambiamenti del flusso sanguigno e l'analisi del cammino è definita come l'applicazione dell'analisi del movimento al gesto del cammino; mentre il secondo si focalizza sull'utilizzo della tecnologia indossabile. La tesi è così strutturata: la prima sezione descrive il primo metodo che si concentra su un programma di riabilitazione basato su biofeedback elettromiografico per gli arti inferiori, mentre la seconda sezione si concentra su un metodo per stimare i punteggi clinici attraverso l'uso di sensori indossabili, centrando l'attenzione maggiormente sugli arti superiori. Per quanto riguarda il primo studio, è noto che i pazienti con emiparesi causata da ictus tendono ad avere una severa riduzione della potenza prodotta alla caviglia in fase di push-off, con conseguente riduzione della velocità deambulatoria; la potenza prodotta in questa fase è un parametro misurabile solo tramite strumentazione integrata di analisi del cammino effettuata in laboratorio. Studi recenti hanno dimostrato come un protocollo riabilitativo basato su biofeedback elettromiografico (BFB) in un contesto di apprendimento motorio di pazienti con emiparesi post-ictus stabilizzata, sia utile nel migliorare la produzione di potenza alla caviglia al push-off, la velocità e la qualità del cammino. La risonanza magnetica funzionale fornisce un approccio efficace per analizzare l'attività cerebrale relativa a processi motori e cognitivi, sia in soggetti sani che, in questo contesto, in soggetti affetti da danni neurologici, grazie all'elevata risoluzione spaziale e alla sicurezza; essa è stata quasi sempre applicata allo studio dell'arto superiore, pochi studi hanno investigato l'attivazione cerebrale durante task relativi alla caviglia. Nasce da queste considerazioni l'utilità di indagare la capacità di dorsiflessione plantare della caviglia, sotto il profilo clinico, cinematico-dinamico e di seguirne il recupero in relazione ad una possibile variazione dell'attivazione cerebrale. Lo studio ha previsto il reclutamento di 1 soggetto di controllo e di 4 pazienti cronici con emiparesi da ictus cerebrale (ischemico o emorragico) che sono stati sottoposti ad una valutazione clinica, ad un'analisi strumentata del cammino e ad un'analisi fMRI. In primo luogo è stata effettuata stata effettuata un'analisi preliminare a tempo T0 (ovvero pre-trattamento riabilitativo) nei pazienti post-ictus, per individuare le zone di attivazione cerebrale in seguito al movimento sia attivo che passivo di plantar-dorsiflessione, nell'arto colpito e non, confrontando i risultati ottenuti con i dati soggetto sano. Successivamente, sui pazienti post-ictus, è stato condotto uno studio longitudinale prima e dopo un programma riabilitativo di BFB, mirato al miglioramento della funzionalità della caviglia durante il cammino. Sono stati acquisiti i dati di fMRI e di analisi del cammino (cinetica, cinematica e attività elettromiografia di superficie (EMG)) al tempo T1 (2 mesi dopo T0) per verificare la stabilizzazione del quadro clinico-funzionale e per testare la ripetibilità dei dati raccolti a T0. I pazienti poi sono stati sottoposti ad un programma riabilitativo di BFB e sono stati invitati a ripresentarsi al termine della riabilitazione (entro 1 settimana, T2) e dopo 3 mesi di follow-up (T3) rispetto alla valutazione iniziale. Le valutazioni a T2 e T3 hanno incluso gli stessi test effettuati a T1. Sul soggetto è stata effettuata l'analisi fMRI, per definire le zone di attivazione cerebrale di riferimento da confrontare con i dati ottenuti dai pazienti. L'analisi del cammino cinematica e dinamica è stato sviluppato tramite un sistema integrato di analisi del movimento, rilevazione delle forze al suolo e dei pattern di attivazione muscolare (tramite EMG di superficie). L'analisi dei dati, la valutazione funzionale e la correlazione tra i parametri dell'analisi del movimento e dell'attività cerebrale sono stati utilizzati allo scopo di identificare la possibile relazione tra il miglioramento dell'atto motorio e la capacità di riorganizzazione cerebrale a seguito del trattamento di BFB; questo diventa fondamentale per la valutazione longitudinale del recupero motorio in pazienti neurologici e per lo studio delle interazioni reciproche tra le mappe di attivazione e i parametri di movimento. In questo contesto, le scale di valutazione clinica per esaminare le abilità motorie nei pazienti post-ictus potrebbero essere utilizzate per individuare e programmare interventi di riabilitazione personalizzati e ad-hoc, con lo scopo di massimizzare il recupero motorio. Purtroppo, queste scale non sono ampiamente utilizzate nella pratica clinica, perchè la loro somministrazione è dispendiosa sia dal punto di vista economico che lunga in termini di tempo. L'utilizzo di sensori indossabili potrebbe essere una possibile soluzione a questo problema, ecco che il secondo metodo sfrutta questa tecnologia. I dati dei sensori possono essere facilmente raccolti durante l'esecuzione di alcuni compiti motori. Le features estratte dai dati dei sensori sono utilizzate come input a modelli costruiti e progettati per valutare la gravità dei deficit motori e delle limitazioni funzionali. In un precedente lavoro è stato dimostrato che i dati dei sensori indossabili raccolti durante l'esecuzione di alcuni task del Wolf Motor Function Test (una scala clinica che serva a valutare le capacità funzionali) possono essere efficacemente utilizzati per stimare i punteggi ottenuti utilizzando la Function Ability Scale, una scala clinica che valuta le performance dei pazienti durante i task del Wolf Motor Function Test, focalizzandosi sulla qualità del movimento. Lo scopo dello studio qui presentato è stato quello di valutare se lo stesso set di dati possano essere utilizzati per stimare i punteggi clinici ottenuti utilizzando la Fugl-Meyer Scale, una scala di valutazione clinica incentrata sulle disabilità motorie dei pazienti e non sulla funzionalità motoria. I risultati hanno mostrato che i punteggi del test di Fugl-Meyer possono essere stimati utilizzando il metodo delle Random Forest dando come input le features estratte dai dati dei sensori indossabili raccolti durante l'esecuzione di anche solo un singolo task del Wolf Motor Function Test. Le stime degli score clinici della scala clinica di Fugl-Meyer, ottenute utilizzando il metodo proposto, hanno permesso di ottenere uno scarto quadratico medio di 4.7 punti.