Indagine sull'effetto di diversi tipi di esercizio sul recupero funzionale dell'arto superiore in pazienti con danno all'emisfero destro sulla base di fNIRS

Riepilogo

Qui, studiamo l'effetto della terapia occupazionale funzionale combinata con il movimento attivo o passivo assistito sulla funzione dell'arto superiore dei pazienti con danno all'emisfero destro ed esploriamo l'effetto della spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso sul rimodellamento della funzione cerebrale.

Abstract

Studiare gli effetti della terapia occupazionale funzionale (FOT) combinata con diversi tipi di esercizio sul recupero della funzione motoria dell'arto superiore e sul rimodellamento della funzione cerebrale in pazienti con danno all'emisfero destro (RHD) analizzando la spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS). I pazienti (n = 32) con RHD presso l'ospedale Bo'ai di Pechino sono stati reclutati e assegnati in modo casuale a ricevere FOT combinato con movimento passivo (N = 16) o FOT combinato con movimento attivo assistito (N = 16). Il gruppo di movimento passivo (FOT-PM) ha ricevuto terapia occupazionale funzionale per 20 minuti ed esercizio passivo per 10 minuti in ogni sessione, mentre il gruppo di movimento attivo assistito (FOT-AAM) ha ricevuto terapia occupazionale funzionale per 20 minuti ed esercizio attivo assistito per 10 minuti. Entrambi i gruppi hanno ricevuto una terapia farmacologica convenzionale e altre terapie riabilitative. Il trattamento è stato eseguito una volta al giorno, 5 volte a settimana per 4 settimane. Il recupero della funzione motoria e delle attività della vita quotidiana (ADL) è stato valutato utilizzando la valutazione Fugl-Meyer degli arti superiori (FMA-UE) e l'indice di Barthel modificato (MBI) prima e dopo il trattamento, e l'attivazione cerebrale dell'area motoria bilaterale è stata analizzata con fNIRS. I risultati hanno suggerito che la FOT combinata con AAM era più efficace della FOT combinata con PM nel migliorare la funzione motoria degli arti superiori e delle dita dei pazienti con RHD, migliorando la loro capacità di svolgere le attività della vita quotidiana e facilitando il rimodellamento della funzione cerebrale dell'area motoria.

Introduzione

Il danno cerebrale emisferico può portare a disfunzioni sensoriali e motorie degli arti controlaterali ^1,2,3, influenzando negativamente il controllo motorio, la mobilità e l'apprendimento funzionale dei pazienti a vari livelli⁴ e quindi imponendo pesanti oneri alle famiglie e alla società⁵. Per i pazienti con danno all'emisfero destro (RHD), la velocità di recupero è inferiore a quella soddisfacente. Tuttavia, nella maggior parte dei casi di RHD, gli arti sinistri colpiti, trovandosi sul lato non dominante del corpo, hanno ricevuto un'attenzione insufficiente da parte del paziente e degli operatori sanitari. Dato che la disfunzione degli arti superiori e delle mani compromette gravemente la capacità di svolgere le attività quotidiane e la qualità della vita, è necessario un metodo più adatto per migliorare l'effetto riabilitativo della funzione degli arti superiori nei pazienti con RHD 6,7,8,9,10.

La terapia fisica è un metodo importante per aiutare i pazienti a recuperare la funzione degli arti. Per la riabilitazione precoce dei pazienti con lesione cerebrale, vengono solitamente utilizzati metodi di allenamento del movimento passivo (PM) e del movimento attivo assistito (AAM). L'AAM comporta l'attività di articolazioni specifiche completate attraverso una combinazione della propria forza muscolare e dell'assistenza esterna¹¹. La chiave è che il paziente partecipi attivamente alla riabilitazione assistita. La prontezza del cervello umano ad attivarsi può aiutare a stimolare e integrare il sistema motorio nel ciclo di controllo motorio. Molti studi hanno dimostrato che l'AAM può indurre cambiamenti neuroplastici, portando così ad un aumento del recupero funzionale nei pazienti^12,13.

La spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso (fNIRS) è una tecnica di imaging basata su principi ottici. In base alla correlazione tra l'attenuazione della luce nel tessuto e le diverse concentrazioni di sostanze che assorbono la luce, fNIRS può analizzare quantitativamente le variazioni di concentrazione dell'emoglobina ossigenata e dell'emoglobina deossigenata nel tessuto cerebrale, monitorando così l'attività funzionale della corteccia cerebrale¹⁴. Molti studi hanno dimostrato che l'fNIRS è un mezzo importante per monitorare l'ossigenazione cerebrale e il metabolismo energetico dopo una lesione dell'emisfero cerebrale 15,16,17. Pertanto, fNIRS potrebbe essere un metodo di monitoraggio adatto per studiare i cambiamenti della corteccia cerebrale correlati al recupero della funzione motoria dell'arto superiore dopo una lesione dell'emisfero cerebrale.

I segnali motori prodotti da diversi metodi di input sensoriale e gli stati di regolazione della corteccia sensoriale sono diversi^18,19. Gli stimoli sensoriali prodotti dai movimenti passivi e attivi sono strettamente correlati alla stabilità della percezione e alla capacità di costruire rappresentazioni accurate del proprio ambiente, che poi guidano il proprio comportamento²⁰. Questo studio è stato progettato per esplorare gli effetti di diverse modalità di esercizio sulla riabilitazione precoce degli arti superiori e sull'attivazione cerebrale nei pazienti con lesioni dell'emisfero cerebrale analizzando i dati fNIRS e per fornire strategie scientifiche per la riabilitazione completa dei pazienti in futuro.

Lo scopo di questo studio è stato quello di indagare gli effetti della FOT combinata con diversi tipi di esercizio sulla funzione degli arti superiori e sul rimodellamento cerebrale nei pazienti con RHD. Abbiamo ipotizzato che FOT-AAM sia più efficace di FOT-PM nel migliorare la funzione degli arti superiori e l'attivazione cerebrale nei pazienti con RHD.

Protocollo

Questo studio era uno studio controllato randomizzato in singolo cieco ed è stato approvato dal Comitato Etico del China Rehabilitation Research Center (CRRC-IEC-RF-SC-005-01) e registrato nel Registro cinese degli studi clinici (MR-11-23-023832).

1. Partecipanti

1. Sulla base della letteratura esistente²¹, utilizzare i punteggi Fugl-Meyer Assessment upper extremity (FMA-UE) riportati del gruppo sperimentale e del gruppo di controllo dopo 4 settimane di trattamento come standard per calcolare la dimensione del campione. Per una dimensione dell'effetto stimata di 0,28, un livello di test (α) di 0,05, una distribuzione a due facce per il valore Z e una potenza di 0,8, la dimensione del campione calcolata è 28. Supponendo un tasso di abbandono del 10%, la dimensione finale del campione necessaria è 32.
2. Reclutare pazienti dal Dipartimento di Terapia Occupazionale del China Rehabilitation Research Center. Selezionare i pazienti in base ai seguenti criteri di inclusione: diagnosi di lesione dell'emisfero destro (RHD) di prima insorgenza; tempo di insorgenza entro 3 mesi; età compresa tra i 18 e i 75 anni; punteggio Mini-Mental State Examination (MMSE)²²> 20; stadio di Brunnstrom I o II²³ per l'arto superiore e la mano; e la mano destra.
3. Sono stati esclusi i pazienti con evidente depressione, ansia o gravi malattie fisiche concomitanti e coloro che non hanno collaborato con la formazione.
4. Includi solo i partecipanti che firmano un modulo di consenso informato prima dello studio. Il diagramma di flusso del reclutamento è mostrato nella Figura 1.

2. Randomizzazione e allocazione

1. Assegnare in modo casuale i pazienti che soddisfano i criteri sperimentali nel gruppo sperimentale (EG) e nel gruppo di controllo (CG). Assegnare a un terapeuta non coinvolto nella valutazione o selezione del soggetto l'esecuzione della procedura di randomizzazione con un generatore di dati casuali su un computer (https://www.randomizer.org/).

3. Intervento

1. Somministrare a entrambi i gruppi la terapia farmacologica convenzionale e la riabilitazione convenzionale. Somministrare a tutti i pazienti 20 minuti di terapia occupazionale funzionale (FOT) e 10 minuti di diversi tipi di esercizi per gli arti superiori (EG eseguito movimento attivo assistito e CG eseguito movimento passivo) ogni giorno per un totale di 30 minuti al giorno, 5 giorni alla settimana per 4 settimane. Per garantire la coerenza dell'intervento, selezionare un terapeuta per eseguire tutti gli interventi e offrire una formazione pre-ricerca a quel terapeuta.
2. Terapia occupazionale funzionale (UFT):
   NOTA: Il paziente utilizza le articolazioni metacarpo-falangee e interfalangee del dito interessato per eseguire movimenti di presa delle dita guidati dal guanto sul lato sano.
   1. Chiedi al terapista di muovere passivamente la spalla, il gomito, il polso, il pollice e le dita dell'arto interessato per circa 1 minuto.
   2. Dopo i movimenti passivi, istruire il paziente a utilizzare l'arto e la mano non interessati per azionare l'arto e la mano interessati per eseguire attività come spingere un rullo di schiuma, sollevare un piolo di legno, sollevare piccoli bastoncini di legno e tenere una palla. Scegli da due a tre attività per ogni sessione di allenamento in base alle condizioni del paziente.
3. Movimento attivo assistito (AAM)
   1. Selezionare un dispositivo di allenamento riabilitativo per la mano che verrà allenata. Il dispositivo è progettato per aiutare il paziente a eseguire movimenti passivi o attivi. Selezionare la modalità Smart Mirror e impostare il tempo su 10 min. Chiedi al paziente quali sono i suoi sentimenti e scegli tra i livelli 1-10 in base all'esperienza e alla tolleranza del paziente. Quindi fare clic sul pulsante Start .
   2. Mentre la mano intatta esegue la presa volontaria, istruire il paziente a osservare il movimento e a cercare di afferrare con la mano interessata con l'assistenza del guanto (Figura 2A).
   3. Poiché la mano non interessata viene aperta volontariamente, istruire il paziente a osservare il movimento e a cercare di aprire le dita della mano interessata con l'assistenza del guanto (Figura 2B)
      NOTA: Quando la mano non interessata afferra, i sensori sul guanto non interessato non sono in grado di rilevare il segnale luminoso bloccato e il guanto sul lato non interessato verrà attivato per afferrare. Quando la mano intatta si apre, i sensori sul guanto inalterato rilevano un segnale luminoso e attivano l'apertura del guanto sulla mano intatta.
   4. Ripetere ciclicamente il processo di cui sopra per 10 minuti, dopodiché l'apparecchiatura terminerà automaticamente il processo di allenamento.
4. Movimento passivo (PM)
   1. Chiedere al paziente di utilizzare lo stesso dispositivo per eseguire la presa passiva e l'apertura della mano. Posizionare il guanto corrispondente sulla mano interessata. Selezionare la modalità passiva, impostare il tempo su 10 min, regolare l'intensità dai livelli 1-10 in base alle sensazioni del paziente, quindi fare clic sul pulsante Start .
   2. Istruire il paziente a rimanere rilassato e a chiudere e aprire la mano interessata con l'aiuto del guanto (Figura 2C). Far continuare il paziente per 10 minuti, dopodiché il dispositivo terminerà automaticamente l'allenamento.

4. Valutazione

1. Far eseguire le valutazioni cliniche da un altro terapeuta non all'oscuro dei compiti di gruppo. Chiedi a questo terapeuta di valutare ogni paziente due volte: una prima dell'intervento e una volta subito dopo le 4 settimane di intervento.
   1. Raccogli le informazioni di base sul paziente, tra cui età, sesso e tipo di lesione.
   2. Valutare la funzione motoria degli arti superiori prima e dopo l'intervento utilizzando la valutazione Fugl-Meyer per gli arti superiori (FMA-UE)²⁴. Inoltre, utilizzare il componente polso-mano dell'FMA (FMA-WH) per valutare la funzione della mano dei pazienti.
   3. Valutare la capacità di svolgere le attività quotidiane utilizzando l'indice di Barthel modificato (MBI)²⁵.
   4. Monitorare l'attivazione delle aree motorie primarie durante le attività motorie passive utilizzando fNIRS.
   5. Acquisizione dati di spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso
      1. Ottenere un sistema di imaging funzionale cerebrale nel vicino infrarosso di tipo da ricerca con cui raccogliere i dati fNIRS. Tale sistema utilizza tre lunghezze d'onda della luce nel vicino infrarosso (780, 805 e 830 nm) per monitorare i cambiamenti nella concentrazione di ossiemoglobina (Δ[Oxy-Hb]) e deossiemoglobina (Δ[Deoxy-Hb]) e nella concentrazione totale di emoglobina (Δ[Hb]); la sua frequenza di campionamento è di 13 Hz.
      2. Secondo il sistema internazionale 10-20, posizionare 4 emettitori di sorgenti luminose e 4 rivelatori sulla corteccia motoria primaria bilaterale (M1), con un totale di 20 canali. Vedere la Figura 3 per le posizioni specifiche.
   6. Procedura dell'attività
      1. Condurre la valutazione fNIRS in 5 prove consecutive in un paradigma modulare (rest [15 s]-task [30 s]-rest [15 s]), come descritto nei passaggi 4.1.6.2-4.1.6.9 (vedi Figura 4).
      2. Aprire l'interfaccia del computer fNIRS e inserire le informazioni di base del paziente. Quindi, scegli la disposizione optodo 2X4(R), 2X4(L). Scegli il paradigma del compito 15-30-15 e imposta il tempo di valutazione su 5.
      3. Posizionare il dispositivo del sistema nel vicino infrarosso sul paziente in base alla disposizione degli optodi. Regolare le posizioni degli emettitori e dei rilevatori e rimuovere con cura i capelli in modo che gli optodi siano a stretto contatto con il cuoio capelluto. Al termine della regolazione, fare clic sul pulsante OK .
      4. Accedere all'interfaccia di regolazione automatica del segnale del sistema, fare clic su Standby e regolare tutti i canali in modo che vengano visualizzati in verde (segnale buono).
      5. Posizionare il guanto sulla mano interessata del paziente. Seleziona la modalità Esercizio passivo . Poiché la frequenza di allenamento cambierà con la forza, selezionare la forza media, ovvero 5 marce, per ogni soggetto durante il test.
      6. Fare clic sul pulsante Start sull'interfaccia del computer fNIRS. Eseguire l'attività in 3 fasi. Misurare una fase iniziale di riposo di 15 s, con il conto alla rovescia da 15 s fino a 0 s. Durante questo processo, istruisci il paziente a sedersi tranquillamente sulla sedia, a stare fermo e a cercare di non pensare ad altre cose in modo che il cervello sia in uno stato rilassato.
      7. Quando il tempo scorre fino a 0 s, fare clic sul pulsante Start del dispositivo manuale. La mano interessata del paziente inizierà i movimenti passivi di presa e apertura con l'aiuto del guanto. A questo punto, il computer inizierà il conto alla rovescia da 30 s, che è la durata del movimento passivo. Quando il conto alla rovescia raggiunge lo 0 s, fare clic sul pulsante Stop del dispositivo manuale per terminare l'esercizio. La frequenza di presa e apertura è impostata dal dispositivo; 3 cicli di presa e apertura saranno completati 3 volte durante il compito di 30 s.
      8. Inizia un altro periodo di riposo di 15 s come descritto in precedenza. Al termine di questo intervallo, il primo test rest-task-rest è terminato.
      9. Ripeti il test riposo-compito-riposo sopra 5 volte, quindi termina il test fNIRS.
   7. Analisi dei dati nel vicino infrarosso:
      1. Per questa analisi, utilizzare il software di analisi dei dati installato nel sistema fNIRS, come descritto di seguito.
      2. Elimina i dati anomali causati da gravi artefatti di movimento in tutti i canali e i dati persi.
         NOTA: Quando è stato eseguito questo protocollo, sono stati eliminati 1 valore anomalo nell'EG, 1 valore anomalo nel CG e 2 casi di dati eliminati nel CG.
      3. Scarta tutti i canali con evidenti artefatti di movimento.
      4. Eseguire separatamente la media di sovrapposizione dei canali sinistro e destro (10 canali per lato).
      5. Utilizzare un filtro passa-banda (0,01-0,08 Hz) per rimuovere i componenti di rumore con evidenti fluttuazioni periodiche del segnale, tra cui rumore meccanico e rumore fisiologico. I tipi di rumore fisiologico che devono essere eliminati includono la frequenza cardiaca (circa 1 Hz), la respirazione (circa 0,2-0,3 Hz), le onde di Mayer (circa 0,1 Hz) e le fluttuazioni fisiologiche a frequenza estremamente bassa (<0,01 Hz).
      6. Prendete i 15 s prima e dopo l'inizio del compito sperimentale come base e prendete un blocco (riposo [15 s]-compito [30 s]-riposo [15 s]) come unità di prova. Sovrapponi i cinque blocchi e fai la media.
      7. Usa il metodo Savitzky-Golay per levigare. Impostare il numero di punti di levigatura su 5 e il numero di tempi di levigatura su 1²⁶.
      8. Dopo la pre-elaborazione, calcolare i valori dell'integrale e del centroide.
      9. Utilizzare il test di Shapiro-Wilk (Shapiro-Wilk, SW) per testare la normalità dei valori del centroide, i valori integrali e le loro differenze prima e dopo l'intervento nei due gruppi; considerare i dati normalmente distribuiti se il valore P risultante è >0,05.
      10. Utilizzare il t-test a campione indipendente per confrontare i dati tra i due gruppi prima e dopo l'intervento. Utilizzare il test t a campione accoppiato per confrontare i valori del centroide e i valori integrali all'interno dei due gruppi prima e dopo l'intervento.

5. Statistiche

1. Utilizzare SPSS per l'analisi statistica.
2. Testare la normalità dei dati utilizzando il test SW.
3. Confronta i dati generali dei pazienti in ciascun gruppo utilizzando il test esatto di Fisher o un test t a campione indipendente.
4. I dati comportamentali sono stati confrontati tra i gruppi e all'interno dei gruppi utilizzando l'ANOVA ripetuta e descritti come media ± deviazione standard.

Discussione

In questo studio, utilizzando la spettroscopia nel vicino infrarosso, abbiamo esplorato l'effetto della FOT combinata con l'allenamento funzionale dell'arto superiore in diverse modalità di esercizio sulla riabilitazione precoce dei pazienti con RHD. La FOT aiuta il paziente a muovere passivamente gli arti superiori rigidi per facilitare l'allenamento successivo. La chiave è che la mano sana guidi la mano colpita a svolgere compiti funzionali intenzionali, importanti e pratici, utilizzare oggetti della vita reale e simulare il più possibile scenari reali²⁸. Questo può stimolare l'entusiasmo del paziente per il trattamento e massimizzare il movimento attivo del paziente. Il punto più cruciale dell'AAM è che il movimento del paziente è guidato dall'arto e dalla mano non interessati, mentre l'arto e la mano interessati compiono un tentativo attivo spontaneo, che è la caratteristica più importante che lo distingue dal movimento passivo. I dispositivi di riabilitazione forniscono ai pazienti un feedback visivo e tattile in tempo reale e completano un ciclo chiuso tra il sistema nervoso centrale e la periferia nell'allenamento riabilitativo²⁹.

Non ci sono tecniche complesse coinvolte nell'allenamento per il compito di riabilitazione, ma ci sono numerosi avvertimenti da considerare quando si valutano i pazienti con fNIRS. Per garantire un buon segnale fNIRS ed evitare che gli artefatti da movimento interferiscano con i risultati del test, di solito posizioniamo un supporto per la testa sul tavolo di fronte al soggetto. Regoliamo l'altezza del tavolo in modo che il mento del soggetto poggi sul supporto per la testa senza causare disagio. Questo aiuta a ridurre l'oscillazione della testa durante il movimento. Inoltre, l'olio per la pelle sul cuoio capelluto influenzerà il segnale ottico; Di conseguenza, puliamo l'olio dalla testa del paziente con carta assorbente prima dell'esperimento per garantire la qualità del segnale. Sulla base di esperienze precedenti, abbiamo anche scoperto che ridurre l'influenza della luce naturale e del suono migliora la raccolta dei segnali fNIRS; Pertanto, raccogliamo tutti i dati in un ambiente buio e silenzioso³⁰.

Studi precedenti hanno dimostrato che la MT può migliorare efficacemente la flessibilità delle dita dopo l'ictus ³¹, in particolare per la riabilitazione dell'arto superiore di pazienti subacuti³², e quindi mostra grandi promesse nel ripristinare la funzione motoria e migliorare la capacità di svolgere le attività quotidiane dopo un danno all'emisfero cerebrale 33,34,35,36. Quando un paziente muove il braccio sano, un'illusione ottica formata da uno specchio è considerata dal paziente come il movimento della mano interessata, che aumenta l'attività delle aree corticali visive e somatosensoriali, migliorando così l'attenzione del paziente e riducendo la possibilità di negligenza unilaterale^37,38. In questo modo, il paziente può scegliere consapevolmente di utilizzare più spesso gli arti interessati³⁹. Sulla base della MT tradizionale, forniamo direttamente la stimolazione somatosensoriale e il feedback visivo all'arto interessato attraverso il dispositivo AAM, che riduce la sensazione spiacevole causata dall'asincronia della propriocezione della mano interessata e della vista⁴⁰, dimostrando così un potenziale terapeutico più ampio rispetto alla MT convenzionale. Le nostre attrezzature per l'allenamento hanno una procedura operativa semplice e un forte profilo di sicurezza, con la possibilità di interrompere immediatamente l'allenamento facendo clic sul pulsante di chiusura per evitare situazioni di emergenza che possono verificarsi durante il test. Inoltre, alcuni studi hanno dimostrato che la MT può promuovere la normalizzazione dell'equilibrio dell'emisfero dopo l'ictus regolando l'eccitabilità di M1. Negli studi di follow-up, utilizzeremo fNIRS per valutare la connettività funzionale allo stato di riposo della corteccia cerebrale per verificare i cambiamenti dell'emisfero cerebrale nei pazienti con RHD ulteriormente dopo il trattamento⁴¹.

Questo studio ha diverse limitazioni. In primo luogo, il paradigma del compito scelto per il test di spettroscopia nel vicino infrarosso è passivo, mentre l'attivazione cerebrale può verificarsi maggiormente nei movimenti attivi. Pertanto, il paradigma del compito dei tentativi attivi può essere più adatto del movimento passivo. In secondo luogo, abbiamo monitorato solo l'area M1, ma la MT aumenta anche l'attività neurale nelle aree coinvolte nell'allocazione dell'attenzione e nel controllo cognitivo, che possono promuovere il recupero della funzione motoria aumentando il ruolo cognitivo nel controllo motorio⁴²; Pertanto, può essere necessario anche il monitoraggio dell'emodinamica prefrontale. Inoltre, a causa dell'elevato numero di piani di trattamento per i pazienti ricoverati, ogni giorno venivano eseguiti solo 10 minuti di formazione sulla riabilitazione della mano. In futuro, il tempo di allenamento dovrebbe essere prolungato per esplorare meglio l'effetto riabilitativo. Sono necessari studi di follow-up per osservare l'effetto a lungo termine di questo allenamento. In futuro, si prevede che studi multicentrici su grandi campioni forniscano le strategie di riabilitazione più adatte per i pazienti con RHD precoce.

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Hand Active Passive Rehabilitation Trainer	Soft Robot Technology Co., Ltd.	H1000	FOT-AAM group training/FOT-PM group training
Near-Infrared Brain Functional Imaging System	Shimadzu (China) Co.,Ltd.	LIGHTNIRS	Assessment