Applicazione di un sistema robotico a doppio arto superiore orientato al compito per il recupero funzionale dell'arto superiore in pazienti con ictus

Riepilogo

Questo protocollo sperimentale delinea l'uso di un sistema robotico a doppio arto superiore orientato al compito per pazienti con ictus con disfunzione dell'arto superiore. I risultati indicano che questo sistema può migliorare significativamente la funzione degli arti superiori e le attività della vita quotidiana dei pazienti con ictus.

Abstract

È stato dimostrato che l'allenamento altamente ripetitivo e orientato al compito promuove il recupero della funzione degli arti nei pazienti con ictus. Inoltre, l'allenamento bilaterale delle braccia può aiutare i sopravvissuti all'ictus a ritrovare la funzione degli arti superiori e migliorare le loro attività quotidiane. Il sistema robotico a doppio arto superiore orientato al compito è progettato per assistere il lato sano del paziente colpito nella guida del lato interessato per eseguire l'allenamento bilaterale del braccio attraverso l'uso di un dispositivo robotico. Può anche guidare il paziente nell'esecuzione di doppi movimenti coordinati dell'arto superiore e coinvolgerlo in un gioco virtuale orientato al compito utilizzando il feedback di forza e la tecnologia di interazione uomo-computer. Questo studio mirava a valutare l'efficacia del sistema nel migliorare la funzione degli arti superiori e le attività della vita quotidiana nei pazienti con ictus. I metodi di valutazione utilizzati includevano il potenziale evocato motorio (MEP), il test funzionale per l'arto superiore emiplegico-Hong Kong (FTHUE-HK), la scala Fugl-Meyer Assessment Upper Extremity Scale (FMA-UE) e l'indice di Barthel modificato (MBI). I risultati dello studio indicano che il sistema robotico a doppio arto superiore orientato al compito può migliorare significativamente il percorso corticospinale, la funzione dell'arto superiore e le attività della vita quotidiana nei pazienti con ictus dopo 6 settimane di trattamento. Questo sistema può fungere da efficace coadiuvante della riabilitazione funzionale degli arti superiori nei sopravvissuti all'ictus, riducendo la dipendenza dai terapisti della riabilitazione. In conclusione, il sistema robotico a doppio arto superiore orientato al compito fornisce una nuova strategia per la riabilitazione funzionale dell'arto post-ictus e ha un grande potenziale di applicazione, in quanto offre alcuni vantaggi sociali e finanziari.

Introduzione

L'ictus è una delle principali cause di disabilità e la seconda causa di morte a livello globale ^1,2. I pazienti con ictus spesso affrontano varie sfide, come deficit motori, sensoriali e cognitivi³. La disfunzione dell'arto superiore è un problema comune dopo l'ictus, caratterizzato da debolezza muscolare, spasticità e ridotta capacità motoria dell'arto superiore sul lato emiplegico⁴. È stato segnalato che è presente in oltre il 70% dei pazienti con ictus e solo circa il 5% guarisce alla normalità, mentre il 20% recupera alcune capacità degli arti superiori⁵. Più della metà della vita umana richiede la partecipazione degli arti superiori⁶ e la disfunzione degli arti superiori dopo un ictus influisce gravemente sulle attività quotidiane dei pazienti⁷, diminuendo significativamente la loro qualità di vita⁸ e aumentando il loro onere finanziario⁹. Pertanto, è particolarmente importante esplorare metodi efficaci di riabilitazione funzionale dell'arto superiore.

Vari trattamenti clinici di riabilitazione degli arti superiori, come la terapia dello specchio, la terapia del movimento indotta da vincoli, la stimolazione elettrica funzionale e altri allenamenti attivi o passivi, sono comunemente utilizzati per i pazienti con ictus ^3,10. Negli ultimi anni, l'allenamento bilaterale delle braccia ha attirato una maggiore attenzione ^6,11,12. È stato dimostrato che migliora la connettività neurale tra le aree sensomotorie degli emisferi omolaterali e controlaterali¹². Questo tipo di allenamento aiuta a correggere le anomalie nell'inibizione interemisferica, facilita la riorganizzazione delle reti funzionali cerebrali e, infine, porta a miglioramenti nella funzione degli arti superiori^12,13. Inoltre, è stato dimostrato che l'addestramento assistito da robot aiuta i pazienti a eseguire costantemente movimenti accurati degli arti e a impegnarsi in un allenamento specifico per il compito¹⁴. Questo processo fornisce al cervello una sostanziale stimolazione di feedback, aumentando in ultima analisi la neuroplasticità e aiutando nel ripristino della funzione degli arti superiori nei soggetti con emiplegia ^14,15. Attualmente la ricerca è limitata sulle strategie che utilizzano l'allenamento a doppio arto superiore assistito da robot per i pazienti colpiti da ictus. Questo studio ha impiegato un sistema robotico a doppio arto superiore orientato al compito per combinare l'allenamento assistito da robot con l'allenamento bilaterale degli arti superiori. Il dispositivo robotico è stato utilizzato per aiutare i pazienti colpiti da ictus a condurre un allenamento orientato al compito a doppio arto superiore con alte ripetizioni in un modello di movimento corretto. L'obiettivo della ricerca è stato quello di valutare gli effetti di questa metodica sulla via corticospinale, sulla funzione degli arti superiori e sulle attività della vita quotidiana nei sopravvissuti all'ictus, con l'obiettivo di scoprire strategie innovative per la riabilitazione funzionale degli arti superiori.

Protocollo

Questo studio (Approvazione n. JXEY-2020SW038) è stato approvato dal Comitato Etico Medico del Secondo Ospedale di Jiaxing, con il consenso informato di tutti i partecipanti. L'obiettivo era quello di valutare la fattibilità e l'efficacia di un protocollo attraverso uno studio randomizzato, in singolo cieco e controllato. Tra gennaio e dicembre 2021 sono stati arruolati 60 pazienti colpiti da ictus ricoverati nel Secondo Ospedale di Jiaxing.

NOTA: I criteri di inclusione comprendevano: 1) diagnosi confermata di infarto cerebrale o emorragia tramite tomografia computerizzata (TC) o risonanza magnetica per immagini (MRI), 2) lesione monolaterale di prima insorgenza con una durata della malattia da 2 settimane a 3 mesi e una condizione stabile, 3) età 25-75 anni, 4) assenza di emianopsia o negligenza spaziale unilaterale, nonché assenza di deficit visivi o uditivi, 5) cosciente, accondiscendente e in grado di partecipare al trattamento riabilitativo, 6) chiara disfunzione unilaterale dell'arto superiore con una scala di Ashworth modificata (MAS) di grado ≤ 2¹⁶. I criteri di esclusione includevano: 1) precedente lesione craniocerebrale o altre malattie intracraniche, 2) grave infarto del miocardio, angina pectoris, fegato, rene, polmone o altre importanti malattie degli organi, tumori maligni, ecc., 3) precedente storia di disturbi psichiatrici ed epilessia, 4) forte dolore, intorpidimento o altri deficit sensoriali sul lato emiplegico degli arti, 5) significativa limitazione del movimento negli arti superiori bilaterali.

1. Disegno dello studio

1. Dividere casualmente i pazienti (n = 60) che soddisfacevano i criteri specificati in due gruppi: un gruppo sperimentale (n = 30) e un gruppo di controllo (n = 30).
2. Chiedi a un terapista occupazionale esperto di completare le seguenti valutazioni funzionali, che non era a conoscenza dei compiti di gruppo prima e dopo un periodo di trattamento di 6 settimane.
   1. Potenziale evocato motorio (MEP):
      1. Suscitare MEP nei pazienti che utilizzano un sistema di terapia di stimolazione magnetica seguendo le linee guida stabilite da Groppa et ^al.17.
      2. Durante il test, posizionare il paziente davanti al dispositivo in modo stabile e confortevole e posizionare gli elettrodi di registrazione sul processo osseo dell'abduttore breve del pollice e dell'articolazione del polso.
      3. Quindi, centrare la bobina di stimolazione magnetica sopra la corteccia motoria sul lato danneggiato del cervello, con la maniglia della bobina posizionata a un angolo di 45° rispetto al piano sagittale.
      4. Effettuare la stimolazione dell'area della corteccia motoria 10 volte al 100% dell'intensità e registrare la presenza o l'assenza di potenziali evocati motori, insieme alla loro latenza e ampiezza.
         NOTA: A causa dell'incapacità di rilevare i potenziali evocati motori in tutti i pazienti, non è stato possibile un confronto e un'analisi approfonditi della latenza e dell'ampiezza dei potenziali evocati tra i due gruppi di pazienti. Pertanto, lo studio mirava a determinare la presenza o l'assenza di MEP e confrontare la percentuale di MEP rilevabili tra due gruppi di pazienti. Una percentuale più elevata di MEP rilevabili indica un maggiore potenziale di miglioramento delle vie corticospinali nei pazienti con ictus.
   2. Eseguire il test funzionale per l'arto superiore emiplegico-Hong Kong (FTHUE-HK).
      1. Utilizza la bilancia per valutare la funzionalità dell'arto superiore del paziente, che include 12 attività, come posizionare la mano sul ginocchio e strizzare uno straccio.
         NOTA: Ogni attività deve essere completata entro 3 minuti e può essere tentata solo fino a 3 volte. La scala comprende 7 livelli, con livelli più alti che indicano una migliore funzionalità dell'arto superiore¹⁸.
   3. Utilizzare la scala Fugl-Meyer Assessment Upper Extremity Scale (FMA-UE).
      1. Utilizza questa scala per valutare la funzione motoria della spalla, del gomito, dell'avambraccio, del polso e della mano.
         NOTA: un punteggio di 0 indica l'incapacità di eseguire il movimento specificato, un punteggio di 1 indica il completamento parziale e un punteggio di 2 indica il completamento completo. La bilancia ha un punteggio massimo di 66 punti, con punteggi più alti che indicano una migliore funzione motoria dell'arto superiore¹⁹.
   4. Calcola l'indice di Barthel modificato (MBI).
      1. Utilizza questa scala per valutare le prestazioni del paziente nelle attività della vita quotidiana.
         NOTA: La bilancia è composta da 10 elementi, tra cui mangiare, vestirsi, fare il bagno, ecc., con un punteggio massimo di 100 punti. Un punteggio più alto indica una maggiore indipendenza nella vita quotidiana del paziente²⁰.
3. Assicurarsi che a tutti i pazienti vengano prescritti farmaci convenzionali, inclusi antipertensivi, antidiabetici, regolatori di lipidi, ecc., su misura per le loro condizioni individuali.
   NOTA: La selezione dei farmaci per i pazienti con ictus si basa sulle loro circostanze uniche e può differire da un paziente all'altro.
4. Confermare che tutti i pazienti hanno ricevuto terapia fisica di routine, terapia occupazionale per l'avambraccio e la mano e attività di allenamento della vita quotidiana per 6 settimane.
5. Assicurarsi che i pazienti del gruppo di controllo abbiano ricevuto una terapia occupazionale di routine mirata alla funzione degli arti superiori per 1 ora al giorno per 6 settimane.
   NOTA: La terapia occupazionale di routine mirata alla funzione degli arti superiori include l'allenamento del controllo motorio per le articolazioni della spalla e del gomito, l'allenamento con i rulli, l'allenamento con il cerchio e l'allenamento per raggiungere gli oggetti.
6. Confermare che i pazienti del gruppo sperimentale hanno ricevuto una terapia occupazionale di routine mirata alla funzione dell'arto superiore per 30 minuti al giorno, oltre a un doppio allenamento del sistema robotico orientato al compito dell'arto superiore per 30 minuti al giorno per 6 settimane.

2. Sessione di formazione sul sistema robotico a doppio arto superiore orientata al compito

NOTA: Solo i pazienti con ictus nel gruppo sperimentale hanno ricevuto queste sessioni di formazione.

1. Avviare l'apparecchiatura del sistema robotico, accendere lo schermo del computer del sistema, aprire l'applicazione ULCOT Rehab e accedere all'interfaccia principale del sistema.
2. Durante la sessione di formazione iniziale, fare clic su Registrati per creare una cartella personale per ogni paziente, che includa principalmente nome, sesso, età, numero di caso, diagnosi, lato interessato e altri contenuti medici pertinenti.
3. Fare clic su Accedi nell'interfaccia principale del sistema, selezionare il paziente che necessita di formazione dall'elenco e accedere all'interfaccia del sistema di formazione per quel paziente.
4. Assistere il paziente nel posizionarsi davanti al dispositivo robotico, garantendo una distanza di sicurezza e confortevole.
5. Fare clic su Regolazione sull'interfaccia del sistema di formazione del paziente per accedere all'interfaccia di regolazione dei parametri dell'apparecchiatura e impostare i parametri appropriati per il paziente.
   NOTA: Non è necessario impostare i parametri per ogni sessione di allenamento. Dopo aver effettuato l'accesso all'interfaccia del sistema di allenamento del paziente, il sistema si adatta automaticamente ai parametri stabiliti durante la precedente sessione di allenamento del paziente. Il terapeuta può quindi modificare i parametri corrispondenti in base agli obiettivi terapeutici. Se non sono necessarie modifiche ai parametri, l'utente può fare clic su Formazione nell'interfaccia del sistema di formazione per accedere all'interfaccia di impostazione del programma di formazione.
   1. Fare clic su + o - per aumentare o diminuire l'altezza della piattaforma nel modulo di regolazione dell'altezza della piattaforma . Regolare l'altezza della piattaforma dell'attrezzatura in base all'altezza del paziente.
   2. Fare clic su + o - per aumentare o diminuire l'angolo di inclinazione del braccio del robot nel modulo di regolazione dell'angolo di inclinazione del braccio . Regolare l'angolo di inclinazione del braccio robotico in base agli obiettivi di allenamento in flessione ed estensione della spalla del paziente (più alto è il bersaglio, maggiore è l'angolo).
   3. Fare clic su + o - per aumentare o diminuire l'angolo tra i due bracci del robot nel modulo di regolazione dell'angolo del braccio . Regolare l'angolo tra i bracci robotici in base agli obiettivi di allenamento per l'adduzione e l'abduzione dell'arto superiore del paziente (più alto è l'obiettivo, maggiore è l'angolo).
6. Fare clic su Formazione nell'interfaccia del sistema di formazione del paziente per accedere all'interfaccia di impostazione del programma di formazione.
   1. Selezionare un programma di allenamento appropriato in base allo stato funzionale dell'arto superiore del paziente. Quando l'arto superiore sul lato emiplegico non è in grado di manipolare attivamente l'impugnatura meccanica attraverso l'intera gamma di movimento, optare per il programma di allenamento assistito.
   2. Al contrario, se l'arto superiore sul lato emiplegico è in grado di manipolare attivamente l'impugnatura meccanica per completare l'intera gamma di movimento, scegli il programma di allenamento di resistenza.
7. Spiegare e dimostrare i metodi di allenamento degli elementi selezionati e informare le precauzioni pertinenti per garantire che i pazienti sappiano come eseguire la sessione di allenamento in modo sicuro e accurato.
8. Aiutare il paziente a fissare le mani sulle maniglie all'estremità dei due bracci robotici (Figura 1).
9. Condurre un addestramento al sistema robotico a doppio arto superiore orientato al compito.
   1. Per i pazienti che non sono in grado di manipolare attivamente l'impugnatura meccanica per ottenere una gamma completa di movimenti sul lato emiplegico dell'arto superiore, fare clic su Assistenza nell'interfaccia di impostazione del programma di allenamento per accedere all'interfaccia della modalità di allenamento assistito.
      NOTA: Il terapista può selezionare il gioco Air Flying o il gioco Ping-Pong per il paziente in modalità di allenamento assistito. Va notato che i pazienti possono selezionare un solo gioco per sessione di allenamento.
      1. Impostare il tempo su 30 minuti nel modulo Tempo di formazione e selezionare il livello impostato per il paziente nel modulo Livello assistito .
         NOTA: Questa modalità offre 6 livelli di assistenza, con il livello 6 che coinvolge l'arto superiore interessato guidato sia dal robot che dall'arto superiore sano durante l'allenamento bilaterale dell'arto superiore. D'altra parte, il livello 1 prevede che l'arto superiore interessato partecipi direttamente all'allenamento bilaterale dell'arto superiore senza forza esterna. La sessione di allenamento inizia al livello 6 e il paziente può passare al livello successivo dopo aver ottenuto un punteggio pieno ad ogni livello. Una volta che il paziente raggiunge un punteggio di allenamento completo al livello di assistenza 1, viene ritenuto pronto per l'allenamento in modalità di resistenza.
      2. Fai clic su Volo aereo o Ping-pong, quindi fai clic su Avvia per accedere all'interfaccia di gioco.
      3. Gioco di volo aereo : istruire il paziente a controllare un aeroplano virtuale visualizzato sullo schermo del computer manovrando l'arto superiore interessato attraverso il lato sano con l'assistenza di un dispositivo robotico, consentendo al paziente di ottimizzare i propri sforzi nel guidare l'aereo virtuale lungo la traiettoria di volo designata e contemporaneamente catturare monete d'oro virtuali (Figura 2).
      4. Gioco di ping-pong : con l'assistenza del robot, istruire il paziente a utilizzare il lato non interessato per guidare l'arto superiore laterale interessato per controllare la racchetta da ping pong virtuale e muovere la racchetta per prendere il ping-pong volante (Figura 3).
   2. Per i pazienti che sono in grado di manipolare attivamente l'impugnatura meccanica per ottenere una gamma completa di movimenti sul lato emiplegico dell'arto superiore, fare clic su Resistenza nell'interfaccia delle impostazioni del programma di allenamento per accedere all'interfaccia della modalità di allenamento di resistenza.
      NOTA: Nella modalità di allenamento di resistenza, i partecipanti possono scegliere tra cinque giochi disponibili: Volo aereo, Ping-pong, Ponte e strada, Sollevamento pesi, e Abbinamento pop. È possibile selezionare una sola partita per ogni sessione di allenamento.
      1. Imposta il tempo su 30 minuti nel modulo Tempo di allenamento e seleziona i livelli di resistenza del lato sano e del lato interessato, rispettivamente, nei moduli Livello di salute e Livello interessato.
         NOTA: Nella modalità di allenamento di resistenza, i livelli di resistenza possono essere impostati individualmente per i lati sani e interessati del paziente in base alla forza muscolare degli arti superiori. I livelli vanno da 1 (resistenza più bassa) a 10 (resistenza più alta). Il trattamento iniziale prevedeva la selezione della resistenza di livello 1, con i pazienti che potevano passare al livello successivo dopo aver raggiunto un punteggio perfetto in ogni livello di allenamento.
      2. Nei moduli Direzione di resistenza laterale sana e Direzione di resistenza laterale interessata , selezionare la direzione di resistenza indicata dal sistema rispettivamente per il lato sano del paziente e per il lato interessato dell'arto superiore durante l'allenamento di resistenza.
         NOTA: La direzione di resistenza viene selezionata per il paziente in base allo scopo dell'esercizio, comprese le spinte e le trazioni.
      3. Seleziona la quantità di tempo che il bersaglio deve essere mantenuto nel modulo Tempo di mantenimento .
         NOTA: Il tempo è determinato in base alla funzione dell'arto superiore del paziente, che va da 1 a 10 s. Più lungo è il tempo, più diventa impegnativo. Se il tempo di mantenimento impostato è di 10 s e il punteggio di allenamento è perfetto, il livello di resistenza verrà aumentato per la sessione successiva. I giochi di volo aereo e ping-pong non includono questo passaggio.
      4. Fai clic per selezionare uno dei seguenti giochi: Air Flying, Ping-Pong, Bridge & Road, Weight-Lifting e Pop Matching. Fai clic su Avvia per accedere all'interfaccia di gioco.
      5. Gioco di volo aereo : Istruisci il paziente a controllare l'aeroplano virtuale resistendo alla resistenza data dal braccio robotico sia sugli arti superiori sani che su quelli colpiti, consentendo al paziente di ottimizzare i propri sforzi nel guidare l'aereo virtuale lungo la traiettoria di volo designata e contemporaneamente catturare monete d'oro virtuali.
      6. Gioco di ping-pong : istruire il paziente a controllare la racchetta da ping pong virtuale resistendo alla resistenza data dal braccio robotico sia sugli arti superiori sani che su quelli colpiti e muovere la racchetta per prendere il ping-pong volante.
      7. Gioco Bridge & Road : Chiedi al paziente di controllare entrambe le estremità di un ponte di legno sullo schermo resistendo alla resistenza data dal braccio robotico sia sugli arti superiori sani che su quelli colpiti, sposta due piattaforme di scale di diverse altezze e tienile premute per un certo tempo per consentire al personaggio virtuale di passare (Figura 4).
      8. Gioco di sollevamento pesi : fai in modo che il paziente controlli le estremità di un bilanciere per il sollevamento pesi visualizzate su uno schermo resistendo alla resistenza data dal braccio robotico sia sul sano
         e gli arti superiori interessati, regolando la sua posizione per raggiungere una posizione target variando la distanza e mantenendo tale posizione per una durata specificata (Figura 5).
      9. Pop Matching game: fai in modo che il paziente controlli due virtuali
         dita situate alle estremità sinistra e destra dello schermo resistendo alla resistenza data dal braccio robotico sia sugli arti superiori sani che su quelli colpiti, selezionare elementi identici dalle colonne di immagini sinistra e destra attraverso le dita virtuali e mantenere questa posizione per un
         durata designata (Figura 6).
         NOTA: Il sistema verifica se le immagini selezionate su entrambi i lati sono uguali; In caso affermativo, le immagini selezionate vengono eliminate. Se non corrispondono, al paziente viene richiesto di effettuare nuovamente la selezione.

3. Procedura di follow-up

1. Utilizzare software statistici per analizzare i dati di valutazione raccolti, determinando metodi di analisi appropriati in base al tipo di dati.
2. Chiarire il significato dei risultati dei dati e valutare l'impatto dell'addestramento del sistema robotico a doppio arto superiore orientato al compito sulla funzione dell'arto superiore nei pazienti con ictus.

Risultati

Un totale di 60 pazienti con ictus sono stati divisi in un gruppo di controllo (n = 30) e un gruppo sperimentale (n = 30) per questo studio. Confrontando età, sesso, tipo di ictus, durata della malattia, lato dell'emiplegia e altre informazioni generali tra i due gruppi, non sono state riscontrate differenze statisticamente significative (P > 0,05), indicando la loro comparabilità (Tabella 1). I pazienti del gruppo sperimentale, che si sono sottoposti a formazione con ...

Discussione

È stato dimostrato che l'allenamento bilaterale normalizza l'inibizione intercorticale nei pazienti con ictus, facilita la riorganizzazione della rete funzionale cerebrale e, in ultima analisi, migliora la funzione degli arti superiori²¹. Questo studio presenta un programma per l'allenamento funzionale dell'arto superiore nei pazienti con ictus utilizzando un sistema robotico a doppio arto superiore orientato al compito. Il programma integra il movimento bilatera...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Dual upper limb task-oriented robotic system	Auckland Tongji Rehabilitation Medical Equipment Research Center, Tongji Zhejiang College	N/A	The dual upper limb task-oriented robotic system can aid stroke patients in bilateral upper limb virtual game training by regulating force transmission between the healthy and affected upper limbs.
Magnetic stimulation therapy system	Sichuan Junjian Wanfeng Medical Equipment Co.,Ltd.	http://www.jjwf-med.com	This system can be used to measure the Motor evoked potential (MEP)
SPSS 25.0	IBM	Version 25.0	https://www.ibm.com/support/pages/downloading-ibm-spss-statistics-25