Dynamic postural instability evaluation during sit-to-walk in patients with Parkinson's disease and progressive supranuclear palsy

Parkinson’s disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder classically characterized by paucity of spontaneous movements, akinesia, bradykinesia, increased muscle tone (rigidity), and a characteristic tremor at rest. A shuffling gait as well as flexed posture and impaired balance are also prominent. Progressive supranuclear palsy (PSP) is the most common form of atypical parkinsonism. Besides PD-like motor symptoms, these patients show a severe gait and balance impairment early in the course of the disease. PSP is often underdiagnosed and misdiagnosed as PD, which may delay appropriate care. There is poor understanding from a biomechanical point of view on how they differ from PD patients. Patients affected by PD and PSP suffer of high falling risk Falls lower dramatically quality of life and life expectation of PD and PSP subjects by causing injuries, hip fractures, institutionalization, loss of independence and increased mortality. Freezing of gait and festination, shuffling and small scaled gait, changes in posture (including axial rigidity) and postural instability, medications, decreased level of physical activity, cognitive impairment and fear of falling can be risk factors associated with falls. However, the sensitivity and specificity of these predictors seem moderate and the best single-variable predicting falls is two or more falls in the previous year. This underlines the difficulty to identify fallers before they have experienced their very first fall. Identifying such patients is of great importance as it would allow for early intervention and lower the high costs that result from falls. The shift from stationary standing to stepping is frequently impaired in both PD and PSP patients. Moreover, up to 80% of patients also report difficulty in rising from a chair. While both Gait Initiation and Sit-to-Stand have been studied extensively in PD, little attention has been given to the task of initiation of gait from seated position (i.e., Sit-to-Walk, STW). This task is more challenging than Gait Initiation and Sit-to-Stand because both locomotor and postural control are required and combined; thus, the risk of balance loss or falling may be high. Surprisingly, despite the evaluation of the STW task could provide useful information on balance disturbances, there are very few studies on this task. The aim of the present study is to determine whether metrics of the STW task are able to (i) capture risk of fall among patients with PD and (ii) distinguish PSP patients from PD patients (with falls). Objective measures of balance and gait involve expensive highly technical, non-portable equipment, such as optoelectronic systems and force plates, which are not usable outside the laboratory. To overcome these boundaries, we investigated all patients not only with traditional movement analysis equipment, but also by means of inertial measurement units as a possible alternative more suitable for clinical practice. Twenty-seven elderly subjects participated in this study. These included twelve patients with a clinical diagnosis of PD, ten subjects meeting the clinical diagnostic criteria for PSP and five age-matched healthy subjects. PD subjects were classified as “fallers” if they had experienced at least one fall per-month in the last three months. All patients performed the STW task in the morning after overnight suspension of all dopaminergic drugs (meds-off). PD subjects were examined also one hour after the assumption of 200 mg water-soluble levodopa (meds-on). For each subject, variables were averaged over all trials (at least three) and within each cohort. Several biomechanical parameters of the STW task were able to clearly discriminate PD “fallers” in both meds-off and meds-on state from the rest of the PD patients and HC. Significant parameters were found not only with the analysis provided by the laboratory equipment, but also with IMUs. Conversely, all parameters analysed were not sensitive enough in discriminating PSP from all PD patients. The STW task is a valid test to identify PD patients with fall-related postural instability. These preliminary results support the possibility to use IMUs for prospective longitudinal studies aiming to identify subjects at risk of falling, possibly even before the first episode of fall. The data of this thesis are preliminary to more ambitious follow-up studies, which I hope to carry on in the near future. The identification and prediction of risk of fall would have a great beneficial impact on the quality of life of Parkinson’s patients and significantly improve the costly management of falls in elderly subjects.

La malattia di Parkinson (MdP) è una patologia neurodegenerativa cronica e progressiva caratterizzata principalmente da scarsità di movimenti spontanei, acinesia, bradicinesia, ipertono plastico (rigidità) e talvolta tremore a riposo. Una postura anteroflessa, difficoltà della marcia e disequilibrio sono spesso presenti. La Paralisi Sopranucleare Progressiva (PSP) è la forma più comune di parkinsonismo primario atipico. I pazienti con questa malattia presentano i sintomi acinetico-rigidi caratteristici della MdP ed hanno inoltre gravi difficoltà posturali e locomotorie già ad uno stadio iniziale di malattia. La difficile diagnosi differenziale e la rarità della PSP ritardano notevolmente il trattamento adeguato e tempestivo di questa patologia. Da un punto di vista biomeccanico, le differenze funzionali nel mantenimento della postura e nel cammino fra MdP e PSP non sono ancora state chiarite e necessiterebbero di ulteriori valutazioni. Entrambe le patologie sono caratterizzate da un elevato rischio di caduta. In questi pazienti le cadute riducono grandemente la qualità di vita, provocando fratture, ospedalizzazione, diminuzione della mobilità, perdita di autonomia ed aumento della mortalità. Molti sono i fattori di rischio associati alle cadute, fra i quali il freezing della marcia e la festinazione, il cammino a piccoli passi e con strisciamento dei piedi, l’instabilità posturale, l’effetto dei farmaci, il basso livello di attività fisica, il decadimento cognitivo e la paura stessa di cadere. Tuttavia, la sensitività e la specificità di tutti questi fattori è scarsa: la migliore variabile predittiva di una futura caduta è l’occorrenza di due o più cadute nel corso del precedente anno. Questo sottolinea la grande difficoltà nell’identificazione dei pazienti a rischio di caduta anteriormente al primo episodio. L’identificazione precoce di questi pazienti sarebbe estremamente utile per attuare un intervento terapeutico o riabilitativo tempestivo e diminuire anche gli elevati costi socio-sanitari legati alla gestione delle conseguenze delle cadute. La transizione dalla postura eretta al cammino è spesso alterata sia nella MdP che nella PSP e l’80% dei pazienti lamenta difficoltà nell’alzarsi dalla sedia. Se sia l’inizio del cammino che l’alzata dalla sedia sono stati diffusamente studiati, poca attenzione è stata invece dedicata all’inizio del cammino da posizione seduta (i.e., Sit-to-Walk). Il Sit-to-Walk risulta essere molto più difficoltoso rispetto all’inizio del cammino ed all’alzata dalla sedia, poiché richiede il controllo combinato di postura e locomozione. Per questa ragione, l’esecuzione di questo task motorio potrebbe generare una situazione ad alto rischio di caduta. Nonostante lo studio di questo movimento possa fornire molte informazioni sul controllo posturale e sull’equilibrio, sono presenti solo poche pubblicazioni dedicate allo studio del Sit-to-Walk. Scopo di questo studio è determinare se parametri biomeccanici del Sit-to-Walk siano in grado di (i) identificare i pazienti con MdP ad alto rischio di caduta e (ii) discriminare questi ultimi da pazienti con PSP. Le misurazioni quantitative dell’equilibrio e del cammino sono effettuate attraverso strumentazioni altamente specializzate, come sistemi optoelettronici e piattaforme dinamometriche. Per superare le limitazioni di queste attrezzature, utilizzabili solamente in ambiente di laboratorio, i pazienti sono stati valutati anche con sensori inerziali, come alternativa più adatta e compatibile alla pratica clinica. Ventisette soggetti hanno preso parte allo studio. Fra questi, dodici con diagnosi di MdP, dieci con criteri clinici per una diagnosi di PSP e cinque controlli sani di età comparabile agli altri gruppi. I soggetti con MdP sono stati classificati ad alto rischio di caduta se riferivano almeno un episodio di caduta al mese nei tre mesi precedenti allo studio. Tutti i pazienti sono stati valutati al mattino dopo sospensione di almeno 12 ore (durante la notte) della terapia dopaminergica. I soggetti con MdP sono stati sottoposti anche ad una seconda valutazione, dopo un’ora dall’assunzione di 200 mg di levodopa solubile. I valori di ciascun parametro sono stati mediati fra le varie prove (almeno tre) di ogni singolo soggetto ed all’interno dello stesso gruppo. Molti parametri biomeccanici sono risultati in grado di discriminare i pazienti con MdP ad alto rischio caduta dai pazienti senza instabilità posturale e dai controlli sani. Questi parametri biomeccanici sono stati efficacemente descritti non solo dalla strumentazione di laboratorio, ma soprattutto dai sensori inerziali. Tutti i parametri analizzati non hanno invece dimostrato particolare sensibilità nel discriminare pazienti con PSP dai soggetti con MdP. I risultati di questo studio suggeriscono la grande utilità di una valutazione con sensori inerziali durante un test Sit-to-Walk per identificare pazienti con MdP ad alto rischio di caduta. Questi dati sono inoltre un importante punto di partenza per studi longitudinali prospettici finalizzati all’identificazione di parametri predittivi di future cadute. L’identificazione e la predizione del rischio di caduta aumenterebbero grandemente la qualità di vita dei pazienti con MdP e permetterebbero anche di ridurre gli elevati costi socio-sanitari legati alla gestione delle cadute in soggetti anziani.