Evidence-based methodologies to assess the effectiveness of novel technologies for neurorehabilitation

Neurological diseases affects an increasing number of individuals, both in adult and children populations. With the growing field of technology, plenty of different tools are avail- able to promote long-term neuromotor recovery, but their effects and potential benefits are still poorly investigated. In this framework, the research activity carried out during my Doctoral program was primarily intended to identify which rehabilitation option is more effective among the avail- able ones, and to propose new rehabilitative approaches specifically aimed at maximising long-term recovery, triggered by neuroplastic changes. Furthermore, technology-based tools to assess the induced changes have been proposed. They were exploited to evaluate rehabilitative protocols and to investigate neurorehabilitative correlates, enhancing the knowledge of the recovery mechanisms underlying rehabilitation. In the present thesis, different technologically-advanced tools commonly used clinical practice has been investigated as tools to promote rehabilitation and/or to evaluate the rehabilitative effects on children affected by cerebral palsy (CP) and stroke population. First, upper and lower limb robot-assisted rehabilitation paradigms have been studied on children affected by CP as few, weak and inconsistent evidence on robotics effects was shown in literature in the paediatrics population, although its wide use in clinical practice. A non-operator dependent, quantitative performance parameter computed from data extracted by an upper limb robotic device (Armeo Spring, Hocoma) has been proposed and used, together with functional scales, in the first clinical study published on CP children trained with Armeo Spring. Results showed significant improvements in upper limb coordination and fluency, with a good transferability to everyday life also in areas not specifically trained. Robot Assisted Gait Training (RAGT with Lokomat, Hocoma) has been studied considering four possible treatment schemes with equal dose of intervention, combining task- oriented physiotherapy and RAGT. Results assessed that single-treatment approaches seem to be more effective than mixed approaches, independently from the duration of treatment (4 or 10 weeks). RAGT seems to have similar effects with respect to the traditional physiotherapy, at least over 10 weeks. An investigation on the role of RAGT on CP patients’ metabolic activity during every-day life has also been proposed in a case-series study, suggesting promising results. Part of my research activity was also focused on stroke population. I proposed and evaluated the effects of an innovative intervention involving a biofeedback-based cycling training augmented by functional electrical stimulation together with a biofeedback-based balance training, with respect to usual care. A single-blind randomized control trial was carried out on post-acute stroke subjects, suggesting the superiority of the innovative training paradigm in terms of performance during dynamic balance. Differently, the two training paradigms seem to be equivalent in terms of clinical scales, gait and cycling performance. Finally, the reliability of transcranial magnetic stimulation as a method to assess possible changes in terms of corticospinal excitability has been investigated. Stimulus-Response (SR) curves has been acquired with a recently proposed rapid protocol on tibialis anterior muscle of healthy older adults. The results obtained suggest that measures derived from SR curves acquired in less than four minutes are affected by similar measurement errors to those found with long-lasting protocols. Therefore, the rapid acquisition method is at least as reliable as the traditional acquisition method.

La disabilità neurologica coinvolge un numero crescente di individui, sia in popolazione adulta che pediatrica. Con la sempre maggiore diffusione della tecnologia in ambito clinico, sono a disposizione differenti strumenti ad alta tecnologia che potrebbero ottimizzare il recupero motorio di lungo termine, ma le loro applicazioni e i potenziali benefici sono ancora scarsamente studiati. In questo contesto, l’attività di ricerca portata avanti durante il programma di dottorato è stata primariamente volta all’identificazione dell’opzione riabilitativa ad alta tecnologia più efficace tra quelle disponibili ed a proporre nuovi approcci riabilitativi specificamente finalizzati alla massimizzazione del recupero di lungo termine, tramite facilitazione di processi neuroplastici. Inoltre, sono stati proposti strumenti tecnologicamente avanzati per analizzare le variazioni indotte dalla riabilitazione. Questi strumenti sono stati utilizzati per valutare protocolli riabilitativi e per studiare i correlati neuroriabilitativi, permettendo di approfondire la conoscenza dei meccanismi di recupero che stanno alla base della riabilitazione. Nella presente tesi, differenti tecnologie di uso comune nella pratica clinica sono state utilizzate per promuovere la riabilitazione e/o per valutare gli effetti della riabilitazione stessa su popolazione con disabilità neurologica in età pediatrica (bambini affetti da paralisi cerebrale - CP) e adulta (soggetti post ictus). In primis, paradigmi riabilitativi assistiti da robot per arto superiore e inferiore sono stati utilizzati in bambini affetti da CP, per i quali le evidenze in letteratura erano poche ed inconsistenti, malgrado la diffusione della robotica nella pratica clinica. E` stato sviluppato un parametro di performance calcolato da dati direttamente estratti dal robot per arto superiore (Armeo Spring, Hocoma) che, insieme a scale funzionali, è stato utilizzato nel primo studio pubblicato in letteratura che attesta l’utilizzo di Armeo Spring in bambini affetti da CP. I risultati ottenuti mostrano miglioramenti significativi in coordinazione e fluenza dell’arto allenato, con una buona trasferibilità alle attività di vita quotidiana, non specificatamente allenate. L’allenamento del cammino assistito da robot (Lokomat, Hocoma) è stato studiato considerando quattro possibili protocolli di trattamento con egual dose di intervento, combinando fisioterapia e terapia robotizzata. I risultati hanno mostrato che gli approcci a singolo trattamento (sola fisioterapia o sola terapia robotizzata) sembrano avere maggior efficacia rispetto agli altri in termini di abilità grosso-motorie, indipendentemente dalla durata del trattamento. Inoltre, la terapia robotizzata ha mostrato effetti comparabili alla fisioterapia tradizionale. E` inoltre stato approfondito l’eventuale ruolo della terapia robotizzata durante il cammino nell’attività metabolica dei bambini affetti da CP, mostrando risultati promettenti in termini di consumo energetico per passo. Parte della mia attività di ricerca è stata focalizzata su popolazione adulta post ictus. In particolare, e` stato analizzato un trattamento innovativo multimodale basato su biofeedback che ha coinvolto la stimolazione elettrica funzionale durante la pedalata e l’allenamento dell’equilibrio su piattaforma di forza. Per valutare l’eventuale superiorità di questo trattamento innovativo rispetto alla fisioterapia standard, è stato portato a termine uno studio randomizzato controllato su soggetti con ictus in fase post-acuta. I risultati hanno suggerito la superiorità del paradigma di riabilitazione innovativo in termini di equilibrio dinamico. Differentemente, i due paradigmi riabilitativi sembrano essere equivalenti in termini di scale cliniche, cammino e performance durante la pedalata. Infine, è stata studiata l’affidabilità della stimolazione magnetica transcranica come metodo per valutare possibili variazioni indotte dal trattamento in termini di eccitabilità corticospinale. Sono state pertanto acquisite curve Stimolo-Risposta (SR) sul muscolo tibiale anteriore di soggetti anziani sani con un protocollo recentemente proposto in letteratura per minimizzare i tempi di acquisizione. I risultati ottenuti suggeriscono che le misure derivate dalle curve SR acquisite in meno di quattro minuti sono affette da errore di misura simile a quanto ottenuto con protocolli più lunghi. In conclusione, i risultati riportati nella presente tesi contribuiscono ad avanzare le conoscenze sull’uso di dispositivi ad alta tecnologia nella pratica clinica neuroriabilitativa, verso la costruzione di una medicina basata sulle evidenze scientifiche. Gli strumenti valutativi proposti offrono metodi flessibili, quantitativi e indipendenti dall’operatore per studiare possibili benefici ottenuti in neuroriabilitazione. Allo stesso tempo, gli studi clinici presentati forniscono importanti informazioni circa l’uso di nuove tecnologie nella pratica clinica.