Quantitative evaluation of instrumented time up and go test in subjects with Parkinson disease : the evaluation of a new rehabilitative treatment

Parkinson's disease is a complex and very common chronic degenerative disease that affects the central nervous system and evolves slowly and progressively. Nowadays there are no therapies able to prevent Parkinson's disease and the only ones available are only able to mitigate the symptoms of the disease once manifested. Therapies can be divided into two categories: top-down therapies and bottom-up therapies. Bottom-up therapies, which represent a new approach to Parkinson's disease, act at the peripheral level (muscles and skin) allowing sensorimotor integration and reducing some of the most common motor symptoms. These are non-invasive therapies that do not require the use of additional drugs. Among the most recent ones there is the Automatic Mechanical Peripheral Stimulation (AMPS), which is based on the activation of peripheral cutaneous nerves and is delivered through the use of a medical device (Gondola). A study is started involving four Italian clinical facilities, coordinated by IRCCS San Raffaele Pisana. They have recruited several individuals with Parkinson's to perform a specific motor task, the Timed Up and Go (TUG) test. This thesis aims to evaluate the efficacy of AMPS treatment on patients who are in the OFF levodopa phase. This is done through a quantitative evaluation of the motor task of TUG, instrumented with a specific wearable system. In part I the effects of AMPS treatment on the movement of patients with Parkinson's disease are evaluated, in particular by analyzing the effects of AMPS treatment on the improvement of functional limitation and on the occurrence of episodes of freezing of gait (FOG) of patients. This is done by quantitative statistical analysis of the parameters of the Timed Up and Go test, assessing whether there is a statistically significant difference between each of them before and after AMPS treatment. It is shown that the treatment reduces the time, and consequently increases the velocity, necessary to perform the TUG test. So this treatment is effective in reducing bradykinesia. It is further demonstrated that AMPS treatment has not only a positive effect on bradykinesia and motor fluidity, but also on the recurrence of FOG episodes. The manifestation of these episodes is reduced after the patient undergoes AMPS treatment. Part II investigates whether it is possible to determine a priori if the patient will respond to AMPS treatment. A velocity limit for the TUG test of 0.28 m / s is obtained and is used to define an identification criterion that allows to establish whether the patient performing the test before the AMPS treatment will respond positively to the treatment. So the treatment will work on a patient who performs the TUG test with a velocity below this limit value, otherwise it will not produce any results. For the walk test a velocity limit value of 0.61 m / s is found instead. The AMPS treatment will therefore have effect on the patient performing the walk test with a velocity below the limit value found. In Part III the parameters of all patients are considered for each center before any treatment. In particular, the TUG time and TUG velocity parameters of each center are compared with the same parameters of all the other centers, to check if all the centers have selected patients with the same initial pathological condition. In part III, it is therefore verified that the patients of the four clinical structures involved do not have a homogeneous initial pathological condition. In particular, center 3 has recruited patients with a more advanced condition of bradykinesia. Furthermore, AMPS treatment is more effective in patients with a higher degree of bradykinesia severity. In fact, center 3 is the one that has, proportionally, a higher percentage of patients responding to treatment (74% compared to an average of 29% of the other centers). In conclusion, through the quantitative evaluation of the instrumented Timed Up and Go test, it has been proven that AMPS is a promising new rehabilitative treatment effective in improving the functional motor limitations typical of Parkinson's patients.

La malattia di Parkinson è una patologia cronica degenerativa complessa e molto comune, che affligge il sistema nervoso centrale ed evolve lentamente e progressivamente. Ad oggi non esistono terapie in grado di prevenire la malattia di Parkinson e le uniche disponibili sono solo in grado di attenuare i sintomi della malattia una volta manifestati. Le terapie possono essere divise in due categorie: terapie top-down e terapie bottom-up. Le terapie bottom-up, che rappresentano un nuovo approccio alla malattia di Parkinson, agiscono a livello periferico (muscoli e cute) permettendo un’integrazione sensorimotoria e riducendo in parte alcuni dei sintomi motori più comuni. Sono terapie non invasive e che non richiedono l’uso di farmaci addizionali. Tra quelle più recenti figura la stimolazione automatica meccanica periferica (AMPS), che si basa sull’attivazione di nervi periferici cutanei e viene erogata tramite l’utilizzo di un dispositivo medico (Gondola). E’ stato avviato uno studio che coinvolge quattro realtà cliniche italiane coordinate dall’IRCCS San Raffaele Pisana. Esse hanno reclutato diversi soggetti affetti dal Parkinson per effettuare uno specifico task motorio, il Timed Up and Go (TUG) test. Questa tesi ha lo scopo di valutare l’efficacia del trattamento AMPS su pazienti che sono in fase OFF levodopa. Questo viene fatto attraverso una valutazione quantitativa del task motorio di TUG, strumentalizzato con uno specifico sistema indossabile. Nella parte I si valutano gli effetti del trattamento AMPS sul movimento dei pazienti con malattia di Parkinson, in particolare analizzando gli effetti del trattamento AMPS sul miglioramento della limitazione funzionale e sulla manifestazione di episodi di freezing of gait (FOG) dei pazienti. Questo viene fatto tramite un’analisi statistica dei parametri del Timed Up and Go test, valutando se per ciascuno di essi esiste una differenza statisticamente significativa tra il suo valore prima e dopo il trattamento AMPS. Si è dimostrato che il trattamento riduce il tempo, e di conseguenza aumenta la velocità, necessario ad effettuare il TUG test. Quindi questo trattamento risulta essere efficace nella riduzione della bradicinesia. E’ stato ulteriormente dimostrato che il trattamento AMPS non ha solo un effetto positivo sulla bradicinesia e sulla fluidità motoria, ma anche sulla ricorrenza degli episodi di FOG. La manifestazione di questi episodi viene ridotta dopo che il paziente è stato sottoposto al trattamento AMPS. La parte II si occupa di verificare se è possibile determinare a priori se il paziente risponderà o meno al trattamento AMPS. E’ stato ottenuto un limite di velocità per il TUG test di 0,28 m/s e viene usato per definire un criterio di identificazione che permetta di stabilire se il paziente che effettua il test prima del trattamento AMPS risponderà positivamente al trattamento stesso. Quindi il trattamento avrà effetto su un paziente che esegue il TUG test con una velocità al di sotto di questo valore limite, altrimenti non porterà alcun risultato. Per il test di walk è stato invece trovato un valore limite di velocità pari a 0,61 m/s. Il trattamento AMPS avrà perciò effetto sul paziente che esegue il walk test con una velocità sotto il valore limite trovato. Nella parte III si considerano per ciascun centro i parametri di tutti i pazienti prima di qualunque trattamento. In particolare, i parametri del tempo di TUG e della velocità di TUG di ciascun centro vengono confrontati con gli stessi parametri di tutti gli altri centri, per verificare se tutti i centri abbiano selezionato pazienti con la stessa condizione patologica iniziale. Nella parte III è stato quindi verificato che i pazienti delle quattro strutture cliniche coinvolte non presentano una condizione patologica iniziale omogenea. In particolare, il centro 3 ha reclutato pazienti che presentano una condizione più avanzata di bradicinesia. Inoltre, è stato dimostrato che il trattamento AMPS ha un’efficacia maggiore sui pazienti affetti da un maggiore grado di severità della bradicinesia. Infatti il centro 3 è quello che ha, in proporzione, una percentuale più alta di pazienti rispondenti al trattamento (74% contro una media del 29% degli altri centri). In conclusione, attraverso la valutazione quantitativa del test di Timed Up and Go strumentalizzato è stato dimostrato che l’AMPS è un nuovo promettente trattamento riabilitativo efficace nel migliorare le limitazioni motorie funzionali tipiche di soggetti affetti da Parkinson.