Reliability and validity of IMU-based upper limb assessment tests in stroke survivors

One of the main causes of adult disability is stroke [1]. Consequences for survivors includes visuospatial and sensory-motor deficits, which limit functional capabilities, cognitive impairments and collateral psychological deficits. After the acute phase of recovery, many patients require continuous medical care and labor-intensive rehabilitation, aimed to the reacquisition of the functional skills. Besides traditional physical therapy, task-oriented repetitive movements can help patients recover motor function, improve motor coordination, learn new motor strategies, and prevent secondary complications [2]. However, the increasing costs related to a therapist-supported training during chronic phase bring people to abandon the rehabilitation program with drastic consequences for their situation. The introduction of new promising techniques in the rehabilitation world, such as robotic devices and Virtual Reality, has represented a significant turning point, since it laid the foundations for self-directed home therapy. Home therapy could help to increase the dose of rehabilitation at lower cost, without the need for the constant supervision of a therapist [3]. In this context, the possibility of assessing the patient’s performance in a repeatable and objective manner is a strong need for stroke rehabilitation, mainly in a domestic context [4]. Objective outcome measures, based on devices which track the human movements, are crucial to the effectiveness of rehabilitation therapies and to determine optimal training programs. Among dozens of instruments, Inertial Measurement Units (IMUs) have become an interesting choice for portable motion tracking applications due to their lightness, compactness and low cost [5], [6]. It’s of extremely importance that these devices provide as much as possible reliable and valid outcome measures; this means that clinicians need to know if changes in the outcome measures associated with a rehabilitation program are truly related to an improvement, or merely due to measurement errors. Within this framework, the main aim of this thesis is to evaluate the test-retest reliability and validity of outcome measures derived from Armeo®Senso, an IMU-based upper-limb rehabilitative training system produced by Hocoma, in a group of chronic stroke survivors. To reach this goal, the work has been organized in three phases: 1) technical validation of the joint angles computed by Armeo®Senso through a comparison with an optoelectronic system; 2) optimization of the currently existing assessment test provided by Armeo®Senso and definition of new metrics; 3) evaluation of the test-retest reliability to estimate the measurement error of the defined metrices and correlation between the defined metrics and upper limb clinical scales commonly used in stroke survivors.

Una delle principali cause di disabilità negli adulti è l'ictus [1]. Le conseguenze per i sopravvissuti includono deficit visivo-spaziali e sensoriali-motori, che limitano le capacità funzionali, i deficit cognitivi e i deficit psicologici collaterali. Dopo la fase acuta di recupero, molti pazienti necessitano di cure mediche continue e di riabilitazione ad alta intensità di lavoro, finalizzata alla riacquisizione delle capacità funzionali. Oltre alla terapia fisica tradizionale, i movimenti ripetitivi orientati al compito possono aiutare i pazienti a recuperare le funzioni motorie, migliorare la coordinazione motoria, apprendere nuove strategie di moto e prevenire complicazioni secondarie [2]. Tuttavia, i crescenti costi legati al training supportato da un terapista durante la fase cronica, portano le persone ad abbandonare il programma di riabilitazione con conseguenze drastiche per la loro situazione. L'introduzione di nuove tecniche promettenti nel mondo della riabilitazione, come i dispositivi robotici e la realtà virtuale, ha rappresentato un punto di svolta significativo, poiché ha gettato le basi per la terapia domiciliare auto-diretta. La terapia domiciliare potrebbe aiutare ad aumentare la dose di riabilitazione a costi inferiori, senza la necessità di una costante supervisione da parte del terapista [3]. La possibilità di valutare le prestazioni del paziente in modo ripetibile e obiettivo è un’importante necessità nella riabilitazione post-ictus, principalmente in un contesto domestico [4]. Le misure oggettive di esito, basate su dispositivi che tracciano i movimenti umani, sono cruciali per l'efficacia delle terapie di riabilitazione e per determinare programmi di allenamento ottimali. Tra dozzine di strumenti, le IMU sono diventate una scelta molto interessante per le applicazioni portatili di rilevamento del movimento grazie alla loro leggerezza, compattezza e basso costo [5], [6]. È estremamente importante che questi dispositivi forniscano misure il più possibile affidabili e valide; ciò significa che i medici devono sapere se i cambiamenti nelle misure di esito, associati a un programma di riabilitazione, sono realmente correlati a un miglioramento, o semplicemente sono causa di errori di misurazione. In questo contesto, l'obiettivo principale di questa tesi è valutare l'affidabilità test-retest e la validità delle misure di esito derivate da Armeo®Senso, un sistema di allenamento riabilitativo degli arti superiori basato su IMU prodotto da Hocoma, in un gruppo di sopravvissuti all'ictus cronico. Per raggiungere questo obiettivo, il lavoro è stato organizzato in tre fasi: 1) validazione della tecnica degli angoli articolari calcolata da Armeo®Senso attraverso un confronto con un sistema optoelettronico; 2) ottimizzazione del test di valutazione attualmente esistente fornito da Armeo®Senso e definizione di nuove metriche; 3) valutazione dell'affidabilità test-retest per stimare l'errore di misurazione delle metriche definite e correlazione tra le metriche definite e le scale cliniche dell'arto superiore comunemente utilizzate nei sopravvissuti all'ictus.