Valutazione degli effetti della stimolazione meccanica automatizzata periferica sulla fluidità dei movimenti di pazienti affetti da morbo di Parkinson utilizzando la metrica Sparc

Parkinson's disease is a neurodegenerative disease of the central nervous system, with a slow and progressive course. It manifests itself through progressive symptoms, both motor and non-motor, which significantly affect the quality of life of the affected person. To date, there is no cure for Parkinson's disease, but the literature offers various therapeutic approaches that mainly act on the motor symptoms of the disease, which are more disabling, such as loss of balance, freezing of gait, slow movements and impaired control of them, which translates into a reduction in the fluidity of the latter. Drug therapies, such as Levodopa, allow an initial drastic improvement in motor symptoms, but provide for a progressive increase in the dose administered to the patient over the years and are associated with the onset of side effects, dyskinesia and motor fluctuations. Another therapeutic approach involves resorting to surgery, known as Deep Brain Stimulation (DBS), to date carried out on Parkinson's patients allergic to the drugs used or where drug therapy is not sufficient to guarantee an acceptable quality of life. Surgical therapy relieves the symptoms but does not slow down their progressive worsening and is very invasive. Another proposed therapeutic strategy is the Automated Mechanical Peripheral Stimulation (AMPS), the key object of this thesis work, whose purpose is to evaluate its effect on the fluidity of the movements of the subjects undergoing such therapy, as part of an instrumented Timed Up and Go test (iTUG). The TUG is a functional mobility test commonly used in the clinical setting as a screening tool to identify patients at risk of falling. The assessment of the risk of falling in subjects suffering from Parkinson's disease is of fundamental importance to understand the real degree of autonomy of the subject and the possibility of leading an independent life without resorting to the use of walking aids. As for the actual test, the patient is asked to get up from the chair where he is sitting, walk forward for three meters, go around a pin and go back to sit. The performance of the subject is assessed by analyzing the timing of the test itself. In its instrumented version, the classic TUG test is associated with an inertial measurement unit (IMU system) that allows to detect spatio-temporal and kinematic parameters during the test and to identify and analyze the individual sub-phases that make up the test itself. AMPS therapy is administered through the GONDOLA® medical device, consisting of two plantar supports, which exerts a pressure stimulation, using rounded tips, of four specific areas (two for each foot: the head of the big toe and the base of the first metatarsal bone). AMPS therapy aims to relieve the motor symptoms of patients with PD, without involving the occurrence of side effects due to the administration of the latter, a phenomenon instead typical of drug therapies; the treatment is also non-invasive, unlike DBS. The fluidity of movement is a quality related to the continuity or non-intermittence of a movement under consideration. The intermittence of a movement, in this context of application, refers to movements that decelerate and then accelerate again, a phenomenon typically observable in the movements of subjects suffering from Parkinson's disease, whose movement control is compromised by the pathology; greater intermittence corresponds to a less fluid movement. In this study, patients' movement smoothness during a functional mobility test (iTUG) is quantified using the SPARC metric. The latter is the only metric in the literature that meets the criteria of validity, sensitivity, reliability and practicality of the same. In order to obtain the SPARC values of the total TUG and of the six sub-phases of the latter, a MATLAB code was developed which, given the input, the parameters detected by the IMU system (G-SENSOR®) during the test and extracted from the report automatic generated by the G-STUDIO® software, returns the seven SPARC values as code output. In this thesis work, 46 patients being treated at the San Raffaele Cassino (FR) private nursing home were subjected to a randomized controlled trial (RCT). They were initially divided into two groups, consisting of 21 and 25 units, to then begin the respective treatments. AMPS therapy was administered to the first group and AMPS SHAM placebo therapy to the second group. The subjects underwent pre and post therapy iTUG. Subsequently, after a washout TUG (which represents the period between two treatments, so that the effect of the first ceases before patients are subjected to the second), the therapies of the two groups were reversed. Again, patients performed an iTUG before and after treatment. We then proceeded to the analysis of the goodness of the randomization of the subjects in the two groups, which proved to be excellent (P-value >> 0.01), and to the evaluation of the effects of the therapies on the fluidity of the patient's movements, analyzing the respective SPARC values. The study of the variations of the latter was accompanied by the analysis of the clinical parameters UPDRS, MINI-BESTest and FOG-Q of each patient, used in the clinical setting for the assessment of the state and severity of Parkinson's disease; however, the survey did not find statistically significant differences between the pre and post therapy or between the two different treatments administered. The analysis of the results led to the conclusion that the effect of AMPS therapy in improving the fluidity of the movements associated with the different sub-phases of the TUG test can only be observed graphically, since the results obtained were not statistically significant (P-value > 0 , 01). The observations translate into an increase in the SPARC towards less negative values, synonymous with an increase in the fluidity of the movement in question, especially for the forward gait, even if the improvement trend is generally observable on the individual sub-phases.

Il morbo di Parkinson è una malattia neurodegenerativa del sistema nervoso centrale, con un decorso lento e progressivo. Essa si manifesta tramite progressivi sintomi, sia motori che non motori, che intaccano significativamente la qualità di vita del soggetto colpito. Non esiste ad oggi una cura per il morbo di Parkinson, ma la letteratura propone diversi approcci terapeutici che agiscono principalmente sui sintomi motori della patologia, maggiormente invalidanti, quali la perdita di equilibrio, freezing of gait, lentezza dei movimenti e la compromissione del loro controllo, che si traduce in una riduzione della fluidità di questi ultimi. Le terapie farmacologiche, come ad esempio la Levodopa, permettono un iniziale drastico miglioramento dei sintomi motori, ma prevedono un progressivo incremento della dose somministrata al paziente negli anni e sono associate all’insorgere di effetti collaterali, fenomeni di discinesia e di fluttuazioni motorie. Un altro approccio terapeutico prevede di ricorrere ad un intervento chirurgico, noto come Deep Brain Stimulation (DBS), ad oggi effettuato su pazienti affetti da Parkinson allergici ai farmaci impiegati o dove la terapia farmacologica non risulta sufficiente per garantire una qualità di vita accettabile. La terapia chirurgica allevia i sintomi ma non ne rallenta il progressivo peggioramento ed è molto invasiva. Un’altra strategia terapeutica proposta è la Stimolazione Meccanica Automatizzata Periferica (AMPS), oggetto chiave di questo lavoro di tesi, il cui scopo è di valutarne l’effetto sulla fluidità dei movimenti dei soggetti sottoposti a tale terapia, nell’ambito di un Timed Up and Go test strumentato (iTUG). Il TUG è un test di mobilità funzionale utilizzato comunemente in ambito clinico come strumento di screening per identificare i pazienti a rischio di caduta. La valutazione del rischio di caduta in soggetti affetti da morbo di Parkinson è di fondamentale importanza per comprendere il reale grado di autonomia del soggetto e la possibilità di condurre una vita autonoma senza ricorrere all’impiego di ausili alla deambulazione. Per quanto riguarda il test vero e proprio, al paziente viene richiesto di alzarsi dalla sedia dove è seduto, camminare in avanti per tre metri, girare intorno ad un birillo e ritornare a sedersi. La performance del soggetto è valutata analizzando la tempistica di svolgimento della prova stessa. Nella sua versione strumentata, al classico TUG test è associato un sistema inerziale indossabile (IMU system) che permette di rilevare parametri spazio-temporali e cinematici durante la prova e di individuare ed analizzare le singole sottofasi che compongono il test stesso. La terapia AMPS viene amministrata tramite il dispositivo medico GONDOLA®, consistente di due supporti plantari, il quale esercita una stimolazione di natura pressoria, utilizzando punte arrotondate, di quattro aree specifiche (due per ogni piede: la testa dell’alluce e la base del primo osso metatarsale). La terapia AMPS ha lo scopo di alleviare i sintomi motori dei pazienti affetti da PD, senza comportare il manifestarsi di effetti collaterali dovuti all’amministrazione di quest’ultima, fenomeno invece tipico delle terapie farmacologiche; il trattamento è inoltre non invasivo, a differenza della DBS. La fluidità del movimento è una qualità correlata alla continuità o alla non-intermittenza di un movimento in esame. L’intermittenza di un movimento, in questo contesto di applicazione, si riferisce a movimenti che decelerano per poi accelerare nuovamente, fenomeno tipicamente osservabile nei movimenti di soggetti affetti da morbo di Parkinson, il cui controllo dei movimenti risulta compromesso dalla patologia; una maggiore intermittenza corrisponde ad un movimento meno fluido. In questo studio, si quantifica la fluidità del movimento (movement smoothness) dei pazienti durante un test di mobilità funzionale (iTUG) utilizzando la metrica SPARC. Quest’ultima è l’unica metrica presente in letteratura che rispetta i criteri di validità, sensibilità, affidabilità e praticità della stessa. Al fine di ottenere i valori SPARC del TUG totale e delle sei sottofasi di quest’ultimo, è stato sviluppato un codice MATLAB che, dati in ingresso i parametri rilevati dall’IMU system (G-SENSOR®) durante la prova ed estratti dal report automatico generato dal software G-STUDIO®, restituisce i sette valori SPARC come output del codice. In questo lavoro di tesi, 46 pazienti in cura presso la casa di cura privata San Raffaele Cassino (FR) sono stati sottoposti ad uno studio randomizzato controllato. Essi sono stati inizialmente suddivisi in due gruppi, composti da 21 e 25 unità, per poi iniziare i rispettivi trattamenti. Al primo gruppo è stata amministrata la terapia AMPS e al secondo la terapia placebo AMPS SHAM. I soggetti sono sottoposti ad iTUG pre e post terapia. Successivamente, previo washout (il quale rappresenta il periodo tra due trattamenti, in modo tale che l’effetto del primo cessi prima che i pazienti vengano sottoposti al secondo), le terapie dei due gruppi vengono invertite. Anche in questo caso, i pazienti effettuano un iTUG prima e dopo il trattamento. Si è proceduto quindi all’analisi della bontà della randomizzazione dei soggetti nei due gruppi, la quale si è rivelata ottima (P-value >> 0,01), e alla valutazione degli effetti delle terapie sulla fluidità dei movimenti dei pazienti, analizzandone i rispettivi valori SPARC. Lo studio delle variazioni di questi ultimi è stato affiancato dall’analisi dei parametri clinici UPDRS, MINI-BESTest e FOG-Q di ogni paziente, utilizzati in ambito clinico per la valutazione dello stato e della gravità del morbo di Parkinson; l’indagine non ha però rilevato differenze statisticamente significative tra il pre e il post terapia o tra i due diversi trattamenti amministrati. L’analisi dei risultati ha portato alla conclusione che l’effetto della terapia AMPS nel migliorare la fluidità dei movimenti associati alle diverse sottofasi del TUG test è osservabile solo graficamente, poiché i risultati ottenuti non si sono rivelati statisticamente significativi (P-value > 0,01). Le osservazioni si traducono in un innalzamento degli SPARC verso valori meno negativi, sinonimo di un aumento della fluidità del movimento in esame, specialmente per la forward gait, anche se il trend di miglioramento è generalmente osservabile sulle singole sottofasi.