Wzbogacone środowiska do rehabilitacji po udarze kończyny górnej

A. Tło naukowe

Udar mózgu jest trzecią najczęstszą przyczyną śmierci w krajach zachodnich, a dysfunkcja czuciowo-ruchowa kończyny górnej (UL) znacząco przyczynia się do występowania niepełnosprawności fizycznej i upośledzeń (Olsen 1990). Jednym z wyjaśnień słabej regeneracji ramienia jest skupienie się na wykonaniu zadania, a nie na jakości wykonania. Może to wzmocnić alternatywne (kompensacyjne) strategie ruchowe zamiast zachęcać do ponownego pojawienia się wzorców ruchowych sprzed choroby (powrót do zdrowia). Chociaż celem rehabilitacji jest przywrócenie funkcji, nadal przedmiotem dyskusji jest to, czy zostanie to osiągnięte poprzez prawdziwą regenerację ruchową, czy też kompensację. Rzeczywiście, w przypadku niektórych pacjentów z ciężkim upośledzeniem należy zachęcać do kompensacji, aby zmaksymalizować sprawność funkcjonalną. Alternatywnie, dla osób z dobrymi rokowaniami, kładzie się nacisk na regenerację motoryczną z kilku powodów. Po pierwsze, przy odpowiednim treningu, rekonwalescencja może trwać aż do przewlekłego stadium udaru (np. Michaelsen i Levin 2004). Po drugie, chociaż kompensacja może pomóc w natychmiastowym wykonaniu, może prowadzić do problemów długoterminowych, takich jak ból i przykurcze (Ada i in. 1994; Levin 1997). Po trzecie, zezwolenie na kompensację mogłoby zachęcić do wyuczonego nieużywania, ograniczając zdolność do późniejszych przyrostów motorycznych (Allred i in. 2005). Chociaż udokumentowano wzrost wydajności po powtarzalnym treningu izolowanych ruchów (np. Whitall i in. 2000), niewiele badań dotyczyło tego, czy pacjenci mogą wykorzystywać jawne informacje w celu optymalizacji nabywania umiejętności motorycznych i czy następuje prawdziwa poprawa zachowania. Podczas opracowywania optymalnych programów szkoleniowych należy wziąć pod uwagę fakt, że uczenie się ma miejsce, gdy uczestnicy są zmotywowani, wykonują różne powiązane zadania i otrzymują odpowiednie informacje zwrotne (Nudo i Friel 1999; Winstein i in. 1999). Ponadto pacjenci mogą nie odnieść korzyści ze zmiennej praktyki, dopóki brakujące elementy motoryczne nie zostaną odzyskane (Carr i Shepherd 1987), a ponowne uczenie się motoryczne nie jest związane z poziomem upośledzenia fizycznego i poznawczego (Cirstea i in. 2006).

Do tej pory większość badań wykorzystywała jedynie środki kliniczne do oceny zmian funkcjonalnych (np. Jang i in. 2003) bez uwzględniania sposobu wykonywania ruchu. To badanie skupi się na możliwości rozróżnienia, czy poprawa funkcjonalna wynika ze wzrostu kompensacji, czy z prawdziwej regeneracji motorycznej. Można tego dokonać jedynie poprzez skorelowanie poprawy funkcjonalnej (pomiar kliniczny) ze zmianami we wzorcach ruchowych ramion poprzez szczegółową analizę ruchu (kinematyka). Ponieważ istnieje duża liczba możliwych kinematycznych wskaźników poprawy, badacze muszą określić, które miary najbardziej wskazują na zmianę. Jest to pierwszy krok w określaniu klinicznie znaczących miar wyników, które mają być stosowane w randomizowanych badaniach kontrolnych skuteczności interwencji. Znaczenie kliniczne jest niezbędne do przełożenia wiedzy z badań naukowych na praktykę opartą na dowodach (van Peppen i in. 2007).

B. Projekt Studium: 1. Szczegółowy Plan Studium

Dwie grupy po 8 pacjentów z udarem wezmą udział w projekcie A-B-A, w którym dane z testów po interwencji (w ciągu tygodnia od zakończenia interwencji) i obserwacji (jeden miesiąc po zakończeniu interwencji) zostaną porównane z danymi z dwóch testów wstępnych (odbywających się na początku i na końcu pierwszego tygodnia badania tuż przed rozpoczęciem interwencji). Wiele klinicznych i kinematycznych wyników wydajności motorycznej zostanie zmierzonych w celu określenia, które z nich najlepiej opisują regenerację motoryczną ramienia. Zostanie to zrobione poprzez porównanie zmian w wynikach przed i po treningu ze średnimi wynikami 8 zdrowych ochotników dobranych pod względem wieku i płci (zarejestrowanych podczas jednej sesji). Osoby po udarze będą ćwiczyć ruch w dwóch różnych środowiskach treningowych, zapewniających różne poziomy motywacji i informacji zwrotnych: Środowisko treningowe 1 zostanie utworzone w środowisku VR opartym na wideo 2D, które zapewni wysoką motywację, Znajomość wyników (KR) na temat wyniku motorycznego (tj. szybkość, precyzja) i niespecyficzne informacje zwrotne z wiedzy o wykonaniu (KP) dotyczące ruchu tułowia. Środowisko 2 zostanie utworzone w środowisku fizycznym, które zapewnia jedynie informację zwrotną KP, ale nie KR ani dodatkową motywację.

Protokół treningowy: Po ocenie wyjściowej (fizycznej i poznawczej) grupy udarowe będą ćwiczyć wskazywanie na 6 standardowych celów umieszczonych tuż poza zasięgiem (12 prób na cel) podczas fazy akwizycji obejmującej 15 sesji rozłożonych na trzy tygodnie (3 sesje/tydzień, 72 próby) /sesja). Ten schemat ćwiczeń obejmuje elementy niezbędne do optymalnego uczenia się motorycznego: 1) Zróżnicowana praktyka: Chociaż ruchy nie są nowymi zadaniami motorycznymi, należy je ponownie przyswoić podczas rekonwalescencji po udarze. Naszym celem nie jest nauczenie pacjentów nowego zadania, ale określenie, w jaki sposób ruch wykonywany nieoptymalnie może zostać ulepszony dzięki praktyce. 2) Intensywna praktyka: Liczba powtórzeń na sesję została wybrana na podstawie badań Cirstea i Levina (2000). Zatem 72 próby na sesję (3 bloki po 24 próby, 5 minut przerwy między blokami) uważa się za „intensywną” praktykę, która jest niezbędnym elementem udanego programu treningowego. Po fazie nabywania oceny, które zostaną powtórzone po 3 miesiącach w celu oceny zachowania i transferu umiejętności motorycznych.

2. Metody: badani Zrekrutowanych zostanie ośmiu pacjentów z udarem mózgu na grupę. Zostaną one dopasowane pod względem wieku i początkowej siły motorycznej ramienia (± 5 punktów w ocenie ramienia Fugla-Meyera). Osiem zdrowych osób dobranych pod względem wieku i płci zostanie zrekrutowanych jako grupa kontrolna.

Rekrutacja podmiotu: Pacjenci będą rekrutowani z listy wypisów ze szpitala Haim Sheba przy użyciu procedury obowiązującej od 2005 r. Badania przesiewowe będą przeprowadzane przez pracowników badań klinicznych. Potencjalni uczestnicy spełniający kryteria włączenia 1-3 i kryteria wykluczenia otrzymają list wyjaśniający z zaproszeniem do skontaktowania się z badaczami. Świadoma zgoda zostanie uzyskana od każdego uczestnika. Osoby kontrolne będą rekrutowane ze społeczności.

Środowisko szkoleniowe: Motywacja i informacja zwrotna: Szkolenie zostanie przeprowadzone w Zakładzie Terapii Zajęciowej znajdującym się w Centrum Medycznym Sheba. Środowiska treningowe pozwolą nam ocenić wpływ łączenia różnych stopni motywacji i informacji zwrotnych na wyniki motoryczne. Środowisko 1 jest wysoce motywujące (nowe i zabawne), ponieważ szkolenie jest przedstawiane jako gra, w której uczeń próbuje pobić swój własny wynik w kolejnych sesjach. Cele są przedstawiane jako kulki w opartym na wideo systemie VR (Gesture Xtreme). Pacjent siedzi przed 36-calowym wyświetlaczem z 6 docelowymi scenami. Obraz pacjenta jest rejestrowany przez kamerę wideo i wstawiany w scenę wyświetlaną na monitorze. Zadanie polega na wskazaniu każdego z celów, które pojawiają się w losowej kolejności. Informacje zwrotne dostarczą istotnych informacji do nauki motorycznej (KR, KP, wynik gry). Środowisko 2 zawiera taką samą liczbę i rozmieszczenie celów jak Środowisko. 1, ale będą prezentowane w środowisku fizycznym na drewnianej ramie przed podmiotem. Informacje zwrotne KR i KP będą przekazywane przez eksperymentatora jako wskazówki werbalne, jak to zwykle ma miejsce w klinice. Nie będą to jednak żadne dodatkowe informacje motywacyjne (wynik gry).

Wstępne pomiary wyników: Kliniczne Przed i po treningu w obu grupach udarowych, zaślepieni ewaluatorzy zmierzą kliniczne wyniki upośledzenia i funkcji motorycznych ramion (wynik Fugl-Meyer Arm, Skala Osiągnięć, Test Boxa i Bloków, Test Funkcji Motorycznych Wilka, Log Aktywności Motorycznej) ) jak również funkcji poznawczych. Wszystkie testy są ważne i wiarygodne oraz są regularnie stosowane w praktyce klinicznej.

Testy kinematyczne: Zadanie testowe i Zadanie transferu:

Badacze będą również rejestrować kinematyczne miary wyników charakteryzujące ruchy ramion i tułowia podczas sięgania (wyprost łokcia, poziome przywodzenie barku, zgięcie barku, ruchy łopatki, przemieszczenie tułowia).

Naszym celem jest skupienie się na kinematyce segmentowej i przegubowej podczas Zadania Testowego i Transferowego polegającego na ruchach sięgających. Zadanie testowe zostanie zarejestrowane. Cel testowy zostanie umieszczony na jednej linii z mostkiem pacjenta w odległości tuż poza długością ramienia badanego. Zadanie testowe jest podobne do ruchów wykonywanych do jednego z ćwiczonych celów. Aby ocenić uczenie się motoryczne, badacze określą, czy elementy wyuczone w jednym zadaniu przenoszą się do innych podobnych zadań. W związku z tym badacze ocenią również ruchy wykonane w zadaniu transferu do celu umieszczonego przed ramieniem po tej samej stronie, 5 centymetrów (cm) wyżej niż najwyższy rząd wyszkolonych celów. Transfer Task jest zatem nowym ruchem, nie praktykowanym podczas treningu. Kinematyka segmentowa sztywnego ciała zostanie zarejestrowana z zestawów 4 pasywnych znaczników odblaskowych (kulki o średnicy 0,5 cm) przymocowanych do segmentów tułowia, ramienia i przedramienia. Umożliwi to obliczenie trzech translacyjnych i trzech obrotowych stopni swobody na segment. Kinematyka stawów zostanie zebrana z markerów zamocowanych na mostku, barku, łokciu i nadgarstku za pomocą ram egzoszkieletowych. Ruch znacznika zostanie zarejestrowany za pomocą skalibrowanego 3-kamerowego optoelektronicznego systemu przechwytywania ruchu (ProReflex MCU-240, Qualisys) na odpowiednim oprogramowaniu komputerowym (Qualisys, Göteborg, Swe). Zbieranie danych (100 Hz, 2-5 sekund) będzie wyzwalane ruchem ręki z pozycji centralnej poprzez zwolnienie mechanicznego przełącznika. Dokładność pomiarów każdego znacznika mieści się w granicach błędu <0,2 cm.

W pierwszym kroku badacze określą czasy ruchu, dokładność, płynność, segmenty i obroty stawów oraz główne elementy koordynacji wielostawowej. Współrzędne kartezjańskie (x,y,z) dla każdego segmentu zostaną uzyskane z zestawów znaczników segmentowych. Surowe dane z co najmniej trzech znaczników na segment zostaną użyte po interpolacji brakujących znaczników (wielomian piątego rzędu). Dla każdej próby czasy ruchu i prędkości szczytowe zostaną określone na podstawie stycznych śladów prędkości w punkcie końcowym. Czas ruchu to czas między punktem, w którym prędkość styczna przekracza i pozostaje powyżej 5% swojego maksimum, a następnie powraca do tego poziomu i pozostaje poniżej tego poziomu. Dokładność ruchu pod względem błędów stałego zasięgu zostanie obliczona jako średnia odległość (d) między końcowym położeniem punktu końcowego (x, y, z) a położeniem celu (x0, y0, z0). Zostaną również zdefiniowane stałe i zmienne (SD) błędy kierunkowe. Płynność ruchu zostanie obliczona na podstawie stycznego śladu prędkości z wykorzystaniem wskaźnika krzywizny (stosunek długości ścieżki punktu końcowego do długości prostej łączącej pozycje początkową i końcową) oraz liczby szczytów na ścieżce trajektorii. W przypadku rotacji segmentu i stawu, wektory zostaną obliczone w referencyjnych układach współrzędnych dla segmentów górnego i przedramienia.

Z wynikowych danych dotyczących ruchu środka ciężkości segmentu i obrotu segmentu zostaną obliczone różne zmienne wynikowe. Najistotniejsze z nich określą zmiany wydajności w odniesieniu do ruchu w punkcie końcowym i postawy całego ramienia, w szczególności ewolucję ruchu w czasie (pochodne czasu) oraz fragmentację segmentowej ścieżki i postawy ramienia poruszając się w kierunku różnych celów. Zbadane zostaną dodatkowe aspekty ruchu w celu znalezienia najbardziej odpowiednich deskryptorów wydajności motorycznej ramienia i zmian po proponowanych interwencjach klinicznych.

Wyniki zmian zostaną obliczone dla każdego przedmiotu w celu określenia wskaźnika poprawy (IP) i wskaźnika uczenia się (IL). IP definiuje się jako zmianę każdej zmiennej jako stosunek wartości po badaniu do wartości przed badaniem. IP równy 1 oznacza brak zmian, podczas gdy wartości ujemne i dodatnie wskazują, że wartość odpowiednio spadła lub wzrosła. W przypadku niektórych zmiennych dodatnie współczynniki będą wskazywać na poprawę (prędkość w punkcie końcowym, gładkość w punkcie końcowym, miary kątów, amplitudy fazowe), podczas gdy w przypadku innych współczynniki na poprawę będą wykazywane przez współczynniki ujemne (czas ruchu, precyzja ruchu). IL, używana do określenia, czy badani zachowują poprawę po treningu dla każdej epoki obserwacji, jest zdefiniowana jako zmiana zmiennej przy retencji w porównaniu z post-testem. Wartości IL równe 1 wskazują, że poprawa jest utrzymana (brak zmian), wartości ujemne oznaczają spadek parametru, a wartości dodatnie – wzrost parametru.

Analiza statystyczna: W naszym pierwszym celu zmiany w miarach wyniku zostaną określone przez porównanie wyników ruchu przed i po fazach nabywania i utrzymywania za pomocą dwupowtórzonych miar ANOVA o mieszanym projekcie (MANOVA) i porównanie surowych średnich (Czas 1, Czas 2, Czas 3, Czas 4) i zmień wyniki (IP, IL) pomiędzy grupami. Badacze określą, które miary kinematyczne ulegają największym zmianom, a tym samym mogą najbardziej wskazywać na regenerację motoryczną (np. Badacze spodziewają się, że zmiany w treningu grupowym w Środowisku I będą większe niż w przypadku treningu grupowego w Środowisku 2.