Setup per la valutazione quantitativa del movimento e dell'attività muscolare durante un test virtuale di box e blocchi modificati

Il movimento è il modo in cui interagiamo con il mondo. Mentre le attività quotidiane come prendere un bicchiere d’acqua o camminare per andare al lavoro possono sembrare semplici, anche questi movimenti si basano su una segnalazione complessa tra il sistema nervoso centrale, i muscoli e gli arti. Pertanto, l’indipendenza personale e la qualità della vita sono altamente correlate al livello di funzione degli arti di un individuo ^2,3. Il danno neurologico, come la lesione del midollo spinale (SCI) o la lesione dei nervi periferici, può provocare deficit motori permanenti, diminuendo così la capacità di eseguire anche le semplici attività della vita quotidiana ^4,5. Secondo il National Institute of Neurological Disorders and Stroke, oltre 100 milioni di persone negli Stati Uniti sperimentano deficit motori, con l’ictus come una delle principali cause ^6,7,8. A causa della natura di queste lesioni, i pazienti spesso richiedono cure prolungate in cui la valutazione motoria quantitativa e il trattamento a distanza possono essere utili.

Le pratiche attuali per il trattamento dei disturbi del movimento spesso richiedono una valutazione clinica iniziale e continua della funzione attraverso l’osservazione da parte di esperti qualificati come fisioterapisti o terapisti occupazionali. I test clinici standard convalidati spesso richiedono professionisti qualificati per la loro somministrazione, con vincoli di tempo specifici e punteggio soggettivo di movimenti o compiti funzionali predefiniti. Tuttavia, anche in individui sani, movimenti identici possono essere eseguiti con diverse combinazioni di angoli articolari. Questo concetto è definito ridondanza muscoloscheletrica.

I test clinici funzionali spesso non tengono conto della ridondanza individuale alla base della variabilità intersoggetto. Sia per i medici che per i ricercatori, distinguere tra la normale variabilità causata dalla ridondanza e i cambiamenti patologici nel movimento rimane una sfida. Le valutazioni cliniche standardizzate eseguite da valutatori ben addestrati utilizzano sistemi di punteggio a bassa risoluzione per ridurre la variabilità tra valutatori e migliorare la validità dei test. Tuttavia, questo introduce effetti limite, abbassando così la sensibilità e la validità predittiva per i soggetti che possono avere lievi deficit di movimento ^9,10. Inoltre, questi test clinici non sono in grado di distinguere se i deficit sono causati da una meccanica corporea passiva o da una coordinazione muscolare attiva, che può essere importante durante la diagnosi iniziale e nella progettazione di un piano riabilitativo specifico per il paziente. Studi clinici randomizzati hanno rivelato un’efficacia incoerente dei piani di trattamento formulati sulla base delle prove fornite da questi test clinici 11,12,13. Diversi studi hanno sottolineato la necessità di metriche cliniche quantitative e di facile utilizzo che possano essere utilizzate per guidare la progettazione di interventi futuri^14,15.

In studi precedenti, abbiamo dimostrato l’implementazione della valutazione automatizzata del movimento utilizzando dispositivi di motion capture prontamente disponibili nei pazienti con compromissione del braccio post-ictus, nonché la valutazione della funzione della spalla dopo un intervento chirurgico al torace in pazienti con carcinoma mammario^16,17. Inoltre, abbiamo dimostrato che l’utilizzo dei momenti articolari attivi per stimare i momenti muscolari di specifici movimenti attivi è una misura più sensibile dei deficit motori dopo l’ictus rispetto agli angoli articolari¹⁸. La cattura del movimento e l’elettromiografia di superficie (EMG) possono quindi essere di fondamentale importanza nella valutazione dei pazienti che vengono diagnosticati come asintomatici dai test clinici standard, ma che possono ancora avere difficoltà di movimento, affaticamento o dolore. Questo articolo descrive un sistema che può consentire una caratterizzazione dettagliata e quantitativa del movimento durante i test clinici standard per lo sviluppo futuro di metodi per la valutazione e la riabilitazione domiciliare in popolazioni di pazienti con problemi di movimento.

La realtà virtuale (VR) può essere utilizzata per costruire un’esperienza utente coinvolgente durante la modellazione delle attività quotidiane. In genere, i sistemi VR tracciano i movimenti della mano dell’utente per consentire interazioni simulate con l’ambiente virtuale. Il protocollo che descriviamo qui utilizza prodotti di realtà virtuale di consumo per il motion capture per quantificare la valutazione dei deficit motori, in modo simile ad altri studi che dimostrano l’uso di controller per videogiochi standard nella valutazione quantitativa della compromissione dopo ictus o intervento chirurgico alla spalla^16,17. Inoltre, l’EMG è una misura non invasiva dell’attività neurale alla base della contrazione muscolare¹⁹. In quanto tale, l’EMG può essere utilizzato per valutare indirettamente la qualità del controllo neurale del movimento e fornire una valutazione dettagliata della funzione motoria. I danni muscolari e nervosi possono essere rilevati dall’EMG e disturbi come la distrofia muscolare e la paralisi cerebrale sono comunemente monitorati utilizzando questa tecnica^20,21. Inoltre, l’EMG può essere utilizzato per monitorare i cambiamenti nella forza muscolare o nella spasticità, che potrebbero non essere evidenti nelle valutazioni cinematiche^22,23, così come l’affaticamento e la coattivazione muscolare. Metriche come queste sono fondamentali per considerare i progressi della riabilitazione 23,24,25.

Il paradigma sperimentale qui descritto cerca di sfruttare una combinazione di VR ed EMG per affrontare i limiti degli strumenti di valutazione clinica tradizionali. Qui, ai partecipanti è stato chiesto di eseguire un compito Box and Block (BBT) ^modificato26 utilizzando oggetti reali e in VR. La BBT standard è uno strumento clinico utilizzato nella valutazione generale della funzione macroscopica degli arti superiori, in cui ai soggetti viene chiesto di spostare il maggior numero possibile di blocchi di 2,5 cm da un compartimento, su una partizione, a un compartimento adiacente entro un minuto. Sebbene siano spesso utilizzati per valutare in modo affidabile i deficit nei pazienti con ictus o altre condizioni neuromuscolari (ad esempio, paresi degli arti superiori, emiplegia spastica), sono stati riportati dati normativi anche per bambini e adulti sani, di età compresa tra 6 e^{89 e 26} anni. Una valutazione virtuale del movimento viene utilizzata per simulare gli aspetti funzionali del test clinico convalidato eseguito nella vita reale. La realtà virtuale viene utilizzata qui per ridurre l’hardware richiesto, consentendo al contempo la fornitura di istruzioni standardizzate e punteggi programmati e automatizzati. In questo modo, non sarebbe più necessaria una supervisione costante da parte di professionisti qualificati.

La BBT in questo studio è stata semplificata per concentrarsi sulla cattura del raggiungimento e dell’afferramento di un blocco alla volta che appare nella stessa posizione. Ciò ha massimizzato la riproducibilità dei movimenti e ridotto al minimo la variabilità tra soggetti nei dati registrati. Infine, i visori per realtà virtuale possono essere acquistati per un minimo di $ 300 e hanno il potenziale per ospitare più valutazioni. Una volta programmato, ciò ridurrebbe significativamente il costo associato alla tipica valutazione professionale e consentirebbe una maggiore accessibilità di questi test clinici standard e convalidati sia in contesti clinici che remoti/a domicilio.