Applicazioni di Realtà Vi t l i Ri bilit iVirtuale in...

Università di PisaCorso di Laurea in Terapia Occuapazionale

C d l ll l lCorso di Bioingegneria applicata alla Realtà VirtualeAnno Accademico 2009/2010

Applicazioni di Realtà Vi t l i Ri bilit iVirtuale in Riabilitazione

Ing. Stefano Mazzoleni, PhD

Neuroplasticità

Le connessioni sinaptiche sonocontinuamente modificate (ricontinuamente modificate (ri-organizzazione dei circuiti):

in risposta ad apprendimento,memoria, mancato uso;

a seguito di un danno al SistemaNevoso Centrale;Nevoso Centrale;

Long Term Potentiation (LTP):g ( )alterazione della struttura dellasinapsi.

Neuroplasticità

Flessibilità della corteccia motoria: implicazioni per lariabilitazioneriabilitazione

Aree corticali hanno l’abilità di adattare la lorofunzione, piuttosto che acquisire nuove funzioni

Addestramento intensivo di un’area corticale puòavvenire alle spese di aree circostanti

Cambimenti rapidi nell’attività corticale:ddaddestramento intensivo vs. estensivoIdentificare regioni danneggiate e applicare terapia

ifispecifica

Tecnologie e RiabilitazioneL’influenza potenziale delle tecnologie per la riabilitazione sulleprestazioni

Perdita della capacità di

Sistemi Robotici, Realtà Virtuale

Stimoli motori e sensoriali:capacità di

effettuare un dato compito

Realtà Virtuale, SEF

sensoriali:- Rigidità/ROM- Spasticità- Forza muscolare

Riduzione del supporto

riabilitativo

- Ripetizioni al limite delle prestazioni- Feedback delle riabilitativo prestazioni

Miglioramento delle prestazioni

- Neuroplasticità - Apprendimento

motorio

Quali fattori influiscono sull’apprendimento sensimotorio?

FisiciFeedback sensoriali – vista, udito, tatto, propriocezionep pMuscoloscheletrici: Schema muscolare, forza e posturaFunzionalità neurologica e coordinazione

PsicologiciPiacere - doloreM ti i t i i d id i i f lli t iMotivazione, partecipazione e desiderio – noia, fallimento, ansia

CognitivigCapacità di prendere decisioniPianificazioneRagionamentoRagionamentoConcentrazione e attenzioneLinguaggio e comprensione – capacità di comprendere istruzioni

Come può essere facilitato il ri-apprendimento sensimotorio?

Ripetizione – movimenti orientati all’obiettivo (goal oriented)Rafforzamento muscolare e incremento degli intervallig

articolari (ROM)Modulazione della spasticitàAttenzione incrementataIncremento degli input sensoriali:

Intrinseci: stimolazione diretta delle fibre sensoriali oIntrinseci: stimolazione diretta delle fibre sensoriali ofeedback propriocettivo

Estrinseci: feedback dall’esperienza del movimento opraggiungimento “osservato” di un obiettivo

Esercizio…

La semplice ripetizione non è sufficienteContesto: goal oriented rilevante reale vs immaginato (ChiContesto: goal-oriented, rilevante, reale vs. immaginato (Ching-

yi Wu, Arch Phys Med 2000) o simulato (Hu-ing Ma. Am J OT 1999)Vario: Casuale vs. a blocchi (Hanlon RE, Arch Phys Med 1996)Va o: Casua e s. a b occ ( a o , c ys Med 996)Feedback: incoraggiamentoApprocci di apprendimento: implicito vs. esplicito (Boyd LA,

and Winstein CJ, Physical Therapy 2003)Attenzione al compito da proporre al paziente: motivazione,

successosuccesso

Ericsson KA et al. The role of deliberate practice in the acquisition of expert performance. Psych Ericsson KA et al. The role of deliberate practice in the acquisition of expert performance. Psych rev 1993 Vol 100; 3; 363-406

Acquisizione di una abilità

Apprendimento implicito ed esplicito

Apprendimento esplicito:“Come fare a…” – associato con la memoria, aspetti

cognitivi, …Apprendimento può essere molto rapido e si può valutare

mediante domande direttemediante domande diretteApprendimento implicito:

Abilità motorie sono esempi di apprendimento implicitop pp pDimostrata dal “fare”

I terapisti fanno spesso uso dell’apprendimento esplicitonell’addestramento delle abilità motorie

L’evidenza scientifica suggerisce che questa scelta può nonessere efficace (Boyd & Winstein Physical therapy Nov 2003)essere efficace (Boyd & Winstein Physical therapy Nov 2003)

Realtà VirtualeLe disabilità derivanti da patologie del sistema muscolo-scheletrico e delsistema nervoso centrale, possono incidere considerevolmente sia sulla qualitàdi it d ll ( difi d l di i di l t ) i i i t idi vita della persona (modificandone la condizione di salute), sia sui sistemisanitari (incrementandone la richiesta di assistenza).

Recenti sviluppi nel campo delle neuroscienze, della neurofisiologia e dellescienze computazionali hanno condotto alla teorizzazione di nuovi modelli perl’interpretazione dei meccanismi di funzionamento del sistema motorio.p

In questo contesto si è sviluppata la possibilità di sperimentare, anche in ambitoriabilitati o strategie terapeutiche innovative basate su questi modelliriabilitativo, strategie terapeutiche innovative basate su questi modelli.

La Realtà Virtuale, insieme alle applicazioni robotiche, può contribuire app pridurre i danni motori e cognitivi e a migliorare la qualità della vita dei pazienti(teleriabilitazione)

Teleriabilitazione

Realtà Virtuale e Riabilitazione

2 gruppi di pazienti post-ictus

Gruppo A (n=11): trattamento robotico e Realtà Virtuale(manipolazione di oggetti 3D con dispositivo aptico): 3( a po a o e d oggett 3 co d spos t o apt co): 3sessioni/settimana x 4 settimane

Gruppo B (n=11) ha continuato la riabilitazione fuoridell’ospedale

Risultati: i pazienti del gruppo A hanno mostrato unRisultati: i pazienti del gruppo A hanno mostrato unmiglioramento nel test Box & Block, ma non nelle ADL

Broeren et al., Cerebrovasc Dis, 2008


Test Box & Block (Test per la destrezzamanuale)manuale)

Il tempo di prova stabilito è di un minuto: ili t d t lt i b ttipaziente deve spostare, uno per volta, i cubetti

da una parte all’altra del contenitoreIl numero di cubetti spostati viene registratoIl test viene ripetuto a metà trattamento e a fine

trattamentoIl terapista (o il medico fisiatra) eseguono lap ( ) g

valutazione del miglioramento ottenuto

Prestazioni vs Apprendimento

AcquisizioneC bi t i di t t d tCambiamento immediato osservato durante

l’addestramentoRitenzione (Retention)Ritenzione (Retention)

Vero “apprendimento”Cambiamento ancora presente dopo ore/dopo anni (StudiCambiamento ancora presente dopo ore/dopo anni (Studi

di follow-up a 3 mesi/6 mesi/12 mesi/24 mesi/36 mesi)Trasferimento o “generalizzazione motoria”g

Miglioramento delle prestazioni funzionali (ADL)


35 pazienti post-ictus in fase acutaGruppo sperimentale (n=17) ha ricevuto addestramentoGruppo sperimentale (n=17) ha ricevuto addestramento

addizionale di tipo robotico sensorimotorio (NeReBot)Gruppo controllo ha utilizzato il dispositivo con l’arto sanoG uppo co t o o a ut ato d spos t o co a to sa oRisultati: miglioramento nella scala Fugl Meyer, FIM e forza

del deltoide e bicipite, fino a 8 mesi dopo il trattamento

Masiero et al., Arch Phys Med Rehabil, 2007

Per ora gli studi hanno mostrato una evidenza limitata circal’efficacia dell’utilizzo della Realtà Virtuale, ma i risultati sonoi i tiincoraggianti

Henderson et al., Top Stroke Rehabil, 2007p


Butler DP et al., Wii-habilitation: Is there a role in trauma?Injury 2010 (in press)Injury 2010 (in press)

Utilizzo della piattaforma Wii per la riabilitazione

Adamovich SV et al., Sensorimotor training in virtualreality: a review, NeuroRehabilitation 2009;25(1):29-44.

Studi di neuroimmagini per valutare gli effetti della manipolazioneStudi di neuroimmagini per valutare gli effetti della manipolazionesensoriale sugli schemi di attivazione cerebrale e l’effetto dei variparametri di addestramento sui cambiamenti a lungo termine nellaf i b lfunzione cerebrale

Studi clinici con elevato numero di pazienti per stabilire l’efficaciad ll b l d l ldella riabilitazione sensorimotoria mediante Realtà Virtuale e peridentificare i parametri di Realtà Virtuale associati al trasferimentoottimale per i miglioramenti funzionalip g


You SH et al., Cortical reorganization induced by virtualreality therapy in a child with hemiparetic cerebral palsy Devreality therapy in a child with hemiparetic cerebral palsy, DevMed Child Neurol 2005;47(9):628-35.

Studio con fMRI che mostra evidenza di neuroplasticità dopo terapiap p pcon Realtà Virtuale in un bambino con paralisi cerebrale

Tsirlin I et al Uses of virtual reality for diagnosisTsirlin I et al., Uses of virtual reality for diagnosis,rehabilitation and study of unilateral spatial neglect: reviewand analysis, Cyberpsychol Behav 2009;12(2):175-81.y y p y ( )

Mumford N et al., Virtual reality in acquired brain injuryli b h bilit ti id b d l ti f li i lupper limb rehabilitation: evidence-based evaluation of clinical

research, Brain Inj 2009 Mar;23(3):179-91.


You SH et al., Cortical reorganization induced by virtualreality therapy in a child with hemiparetic cerebral palsy Devreality therapy in a child with hemiparetic cerebral palsy, DevMed Child Neurol 2005;47(9):628-35.

Studio con fMRI che mostra evidenza di neuroplasticità dopo terapiap p pcon Realtà Virtuale in un bambino con paralisi cerebrale

Sharar SR et al Applications of virtual reality for painSharar SR et al., Applications of virtual reality for painmanagement in burn-injured patients, Expert Rev Neurother2008;8(11):1667-74.( )

Realtà Virtuale immersiva fornisce un forma particolarmente intensadi “distrazione” cognitiva durante i trattamenti terapeutici dolorosi


Deutsch JE et al., Virtual reality-based approaches to enablewalking for people poststroke Top Stroke Rehabilwalking for people poststroke, Top Stroke Rehabil.2007;14(6):45-53.

Brooks BM et al., The use of virtual reality in memoryrehabilitation: current findings and future directions,NeuroRehabilitation 2003;18(2):147-57.

Kamper D et al A pneumatic glove and immersive virtualKamper D et al., A pneumatic glove and immersive virtualreality environment for hand rehabilitative training afterstroke, IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 2010 (in press), y g ( p )

Realtà Virtuale e RiabilitazioneSistema audio

Surround

Schermo Lokomat Workstation per VR


Try and Error: sistema di Realtà Virtuale per il Lokomatpediatricopediatrico


PeLoViR: scenario “calcistico”


Il bambino mostra un’attività incrementata se l’avversario è visibile sullo schermovisibile sullo schermo

Avversario visibile

Avversario non visibile


Paediatric Interactive Therapy System (PITS)


Paediatric Interactive Therapy System (PITS)

3 differenti scenari che permettono la variazione e3 differenti scenari che permettono la variazione el’adattamento dei compiti con livello di difficoltà regolabile.

Ciò permette ai bambini di esercitarsi in movimenti specificiCiò permette ai bambini di esercitarsi in movimenti specificidell’arto superiore con feedback immediato relativo alle proprieprestazioni motorie


Dispositivo per la riabilitazione della mano

Sensori di forza/coppia


Dispositivo per la riabilitazione della mano


Task #1: aprire la cassaforte


Task #2: riempire la caraffa


Task #3: toro elastico

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