Evidence Based Medicine nella riabilitazione dei pazienti con ... · isometric tests indicates that...
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Evidence Based Medicine nella
riabilitazione dei pazienti con alterazioni
del tono-trofismo muscolare
Prof. Calogero FOTI, MD, FEBPRM
Cattedra di Medicina Fisica e Riabilitazione
Sefora CODAZZA, MD
Formazione Specialistica
Rossella VISCITO, MD
Dottoranda
Dipartimento di Scienze Cliniche e Medicina Traslazionale
Università di Roma Tor Vergata
C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare Roma, 27 Novembre 2015
Sessione
EVIDENZE SCIENTIFICHE NELLA RIABILITAZIONE MUSCOLO-SCHELETRICA
Rehabilitation Plan
PROTECTION AGAINST UNDUE STRESS
NEED FOR STRESS TO RETARD ATROPHY
C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare Roma, 27 Novembre 2015
Sports Rehabilitation
Clinical Program
I PHASE
PAIN – ROM – (WEIGHT BEARING) – STRENGTHENING EXERCISE
II PHASE
FUNCTIONAL EXERCISE (PROPRIOCEPTION, PLIOMETRY, DRILL)
III PHASE
BACK TO THE FIELD
MUSCLE
EVALUATION
MUSCLE
EVALUATION
C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare Roma, 27 Novembre 2015
Sport Rehabilitation
Clinical Program
I PHASE
PAIN – ROM – (WEIGHT BEARING) – STRENGTHENING EXERCISE
II PHASE
FUNCTIONAL EXERCISE (PROPRIOCEPTION, PLIOMETRY, DRILL)
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PAIN
ROM
STRENGTHENING EXERCISE
Sport Rehabilitation
Clinical Program
I PHASE
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PAIN
ROM
STRENGTHENING EXERCISE
Sport Rehabilitation
Clinical Program
I Phase
C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare Roma, 27 Novembre 2015
PAIN
ROM
STRENGHTENING EXERCISE
Sport Rehabilitation
Clinical Program
I Phase
C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare Roma, 27 Novembre 2015
Sport Rehabilitation
Clinical Program
I PHASE
PAIN – ROM – (WEIGHT BEARING) – STRENGTHENING EXERCISE
MUSCLE
STRENGTH
EVALUATION
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II PHASE
FUNCTIONAL EXERCISE (PROPRIOCEPTION, PLIOMETRY, DRILL)
PROPRIOCEPTION
PLYOMETRY
DRILLING EXERCISE
Sport Rehabilitation
Clinical Program
II PHASE
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Sport Rehabilitation
Clinical Program
II PHASE
PROPRIOCEPTION
PLYOMETRY
DRILLING EXERCISE
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Sport Rehabilitation
Clinical Program
II PHASE
PROPRIOCEPTION
PLYOMETRY
DRILLING EXERCISEC.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare Roma, 27 Novembre 2015
Sport Rehabilitation
Clinical Program
MUSCLE
STRENGTH
EVALUATION
C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare Roma, 27 Novembre 2015
II PHASEFUNCTIONAL EXERCISE (PROPRIOCEPTION, PLIOMETRY, DRILL)
III PHASEBACK TO THE FIELD
FUNCTIONAL EXERCISE
SAFE RETURN TO FULL ACTIVITY
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MUSCLE TESTINGDaniels, Williams, Worthingam
0 none contraction1 palpable contraction, none movement2 movement in absence of force of gravity - full ROM3 movement against force of gravity - full ROM4 movement against force of gravity and moderate resistance - fullROM5 normal strength
Medical Research Council, War Memor. n.7, 1943, from
“Aids to the investigation of the peripheral nerve injuries”, London, repr.1970
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Cealing Effect
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Contraction types
Anisometric• Concentric
–Isotonic–Isokinetic
• Eccentric–Isotonic–Isokinetic
Anisometric• Concentric
–Isotonic–Isokinetic
• Eccentric–Isotonic–Isokinetic
IsometricIsometric
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ISOMETRIC FORCE
musclecontraction in
a staticcondition
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Isometric Test
Bad None movement
None mechanical work
None power
Bad Vasoconstriction at low tension
(Barcroft, 1960)
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Sale DG, MacDougall D: Specificity in strength training: a review for coach
and athlete. Can J Appl Sport Sci 6:87-92, 1981
The most important criterion
in selecting a test is specificity
The low relationship between dynamic and
isometric tests indicates that muscular
measures are specific to the test modality
rather than general qualities
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Isometric test
Not specific to the performance of most human movements that
require dynamic activation of musculature through a
movement range
That is
No relationship between jumping
performance and isometric force in
Finnish national male volleyball team
Mero A, Luhtanen P, Viitasalo J at al: poor correlation between isometric tests and dynamic performance:
relationship to muscle activation. Eur J App Physiol 63:352-357, 1996
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Forza Isometrica e sEMG
Isometric Force and EMG
Mechanical and Electrical differences between isometric and anisometric contraction
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ISOMETRIC FORCE
Poorly correlated to dynamic force
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Isokinetic Force
Accomodating
Resistance along the
entire range of motion
at the maximum effort
degree by degree
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Pre-stretching
Eccentric and soon after
concentric contraction of the
antagonist/agonist muscles
• Increasing work and power
• Increasing efficiency
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Stretch Shortening Cycle
• Reuse of elastic energy
• Neural Facilitation induced by
stretch reflex
• less than 100 ms between eccentric and concentric contraction
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Stretch Shortening Cycle
Isokinetic Actuators don’t
permit SSC
• less than 100 ms between eccentric and concentric contraction
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Stretch Shortening Cycle
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sEMG durante il movimento
isocinetico
Isokinetic Movement and sEMG
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13 rad/s: knee
angular velocity
during soccer kick
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Strenght/Velocity RelationshipIsokinetic Curve
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Strenght/Velocity RelationshipIsoinertial Curve
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Isokinetic Evaluation
Good Good riproducibility
Good Clinical safety
Bad Unnatural movement induced by
strumentation
Bad None stretch-shortening cycle
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Isoinertial Exercise
The External resistance is
constant throughout the
range of motion
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He works against Force of Gravity
Force of Gravityinfluenced Mankind in reaching standing
position
Force of Gravityinfluenced great artists
in creating theirmasterpieces
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She can lift5kg x
10cm butlittle power= 10W
Same work,
different
velocity
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This big bee
can lift
5kg x 10cm
but
great power
= 100WC.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare Roma, 27 Novembre 2015
Same work,
different
velocity
Iso-inertial testFree load
Motion without great tension
PAIN FREERoma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Power developed during leg-extension exercises performed by a female basketball player with a total load of
10kg (including weight estimated for the thigh), presented in function of time. The operated leg (O)
demonstrated lower power requiring longer development time than the other leg (N)
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Power developed during leg-extension exercises performed by a female basketball player with a total load of
10kg (including weight estimated for the thigh), presented in function of time. The operated leg (O)
demonstrated lower power than the other leg (N)
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
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ISOINERTIAL DEVICEMUSCLE LAB BOSCO SYSTEM
System accuracy∆v% = 0.863%
∆F% = 0.291%
∆P% = 1.158%
Reproducibilitysame day from 0.57 to 0.84
day to day from 0.85 to 0.97
Specificitystrong correlation
Force velocity relationship
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Device based on a precise
measurement of load
displacements of any
machine using gravitational
loads as external resistance
ISOINERTIAL DEVICE
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Device allows the calculation of
velocity, force and power during
concentric, eccentric and stretch-
schortening cycle activity,
through a sensor consisting of an
infrared photo interrupter
ISOINERTIAL DEVICE
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a) Shuttle including
i.r. photo
interrupters
b) Trach bar
including code strip
c) Microcomputer
d) Moving loads
ISOINERTIAL DEVICE
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IsoinertialIsoinertialIsoinertialIsoinertial
EvalutationEvalutationEvalutationEvalutation
C. Bosco, A.
Belli, M. Astrua,
C. Foti et al:
A dynamometer
for evaluation
of dynamic
muscle work
Eur J Appl
Physiol (1995)
70:379-386
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Isoinertial Evaluation
Benchmark
• Average Force (N)
• Average Power (W)
• Time to peak power (ms)
• Average linear velocity (m/s)
• Four iEMG signals
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0
20
40
60
80
100
120
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
A.U.
KG
ISOINERTIAL GRAPH
N
W
TPP
Displ
C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare Roma, 27 Novembre 2015
sEMG HELPS TO
STUDY
RELATIONSHIP
BETWEEN NERVE
AND MUSCLE
SYSTEM
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Neuromuscular Efficiency
Antalgic Inhibition
Isoinertial Evaluation
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Muscle Injuries: Is there a
necessity of Imaging?
Ultrasound Imaging in Sports
Medicine
The growing emphasis on the health and fitness
over the years has resulted in increases in both the
number and kind of sport-related injuries
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Ultrasound Imaging in Sports
Medicine
Musculoskeletal Ultrasound (MSUS) and Magnetic
Resonance imaging (MRI) have been the mainstay
of sports-injury imaging armamentarium.
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Ultrasound Imaging in Sports
Medicine
Better• Less expensive
• More widely accessible
• Real time dynamic imaging
• High resolution
• Simultaneous comparison
• Sonopalpation
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Ultrasound Imaging in Sports
Medicine
Worst
• User dependency
• Incomplete evaluation of the whole anatomy
due to its inhability to visualize
structures/pathologies inside the bony tissues
C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare Roma, 27 Novembre 2015
Muscle Injuries: Is there a
necessity of Imaging?
Indeed all the Imaging Procedures are not fully
functional; it means that they don’t give response
about the capacity of the injuried muscle to
produce power during a sports effort
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HAMSTRING INJURIES EARLY DIAGNOSIS
Hamstring strains are the most common injuries in athletes
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• H/Q Ratio < 60% with isokinetic device
was considered able to detect hamstring
lesions
• Force developed during eccentric work at
extremely high speed cannot be compared
with the force during isokinetic motion
• Isokinetic test cannot predict hamstring
injuries
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
HAMSTRING INJURIES EARLY DIAGNOSIS
Hamstring Functional Jump Test
Electrodes Disposition
Biceps
femoris
Rectus Femoris
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Hamstring Functional Jump Test
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Normal EMGrms signal
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Abnormal EMGrms signal
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
EMGrms ratio Q/H > 1 no damage
Hamstring Functional Jump Test
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
EMGrms ratio Q/H < 1 Subclinic Functional Alteration
Hamstring Functional Jump Test
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
C. Foti, MD
Physical and Rehabilitation Medicine
Tor Vergata University
Rome, Italy
KACLiR Test in Knee instability: what’s new?
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Analyze a new component in the evaluation of the functional stability of the knee
KACLiR TEST
Why?
Knee
Anterior
Cruciate
Ligament
Reconstruction
K
A
C
Li
R
TESTRoma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
• Aim of the present research is to introduce a new procedure to determine the amount of functional recovery after knee joint surgery
• We propose to compare the biomechanicperformance in the leg extensor test synchronised with sEMG, the H/Q sEMG ratio in jump test and the response in the EMG activity to vibratory stimuli, in the operated and in the uninjured legs
KACLiR Test
END POINT
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
KACLiR TEST
Leg extension assessment for mechanical
power calculation
A diagnostic technique consisting on monitoring the muscles EMGrms activity during free load leg extension and jumps was applied for identify strength and imbalance deficit of the operated (OL) and non operated (NOL) legs
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
KACLiR TEST
Whole body vibration treatment procedure
Diagnostic technique consisting on monitoring the
muscles EMGrms activity during vibration
was applied for identify altered neural strategies of
motoneuron pool recruitment
(Nemes ® Bosco System)
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- Patients operated with ACL reconstruction (tested from 6 to 270 wks
after surgery)
- Subjects with previous surgery of the lower limbs and spine
- Concomitant disease contralateral limb or systemic diseases
- Surgical intervention prior to more than 1 month
- Muscle injury in the acute or subacute phases
Group A
Experimental Group
38 patients
Mean age = 21,4 ± 3.9
Group B
Control Group
14 healthy subjects
Mean age = 28 ± 6.14
Inclusion criteria
Exclusion criteria
KACLiR TEST
Materials and Methods
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First step: Leg extension
Second step: Squat jump
Third step: Counter movement jump
Fourth step: EMG/WBV
KACLiR test
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
KACLiR testFirst step
Leg extension
EMGrms
VL sx
VM sx
VM dx
VL dx
EM
G[m
V]
Time[s]
0.0
0.5
1.0
1.5
11.3 12.2 13.2 14.2
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
EMGrmsVL sxVM sxVM dxVL dxHam sxHam dx
EM
G[m
V]
Time[s]
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.9 3.7 4.4 5.2
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
KACLiR testSecond step
Squat Jump
EMGrmsVL sx
VM sxVM dx
VL dx
Ham sx
Ham dx
EM
G[m
V]
Time[s]
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
4.94 5.94 6.95 7.95
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
KACLiR testThird step
Counter Movement Jump
EMGrms
VL sn
VM sn
VM dx
VL dx
EM
G[m
V]
Time[s]
0
1
2
3
4
0.01 10.01 20.00 30.00
•10 s without WBV
•30 s with WBV at 30 Hz
•10 s without WBV
(Nemes ® Bosco System)
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
KACLiR testFourth step
EMG/WBV
First step: Leg extension
Leg displacement,
peak velocity, and
mean velocity in the
non operated leg
(NOL) were higher
than those in the
operated leg
(OL)
KACLiR Test
RESULTS
***
**
**
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
peak v mean v leg displacement
(v in m/s
s in dm)
LEG EXTENSION
Operated Leg
Non-Operated
Leg
** p<0,01
*** p<0,002
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Second step: Squat jump
sEMG H/Q ratio of
the operated leg was
120% higher than the
contralateral one
sEMG activity of leg
extensor muscles of
the operated leg was
80% lower than the
contralateral one
KACLiR Test
RESULTS
*
*
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
H/Q EMGs of Quadriceps
Squat Jump
Operated Leg
Non-Operated
Leg
* p<0,05
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Third step: Counter movement jump
sEMG H/Q ratio of
the operated leg was
64% higher than the
contralateral one
sEMG activity of
quadriceps of
operated leg was 80%
lower than the
contralateral one
KACLiR Test
RESULTS
*
*
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
H/Q EMGs of Quadriceps
Counter Movement Jump
Operated Leg
Non-Operated
Leg
* p<0,05
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
The increase in
sEMG activity
monitored during
vibration treatment
was 100% higher
in the operated leg
than in the non
operated one
Fourth step: EMG/WBV
KACLiR Test
RESULTS
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
The high EMG activity noted in the operated leg might be caused by
the inappropriate function of proprioceptors
During surgery the proprioceptors were severed,
resulting in hyperactivity duringvibration treatment, mediated by
muscle spindle receptors and alpha motoneurons
(Johansonn H, Lorentzon R, Sjolander P, Sojka P, Neuro-Orthop 1990.)
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Analyzing and recording sEMG behaviourof extensor muscles during vibratory
stimulation could allow the quantificationand assessment of knee impairment dueto the proprioceptors inability to function
properly after surgery
KACLiR Test
CONCLUSIONI/II
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Combination of isoinertial dynamic testsand vibration stimulation both associated
to sEMG recordings may allow fordetection of impairment of neuromuscularfunctionality as well as monitoring
progress of the rehabilitation programs inKnee ACL reconstruction
KACLiR Test
CONCLUSIONII/II
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare
Calogero Foti, Alessandro Laurini, Simone
Tiberti, Giancarlo Carli, Olga Tsarpela, Kostas Adamidis, Marco Bonifazi, Arrigo Giombini,
Joszef Tihanyi, Serge von Duvillard, Marilena
De Vita, Carmelo Bosco (2012) Leg extension test, sEMG and vibratory stimuli to assess functional recovery following knee joint surgery. Muscles, ligaments and
tendons journal 2: 2. 127-132 Apr.
Roma, 27 Novembre 2015C.FOTI: EBM nella riabilitazione dei pazienti con alterazioni del tono-trofismo muscolare