Métodos para la evaluación motora objetiva de pacientes con daño cerebral adquirido en neurorrehabilitación funcional

El Daño Cerebral Adquirido (DCA) es una alteración de la actividad neuronal en áreas del cerebro que ocurre después del nacimiento. Las secuelas tras un episodio de DCA pueden ser motoras, cognitivas, sociales, entre otras, que pueden transformar la vida de los pacientes en los ámbitos educativo, laboral y familiar. Las causas del DCA pueden ser traumáticas y no traumáticas, siendo las más comunes el Accidente Cerebrovascular (ACV) o Ictus y el Traumatismo Craneoencefálico (TCE). El ACV es la segunda causa de muerte y la principal causa de discapacidad a largo plazo a nivel mundial. La organización mundial de la salud estima que para el año 2020 el TCE adelantará a muchas enfermedades para colocarse a la cabeza como principal causa de discapacidad. La neurorrehabilitación es un proceso clínico complejo dirigido a restituir, minimizar y/o compensar las alteraciones, físicas y cognitivas, en las personas discapacitadas como consecuencia de una lesión del sistema nervioso. La neurorrehabilitación es la principal alternativa para reducir el impacto de los déficits derivados de las lesiones cerebrales. En el área funcional o física, la neurorrehabilitación busca que los pacientes puedan alcanzar la máxima recuperación integral posible y la capacidad para realizar actividades de la vida diaria necesarias para desarrollar una vida independiente, relacionadas con la manipulación de objetos del entorno en las que la extremidad superior (ES) está directamente implicada. La gran variedad de movimientos y la complejidad de la ES hace que sea necesario el desarrollo de métodos de evaluación objetivos que permitan identificar con exactitud la mejora de los pacientes en la ejecución de movimientos. La evaluación motora de la ES de pacientes con DCA se realiza habitualmente mediante test clínicos subjetivos. Estos test se caracterizan por ser altamente dependientes de los criterios y experiencia del examinador, así como de factores del entorno que pueden alterar los resultados. La evaluación Fugl-Meyer (EFM) es uno de los test estandarizados más usados tanto en la práctica clínica como en estudios de investigación. La EFM tiene por objetivo evaluar el desempeño físico de los pacientes con DCA. El creciente número de sujetos con DCA y la falta de herramientas de valoración objetiva estandarizada, hace necesaria la creación de nuevos métodos que permitan modelar, cuantificar, evaluar e interpretar de manera detallada y precisa el movimiento de la ES. El objetivo principal de la Tesis es desarrollar una nueva metodología de evaluación motora objetiva basada en la evaluación Fugl-Meyer de la ES en pacientes con daño cerebral adquirido. La metodología de los trabajos utilizada y los resultados alcanzados en la Tesis Doctoral son los siguientes: 1. Modelado de la evaluación Fugl-Meyer. Como primera parte de esta investigación, se realiza el modelado y formalización del conocimiento asociado a la ejecución de los movimientos de la EFM de la ES. El modelado de la EFM permite la generación de modelos cinemáticos de referencia usados como línea base para el análisis de movimientos patológicos. 2. Cuantificación de los movimientos de la evaluación Fugl-Meyer. Se diseña, desarrolla y valida la metodología para la cuantificación del movimiento de sujetos sanos y de pacientes. Esta metodología se basada en la definición y el cálculo de métricas cinemáticas para la obtención de parámetros que caracterizan el movimiento. La cuantificación de los movimientos permite dos resultados principales: en primer lugar, la discriminación entre movimientos realizados por sujetos sanos y por pacientes. En segundo lugar, la definición del perfil disfuncional a partir de parámetros de movimiento que caracterizan la función motora de cada paciente. 3. Evaluación motora objetiva de la extremidad superior. Se diseña, desarrolla y valida la metodología de evaluación motora objetiva de los movimientos de la EFM de la ES realizados por pacientes con DCA. Esta metodología se basa en el cálculo de la puntuación de los parámetros de movimiento de los pacientes mediante el algoritmo implementado para este fin. Por tanto, la evaluación motora objetiva de la ES permite estimar de manera automática un score por cada movimiento de la EFM y un score global para todos los movimientos. 4. Interpretación del score global objetivo. Se realiza un análisis granular de los scores estimados por el algoritmo de evaluación, que permite la interpretación de la función motora de la ES de los pacientes con DCA. La interpretación se realiza con un nivel de detalle superior al disponible usando solo retroalimentación visual. Los resultados obtenidos han permitido alcanzar los objetivos planteados en la Tesis. Los métodos de evaluación motora objetiva de la ES en pacientes con DCA permiten mejorar los modelos actuales de neurorrehabilitación motora. Por tanto, los métodos propuestos pueden aumentar la precisión del diagnóstico y lograr una rehabilitación física más personalizada, basada en la evidencia y potencialmente efectiva de los pacientes con DCA. ----------ABSTRACT---------- The acquired brain injury (ABI) is an alteration of neuronal activity in areas of the brain that occurs after birth. The sequels after an episode of ABI can be motor, cognitive, social, among others, which can transform lives of patients in the educational, work and family environments. ABI can be caused by a traumatic or non-traumatic injury. The most common ABIs are cerebrovascular disease (stroke) and traumatic brain injury (TBI). Stroke is the second most common cause of death and is a major cause of long-term disability worldwide. The World Health Organization estimates that by the year 2020 the TBI will overtake many diseases to take the lead as the main cause of disability. The main objectives of physical neurorehabilitation are to restore and to compensate deficits to achieve maximum functional capacity, facilitating independence and reintegration in the family and social environments. Neurorehabilitation is a complex clinical process aimed at restoring, minimizing and/or compensating the alterations, physical and cognitive, in people with disabilities because of a nervous system injury. Neurorehabilitation is the main alternative, to reduce the impact of deficits derived from brain injuries. In the functional or physical area, neurorehabilitation looking at patients can achieve the maximum possible full recovery and the capacity to perform activities of daily life required for an independent life, in terms of the handling of objects in the environments in which the upper extremity (UE) is directly involved. The great variety of movements and the complexity of the UE makes it necessary to develop objective assessment methods that allow to accurately detect the improvement of patients in the movements execution. UE motor assessment of patients with ABI is usually done through subjective clinical tests. These tests are highly dependent on the examiner’s criteria and experience, as well as environmental factors that may alter the results. The Fugl-Meyer assessment (FMA) is one of the most used standardized tests both in clinical practice and in research. The aim of the FMA is to evaluate the physical performance of patients with ABI. The growing number of subjects with ABI and the lack of standardized objective assessment tools, make necessary to create new methods that allow to model, quantify, evaluate and interpret the UE movement in a detailed, accurate and reliable way. The main goal of this Thesis is to develop a novel objective motor assessment methodology based on the Fugl-Meyer assessment of the UE of patients with acquired brain damage. This PhD Thesis has achieved the following results: 1. Fugl-Meyer assessment modeling: first part of this research is the modeling and formalization of the knowledge associated to the execution of the FMA movements of the UE. The FMA modeling allows the generation of reference kinematic models used as a baseline for the analysis of pathological movements. 2. Quantification of the Fugl-Meyer assessment movements. The methodology for the quantification of the movement of healthy subjects and patients is designed, developed and validated. This methodology is based on the definition and calculation of kinematic metrics to obtain parameters that characterize the movement. The quantification of the movements allows two main results: first, the discrimination between movements made by healthy subjects and by patients. Secondly, the definition of the dysfunctional profile from movement parameters that characterize the motor function of each patient. 3. Objective motor assessment of the upper extremity. The methodology of objective motor assessment of the FMA movements of the ES performed by patients with ABI is designed, developed and validated. This methodology is based on the calculation of the score of the movement parameters of patients by using the algorithm implemented for this purpose. Therefore, the objective motor assessment of the UE allows to automatically estimate a score for each movement of the FMA and a global score for all movements. 4. Interpretation of the global objective score. A granular analysis of the scores estimated by the assessment algorithm is performed, which allows the interpretation of the UE motor function of patients with ABI. The interpretation is performed with a level of detail superior to that available using only visual feedback. The results have allowed to reach the proposed objectives in this PhD Thesis. This Thesis provide a new objective assessment tool for therapists to help them improve the diagnostic accuracy and to achieve a more personalized, evidence based and potentially effective physical rehabilitation of brain injury patients