Innovative Techniques for Biomechanical Evaluation of Stroke Survivors: Combined fMRI-Gait Analysis Assessment and Fugl-Meyer Clinical Scores Estimation Through Wearable Sensors

Stroke is a leading cause among cerebrovascular injuries responsible for disabilities and social functioning difficulties. This pathology can really affect patients functionality, so that they might not be able to perform the daily simple activities like walking, eating and so on. So individual rehabilitation programs are designed to address subject-specific motor impairments and functional limitations, therefore it is of paramount importance to optimize the outcomes of rehabilitation on a subject-by-subject basis. What clinicians usually do to assess the effectiveness of rehabilitation programs is to use some clinical scales, which are based on the observation of subjects’ motor behavior, they are usually time consuming, expensive to perform and quite subjective, so therapists and clinicians often favor increasing the time devoted to therapy at the cost of not performing longitudinal assessments of motor abilities. Therefore the aim of this work is trying to provide an objective and fast methodology to evaluate stroke survivors performances: the first method is based on a combined functional magnetic resonance imaging (fMRI)-gait analysis study, where fMRI is a MRI procedure that measures brain activity by detecting associated changes in blood flow, and gait analysis is the motion analysis of the human gait; the second one relies on the use of the wearable technology. The first section of the thesis describes the first method which focuses on an electromyographic biofeedback rehabilitation program for the lower limbs, while the second one develops a method to estimate clinical scores through the use of wearable sensors, centering mostly on the upper limbs. As regards the first method, one of the primary goals for neurological rehabilitation after stroke is to walk independently with a velocity and endurance which allow the patient to take part in home and community activities of daily living. In particular looking at the gait patterns of hemiparetic stroke survivors they tend to have a severe reduction of ankle power in the push-off phase of the gait cycle, which can lead to an overall reduced gait quality and velocity. The ankle power produced at this stage is a parameter which can be measured only by a laboratory integrated system for gait analysis. Recent studies have shown that rehabilitation protocols based on electromyographic biofeedback (BFB), in a motor learning context, in post-stroke patients, might improve the ankle joint power production during the push off, increase the speed and enhance the quality of their gait. The functional magnetic resonance imaging provides an effective approach to analyze brain activity during cognitive and motor tasks in both healthy subjects and, in this context, patients with neurological damages, thanks to the high spatial resolution and safety. So far fMRI has been applied almost exclusively to the upper limbs' analysis, only a few studies have investigated the brain activation during tasks related to the ankle joint. The overall analysis of the current state of art highlights the need to investigate the ankle plantar-dorsiflexion in these patients, from a clinical, kinematic, dynamic point of view and to follow the ankle recovery in relation to possible changes in brain activity. The study involves the recruitment of 1 control subject and 4 patients with chronic hemiparesis due to ischemic or hemorrhagic stroke, the patients underwent clinical evaluation, instrumented gait analysis and fMRI analysis. First a preliminary analysis at T0 (i.e. pre-rehabilitation treatment) was performed on post-stroke patients in order to identify the brain activation areas during the motor task of active and passive plantar-dorsiflexion, both for the unaffected and affected side, comparing the obtained results with the healthy subject data. Afterwards a longitudinal study was carried out on post-stroke patients, before and after a BFB rehabilitation program, aimed at improving the global ankle functionality during gait. Both gait analysis data (kinetics, kinematics and electromyographic activity (EMG)) and fMRI data were collected at T1 (i.e. 2 months after T0) to assess the stabilization of the functional clinical picture and to test the repeatability/reliability of the data collected at T0. Then patients underwent a BFB rehabilitation intervention and they were asked to come back for further assessments within 1 week after the end of rehabilitation (T2) and after 3 months of follow-up (T3) after the initial assessment. The T2 and T3 assessments included the same tests performed at T1. The healthy subject underwent the fMRI analysis, in order to determine the normative brain activation areas. Gait analysis was performed by means of an integrated motion analysis system consisting of infrared cameras synchronized with force plates and an EMG device in order to evaluate the subjects' kinematics, kinetics and the patterns of muscle activation. The data analysis, the functional assessment, the correlation between the gait analysis and the brain activity parameters were used to identify the possible relationship between the motor ability improvement and the brain reorganization after the BFB treatment; this might become a crucial aspect for the longitudinal assessment of the motor recovery in neurological patients and for the analysis of the mutual interactions between brain activation maps and gait analysis parameters. In this context clinical assessment scales to evaluate motor abilities in stroke survivors could be used to individualize rehabilitation interventions thus maximizing motor gains. Unfortunately, these scales are not widely utilized in clinical practice because their administration is excessively time-consuming. Wearable sensors could be relied upon to address this issue, so the second method exploits this technology. Sensor data could be unobtrusively gathered during the performance of motor tasks. Features extracted from the sensor data could provide the input to models designed to estimate the severity of motor impairments and functional limitations. In previous work, it has been shown that wearable sensor data collected during the performance of items of the Wolf Motor Function Test (a clinical scale designed to assess functional capability) can be used to estimate scores derived using the Functional Ability Scale, a clinical scale focused on quality of movement. The purpose of the study herein presented was to investigate whether the same dataset could be used to estimate clinical scores derived using the Fugl-Meyer Assessment scale (a clinical scale designed to assess motor impairments). The results showed that Fugl-Meyer Assessment Test scores can be estimated by feeding a Random Forest with features derived from wearable sensor data recorded during the performance of as few as a single item of the Wolf Motor Function Test. Estimates achieved using the proposed method were marked by a root mean squared error as low as 4.7 points of the Fugl-Meyer Assessment Test scale.La capacità di camminare autonomamente con la velocità e resistenza che permettono le attività di tutti i giorni è uno degli obiettivi primari per la riabilitazione neurologica dopo l'ictus (Stroke) che, tra le lesioni cerebro-vascolari, è considerato la principale patologia responsabile di disabilità e di difficoltà nell'inserimento sociale dopo l'evento acuto. Questa patologia può davvero influire sulla funzionalità dei pazienti, che generalmente impediscono loro di svolgere le semplici attività quotidiane come camminare, mangiare e così via. Ecco che diventa di fondamentale importanza riuscire a pianificare dei programmi di riabilitazione individuali ad hoc per risolvere gli specifici deficit motori e le limitazioni funzionali, questo, quindi, diventa basilare per ottimizzare i risultati della riabilitazione a livello individuale-soggettivo. Per valutare l'efficacia dei programmi di riabilitazione è pratica comune utilizzare alcune scale cliniche che si basano sull'osservazione delle performances motorie dei soggetti, tuttavia queste valutazioni richiedono molto tempo, sono costose e di fatto soggettive; perciò solitamente i fisioterapisti e i clinici preferiscono aumentare il tempo dedicato alla terapia a scapito di una valutazione longitudinale delle capacità motorie dei pazienti. L'obiettivo di questo lavoro è di fornire una metodologia oggettiva e veloce per valutare il recupero motorio dei pazienti post-ictus: il primo metodo si basa su un'analisi combinata di risonanza magnetica funzionale (fMRI)-analisi del cammino, dove l'fMRI è una tecnica di imaging biomedico che misura l'attività cerebrale rilevando i cambiamenti del flusso sanguigno e l'analisi del cammino è definita come l'applicazione dell'analisi del movimento al gesto del cammino; mentre il secondo si focalizza sull'utilizzo della tecnologia indossabile. La tesi è così strutturata: la prima sezione descrive il primo metodo che si concentra su un programma di riabilitazione basato su biofeedback elettromiografico per gli arti inferiori, mentre la seconda sezione si concentra su un metodo per stimare i punteggi clinici attraverso l'uso di sensori indossabili, centrando l'attenzione maggiormente sugli arti superiori. Per quanto riguarda il primo studio, è noto che i pazienti con emiparesi causata da ictus tendono ad avere una severa riduzione della potenza prodotta alla caviglia in fase di push-off, con conseguente riduzione della velocità deambulatoria; la potenza prodotta in questa fase è un parametro misurabile solo tramite strumentazione integrata di analisi del cammino effettuata in laboratorio. Studi recenti hanno dimostrato come un protocollo riabilitativo basato su biofeedback elettromiografico (BFB) in un contesto di apprendimento motorio di pazienti con emiparesi post-ictus stabilizzata, sia utile nel migliorare la produzione di potenza alla caviglia al push-off, la velocità e la qualità del cammino. La risonanza magnetica funzionale fornisce un approccio efficace per analizzare l'attività cerebrale relativa a processi motori e cognitivi, sia in soggetti sani che, in questo contesto, in soggetti affetti da danni neurologici, grazie all'elevata risoluzione spaziale e alla sicurezza; essa è stata quasi sempre applicata allo studio dell'arto superiore, pochi studi hanno investigato l'attivazione cerebrale durante task relativi alla caviglia. Nasce da queste considerazioni l'utilità di indagare la capacità di dorsiflessione plantare della caviglia, sotto il profilo clinico, cinematico-dinamico e di seguirne il recupero in relazione ad una possibile variazione dell'attivazione cerebrale. Lo studio ha previsto il reclutamento di 1 soggetto di controllo e di 4 pazienti cronici con emiparesi da ictus cerebrale (ischemico o emorragico) che sono stati sottoposti ad una valutazione clinica, ad un'analisi strumentata del cammino e ad un'analisi fMRI. In primo luogo è stata effettuata stata effettuata un'analisi preliminare a tempo T0 (ovvero pre-trattamento riabilitativo) nei pazienti post-ictus, per individuare le zone di attivazione cerebrale in seguito al movimento sia attivo che passivo di plantar-dorsiflessione, nell'arto colpito e non, confrontando i risultati ottenuti con i dati soggetto sano. Successivamente, sui pazienti post-ictus, è stato condotto uno studio longitudinale prima e dopo un programma riabilitativo di BFB, mirato al miglioramento della funzionalità della caviglia durante il cammino. Sono stati acquisiti i dati di fMRI e di analisi del cammino (cinetica, cinematica e attività elettromiografia di superficie (EMG)) al tempo T1 (2 mesi dopo T0) per verificare la stabilizzazione del quadro clinico-funzionale e per testare la ripetibilità dei dati raccolti a T0. I pazienti poi sono stati sottoposti ad un programma riabilitativo di BFB e sono stati invitati a ripresentarsi al termine della riabilitazione (entro 1 settimana, T2) e dopo 3 mesi di follow-up (T3) rispetto alla valutazione iniziale. Le valutazioni a T2 e T3 hanno incluso gli stessi test effettuati a T1. Sul soggetto è stata effettuata l'analisi fMRI, per definire le zone di attivazione cerebrale di riferimento da confrontare con i dati ottenuti dai pazienti. L'analisi del cammino cinematica e dinamica è stato sviluppato tramite un sistema integrato di analisi del movimento, rilevazione delle forze al suolo e dei pattern di attivazione muscolare (tramite EMG di superficie). L'analisi dei dati, la valutazione funzionale e la correlazione tra i parametri dell'analisi del movimento e dell'attività cerebrale sono stati utilizzati allo scopo di identificare la possibile relazione tra il miglioramento dell'atto motorio e la capacità di riorganizzazione cerebrale a seguito del trattamento di BFB; questo diventa fondamentale per la valutazione longitudinale del recupero motorio in pazienti neurologici e per lo studio delle interazioni reciproche tra le mappe di attivazione e i parametri di movimento. In questo contesto, le scale di valutazione clinica per esaminare le abilità motorie nei pazienti post-ictus potrebbero essere utilizzate per individuare e programmare interventi di riabilitazione personalizzati e ad-hoc, con lo scopo di massimizzare il recupero motorio. Purtroppo, queste scale non sono ampiamente utilizzate nella pratica clinica, perchè la loro somministrazione è dispendiosa sia dal punto di vista economico che lunga in termini di tempo. L'utilizzo di sensori indossabili potrebbe essere una possibile soluzione a questo problema, ecco che il secondo metodo sfrutta questa tecnologia. I dati dei sensori possono essere facilmente raccolti durante l'esecuzione di alcuni compiti motori. Le features estratte dai dati dei sensori sono utilizzate come input a modelli costruiti e progettati per valutare la gravità dei deficit motori e delle limitazioni funzionali. In un precedente lavoro è stato dimostrato che i dati dei sensori indossabili raccolti durante l'esecuzione di alcuni task del Wolf Motor Function Test (una scala clinica che serva a valutare le capacità funzionali) possono essere efficacemente utilizzati per stimare i punteggi ottenuti utilizzando la Function Ability Scale, una scala clinica che valuta le performance dei pazienti durante i task del Wolf Motor Function Test, focalizzandosi sulla qualità del movimento. Lo scopo dello studio qui presentato è stato quello di valutare se lo stesso set di dati possano essere utilizzati per stimare i punteggi clinici ottenuti utilizzando la Fugl-Meyer Scale, una scala di valutazione clinica incentrata sulle disabilità motorie dei pazienti e non sulla funzionalità motoria. I risultati hanno mostrato che i punteggi del test di Fugl-Meyer possono essere stimati utilizzando il metodo delle Random Forest dando come input le features estratte dai dati dei sensori indossabili raccolti durante l'esecuzione di anche solo un singolo task del Wolf Motor Function Test. Le stime degli score clinici della scala clinica di Fugl-Meyer, ottenute utilizzando il metodo proposto, hanno permesso di ottenere uno scarto quadratico medio di 4.7 punti