DESCRIZIONE DEL PROGETTO 

Introduzione e obiettivi

Un evento patologico cerebrale che comporti dopo l’esordio acuto una cronicizzazione, come si verifica negli ictus, traumi, infiammazioni, o che determini un progressivo, seppur talvolta lento, evolversi dei sintomi, come nelle malattie neurodegenerative, causa difficoltà nella percezione del sé e dell’ambiente, nel muoversi, pensare, organizzare e correlarsi nel contesto sociale. Vi sono minori abilità nel provvedere alle proprie necessità elementari per la vita oltre che nel partecipare alle attività di gruppo.

Il peso umano ed economico che la progressione e la cronicizzazione delle patologie nervose comporta è molto alto e i costi medici diretti sono di molto inferiori a quelli indiretti conseguenti alla compromissione delle funzioni e agli impegni socio-assistenziali.

I pazienti colpiti da Stroke, Trauma Cranico, Sclerosi Multipla o Parkinsonismi possono presentare deficit motori e cognitivi che richiedono una lunga terapia riabilitativa. Questa richiesta, già in grande aumento, è destinata a crescere ulteriormente per le migliori prospettive di sopravvivenza delle persone.

A fronte di tale situazione diviene necessario riflettere sull’opportunità circa l’adozione di approcci terapeutici che possano:

Migliorare il rapporto tra unità di personale impiegato e unità di riabilitazione erogate effettivamente;

Aumentare l’intensità e la frequenza delle sessioni riabilitative;

Incentivare la motivazione del paziente nel completare e proseguire il trattamento riabilitativo;

Munirsi di criteri e metodologie di verifica dei risultati conseguiti che siano oggettivi e poco onerosi in termini di impegno del personale operante.

È ora documentata la plasticità delle cellule nervose, ossia la formazione di nuove reti neurali grazie all’incremento dei bottoni sinaptici, alla differenziazione ed acquisizione di funzioni da parte di cellule prima non specializzate per le stesse.

Nella definizione di un programma riabilitativo è fondamentale individuare l’obiettivo del recupero di autonomia con un trattamento terapeutico basato sulla conoscenza delle lesioni e le relazioni tra le alterazioni correlate e le limitazioni funzionali che si manifestano.

Il metodo riabilitativo

Il tempo di inizio, la durata, l’intensità dei percorsi devono tener conto delle acquisizioni scientifiche e tecnologiche ormai documentate: basilare è mirare a un recupero intrinseco degli stessi movimenti deficitari piuttosto che a un recupero adattivo basato su strategie di compenso utilizzando movimenti integrativi o dispositivi esterni. Il recupero intrinseco attraverso l’apprendimento implica plasticità: questa consente al cervello di adattarsi alle nuove condizioni e di generalizzare quanto codificato in più prestazioni. Il tempo condiziona la possibilità di intervento: il ritardo e la non operatività condizionano negativamente il processo di neuroplasticità e riorganizzazione – neuroformazione delle reti neurali alla base delle funzioni.

La realtà virtuale

il dipartimento di Scienze Cognitive del Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, MA, USA) ha sviluppato il Sistema di Riabilitazione in Realtà Virtuale (VRRS), un sistema che usa la Realtà Virtuale (VR) per favorire la riabilitazione motoria degli arti sulla base di un meccanismo fisiologico di apprendimento.

La VR è oggi ampiamente utilizzata, grazie agli avanzamenti tecnologici, sia nell’ambito ludico sia nell’ambito di addestramenti particolari, quali l’istruzione alla guida e la navigazione con gli aerei. L’impiego nell’ambito sanitario ha visto l’utilizzo, nei suoi primi tentativi, di strumentazione a basso costo a scopo ludico con adattamenti per gli esercizi di riabilitazione. Lo sviluppo successivo della tecnologia, in cui il paziente operava attraverso l’interfaccia del computer in una VR, ha permesso di realizzare metodiche con immersione totale o semplice presenza in cui il paziente era comunque a contatto, oltre che con la realtà virtuale, anche con il mondo reale. Lo sviluppo dell’attività riabilitativa nella VR ha fatto emergere la possibilità di individuare feedback che, nell’ambito della pratica riabilitativa nel mondo reale, sono di più difficile riconoscimento o attuazione. La VR, inoltre, offre la possibilità di programmare le modalità, i tempi e le intensità dei rinforzi, eliminando nella programmazione degli interventi le componenti che potrebbero distrarre o essere negativi per la loro complessità al processo riabilitativo. Questa condizione, ad esempio, si può riconoscere nell’ambito dei processi riabilitativi dell’arto inferiore e superiore: nel primo caso si sviluppa un processo a catena chiusa e, nel secondo caso, processi intermedi per la costruzione di modelli interni, interiorizzati attraverso un progressivo e attivo apprendimento motorio per ottimizzare il gesto. In effetti, per l’arto inferiore e il recupero del cammino, è importante l’effetto finale dell’azione (spostamento del piede) mentre, per l’arto superiore, è la sinergia dei movimenti dei singoli segmenti per una maggior complessità dell’azione da compiere.

Recenti studi neurofisiologici riguardanti i processi di apprendimento e memorizzazione hanno dimostrato il ruolo cruciale delle informazioni per il SNC. In particolare, nell’ambito dell’apprendimento motorio, sembrano essere determinanti la conoscenza della finalità con le informazioni sulla evidenza dei risultati (Knowledge of Results – KR). La riabilitazione attuata in ambiente virtuale ha inoltre posto in evidenza che la conoscenza della performance motoria in tempo reale (Knowledge of Performance – KP) è un ulteriore e importante fattore di recupero.

La KR è un feedback che convoglia al SNC dati presenti nell’ambiente come risultato dell’azione del soggetto. La possibilità di modulare la conoscenza dei risultati può essere utile per migliorare il piano motorio del soggetto.

Nell’ambito della KP, cioè nella cognizione dell’azione in atto in tempo reale, si può utilizzare una strategia che viene chiamata Feedback Rinforzato (augmented feedback, AF) attraverso l’ausilio della tecnologia. Il proporre il compito motorio eseguito dal terapeuta e nella realizzazione del programma in modo che questo sia visualizzato nel contesto dell’attività riabilitativa, in particolare pochi secondi dall’operatività dell’utente, appare un elemento rinforzante ancor più di possibili correzioni percettive-acustiche. Rinforzare il feedback, che con la visione del processo operativo, con modalità di riconoscimento immediato dei successi ottenuti e oggettivarli con un sistema di punteggio, si è dimostrato molto importante per un maggior coinvolgimento e partecipazione motivata dell’utente, rispetto a quanto può offrire la riabilitazione nel mondo reale.

Attraverso questi sistemi di informazione il SNC può attivare un cruciale meccanismo di apprendimento fisiologico chiamato “reinforcement learning” che controlla l’apprendimento, e quindi l’efficacia della performance visuo-motoria, in base ai feedback ricevuti.

Sembra che molti sistemi biologici utilizzino questo meccanismo. Il metodo pratico, sviluppato e affinato nel corso di anni di ricerca, si compone, sinteticamente, della fase della registrazione del movimento ottimale, replica del movimento registrato a video, invito al paziente a cercare di aderire al movimento, valutazione e analisi del movimento, espressione del punteggio, il tutto in modo interattivo o completamente automatico.

Il VRRS offre il vantaggio, quindi, della presenza dell’utente nella VR ove svolge compiti e azioni finalizzate che sono presenti nel mondo reale. Questo è il supporto a ottenere un’autonomia ed integrazione sociale. Il problema dell’incremento di un’attività riabilitativa come cura alla disabilità e la necessità di riportare nel territorio, nell’ambito della cronicità, sia la cura assistenziale che sanitaria, possono essere affrontate e supportate dalla VR attraverso la teleriabilitazione. La teleriabilitazione è, in effetti, l’utilizzo delle tecnologie informatiche e di comunicazione per trasferire informazioni mediche per lo sviluppo di servizi clinici per il paziente direttamente al suo luogo di domicilio.

L’efficienza del sistema di riabilitazione motoria e cognitiva del sistema VRRS è documentata su numerose pubblicazioni su riviste scientifiche internazionali, inclusa la prestigiosa Cochrane Review; queste sono il risultato di numerosi anni di ricerca e sperimentazioni cliniche condotti nei più avanzati centri di eccellenza internazionali (vd. Bibliografia).

Un’azienda italiana (Khymeia Group) ha sviluppato il sistema VRRS associato a strumenti per la teleriabilitazione.

La tecnologia

Il sistema VRRS Khymeia genera un debole campo magnetico, nel quale viene individuata la posizione e l’inclinazione di piccoli sensori (Polhemus 3Space Fastrack, Vermont, USA) wireless a 6 gradi di libertà. Questi sensori, applicati sugli arti di interesse del paziente, sono in grado di ricreare con precisione, all’interno di un avanzato scenario virtuale, i movimenti compiuti dal paziente nei tre piani dello spazio: in questo ambito deve riprodurre i movimenti ideali programmati dal fisioterapista. I sensori sono in grado di localizzare i segmenti degli arti e lo stesso corpo del paziente nello spazio virtuale, risolvendo la complessità della dinamica, della cinetica dei movimenti, dell’equilibrio e del controllo del compenso. Il sistema offre al paziente la possibilità di interagire con oggetti della vita quotidiana, caratterizzati dalle loro proprietà come massa, volume, inerzia e posizione: in questo modo, replica le tipiche attività quotidiane in un ambiente controllato. Uno schermo dotato di “Smart-touch controller” permette una facile gestione delle funzioni e delle operazioni.

Il VRRS prevede una programmazione con ripetizione degli esercizi fino al raggiungimento della finalità; si può modificare la complessità, intervenendo sui tempi di esecuzione, gli angoli delle traiettorie e la complessità dei movimenti segmentari e delle sinergie. Tale procedura è supportata da una programmazione personalizzata in riferimento a protocolli standard e a una vasta libreria di esercizi: osteo-articolari, motori e cognitivi (osteo-muscolari-neuroscienze).

VRRS e Teleriabilitazione

Il sistema di teleriabilitazione con VRRS consiste in una workstation formata da due personal computer (PC) dedicati, uno localizzato a casa del paziente e il secondo nella struttura riabilitativa. Il sistema VRRS genera un ambiente virtuale nel quale esegue l’esercizio, collegato in videoconferenza con il personale sanitario. Il collegamento si basa su protocollo TCP/IP via Internet. Il sistema integrato al VRRS di videoconferenza permette il controllo remoto di una videocamera per osservare i movimenti del paziente durante l’esecuzione degli esercizi e il controllo del PC per intervenire e modificare gli esercizi stessi.

L’attività a domicilio può anche essere eseguita senza connessione con il centro sanitario di riferimento, in quanto ogni postazione è indipendente e l’attività viene registrata. I passaggi verso attività più complesse nell’ambito del ciclo di cura sono automaticamente validate attraverso una valutazione a punteggio della performance e del risultato ottenuto. La valutazione complessiva del ciclo riabilitativo può quindi essere supervisionata e indirizzare verso un nuovo ciclo secondo le necessità individuali.

Tempi riabilitativi

L’attività riabilitativa nella VRRS è quindi una interazione attiva fra il computer e l’utente. Trova assistenza, dal fisioterapista in particolare nell’informare, indicare e visualizzare i momenti del compito assegnato e l’effetto voluto. Un solo fisioterapista può assistere più utenti contemporaneamente e indipendentemente dalla loro localizzazione.

Può, quindi, essere effettuata una riabilitazione a elevata intensità (minimo un’ora al giorno) o anche più volte, potendo l’utente eseguire i compiti in autonomia con una verifica diretta dei risultati. La ripetizione intensiva degli esercizi è un importante passaggio nell’apprendimento motorio, come d’altronde può essere facilmente intuibile nella pratica quotidiana di chi si dedica a utilizzo di strumenti, ad esempio musicali, dove l’esattezza e la correttezza di atti rapidi e precisi è fondamentale.

La verifica a distanza del permanere dei risultati raggiunti attraverso l’apprendimento motorio con sistema VRRS incoraggia, non solo per l’economicità, la diffusione del sistema.

Pazienti

Si considerano 45 soggetti, così suddivisi: 10 affetti da Sclerosi Multipla (SM), 10 parkinsonismi (Malattia di Parkinson – Paralisi Sopranucleare Progressiva – Atrofia Multisistemica), 15 post-stroke, 10 controlli. L’età media è compresa fra i 40 e i 70 anni. Lo screening neurologico determina l’eleggibilità dei pazienti, seguendo in particolare i seguenti criteri di riferimento: alterazioni motorie di media entità, evidenza negli esami diagnostici, come Risonanza Magnetica, di lesione nell’ambito dell’arteria cerebrale media, in particolare per i pazienti post-stroke, e deficit della memoria e deterioramento lieve – intermedio. Per la valutazione dei deficit motori, in particolare si fa riferimento al Fugl-Meyer Upper Extremity con score non superiore a 60 per tutti i gruppi. Il disturbo motorio verrà anche correlato alla scala Unified Parkinson’s Disease Rating Scale (UPDRS) – PSP Rating Scale per i parkinsonismi e Expanded Disability Status Scale (EDSS) per la SM.

I pazienti verranno trattati per un’ora al giorno per 5 giorni alla settimana per un periodo minimo di 4 settimane, variabili a seconda dei risultati.

Metodologia di analisi dati

Sulle singole variabili misurate attraverso i protocolli definiti, sarà condotta un’analisi statistica, sia a livello cinematico che emodinamico cerebrale. Inoltre, i dati verranno correlati tra di loro e con le diverse scale di valutazione della performance. In regime di analisi statistica multivariata, si analizzeranno le correlazioni tra le diverse variabili, con lo scopo di individuare quali di queste sono maggiormente legate alla terapia ed alla performance motoria. Specifici modelli predittivi ed evolutivi verranno sviluppati per validare ulteriormente l’efficacia o meno di un determinato approccio riabilitativo su singolo paziente.

Mediante il sistema VRRS verranno stabiliti dei protocolli terapeutici il più possibile personalizzati. In tal modo, si tenderà da una parte a motivare il soggetto con esercizi alla sua portata, dall’altra a spingerlo ad eseguire movimenti specifici e giudicati di importanza per il suo percorso riabilitativo. Infatti, è stato dimostrato come la motivazione e la personalizzazione della terapia siano fondamentali per ottenere migliori risultati ed accorciare i tempi del trattamento.

Il dispositivo VRRS misurerà tutte le variabili cinetiche e cinematiche relative al moto, fra cui posizione dei sensori nel tempo, angoli articolari, velocità e accelerazione dei segmenti articolari stessi. Inoltre, appositi meccanismi di valutazione del movimento implementati sul sistema VRRS (es: le scale di qualità di effettuazione dell’esercizio) verranno usati come dati semi-quantitativi di confronto.

Mediante il dispositivo NIRS verranno monitorate le variazioni nella concentrazione dei cromofori (in particolare dell’emoglobina ossigenata) nei distretti cerebrali di interesse per lo specifico compito motorio, e nella zona della corteccia visiva, in modo da ottenere sempre un’indicazione di coordinazione visuo-motoria a livello cerebrale. I segnali di concentrazione nel dominio del tempo verranno analizzati anche in frequenza, in modo da ottenere una valutazione sulla autoregolazione cerebrale locale.

Dati cinetici e cinematici verranno correlati per studiare, infine, i ritardi e le risposte indotte dal movimento sul flusso cerebrale e, viceversa, dal flusso cerebrale sulla qualità dell’esercizio svolto. In tal modo, sarà possibile valutare la “qualità” del protocollo riabilitativo basandosi non solo sul movimento effettuato, ma anche su una misura accurata e quantitativa della risposta emodinamica funzionale cerebrale.