Applicazioni di Realtà

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1 Università di Pisa Corso di Laurea in Terapia Occuapazionale Corso di Bioingegneria applicata alla Realtà Virtuale Anno Accademico 2009/2010 Applicazioni di Realtà Virtuale in Riabilitazione i Ing. Stefano Mazzoleni, PhD

2 Neuroplasticità Le connessioni sinaptiche sono continuamente modificate (riorganizzazione dei circuiti): in risposta ad apprendimento, memoria, mancato uso; a seguito di un danno al Sistema Nevoso Centrale; Long Term Potentiation (LTP): alterazione della struttura della sinapsi.

3 Neuroplasticità Flessibilità della corteccia motoria: implicazioni per la riabilitazione Aree corticali hanno l abilità di adattare la loro funzione, piuttosto che acquisire nuove funzioni Addestramento intensivo di un area corticale può avvenire alle spese di aree circostanti Cambimenti rapidi nell attività corticale: addestramento intensivo vs. estensivo Identificare regioni danneggiate e applicare terapia specifica

4 Tecnologie e Riabilitazione L influenza potenziale delle tecnologie per la riabilitazione sulle prestazioni Perdita della capacità di effettuare un dato compito Sistemi Robotici, Realtà Virtuale, SEF Stimoli motori e sensoriali: - Rigidità/ROM - Spasticità - Forza muscolare Riduzione del supporto riabilitativo - Ripetizioni al limite delle prestazioni - Feedback delle prestazioni Miglioramento delle prestazioni -Neuroplasticità - Apprendimento motorio

5 Quali fattori influiscono sull apprendimento sensimotorio? Fisici Feedback sensoriali vista, udito, tatto, propriocezione p Muscoloscheletrici: Schema muscolare, forza e postura Funzionalità neurologica e coordinazione Psicologici Piacere - dolore Motivazione, i partecipazione i e desiderio noia, i i fallimento, ansia Cognitivi Capacità di prendere decisioni Pianificazione Ragionamento Concentrazione e attenzione Linguaggio e comprensione capacità di comprendere istruzioni

6 Come può essere facilitato il ri-apprendimento sensimotorio? Ripetizione movimenti orientati all obiettivo (goal oriented) Rafforzamento muscolare e incremento degli intervalli articolari (ROM) Modulazione della spasticità Attenzione incrementata Incremento degli input sensoriali: Intrinseci: stimolazione diretta delle fibre sensoriali o feedback propriocettivo Estrinseci: feedback dall esperienza del movimento o raggiungimento osservato di un obiettivo

7 Esercizio La semplice ripetizione non è sufficiente Contesto: goal-oriented, oriented rilevante, reale vs. immaginato (Chingyi Wu, Arch Phys Med 2000) o simulato (Hu-ing Ma. Am J OT 1999) Vario: Casuale vs. a blocchi bocc (HanlonRE, ArchPhys Med 1996) Feedback: incoraggiamento Approcci di apprendimento: implicito vs. esplicito (Boyd LA, and Winstein CJ, Physical Therapy 2003) Attenzione al compito da proporre al paziente: motivazione, successo 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;

8 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 dirette Apprendimento implicito: Abilità motorie sono esempidiapprendimento pp implicito Dimostrata dal fare I terapisti fanno spesso uso dell apprendimento esplicito nell addestramento delle abilità motorie L evidenza scientifica suggerisce che questa scelta può non essere efficace (Boyd & Winstein Physical therapy Nov 2003)

9 Realtà Virtuale Le disabilità derivanti da patologie del sistema muscolo-scheletrico e del sistema nervoso centrale, possono incidere considerevolmente sia sulla qualità di vita della persona(modificandone( d lacondizione i di salute), sia sui sistemi it i sanitari (incrementandone la richiesta di assistenza). Recenti sviluppi nel campo delle neuroscienze, della neurofisiologia e delle scienze computazionali hanno condotto alla teorizzazione di nuovi modelli per l interpretazione dei meccanismi di funzionamento del sistema motorio. In questo contesto si è sviluppata la possibilità di sperimentare, anche in ambito riabilitativo, strategie terapeutiche innovative basate su questi modelli. La Realtà Virtuale, insieme alle applicazioni robotiche, può contribuire a ridurre i danni motori e cognitivi e a migliorare la qualità della vita dei pazienti (teleriabilitazione)

10 Teleriabilitazione

11 2 gruppi di pazienti post-ictus Gruppo A (n=11): trattamento robotico e Realtà Virtuale (manipolazione a o di oggetti 3D con dispositivo dspost o aptico): 3 sessioni/settimana x 4 settimane Gruppo B (n=11) ha continuato la riabilitazione fuori dell ospedale Risultati: i pazienti del gruppo A hanno mostrato un miglioramento nel test Box & Block, ma non nelle ADL Broeren et al., Cerebrovasc Dis, 2008

12 Test Box & Block (Test per la destrezza manuale) Il tempo di prova stabilito è di un minuto: il paziente deve spostare, uno per volta, i cubetti da una parte all altra del contenitore Il numero di cubetti spostati viene registrato Il test viene ripetuto a metà trattamento e a fine trattamento Il terapista (o il medico fisiatra) eseguono la valutazione del miglioramento ottenuto

13 Prestazioni vs Apprendimento Acquisizione Cambiamento immediato osservato durante l addestramento Ritenzione (Retention) Vero apprendimento Cambiamento 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 Miglioramento delle prestazioni funzionali (ADL)

14 35 pazienti post-ictus in fase acuta Gruppo sperimentale (n=17) ha ricevuto addestramento addizionale di tipo robotico sensorimotorio (NeReBot) Gruppo controllo o o ha utilizzato il dispositivo dspost ocon l arto atosano Risultati: 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 circa l efficacia dell utilizzo della Realtà Virtuale, ma i risultati sono incoraggiantii Henderson et al., Top Stroke Rehabil, 2007

15 Butler DP et al., Wii-habilitation: Is there a role in trauma? Injury 2010 (in press) Utilizzo della piattaforma Wii per la riabilitazione Adamovich SV et al., Sensorimotor training in virtual reality: a review, NeuroRehabilitation 2009;25(1): Studi di neuroimmagini per valutare gli effetti della manipolazione sensoriale sugli schemi di attivazione cerebrale e l effetto dei vari parametri di addestramento sui cambiamenti a lungo termine nella funzione cerebrale Studi clinici con elevato numero di pazienti per stabilire l efficacia dll della riabilitazione bl sensorimotoria mediante Realtà Virtuale e per identificare i parametri di Realtà Virtuale associati al trasferimento ottimale per i miglioramenti funzionali

16 You SH et al., Cortical reorganization induced by virtual reality therapy in a child with hemiparetic cerebral palsy, Dev Med Child Neurol 2005;47(9): Studio con fmri che mostra evidenza di neuroplasticità dopo terapia con Realtà Virtuale in un bambino con paralisi cerebrale Tsirlin I et al., Uses of virtual reality for diagnosis, rehabilitation and study of unilateral spatial neglect: review and analysis, Cyberpsychol y Behav 2009;12(2): Mumford N et al., Virtual reality in acquired brain injury upper limb rehabilitation: ti evidence-based d evaluation of clinical i l research, Brain Inj 2009 Mar;23(3):

17 You SH et al., Cortical reorganization induced by virtual reality therapy in a child with hemiparetic cerebral palsy, Dev Med Child Neurol 2005;47(9): Studio con fmri che mostra evidenza di neuroplasticità dopo terapia con Realtà Virtuale in un bambino con paralisi cerebrale Sharar SR et al., Applications of virtual reality for pain management in burn-injured patients, Expert Rev Neurother 2008;8(11): Realtà Virtuale immersiva fornisce un forma particolarmente intensa di distrazione cognitiva durante i trattamenti terapeutici dolorosi

18 Deutsch JE et al., Virtual reality-based approaches to enable walking for people poststroke, Top Stroke Rehabil. 2007;14(6): Brooks BM et al., The use of virtual reality in memory rehabilitation: current findings and future directions, NeuroRehabilitation 2003;18(2): Kamper D et al., A pneumatic glove and immersive virtual reality environment for hand rehabilitative training after stroke,, IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng 2010 (in press)

19 Sistema audio Surround Schermo Lokomat Workstation per VR

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21 Try and Error: sistema di Realtà Virtuale per il Lokomat pediatrico

22 PeLoViR: scenario calcistico

23 PeLoViR: scenario calcistico

24 Il bambino mostra un attività incrementata se l avversario è visibile sullo schermo Avversario visibile Avversario non visibile

25 Paediatric Interactive Therapy System (PITS)

26 Paediatric Interactive Therapy System (PITS) 3 differenti scenari che permettono la variazione e l adattamento dei compiti con livello di difficoltà regolabile. Ciò permette ai bambini di esercitarsi in movimenti specifici Ciò permette ai bambini di esercitarsi in movimenti specifici dell arto superiore con feedback immediato relativo alle proprie prestazioni motorie

27 Dispositivo per la riabilitazione della mano Sensori di forza/coppia

28 Dispositivo per la riabilitazione della mano

29 Task #1: aprire la cassaforte

30 Task #1: aprire la cassaforte

31 Task #2: riempire la caraffa

32 Task #2: riempire la caraffa

33 Task #3: toro elastico

34 Task #3: toro elastico