Università di Pisa Corso di Laurea in Terapia Occupazionale Corso di Bioingegneria applicata alla Realtà Virtuale Anno Accademico 2009/2010 Il biofeedback nella riabilitazione neuro-motoria Ing. Stefano Mazzoleni, PhD
Biofeedback: definizione Significa letteralmente retroazione biologica. Procedura clinica consistente nel presentare ad un paziente, con l ausilio di specifiche apparecchiature, informazioni relative a funzioni fisiologiche/motorie del paziente stesso, aumentando la consapevolezza della propria efficienza funzionale. Metodica non invasiva, non farmacologica e generalmente priva di effetti secondari. Tecnica utilizzata nella riabilitazione di muscoli, a seguito di ictus, trauma cerebrale o lesioni midollari.
Biofeedback: fasi 1. Una certa funzione corporea (es. tensione muscolare, posizione dell arto, ecc.) viene monitorata con l uso di sensori dh ad hoc. 2. I segnali registrati vengono usati per elaborare segnali acustici, visivi o stimolazioni meccaniche da fornire al paziente. 3. Il paziente può sfruttare queste informazioni per imparare acontrollare, potenziare emigliorare volontariamente la funzione monitorata.
Biofeedback: tipologie Biofeedback statico tti dinamico
Biofeedback statico Metodica tramite cui un paziente, in una posizione statica o mentre svolge un semplice movimento non connesso alle attività di vita quotidiana, impara a regolare un determinato parametro a attraverso a un indicazione specifica. ca. Es.: Biofeedback elettromiografico (EMG)
Applicazioni I campi di applicazione del Biofeedback sono numerosi, tra i quali: Terapia a del dolore: o emicrania, a, mal di testa da tensione, e, sindrome cervicale, mal di schiena Problemi neuromuscolari: distonia (bruxismo), paralisi parziale, incontinenza Problemi psicosomatici: ipertonia essenziale, morbo di Raynaud, asma, sindrome da iperventilazione, tinnito auricolare Problemi psicologici: disturbi dell ansia (fobie, attacchi di panico) Riduzione e prevenzione dello stress
L efficacia di Biofeedback Numerosi studi dimostrano l efficacia di biofeedback in un ampia gamma di settori. Per alcuni sintomi (ad esempio mal di testa, mal di schiena, incontinenza) il Biofeedback è una delle più efficaci terapie disponibili col vantaggio aggiuntivo che non ha effetti collaterali negativi. È inoltre una procedura accettata tranquillamente dai È inoltre una procedura accettata tranquillamente dai pazienti.
Biofeedback EMG Scopo: misurare l attività dei vari gruppi muscolari per fornire al paziente informazioni continue (in tempo reale) sullo stato di tensione muscolare con l'obiettivo di favorirne la distensione ed il rilassamento odimigliorarne l utilizzo. Il parametro monitorato (attivazione muscolare) non appartiene all'insieme delle attività mediate dal sistema nervoso autonomo, ma ricade per la maggior parte sotto il controllo diretto della volontà, anche se spesso si sviluppano tensioni muscolari inconscie in vari distretti corporei. Budzynski e Stoya (1969) dimostrarono che i soggetti che ricevevano un feedback acustico del grado di tensione del muscolo, riuscivano a fare abbassare notevolmente in poche sedute il segnale registrato e quindi l attivazione del muscolo in esame, conseguendo con ciò un effetto di rilassamento generale.
Sperimentazioni cliniche: post-ictus Studio su 12 soggetti colpiti da ictus (età media 62,3) Analisi quantitativa iniziale della loro camminata (tramite EMG, sistema optoelettronico e piattaforma Kistler) Protocollo riabilitativo con EMG BFB, confrontato con la terapia tradizionale Miglioramenti della velocità della camminata (lenta e insicura in seguito a ictus) e di altri parametri, rispetto al gruppo di controllo: camminata veloce massima estensione dell anca massima flessione del ginocchio leggero aumento della massima capacità di flessione delle caviglie Jonsdottir et al., Quantitative analysis of the effect of a rehabilitation protocol using J y p g EMG BFB to improve gait in chronic stroke patients, SIAMOC Abstracts, 2006
Sperimentazioni cliniche: lesioni al ginocchio Studio con 13 soggetti adulti (età 26±5 anni,peso70±7 kg, altezza 177±6 cm) Protocollo che richiede ihid unacontrazione al 40% dll della MVC dl del muscolo estensore del ginocchio della gamba destra. Prevede 2 sessioni: constant-torque t t task constant-emg task Nel task in cui i soggetti controllano il tono muscolare con EMG BFB si ottengono maggiori alterazioni del processo di eccitazione-contrazione. Durante il constant-emg task si è in grado di matenere la contrazione per un periodo più lungo (i (si pensa che ciò sia dovuto alla maggiore perfusione dei muscoli estensori durante questo task) Per essere usato durante la fase iniziale della riabilitazione, l EMG BFB dovrebbe essere somministrato ad una bassa intensità, così da evitare possibili effetti negativi ai pazienti. Place et al., Neuromuscular fatigue differs with BFB type when performing a submaximal contraction, Journal of Electromiography and Kinesiology, 2006
Sperimentazioni cliniche: sindrome di dolore patellofemorale Sindrome comune (colpisce soprattutto le donne; dal 10% al 28% della popolazione generale di età compresa tra 10 e 35 anni) caratterizzata da un dolore diffuso nella parte anteriore del ginocchio. L attività elettrica del muscolo vasto mediale obliquo (VMO) èdebolerispetto a quella del vasto laterale (VL), risultando in un rapporto del segnale EMG tra VMO e VL piuttosto basso, normalmente minore all unità Studio su 26 soggetti (16 donne e 10 maschi) di età compresa tra 20 e 55 anni, colpiti da PFPS, divisi in 2 gruppi: Exercise group EMG-Biofeedback + exercise group Dopo 8 settimane di training si sono osservati cambiamenti nel rapporto dei due segnali EMG in entrambi i gruppi; le differenze tra pre-training e post-training sono molto più significative per il gruppo sottoposto ad un protocollo EMG- BFB Ng et al BFB exercise improved the EMG activity ratio of the medial and lateral vasti muscles in subjects Ng et al., BFB exercise improved the EMG activity ratio of the medial and lateral vasti muscles in subjects with patellofemoral pain syndrome, Journal of Electromiography and Kinesiology, 2006
Sperimentazioni cliniche: sindrome di dolore patellofemorale Ng et al BFB exercise improved the EMG activity ratio of the medial and lateral vasti muscles in subjects Ng et al., BFB exercise improved the EMG activity ratio of the medial and lateral vasti muscles in subjects with patellofemoral pain syndrome, Journal of Electromiography and Kinesiology, 2006
Biofeedback EMG: conclusioni Sebbene l EMG sia stato usato molto frequentemente, non può tuttavia essere la migliore fonte di biofeedback per migliorare il controllo motorio. Studi sul biofeedback EMG hanno mostrato che i pazienti possono migliorare il controllo volontario dell attività dei muscoli sotto allenamento e/o aumentare il range di movimento di un giunto che il muscolo controlla. Ei Esistono opinioni i i contrastanti sull efficacia i dlbi del biofeedback EMG: Schleenbaker e Mainous hanno evidenziato un miglioramento statisticamente significativo con l uso del biofeedback EMG Diversi studi hanno invece concluso che può essere ottenuto solo un piccolo miglioramento. Il biofeedback EMG fornisce effetti positivi solo se la misura è relativa al controllo di un muscolo o giunto specifici. La terapia con biofeedback EMG può produrre solo specifici e limitati effetti nel recupero delle funzioni motorie
Esempio di sistema per utilizzo di Biofeedback EMG a b a) Interfaccia software b) Amplificatore EMG c) Elettrodi per EMG di superficie c
Biofeedback dinamico Lo scopo della riabilitazione per un paziente con deficit motori è riacquistare l abilità nell affrontare task funzionali. Di conseguenza, noto che le ADL (Activities of Daily Living) richiedono esplicitamente un interazione tra sistema muscolare ed ambiente, un efficace training motorio dovrebbe comprendere movimenti ed ambiente esterno simili ad un determinato task funzionale. Da qui il passaggio da uno biofeedback statico ad un Da qui il passaggio da uno biofeedback statico ad un biofeedback dinamico, chiamato anche task-oriented biofeedback, volto a rieducare il sistema motorio a svolgere precise funzioni piuttosto che controllare singoli muscoli o attività di singole articolazioni.
Biofeedback dinamico Durante il training del task funzionale, è importante scegliere la variabile da usare come feedback. Questa scelta dipende da: Meccanismo di controllo motorio Tipo di task Scopo della terapia Condizioni fisiche dello specifico paziente Modelli attuali, usati per il controllo motorio, indicano come ottima variabile di feedback la traiettoria dell end effector (ad esempio la posizione della mano durante il movimento di reaching di un oggetto), piuttosto che gli andamenti dell attività muscolare di un singolo muscolo. Inoltre in caso di task non solo di reaching, ma anche di grasping, si potrebbero utilizzare anche l orientamento della mano nello spazio ed il controllo dll della forza di presa dell oggetto
Information/sensory fusion Usando più variabili di feedback emerge un altro problema: sovraccaricare il paziente di troppe informazioni! Si tratta infatti di persone con abilità ridotte e che hanno subito danni dal punto di vista cognitivo e percettivo. INFORMATION/SENSORY FUSION: integrazione di flussi di informazioni dinamici e mutevoli provenienti da sorgenti multimodali per monitorare lo stato del sistema, istante per istante. Questo tipo di approccio è analogo alle informazioni di feedback fornite dai terapisti mentre il paziente compie un determinato compito (task).
Information/sensory fusion Architettura generale di un sistema di biofeedback task-oriented con input multimodali
Metodologia di progettazione del sistema Lo scopo del sistema è fornire al paziente una valutazione della sua performance in tempo reale. Con l uso di stimoli sensoriali multimodali, aumenta l attenzione dl del paziente acompiere un dt determinato t task eciò è un vantaggio per la riabilitazione neuromotoria. Per promuovere questa riabilitazione, il sistema di biofeedback deve essere INTERATTIVO con il paziente da rieducare, fornendogli informazioni per fare eseguire correttamente i movimenti successivi. (IME: Interactive and Multimodal Environment). L IME ed il task di training sono personalizzabili a seconda delle esigenze del paziente.
Risultati Dai risultati preliminari si è visto che un sistema di biofeedback come quello precedentemente pecede e tedescritto è di aiuto autoper migliorare le prestazioni nei movimenti di reaching in persone con deficit neuromotori. Infatti il feedback visuale amplificato facilita la consapevolezza di eventuali errori nel movimento e di conseguenza riduce l errore spaziale della traiettoria dell end end-point. I risultati suggeriscono che il sensory overloading non desta troppe preoccupazioni, purché vi sia un ottima disposizione organizzativa multimodale del feedback amplificato. Infine il feedback multimodale potrebbe portare benefici Infine, il feedback multimodale potrebbe portare benefici all utente per migliorare le prestazioni nei movimenti di reaching (più fluidi, non a scatti ) e ridurre movimenti compensatori di tronco e spalla (indesiderati).
Risultati L utilizzo di un feedback visivo aumentato e di uno uditivo permette di migliorare la riabilitazione dell arto superiore in compiti di reaching, in soggetti emiparetici. I risultati sono migliori rispetto al semplice feedback visivo. Le prestazioni sono paragonabili a quelle dell arto sano. Huang et al.,.2005
Il feedback visivo e l uso di carrozzine Obiettivo: fornire al paziente informazioni riguardanti la forza orizzontale applicata alle ruote al fine di migliorare l efficienza della spinta. Non sono stati ottenuti risultati né su soggetti esperti né su soggetti senza esperienza: i soggetti esperti potrebbero aver già ottimizzato la modalità di spinta la misura usata nel feedback potrebbe essere poco significativa Kotajarvi et al., The Effect of Visual Biofeedback on the Propulsion Effectiveness of Experienced Wheelchair Users, Arch Phys Med Rehab, 2006
L utilizzo della realtà virtuale L utilizzo della realtà virtuale può rendere il feedback più efficace essendo: multimodale attrattiva tti e motivante t facile da comprendere La realtà virtuale può permettere di misurare il recupero delle capacità motorie e migliorare l apprendimento motorio, grazie alla possibilità di mostrare all utente: Knowledge of Results Knowledge of Performance
Riabilitazione della postura e dell equilibrio Il soggetto interagisce con dei videogiochi variando la propria postura. Si riesce a motivare il paziente senza dover usare complicati e costosi sistemi di realtà virtuale. Si sono ottenuti dei miglioramenti nel controllo della postura. Usando tappetini più grandi si potrebbero implementare videogiochi più complessi. Un limite di questa tecnica è dovuta al fatto che un tappetino mal simula le situazioni di vita reale, in cui le superfici sono raramente regolari. Betker et al., Video Game-Based Exercise for Balance Rehabilitation: A Single-Subject Design, Arch Phys Med Rehab, 2006
Feedback uditivo Un feedback uditivo può aiutare i pazienti a migliorare la coordinazione. Un approccio prevede l uso lusodelle note: l altezza della nota rappresenta la distanza della mano dal target la durata della nota rappresenta la velocità del movimento Un movimento spastico verrà riconosciuto per l irregolarità della melodia e il paziente verrà motivato verso un miglioramento.
Feedback uditivo Il feedback uditivo è usato per migliorare l equilibrio. Il feedback è fornito attraverso delle cuffie. Per riconoscere lo spostamento dalla verticale sono usati degli accelerometri. Spostandosi in avanti la nota sentita aumenta di tono (e viceversa andando indietro). Per inclinazioni laterali aumenta il volume dalla parte dell inclinazione COP: Center of Pressure Il controllo dell equilibrio migliora significativamente. Dozza et al., Audio-Biofeedback Improves Balance in Patients with Bilateral Vestibular Loss, Arch Phys Med Rehab, 2005
Feedback tattile Feedback tattile per la prevenzione dell insorgenza di ulcere cutanee e per controllo/correzione della postura in soggetti con lesioni midollari. Sistema wireless Tongue Display Unit : matrice 6x6 di elettrodi miniaturizzati e circuito a radiofrequenza Vuillerme et al., Pressure sensor-based tongue-placed electrotactile biofeedback for balance improvement - Biomedical, g p p application to prevent pressure, 29th Annual International Conference of the IEEE EMBS, 2005
Biofeedback e teleriabilitazione Le nuove tecnologie permettono di implementare un biofeedback task-oriented t incontesti ti diversii da quello ospedaliero, consentendo anche una teleriabilitazione. Una possibilità è registrare i segnali provenienti da diversi sensori e trasmetterli ad una stazione remota. E stato anche testato un sistema di realtà virtuale soggettiva accessibile via Internet e adattabile ai bisogni e ai progressi dell utente mediante software o con l intervento intervento, in remoto, di un medico.
Sistema portatile per biofeedback E stato realizzato un sistema portatile modulare per la riabilitazione della postura e dell equilibrio. Esso consiste dei seguenti nodi, collegati in wireless: sensori gateway PDA attuatori Wireless Body Area Network (WBAN) Il sistema risulta essere: portatile, economico, a basso dispendio energetico, flessibile e modulare, di facile utilizzo. Brunelli et al., Bio-feedback System for Rehabilitation Based on a Wireless Body Area Network, IEEE Proc Perv Comp & Comm, 2006
Conclusioni Il Biofeedback è una metodica utilizzabile nell ambito della riabilitazione. E necessario però valutare approfonditamente il livello di impegno richiesto ihi eil coinvolgimento i degli utenti. ti Diversi studi dimostrano l efficacia del Biofeedback, ma servono ulteriori studi più approfonditi per valutarne le prestazioni. E necessario verificare che i risultati ottenuti durante la riabilitazione, soprattutto nel caso del Biofeedback task- oriented, siano trasferibili alle attività ità di tuttitti i giorni i (ADL).