LETTERATURA INTERNAZIONALE

Overview sull’utilizzo della riabilitazione robotica dell’arto superiore in pazienti con esiti di ictus cerebri

Sofia STRAUDI¹, Simone TARCHINI², Ludovica BALUARDO³, Aurelia COLAIZZI⁴, Francesca GIMIGLIANO⁵, 
Stefano PAOLUCCI⁶, Giovanni MORONE^6
1 Dipartimento di Neuroscienze e Riabilitazione, Università di Ferrara, Ferrara, Italia
² Dipartimento Multidisciplinare di Specialità Medico-Chirurgiche e Odontoiatriche, Università degli Studi della Campania “Luigi Vanvitelli”, Napoli, Italia
³ Facoltà di Fisioterapia, Università di Ferrara, Ferrara, Italia
⁴ Facoltà di Fisioterapia, Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”, Roma, Italia
⁵ Dipartimento di Salute Mentale e Fisica e Medicina Preventiva, Università degli Studi della Campania “Luigi Vanvitelli”, Napoli, Italia
⁶ Fondazione Santa Lucia IRCCS, Rome, Italy.

Autore di riferimento:
Sofia Straudi
Dipartimento di Neuroscienze e Riabilitazione
Università di Ferrara
Ferrara, Italia
sofia.straudi@unife.it

Abstract

Nel corso degli ultimi anni, l’implementazione nella pratica riabilitativa di dispositivi robot-assistiti per la rieducazione dell’arto superiore si è progressivamente consolidata. Tale tecnologia si è proposta come strumento in grado di erogare una pratica intensa e ripetitiva di gesti motori funzionali o meno dell’arto superiore, in un ambiente terapeutico motivante e sfidante per il paziente. Scopo della presente overview è di fornire al riabilitatore la possibilità di approfondire le conoscenze di base e l’applicabilità di tale tecnologia nella pratica clinica quotidiana. In primo luogo, abbiamo affrontato il razionale di sviluppo della robotica sulla base di numerose evidenze in ambito neuroscientifico. Successivamente, abbiamo presentato le varie modalità e protocolli terapeutici attualmente in uso e una classificazione dei dispositivi disponibili. Infine, abbiamo discusso le evidenze scientifiche attuali riguardanti l’efficacia clinica della riabilitazione robot-assistita dell’arto superiore del paziente con esiti di ictus cerebrale, individuando una serie di limiti e di prospettive future per tale tecnologia in ambito riabilitativo, intesa come parte integrante del progetto riabilitativo individuale del paziente con esiti di ictus cerebrale.

Introduzione

L’ictus rappresenta una delle principali cause di morte e di disabilità a livello mondiale [1] la cui incidenza mostra un trend in aumento tanto da essere stato definito come “la prossima epidemia del 21esimo secolo” [2] avendo dunque notevoli costi sui diversi Sistemi Sanitari Nazionali. I pazienti con postumi di ictus tipicamente hanno una riduzione della funzionalità cognitiva e motoria [3,4]. In particolare, la menomazione dell’arto superiore può coinvolgere fino al­l’80% dei pazienti in fase acuta, e fino al 50% a distanza di anni dall’evento cerebrovascolare [3,5]. Tale menomazione si manifesta con una serie di segni, positivi e negativi, legati alla sindrome del motoneurone superiore, come la paresi, la spasticità e l’alterazione della coordinazione motoria, della destrezza, del tono muscolare e del controllo motorio. Di conseguenza, la funzionalità del paziente e la sua autonomia nelle ADL possono risultare compromesse, con una minore partecipazione sociale e limitazione nelle attività secondo l’ICF [6]. Pertanto, la riabilitazione dell’arto superiore rappresenta uno dei principali obiettivi del progetto riabilitativo individuale e ad oggi, varie tecniche riabilitative, convenzionali e non, sono state oggetto di studio e di applicazione in clinica. Negli ultimi anni, grazie a numerosi studi in ambito neuroscientifico, sono stati individuati una serie di elementi fondamentali per il recupero motorio dopo ictus cerebrale. Fra questi, ricordiamo l’intensità, la ripetitività del gesto, la specificità (approccio task-oriented), la presenza di feedback e biofeedback per l’integrazione senso-motoria e per aumentare la motivazione e la partecipazione del paziente [7-9]. Lo sviluppo, a partire dagli anni 80-90, di dispositivi tecnologici e robotici ha contribuito a supportare ed implementare tali caratteristiche in particolare in alcune tipologie di pazienti, proponendosi come dispositivi ispirati ai principi di riapprendimento motorio [10-12].

Considerata la cospicua diffusione di tali dispositivi nella pratica riabilitativa e la necessità di consolidare le conoscenze del riabilitatore circa il loro utilizzo, la presente overview ha lo scopo di fornire elementi di conoscenza del razionale e modalità di utilizzo dei principali dispositivi robotici per l’arto superiore, le evidenze cliniche disponibili, i limiti attuali e le prospettive future.

Razionale dello sviluppo della tecnologia robot-assistita

Uno dei principali fattori determinanti dei fenomeni di riorganizzazione cerebrale e di recupero motorio, è rappresentato dall’elevata ripetitività del gesto e di intensità di esercizio. In riabilitazione, tali parametri vengono comunemente ricondotti al numero di ripetizioni durante una seduta riabilitativa o al tempo dedicato alla pratica motoria (intensità). Studi su modelli animali hanno definito che sono necessarie diverse centinaia di ripetizioni del medesimo gesto per indurre fenomeni di plasticità neuronale [9] e in parallelo, osservazioni condotte nel­la pratica clinica, hanno evidenziato come durante una comune sessione riabilitativa, il numero di ripetizioni di movimenti dell’arto superiore raggiunga solo poche decine di unità [13]. A tal riguardo, il messaggio che la dose di riabilitazione per l’arto superiore vada intensificata per ottenere maggiori effetti benefici sul recupero motorio, è oramai ampiamente consolidato [14,15]. Tuttavia, i tentativi di evidenziare una relazione tra dose e benefici funzionali mediante studi clinici incentrati sulla riabilitazione tradizionale, hanno avuto risultati poco conclusivi [16]. Contrariamente, l’utilizzo di dispositivi tecnologici, come i robot per la riabilitazione dell’arto superiore, ha permesso di evidenziare con maggior chiarezza l’importanza dell’intensità nella pratica riabilitativa [17-19]. Hsieh et al. hanno infatti dimostrato che un protocollo di rieducazione robot-assistita ad alta intensità produce migliori risultati sul recupero motorio rispetto ad un protocollo a minor intensità [17]. In maniera analoga, Dely et al. hanno evidenziato la possibilità di ottenere miglioramenti significativi oltre il plateau delle 150 ore di terapia, mediante un protocollo di rieducazione tecnologica di lunga durata (300 ore) [18]. Numerosi studi hanno riportato come durante una seduta di rieducazione tecnologica, il paziente sia in grado di eseguire circa 700-800 ripetizioni di movimenti dell’arto superiore [20,21], che rappresentano circa il doppio di quelli raggiungibili durante una sessione di riabilitazione convenzionale intensiva di pari durata [22]. La grande differenza tra le ripetizioni necessarie e quelle effettuate in pratica clinica, può essere spiegata dal fatto che gli esercizi per l’arto superiore sono spesso complessi, richiedono movimenti combinati di diverse componenti corporee, adattamento della mano all’oggetto, afferramento e manipolazione. Un trattamento intensivo costituito da centinaia di ripetizioni con queste caratteristiche è difficile da sostenere non solo fisicamente, ma anche mentalmente per l’elevata ripetitività del compito richiesto. L’utilizzo di dispositivi robotici può quindi permettere di implementare le ripetizioni che è possibile effettuare durante il trattamento, incrementando l’intensità della pratica, senza provocare eccessiva faticabilità o frustrazione nel paziente. Il vantaggio della terapia robotica risiede anche nella possibilità di aumentare l’interattività del trattamento e il coinvolgimento del paziente mediante l’utilizzo di scenari di realtà virtuale e giochi [23]. La partecipazione attiva del paziente inoltre, nel corso delle sedute di robotica, tende ad aumentare progressivamente [24]. Il coinvolgimento cognitivo durante la riabilitazione è un aspetto spesso trascurato, ma è parte di un continuum che va dall’ideazione del gesto motorio fino alla finalizzazione del movimento. Il dominio cognitivo, in particolare le funzioni esecutive con task di allerta ed attenzione [25], può essere coinvolto dal training robotico con feedback visivo ed utilizzo di giochi [26, 27]. Ne consegue quindi che i robot che includono un feedback visivo o un’associazione con un videogame vadano considerati come un addestramento al dual-task motorio e cognitivo [10]. Questa integrazione tra le funzioni cognitive e motorie contribuisce al recupero motorio in quanto il sistema cognitivo svolge un ruolo importante nell’adattamento, richiamo ed apprendimento motorio tramite la formazione di una memoria motoria a lungo termine, che sottende modificazioni nella connessione neuronale del sistema cerebello-talamo-corticale [28,29]. È stato inoltre ipotizzato come la mancanza di dispositivi che possano elicitare tali circuiti in maniera efficace, sia alla base della mancata generalizzazione dei miglioramenti motori ottenuti a livello segmentale [30]. Un’ulteriore elemento fondamentale dei dispositivi robot-assistiti, in particolare degli esoscheletri, che li rende particolarmente appetibili in ambito riabilitativo, è la possibilità di fornire un supporto gravitazionale per migliorare la qualità del movimento durante movimenti di raggiungimento (reaching). Il supporto prossimale dell’arto superiore sembra infatti essere in grado di spezzare l’accoppiamento sinergico abduzione di spalla e flessione di gomito, caratteristico del soggetto emiplegico con menomazione moderata o severa, favorendone l’estensione attiva del gomito [31]. Il paziente supportato è in grado di estendere maggiormente il gomito durante il movimento attivo, aumentando quindi il range di movimento del gomito, la fluidità e la velocità del movimento in un ambiente in 3D.

Modalità di applicazione dei dispositivi robotici per l’arto superiore

Riguardo alla modalità di utilizzo dei dispositivi attualmente in uso, la maggior parte dei dispositivi robotici, permette di sfruttare diverse modalità di azione che si basano sull’approccio assistito in base alle necessità del singolo paziente (assist-as-needed), ovvero: un training passivo mediante il quale il dispositivo applica una forza per promuovere l’esecuzione del corretto movimento, mediante l’utilizzo di attuatori; un training assistito, all’interno del quale il paziente effettua l’esercizio con il supporto del dispositivo durante l’intero esercizio; training attivo-assistito in cui il paziente effettua il movimento e l’assistenza viene offerta solo nel momento in cui il soggetto non è in grado di completare la performance richiesta o all’inizio del movimento; training attivo, la macchina non imprime forza o correzioni al soggetto, che deve volontariamente effettuare il compito richiesto, mentre il dispositivo viene utilizzato solo a scopo di misurazione della performance eseguita [32, 33] o di supporto gravitazionale. Uno studio ha enfatizzato come il dispositivo robotico MIT-Manus, sia in grado di indurre adattamenti all’imposizione di un campo di forza (force field adaptation) simili nei soggetti sani e nei pazienti con esiti di ictus cerebrale, anche se questi ultimi necessitano di maggiore pratica [34]. Tale intuizione ha dato luogo ad ulteriori speculazioni finalizzate a valutare se fosse possibile ottenere effetti positivi sul recupero motorio, applicando nuovi campi di forza all’arto paretico. In particolare, l’ipotesi maggiormente verificata sino ad ora, è che aumentando gli errori durante l’esecuzione di movimenti di reaching, si sviluppa un effetto tardivo (after-effect) al termine del trattamento, che corrisponde ad una traiettoria di movimento più fluida e simile al normale [35]. Tali benefici sono stati testati in uno studio clinico in pazienti con esiti di ictus cerebrale in fase cronica a supporto dell’applicabilità in clinica di tale approccio robotico così poco diffuso [36] e testato fino ad ora principalmente il paziente con sclerosi multipla [37]. Sempre riguardo alle modalità di trattamento robotico, non è ancora chiaro se sia più efficace un approccio basato sulla ripetizione di singoli movimenti, volto a migliorare selettivamente la menomazione di vari segmenti corporei o un allenamento più globale e funzionale con coinvolgimento dell’intero arto superiore. Ad oggi, la scomposizione del trattamento in singoli moduli di apprendimento sembra avere maggiori benefici utilizzando dispositivi ad end-effector [38], mentre con un’esoscheletro non è stata provata la superiorità di un protocollo che coinvolga movimenti globali dell’arto superiore rispetto a movimenti selettivi [39]. Tuttavia, altre ipotesi di utilizzo sono in fase di studio, come ad esempio quella recentemente testata nello studio pilota SMARTS2, ove il paziente, in epoca precoce dopo ictus cerebrale, viene esposto ad un trattamento immersivo non funzionale ed orientato a migliorare la qualità di movimenti ampi e in 3D, mediante supporto gravitazionale dell’arto paretico e utilizzo di realtà virtuale immersiva [40].

Infine, un’ulteriore modalità di utilizzo di taluni dispositivi robot-assistiti, come il MIT-Manus, l’Armeo Spring o l’Armeo Power, è data dalla possibilità di utilizzare tali strumenti per una valutazione oggettiva e standardizzata della menomazione e funzionalità dell’arto superiore, con possibilità di intercettare aspetti del recupero motorio non evidenziabili con le valutazioni cliniche comunemente in uso [41].

In conclusione, numerose evidenze sono ad oggi disponibili per guidare la scelta dell’approccio robotico più indicato nel singolo paziente [30,42], sulla base delle sue specifiche caratteristiche cliniche e funzionali.

Classificazione e caratteristiche dei robot utilizzati in ambito riabilitativo

Nel corso degli ultimi due decenni, una grande varietà (> 120) di dispositivi per la rieducazione robot-assistita dell’arto superiore è stata sviluppata e commercializzata [43]. Tali dispositivi si differenziano per diverse strategie di controllo, sensori ed attuatori (Tabella I). La terapia robotica, in accordo con i principi di neuroplasticità e di apprendimento motorio, viene introdotta in quanto consente di massimizzare gli input afferenti provenienti da articolazioni periferiche e permette una stimolazione task-specifica al sistema nervoso centrale per facilitare il recupero funzionale [44]. A partire dagli anni 80-90 sono stati sviluppati dispositivi definiti end-effectors e successivamente dispositivi sempre più sofisticati, gli esoscheletri, disegnati per meglio interfacciarsi e adattarsi alle caratteristiche dei pazienti. Mentre gli end-effectors sono collegati distalmente al paziente e offrono una possibilità di training in un ROM limitato allenando singoli movimenti, gli esoscheletri consentono di effettuare un esercizio più funzionale, con movimenti ampi che coinvolgono più articolazioni contemporaneamente e un controllo separato su ogni articolazione. I dispositivi ad end-effector funzionano attraverso la presenza di un punto di contatto definito effettore a cui il soggetto è agganciato mediante un’interfaccia meccanica. Quest’ultima consente di fissare il segmento corporeo distale dell’arto interessato al fine di controllarne i movimenti, che saranno però limitati rispetto a quelli fisiologicamente consentiti dai gradi di libertà delle varie articolazioni corporee. Contrariamente, gli esoscheletri presentano una struttura che consente di riprodurre maggiormente le sembianze dell’arto superiore con il quale lavorano in simbiosi, rispettando i suoi assi di movimento. L’esoscheletro consente infatti una corrispondenza uno ad uno tra il robot e le articolazioni del soggetto e può essere classificato a seconda del numero di articolazioni che è in grado di controllare [44,45]. Questi dispositivi permettono quindi di aumentare l’interfaccia tra il robot e il paziente, che è estesa all’intero arto bersaglio del trattamento, cercando di riprodurne i movimenti fisiologici [46]. Tra i diversi tipi di end-effector è possibile individuare: MIT-Manus, MIME (Mirror Image Motion Enambler), Bi-Manu-Track e NeReBot (Neurorehabilitation Robot). MIT-Manus e MIME permettono di allenare movimenti della spalla e del gomito. MIT-Manus consente di realizzare movimenti sul piano orizzontale, con il supporto interattivo dato mediante lo schermo di un computer, che mostra video giochi in due dimensioni. Il MIME permette invece di trasferire il movimento effettuato dal paziente con l’arto non affetto, all’arto paretico che viene guidato dal robot a copiarne il movimento, basandosi sul principio della mirror therapy. BI-Manu-Track si basa sulla volontà di realizzare un training riabilitativo bilaterale della flessione ed estensione del polso e prono-supinazione dell’avambraccio. NeReBot consiste invece in un robot con tre gradi di libertà dotato di supporto per l’avambraccio del paziente, sostenuto mediante cavi di nylon. ReoGo Therapy, mediante un supporto meccanico per l’avambraccio e la mano, consente di realizzare dei movimenti di reaching in diverse direzioni, attraverso movimenti che interessano il segmento distale del­l’arto superiore (Figura 1). Tra gli esoscheletri presenti in commercio, molto sofisticati sono i prodotti Armeo tra cui troviamo Armeo Power (Figura 2), Armeo Spring e Armeo Boom [47]. Armeo è un esoscheletro all’interno del quale viene inserito l’arto superiore, mentre il soggetto è seduto su di una sedia sottostante alla struttura. Sullo schermo di un computer collegato al dispositivo, appaiono video giochi a seconda dei quali il soggetto deve eseguire diversi compiti motori. Sia gli end-effectors sia gli esoscheletri consentono un esercizio intenso e ripetitivo in cui è possibile ottenere un feedback e una valutazione quantitativa dei progressi ottenuti.

I dispositivi robot-assistiti posso essere classificati anche in base al segmento corporeo interessato, ovvero prossimale (spalla-gomito) o distale (avambraccio-polso e mano) e l’utilizzo unilaterale o bilaterale. I più recenti esoscheletri permettono di realizzare movimenti che coinvolgono la spalla fino al polso, mentre sono necessari altri dispositivi per effettuare movimenti fini a livello della mano e delle dita [47], come ad esempio il guanto robotico Gloreha (Figura 3).

Tabella I. Caratteristiche tecnologiche e cliniche di alcuni dispositivi robotici per l’arto superiore

Figura 1 Dispositivo ad end-effector per la riabilitazione dell’arto superiore (ReoGo Therapy, Motorika, Israele).

Figura 2 Dispositivo ad esoscheletro per la riabilitazione dell’arto superiore (Armeo Power, Hocoma, Svizzera).

Figura 3 Esempio di dispositivo per la rieducazione della mano (Gloreha, Idrogenet, Italia).

Evidenze scientifiche

Dal loro sviluppo ad oggi, sono stati realizzati numerosi studi clinici con vari dispositivi [48-51] e revisioni sistematiche [52-54] con l’obiettivo di verificare l’efficacia dell’utilizzo della terapia robotica a scopo riabilitativo, paragonata ad altri trattamenti o alla terapia convenzionale. Tali evidenze sono state riprese da linee guida internazionali per la riabilitazione del paziente con ictus cerebrale, che generalmente ne raccomandano l’uso per migliorare il controllo motorio e la forza muscolare, riportando un buon profilo di sicurezza e tollerabilità [55]. Tuttavia, le evidenze raccolte sino ad ora, non permettono di poter formulare chiare indicazioni su quale dispositivo (end-effector, esoscheletro, prossimale, distale) sia più indicato in una fase specifica del recupero motorio (subacuta o cronica) o in base alla menomazione del paziente. In presenza di tale gap conoscitivo, al fine di fornire delle indicazioni sull’utilizzo di tali dispositivi in accordo con le più recenti evidenze scientifiche, si è costituito il gruppo di lavoro 2.2 della Consensus Cicerone, promossa dalle società scientifiche italiane di riabilitazione, composto da un ampio panel di esperti e collaboratori [56].

Limiti attuali e prospettive future

Alla luce di un solido razionale neurofisiologico esposto in questa overview e di un’ampia commercializzazione di dispositivi robot-assistiti per la riabilitazione dell’arto superiore, la comunità riabilitativa è chiamato, nella pratica clinica, ad una scelta terapeutica che pone numerose domande: quale dispositivo robotico utilizzare, con che modalità e per quale tipologia di paziente. In mancanza di chiare evidenze a riguardo attualmente disponibili, è di vitale importanza una solida preparazione dei professionisti nell’acquisire le conoscenze di base circa il razionale di utilizzo e le modalità previste dalle singole apparecchiature. Più in generale, è possibile riscontrare una serie di barriere cliniche, tecnologiche ed economiche all’implementazione in clinica di dispositivi tecnologici, legate all’accettazione da parte dei professionisti della riabilitazione e agli alti costi dei dispositivi non sempre accompagnati da informazioni relative al loro rapporto costo-efficacia. In conclusione, possiamo affermare che la tecnologia attualmente in uso è in grado di fornire scenari terapeutici stimolanti ed efficaci da inserire nel progetto riabilitativo individuale del singolo paziente con esiti di ictus cerebrale. Crediamo che in futuro, grazie all’ulteriore sviluppo tecnologico orientato alla teleriabilitazione robotica [57], allo sviluppo di dispositivi indossabili che permettono l’utilizzo funzionale di oggetti [58] o alla combinazione con tecniche di neuromodulazione non invasiva [59], si possano ampliare le prospettive terapeutiche dei dispositivi robotici in ambito neuroriabilitativo.

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