Métodos para la evaluación motora objetiva de pacientes con daño cerebral adquirido en neuro-rehabilitación funcional

El Dano Cerebral Adquirido (DCA) es una alteracion de la actividad neuronal en areas del cerebro que ocurre despues del nacimiento. Las secuelas tras un episodio de DCA pueden ser motoras, cognitivas, sociales, entre otras, que pueden transformar la vida de los pacientes en los ambitos educativo, laboral y familiar. Las causas del DCA pueden ser traumaticas y no traumaticas, siendo las mas comunes el Accidente Cerebrovascular (ACV) o Ictus y el Traumatismo Craneoencefalico (TCE). El ACV es la segunda causa de muerte y la principal causa de discapacidad a largo plazo a nivel mundial. La organizacion mundial de la salud estima que para el ano 2020 el TCE adelantara a muchas enfermedades para colocarse a la cabeza como principal causa de discapacidad. La neurorrehabilitacion es un proceso clinico complejo dirigido a restituir, minimizar y/o compensar las alteraciones, fisicas y cognitivas, en las personas discapacitadas como consecuencia de una lesion del sistema nervioso. La neurorrehabilitacion es la principal alternativa para reducir el impacto de los deficits derivados de las lesiones cerebrales. En el area funcional o fisica, la neurorrehabilitacion busca que los pacientes puedan alcanzar la maxima recuperacion integral posible y la capacidad para realizar actividades de la vida diaria necesarias para desarrollar una vida independiente, relacionadas con la manipulacion de objetos del entorno en las que la extremidad superior (ES) esta directamente implicada. La gran variedad de movimientos y la complejidad de la ES hace que sea necesario el desarrollo de metodos de evaluacion objetivos que permitan identificar con exactitud la mejora de los pacientes en la ejecucion de movimientos. La evaluacion motora de la ES de pacientes con DCA se realiza habitualmente mediante test clinicos subjetivos. Estos test se caracterizan por ser altamente dependientes de los criterios y experiencia del examinador, asi como de factores del entorno que pueden alterar los resultados. La evaluacion Fugl-Meyer (EFM) es uno de los test estandarizados mas usados tanto en la practica clinica como en estudios de investigacion. La EFM tiene por objetivo evaluar el desempeno fisico de los pacientes con DCA. El creciente numero de sujetos con DCA y la falta de herramientas de valoracion objetiva estandarizada, hace necesaria la creacion de nuevos metodos que permitan modelar, cuantificar, evaluar e interpretar de manera detallada y precisa el movimiento de la ES. El objetivo principal de la Tesis es desarrollar una nueva metodologia de evaluacion motora objetiva basada en la evaluacion Fugl-Meyer de la ES en pacientes con dano cerebral adquirido. La metodologia de los trabajos utilizada y los resultados alcanzados en la Tesis Doctoral son los siguientes: 1. Modelado de la evaluacion Fugl-Meyer. Como primera parte de esta investigacion, se realiza el modelado y formalizacion del conocimiento asociado a la ejecucion de los movimientos de la EFM de la ES. El modelado de la EFM permite la generacion de modelos cinematicos de referencia usados como linea base para el analisis de movimientos patologicos. 2. Cuantificacion de los movimientos de la evaluacion Fugl-Meyer. Se disena, desarrolla y valida la metodologia para la cuantificacion del movimiento de sujetos sanos y de pacientes. Esta metodologia se basada en la definicion y el calculo de metricas cinematicas para la obtencion de parametros que caracterizan el movimiento. La cuantificacion de los movimientos permite dos resultados principales: en primer lugar, la discriminacion entre movimientos realizados por sujetos sanos y por pacientes. En segundo lugar, la definicion del perfil disfuncional a partir de parametros de movimiento que caracterizan la funcion motora de cada paciente. 3. Evaluacion motora objetiva de la extremidad superior. Se disena, desarrolla y valida la metodologia de evaluacion motora objetiva de los movimientos de la EFM de la ES realizados por pacientes con DCA. Esta metodologia se basa en el calculo de la puntuacion de los parametros de movimiento de los pacientes mediante el algoritmo implementado para este fin. Por tanto, la evaluacion motora objetiva de la ES permite estimar de manera automatica un score por cada movimiento de la EFM y un score global para todos los movimientos. 4. Interpretacion del score global objetivo. Se realiza un analisis granular de los scores estimados por el algoritmo de evaluacion, que permite la interpretacion de la funcion motora de la ES de los pacientes con DCA. La interpretacion se realiza con un nivel de detalle superior al disponible usando solo retroalimentacion visual. Los resultados obtenidos han permitido alcanzar los objetivos planteados en la Tesis. Los metodos de evaluacion motora objetiva de la ES en pacientes con DCA permiten mejorar los modelos actuales de neurorrehabilitacion motora. Por tanto, los metodos propuestos pueden aumentar la precision del diagnostico y lograr una rehabilitacion fisica mas personalizada, basada en la evidencia y potencialmente efectiva de los pacientes con DCA. ----------ABSTRACT---------- The acquired brain injury (ABI) is an alteration of neuronal activity in areas of the brain that occurs after birth. The sequels after an episode of ABI can be motor, cognitive, social, among others, which can transform lives of patients in the educational, work and family environments. ABI can be caused by a traumatic or non-traumatic injury. The most common ABIs are cerebrovascular disease (stroke) and traumatic brain injury (TBI). Stroke is the second most common cause of death and is a major cause of long-term disability worldwide. The World Health Organization estimates that by the year 2020 the TBI will overtake many diseases to take the lead as the main cause of disability. The main objectives of physical neurorehabilitation are to restore and to compensate deficits to achieve maximum functional capacity, facilitating independence and reintegration in the family and social environments. Neurorehabilitation is a complex clinical process aimed at restoring, minimizing and/or compensating the alterations, physical and cognitive, in people with disabilities because of a nervous system injury. Neurorehabilitation is the main alternative, to reduce the impact of deficits derived from brain injuries. In the functional or physical area, neurorehabilitation looking at patients can achieve the maximum possible full recovery and the capacity to perform activities of daily life required for an independent life, in terms of the handling of objects in the environments in which the upper extremity (UE) is directly involved. The great variety of movements and the complexity of the UE makes it necessary to develop objective assessment methods that allow to accurately detect the improvement of patients in the movements execution. UE motor assessment of patients with ABI is usually done through subjective clinical tests. These tests are highly dependent on the examiner’s criteria and experience, as well as environmental factors that may alter the results. The Fugl-Meyer assessment (FMA) is one of the most used standardized tests both in clinical practice and in research. The aim of the FMA is to evaluate the physical performance of patients with ABI. The growing number of subjects with ABI and the lack of standardized objective assessment tools, make necessary to create new methods that allow to model, quantify, evaluate and interpret the UE movement in a detailed, accurate and reliable way. The main goal of this Thesis is to develop a novel objective motor assessment methodology based on the Fugl-Meyer assessment of the UE of patients with acquired brain damage. This PhD Thesis has achieved the following results: 1. Fugl-Meyer assessment modeling: first part of this research is the modeling and formalization of the knowledge associated to the execution of the FMA movements of the UE. The FMA modeling allows the generation of reference kinematic models used as a baseline for the analysis of pathological movements. 2. Quantification of the Fugl-Meyer assessment movements. The methodology for the quantification of the movement of healthy subjects and patients is designed, developed and validated. This methodology is based on the definition and calculation of kinematic metrics to obtain parameters that characterize the movement. The quantification of the movements allows two main results: first, the discrimination between movements made by healthy subjects and by patients. Secondly, the definition of the dysfunctional profile from movement parameters that characterize the motor function of each patient. 3. Objective motor assessment of the upper extremity. The methodology of objective motor assessment of the FMA movements of the ES performed by patients with ABI is designed, developed and validated. This methodology is based on the calculation of the score of the movement parameters of patients by using the algorithm implemented for this purpose. Therefore, the objective motor assessment of the UE allows to automatically estimate a score for each movement of the FMA and a global score for all movements. 4. Interpretation of the global objective score. A granular analysis of the scores estimated by the assessment algorithm is performed, which allows the interpretation of the UE motor function of patients with ABI. The interpretation is performed with a level of detail superior to that available using only visual feedback. The results have allowed to reach the proposed objectives in this PhD Thesis. This Thesis provide a new objective assessment tool for therapists to help them improve the diagnostic accuracy and to achieve a more personalized, evidence based and potentially effective physical rehabilitation of brain injury patients.