Filippo Arrigoni

High-Tech in neuroriabilitazione infantile:
Traguardi e sfide
Bosisio Parini, 24-25 settembre 2015
Quantificazione cerebrale degli effetti della
riabilitazione robotica mediante imaging RM 3T
F. Arrigoni
OVERVIEW
- Tecniche RM
- Review letteratura
- Studio RM e riabilitazione robotica in PCI
- Conclusioni e prospettive
TECNICHE RM
AngioRM
EEG-fMRI
DTI
fMRI
SWI
ASL
Perfusione
Spettroscopia
METODI: functional MRI
Mano DX
Mano SIN
Listening
METODI: functional MRI
METODI: functional MRI
Rest
Task
METODI: functional MRI
1995-2015 = >31.300 lavori
1565/anno ~ 4,3/die
2014
= 3819 lavori
METODI: functional MRI
METODI: functional MRI
Segnale BOLD
- Ipo/Ipercapnia
- Età
- Farmaci
- Attenzione
- Differenze locali nell’accoppiamento neuro-vascolare
METODI: functional MRI
Experimental setup
- Individuazione baseline
- Paradigmi ON/OFF = ripetizioni  affaticamento/abituazione
- Block design vs Even related design
- Movimento = no limiti standard; correzioni possono indurre artefatti
METODI: functional MRI
Acquisizione dati
- Tipo sequenza
- Intensità campo magnetico = 3T meglio di 1.5T, ma >artefatti
- Architettura delle bobine
- Rumore dello scanner
METODI: functional MRI
Processing dati
- Smoothing
- Soglia statistica
- Group analysis  fixed vs random effect analysis
METODI: functional MRI
Resting state fMRI
FUNCTIONAL
CONNECTIVITY
Si basa sullo studio delle fluttuazioni spontanee dell’emodinamica
cerebrale che permetterebbe di identificare correlazioni funzionali
tra aree aventi simili pattern di variazione di flusso a riposo
VANTAGGI
- Semplice esecuzione
- Tempi ridotti
- Ripetibilità (?)
- Confronto multicentico (?)
- Studio simultaneo dell’intero cervello
METODI: Resting state fMRI
METODI: Resting state fMRI
Visual cortex
Extrastriate
visual cortex
Auditory c.
Somatomotor c.
DMN
Executive
control network
L-R working
memory and
attention
METODI: Resting state fMRI
METODI: Resting state fMRI
LIMITI
-’REST’ is a task state with potential performance differences
- Head motion
-It is not possible to determine whether fcMRI observed
network reflect stable anatomical circuits or transient
coupling configurations of the active brain
-It is difficult to surmise how to interpret the meaning of the
correlation strength and whether the sign of correlation
should be interpreted at all
METODI: functional MRI
METODI: Diffusion Tensor Imaging
METODI: Diffusion Tensor Imaging
Diffusione
isotropica
METODI: Diffusion Tensor Imaging
Diffusione
anisotropica
Diff.Media
ADC
FA
METODI: Diffusion Tensor Imaging
S
A
R
L
P
METODI: Diffusion Tensor Imaging
S
A
L
R
P
I
METODI: Diffusion Tensor Imaging
NORMALE
LIMITI!
LIMITI!
1500 μm
LIMITI!
LIMITI!
REVIEW LETTERATURA
LETTERATURA: Arto superiore
- 9 pz adulti (21-65) con stroke
- MANUS (3pz) vs MANUS +Motor Imagery EEG (6pz)
- rs-fMRI pre e post 1 mese di trattamento (12 sessioni)
LETTERATURA: Arto superiore
- Ridotta connettività interemisferica tra aree somatomotorie
- Variazioni in termini di CF tra pre e post trattamento sia positive
che negative (non significatve)
- Incrementi di CF a livello di SMA, corteccia motoria e parte del
sistema visuospaziale predittivi di miglioramenti clinici (su tutto il
gruppo di 9 pz)
- Livelli medi di CF più alta per pz trattati con MANUS+MI vs MANUS
LETTERATURA: Arto superiore
- 29 pz adulti (e.m. 56 anni) con stroke (4 mesi)
- 12 sessioni di trattamento in 3 settimane
- con robot arto superiore
(totale 24h di trattamento)
- 1 esame RM alla baseline:
-volume lesione
-DTI tratti cortico-spinali
-connettività in M1 e dorsal premotor cortex durante movimento mano
LETTERATURA: Arto superiore
- Significativo miglioramento attività motoria (ARAT, Fugl-Meyer)
- Tre variabili risultano predittive di miglioramento funzionale:
1) percentuale di danno tratto cortico-spinale
2) attivazione M1 ipsilesionale
3) connettività iM1-cM1
- Pazienti con danno CST > 63% non raggiungono livello minimo di
miglioramento
- Il modello multivariato che tiene conto delle 3 variabili predice il
44% della varianza del miglioramento motorio
LETTERATURA: Arto superiore
- 7 pz adulti (e.m. 69 anni) con stroke subacuto
- 3 settimane di trattamento robotizzato arto superiore (dita)
- Miglioramento Motricity Index e Grip
- Alla RM, dopo riabilitazione, miglioramento del pattern di attivazione con
evidenza di attività anche in corteccia motoria ipsilaterale alla lesione e in
corteccia supplementare motoria, TUTTAVIA, non identificato un pattern
comune di riorganizzazione funzionale
LETTERATURA: Arto inferiore
LETTERATURA: Arto inferiore
Nurorehabilitation and Neural Repair 2005
- 4 pz adulti con tetraparesi da trauma spinale (14w-1y)
- 36 sessioni di trattamento in 12 settimane
(totale 24h di trattamento) con
Lokomat
- Esame RM pre e post trattamento con task di dorsiflessione caviglia
- No analisi statistica. Osservazione su singoli soggetti
- Incremento attivazioni su area motoria primaria e cervelletto.
LETTERATURA: Arto inferiore
STUDIO
Valutazione degli effetti di training riabilitativo intensivo
mediante ausili robotizzati ed esoscheletro in bambini con
esiti di PCI spastica
Arti inferiori
LOKOMAT
Arti superiori
ARMEO
STUDIO
1 mese
1 mese
RM-pre
3 mesi
T0
T1
- Acquisizione 3D morfologica  valutazioni morfometriche/quantizzazioni
1 mese
- Acquisizione DTI  valutazioni strutturali
- Acquisizione resting state fMRI  valutazioni network funzionali
- Acquisizione task fMRI  valutazione riorganizzazione motoria (SOLO A.sup)
T2
RISULTATI
Partecipanti
(maschi)
Età media
Età gestazionale
QI
MACS
(I; II; III)
GMFCS
(1; 2; 3;4)
Pazienti
25 (16)
11.8 ±3.1
31.8±3.1
68.8
9; 10; 6
9, 4; 8; 4
Controlli
25 (17)
11.8±2.8
38.8±1.3
121
-
-
Dilatazione
ventricolare
Danno SB
Assottigliamento
CC
Danno globale
Lieve
17
12
17
16
Moderato
7
12
8
7
Grave
1
1
0
2
RISULTATI DTI
Analisi voxel-based: FA
RISULTATI DTI
Analisi voxel-based: MD , AD, RD
RISULTATI DTI
Analisi tract-based: FA
Correlazioni negative FA- GMFCS:
•
•
•
•
•
•
•
posterior thalamic radiations
corona radiata
superior longitudinal fasciculus
inferior cerebellar peduncle
inferior fronto-occipital fasciculus
inferior longitudinal fasciculus
uncinated fasciculus
Correlazioni negative FA-MACS:
• posterior thalamic radiations
• corona radiata
• superior longitudinal fasciculus
Correlazioni FA-QI
• None
RISULTATI Lokomat
16 pazienti
sedute)
Trattamento Lokomat + fisio x 4 settimane (20
Differenza media FA post vs pre:
RISULTATI Lokomat
16 pazienti
Not-Improving
9pz
Improving
ΔFA
7pz
RISULTATI Lokomat
Improving
7pz
RISULTATI Lokomat
Not-Improving
Improving
ΔFA ≤ 0
ΔFA mai significativo
ΔFA > 0
ΔFA significativo in 18 aree
•
•
•
•
•
•
•
Peduncoli cerebellari medi e fibre trasverse pontine
Peduncoli cerebellari inferiori
Corpo calloso (Ginocchio+corpo+splenio)
Fornici
Tratti corticospinali + peduncoli cerebrali
Lemnischi
Porzione retrolenticolare della capsula interna
RISULTATI Lokomat – 3 mesi
Not-Improving
Improving
ΔFA ≤ 0
ΔFA mai significativo
ΔFA > 0
ΔFA significativo in 29 aree
RISULTATI Armeo-DTI
7 paz PCI bilaterale spastica ( Diparesi) età media 11 anni
GMFCS I-II-III MACS I-II
Riabilitazione intensiva: Esoscheletro (ARMEO), OT, Tablet
Miglioramenti statisticamente significativi
 performance
(Melbourne)
funzionale
 funzioni sensorimotorie AS (NEPSY)
 discriminazione visiva (TVPS)
 performance con ARMEO/Tablet
 kinestesia (Southern California)
AS
RISULTATI Armeo-DTI
7 pazienti
Trattamento Armeo x 4 settimane (20 sedute)
Differenza media FA post vs pre:
Non eseguita analisi per gruppi vista esiguità del campione
RISULTATI Armeo-fMRI
T0: Pz > Controlli
Mano DX
Mano SIN
RISULTATI Armeo-fMRI
T1: Pz > Controlli
Mano DX
Mano SIN
Differenza ridotta rispetto T0
Differenza stabile rispetto T0
RISULTATI Armeo-fMRI
T0 > T1: Pz
Mano DX
Mano Sin: Non differenze
CONCLUSIONI
-Il trattamento robotizzato per a. inferiori induce
modificazioni strutturali a livello cerebrale
-Non significative modificazioni strutturali durante
trattamento ARMEO
-ARMEO induce riorganizzazione funzionale a livello della
corteccia del lato trattato
PROSPETTIVE
• Completare le analisi funzionali a.inferiore e resting
state
• Valutazione effetti riabilitazione con realtà virtuale
• Valutare effetti riabilitazione robotica su popolazione
diversa (trauma cranico-lesioni acquisite)
• Valutare effetti riabilitazione robotica a livello locale
(RM muscolo)
Grazie!
Andrea Nordio
Denis Peruzzo
Marta Re