VR-based rehabilitation strategies for functional motor recovery after stroke: individualization, reinforcement, and transfer

Abstract

Stroke represents one of the main causes of adult disability and will be one of the main contributors to the burden of disease in 2030. However, our healthcare systems do not have enough resources to cover the current demand let alone its future increase. Partial and unmet rehabilitation needs may ultimately lead to a loss of functional independence. Hence, it is essential that new approaches are deployed that help to manage these chronic conditions and augment current rehabilitation approaches in order to enhance their e ciency. One of the latest approaches in the rehabilitation of a wide range of de- cits of the nervous system is based on the use of virtual reality (VR), which combines training scenarios with dedicated interface devices. It must be emphasized, however, that so far little work exists on the quantitative assessment of the clinical impact of VR based approaches. In this dissertation we present a number of studies that investigate the potential of VR technologies for motor recovery after stroke. First, we explore the transfer of VR-based rehabilitation systems from clinic based training to at home applications, and we compare the e ects of di erent rehabilitation approaches. Our results reveal that the development of compensatory behaviors, such as learned non-use, can greatly interfere with the recovery dynamics and prevent the retention of motor improvements. vii viii abstract Grounded in our observations, we introduce a novel rehabilitation strategy based on the sensorimotor augmentation of goal-oriented movements, that aims to correct these compensatory behaviors. We establish the principles behind this intervention using a computational model of recovery, and we validate its e cacy though a set of behavioral experiments that combine observational studies and a randomized controlled trial. This thesis work advances our understanding of the key mechanisms in uencing motor recovery after stroke, and provides a new perspective on how to maximize the retention of functional improvements.

L'ictus representa una de les principals causes de discapacitat en els adults i serà un dels principals contribuents a la càrrega de la malaltia en 2030. No obstant això, els nostres sistemes de salut no compten amb els recursos suficients per cobrir la demanda actual i molt menys el seu futur creixement. Requeriments de rehabilitació parcial i necessitats d'aprenentatge no satisfetes poden, en última instància, conduir a una pèrdua d'independència funcional. Per tant, és essencial desplegar nous enfocaments que ajuden a tractar aquestes condicions cròniques i augmentar els enfocaments actuals de rehabilitació per tal de millorar la seva eficiència. Un dels últims enfocaments en la rehabilitació d'una àmplia gamma dels dèficits del sistema nerviós es basa en l'ús de la realitat virtual (VR), que combina escenaris d'entrenament amb dispositius d'interfície dedicats. Cal destacar, però, que existeix fins al moment poc treball en l'avaluació quantitativa de l'impacte clínic de la realitat virtual. En aquesta tesi es presenta un seguit d'estudis que investiguen el potencial de les tecnologies de realitat virtual per a la recuperació motora després de l'ictus. En primer lloc, s'explora la transferència de sistemes de rehabilitació basats en realitat virtual a l'àmbit domèstic, i es comparen els efectes de diferents enfocaments de rehabilitació. Els nostres resultats revelen que el desenvolupament de comportaments compensatoris, com ara la falta d'ús de les extremitats afectades, pot interferir en gran mesura amb la dinàmica de recuperació del pacient i prevenir la retenció de millores. En base a les nostres observacions, s'introdueix una estratègia de rehabilitació innovadora, basada en l'augment d'informació sensorial i motora dels moviments orientats a objectius, que té com a finalitat corregir aquestes conductes compensatòries. Establim els principis que fonamenten aquesta intervenció mitjançant un model computacional de recuperació, i validem la seva eficàcia a través d'una sèrie d'experiments comportamentals que combinen estudis observacionals i un assaig controlat aleatori amb pacients d'icus. Aquest treball de tesi avançaa el nostre coneixement sobre els mecanismes clau que influeixen en la recuperació motora després de l'accident cerebrovascular, i ofereix una nova perspectiva sobre com maximitzar la retenció de millores funcionals.