Biomechanical analysis of an upper limb rehabilitation process using optoelectronic cameras in patients with Parkinson's disease

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease in North America and Europe. PD is a degenerative disease that affects these systems: central, periph- eral, and enteric nervous, and has a significant impact on society, families and the quality of life of the patients. Patients with PD have a variety of motor symptoms such as resting tremors, rigidity, akinesia or bradykinesia and postural instability. Therefore, patients with PD need to have a rehabilitation program to preserve current function, improve range of motion (RoM), posture, strength and endurance, prevent disabling complications, and family training. This work presents a biomechanical assessment of 12 patients with PD evaluated with the Hoehn and Yahr scale before and after rehabilitation therapy for two months with robotic therapy (Armeo®Spring exoskeleton). Patients performed three tests (Maximum Forward Reach, Apley Scratching and Box and Block) where maximum angles, range of motion, angular velocities, and execution times were measured. Nexus software (Oxford Metrics, Oxford, UK) was used to track the trial data, and Polygon software (Oxford Metrics, Oxford, UK) provided the kinematic outcomes of each user. Also, game scores are calculated with the Armeo therapy report because it performs a quantitative analysis regarding the patient’s score in performing the therapeutic games. A Wilcoxon test (p = 0.05) was performed to compare the variables before and after the therapy for the more and less affected upper limbs. Also, averages and standard deviations of game scores are calculated to compare the more and less affected upper limbs before and after rehabilitation therapy. Significant differences were found in the shoulder, elbow and wrist joints. The increase found was 15.89% for adduction-abduction of the shoulder, 6.8% for flexion-extension of the elbow, and 26.82% for flexion-extension of the wrist joint in the more affected upper limb before and after rehabilitation therapy in the maximum forward reach test.

Regarding the minor affected upper limb, the increase found was 9.57% for flexion-extension of the shoulder. On the other hand, in the Apley Scratching Test, the increase found was 12.65% for flexion-extension of the elbow joint in the more affected upper limb before and after rehabilitation therapy. Concerning the less affected upper limb, the increase found was 14.79% for flexion-extension of the elbow joint. Finally, concerning the Box and Block Test, the increase found was 9.13% for the flexion-extension of the elbow joint in the more affected upper limb before and after rehabilitation therapy. In the less affected upper limb, the increase found was 17.13% for the flexion-extension of the elbow joint. In conclusion, the Armeo therapy has been shown to improve motor skills reacquisition in upper limbs through the performance of high intensity, high dose, and is repeatable, reliable and flexible.

La enfermedad de Parkinson (EP) es la segunda enfermedad neurodegenerativa más común en Norteamérica y Europa. La EP es una enfermedad degenerativa que afecta a los sistemas: nervioso central, periférico y entérico, y tiene un impacto significativo en la sociedad, las familias y la calidad de vida de los pacientes. Los pacientes con EP presentan diversos síntomas motores, como temblores en reposo, rigidez, acinesia o bradicinesia e inestabilidad postural. Por lo tanto, los pacientes con EP necesitan tener un programa de rehabilitación para preservar la función actual, mejorar el rango de movimiento (RoM), la postura, la fuerza y la resistencia, prevenir complicaciones incapacitantes y el entrenamiento de la familia. Este trabajo presenta una evaluación biomecánica de 12 pacientes con EP evaluados con la escala de Hoehn y Yahr antes y después de la terapia de rehabilitación durante dos meses con terapia robótica (exoesqueleto Armeo®Spring). Los pacientes realizaron tres pruebas (alcance máximo hacia adelante, rascado de Apley y caja y bloque) donde se midieron los ángulos máximos, el rango de movimiento, las velocidades angulares y los tiempos de ejecución. Se utilizó el software Nexus (Oxford Metrics, Oxford, Reino Unido) para el seguimiento de los datos de las pruebas, y el software Polygon (Oxford Metrics, Oxford, Reino Unido) proporcionó los resultados cinemáticos de cada usuario. Además, las puntuaciones de los juegos se calculan con el informe terapéutico de Armeo, ya que realiza un análisis cuantitativo sobre la puntuación del paciente al realizar los juegos terapéuticos. Se realizó una prueba de Wilcoxon (p = 0,05) para comparar las variables antes y después de la terapia para los miembros superiores más y menos afectados. Asimismo, se calcularon las medias y las desviaciones estándar de las puntuaciones de los juegos para comparar los miembros superiores más y menos afectados antes y después de la terapia de rehabilitación. Se encontraron diferencias significativas en las articulaciones del hombro, el codo y la muñeca. El aumento encontrado fue del 15,89% para la aducción-abducción del hombro, del 6,8% para la flexión-extensión del codo y del 26,82% para la flexión-extensión de la articulación de la muñeca en el miembro superior más afectado antes y después de la terapia de rehabilitación en la prueba de alcance máximo hacia delante.

En cuanto al miembro superior menos afectado, el aumento encontrado fue del 9,57% para la flexión-extensión del hombro. Por otro lado, en la prueba de rascado de Apley, el aumento encontrado fue del 12,65% para la flexión-extensión de la articulación del codo en el miembro superior más afectado antes y después de la terapia de rehabilitación. En cuanto a la extremidad superior menos afectada, el aumento encontrado fue del 14,79% para la flexión-extensión de la articulación del codo. Por último, en lo que respecta a la prueba de caja y bloque, el aumento encontrado fue del 9,13% para la flexión-extensión de la articulación del codo en el miembro superior más afectado antes y después de la terapia de rehabilitación. En el miembro superior menos afectado, el aumento encontrado fue del 17,13\% para la flexión-extensión de la articulación del codo. En conclusión, se ha demostrado que la terapia Armeo mejora la readquisición de habilidades motoras en los miembros superiores mediante la realización de una alta intensidad y una alta dosis, y es repetible, fiable y flexible.