Scholarly article on topic 'Innovative technologies applied to sensorimotor rehabilitation after stroke'

Innovative technologies applied to sensorimotor rehabilitation after stroke Academic research paper on "Clinical medicine"

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OECD Field of science
{Stroke / Rehabilitation / "New technologies" / Robotics / "Virtual reality" / "Brain stimulation" / "Accident vasculaire cérébral" / Rééducation / "Technologies nouvelles" / Robotique / "Réalité virtuelle" / "Stimulation cérébrale"}

Abstract of research paper on Clinical medicine, author of scientific article — I. Laffont, K. Bakhti, F. Coroian, L. van Dokkum, D. Mottet, et al.

Abstract Innovative technologies for sensorimotor rehabilitation after stroke have dramatically increased these past 20 years. Based on a review of the literature on “Medline” and “Web of Science” between 1990 and 2013, we offer an overview of available tools and their current level of validation. Neuromuscular electric stimulation and/or functional electric stimulation are widely used and highly suspected of being effective in upper or lower limb stroke rehabilitation. Robotic rehabilitation has yielded various results in the literature. It seems to have some effect on functional capacities when used for the upper limb. Its effectiveness in gait training is more controversial. Virtual reality is widely used in the rehabilitation of cognitive and motor impairments, as well as posture, with admitted benefits. Non-invasive brain stimulation (rTMS and TDCS) are promising in this indication but clinical evidence of their effectiveness is still lacking. In the same manner, these past five years, neurofeedback techniques based on brain signal recordings have emerged with a special focus on their therapeutic relevance in rehabilitation. Technological devices applied to rehabilitation are revolutionizing our clinical practices. Most of them are based on advances in neurosciences allowing us to better understand the phenomenon of brain plasticity, which underlies the effectiveness of rehabilitation. The acceptation and “real use” of those devices is still an issue since most of them are not easily available in current practice.

Academic research paper on topic "Innovative technologies applied to sensorimotor rehabilitation after stroke"


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Elsevier Masson France

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Annals of Physical and Rehabilitation Medicine xxx (2014) xxx-xxx

Literature review / Revue de la litterature

20 21 22

Innovative technologies applied to sensorimotor rehabilitation after stroke

Technologies nouvelles appliquées à la rééducation sensori-motrice après AVC

I. Laffont a,*,b, K. Bakhtia, F. Coroianab, L. van Dokkumb, D. Mottetb, N. Schweighoferb,d,

J. Froger

aDépartement de médecine physique et de réadaptation, hôpital Lapeyronie, CHU de Montpellier, 191, boulevard du Doyen-Gaston-Giraud,

34295 Montpellier cedex 5, France b Movement to Health, Euromov, université Montpellier 1, 700, avenue du Pic-Saint-Loup, 34090 Montpellier, France c Département de médecine physique et de réadaptation, hopital universitaire de rééducation et de réadaptation, CHU de Nîmes, Le Boucanet,

30240 Le-Grau-du-Roi, France

d Computational Neuro-Rehabilitation Laboratory, University of Southern California, 1540 Alcazar Street, CHP 155, Los Angeles, CA 90089-9006, USA

Received 10 August 2014; accepted 10 August 2014


Innovative technologies for sensorimotor rehabilitation after stroke have dramatically increased these past 20 years. Based on a review of the literature on ''Medline'' and ''Web of Science'' between 1990 and 2013, we offer an overview of available tools and their current level of validation. Neuromuscular electric stimulation and/or functional electric stimulation are widely used and highly suspected of being effective in upper or lower limb stroke rehabilitation. Robotic rehabilitation has yielded various results in the literature. It seems to have some effect on functional capacities when used for the upper limb. Its effectiveness in gait training is more controversial. Virtual reality is widely used in the rehabilitation of cognitive and motor impairments, as well as posture, with admitted benefits. Non-invasive brain stimulation (rTMS and TDCS) are promising in this indication but clinical evidence of their effectiveness is still lacking. In the same manner, these past five years, neurofeedback techniques based on brain signal recordings have emerged with a special focus on their therapeutic relevance in rehabilitation. Technological devices applied to rehabilitation are revolutionizing our clinical practices. Most of them are based on advances in neurosciences allowing us to better understand the phenomenon of brain plasticity, which underlies the effectiveness of rehabilitation. The acceptation and ''real use'' of those devices is still an issue since most of them are not easily available in current practice. © 2014 Published by Elsevier Masson SAS.

Keywords: Stroke; Rehabilitation; New technologies; Robotics; Virtual reality; Brain stimulation Résumé

Les technologies innovantes appliques a la reeducation sensori-motrice dans les suites d'un accident vasculaire cerebral se sont multiples ces 20 dernieres annees. A partir d'une revue de la litterature sur « Medline » et « Web of Science » entre 1990 et 2013, nous proposons une synthese des outils disponibles et de leur niveau de validation actuel. La stimulation electrique neuromusculaire et/ou fonctionnelle a une efficacité; admise dans cette indication. La robotique de reeducation a ete diversement appréciee dans la literature. Il semble qu'elle ait une certaine efficacite sur les capacites fonctionnelles lorsqu'elle est utilisee pour le membre superieur. Son efficacite dans la reeducation a la marche est plus controversee. La realite virtuelle est utilisee par de nombreuses equipes dans la reeducation de la motricité: ou de la posture, avec un benefice maintenant admis. Les techniques de stimulations cerébrales non invasives (rTMS et TDCS) sont encore exploratoires dans cette indication, de la mtïme faijon que les techniques de neuro-feedback visant a utiliser l'enregistrement du signal cerebral pour agir sur la plasticite cerébrale. L'avènement de ces technologies appliques a la reeducation est en train de révolutionner nos pratiques. Elles reposent sur les progrès des neurosciences qui nous

* Corresponding author. Département de médecine physique et de réadaptation, hôpital Lapeyronie, CHU de Montpellier, 191, boulevard du Doyen-Gaston-Giraud, 34295 Montpellier cedex 5, France. Tel.: +04 67 33 23 46/06 65 84 90 73. E-mail address: (I. Laffont). 1877-0657/© 2014 Published by Elsevier Masson SAS.


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permettent de mieux comprendre les phénomènes de plasticité neurale qui sous-tendent l'efficacité de la rééducation. L'appropriation de ces outils par les patients et les thérapeutes est une nécessité. Ces dispositifs doivent se mettre au service de la relation entre le patient et son rééducateur mais ne peuvent se substituer a ce dernier. © 2014 Publié par Elsevier Masson SAS.

Mots clés : Accident vasculaire cérébral ; Rééducation ; Technologies nouvelles ; Robotique ; Réalité virtuelle ; Stimulation cérébrale

1. English version

1.1. Introduction

57 The rehabilitation of hemiplegic patients has greatly 58Q2improved these past 30 years [1]. New organization models

59 have been proposed, from the creation of specialized units [2],

60 to the concepts of "early supported discharge'' [3], "tele-

61 rehabilitation'' [4,5] and "self-rehabilitation" [6].

62 Alongside these organizational evolutions, the methods and

63 means available for the rehabilitation of these patients have varied

64 in a considerable manner, with a greater importance allocated to

65 technological devices [7]. This evolution was made possible by the

66 advances in neurosciences that enabled the better understanding of

67 brain plasticity mechanisms underlying the phenomena of

68 sensorimotor and cognitive recovery [8,9] as well as the better

69 integration of learning theories in our rehabilitation programs.

70 These progresses have completely altered the principles driving

71 our rehabilitation practices [10] with the emergence of new ideas

72 such as the notion of task-oriented rehabilitation training, the new

73 focus on the importance of intensity and repetition of exercises, as

74 well as challenging the commonly admitted duration of our

75 rehabilitation programs. This evolution has been widely

76 influenced by the emergence of new technologies that found in

77 this pathology an increasingly larger field of potential applications.

78 Finally, this evolution of concepts and practices was associated to

79 important progresses in rehabilitation-related professions and the

80 healthcare organizations managing these patients.

81 The objective of this work was to propose a non-exhaustive

82 synthesis of the main technologies involved in the rehabilitation

83 of hemiplegic patients based on a review of the literature

84 conducted on "Medline" and ''Web of Science'' for the period

85 going from 1990 to 2013.

1.2. Rehabilitation technological devices

1.2.1. Neuromuscular or functional electrical stimulation (FES)

Motor-stimulating currents were proposed more than 30 years ago for the rehabilitation of hemiplegic patients. The simple use of these currents was quickly enriched by more elaborated functions such as devices coupling detection and stimulation to let the patient's own motor functions express themselves during a voluntary task (Fig. 1), before motor-stimulating currents take over [11]. This technique has showed its effectiveness for the upper limbs, especially in hemiparetic patients [12]. These devices can easily be integrated into "task-oriented" rehabilitation programs; in fact electrical stimulation

is dedicated to the patient's movements rendering them possible and easier to complete (FES). Thus, FES can be used for gait (e.g. Walkaid® system) or grasping (e.g. Handmaster® system) tasks. It is interesting to note that these particular devices, initially designed for orthotic purposes, seem to have a therapeutic relevance by improving the motor functions in the stimulated muscles [13].

1.2.2. Rehabilitation robotics

Rehabilitation robots are interactive motorized devices allowing the mobilization of a limb for sensorimotor rehabilitation but also potentially, for cognitive rehabilitation. Rehabilitation robotics, whether they concern the upper or lower limbs, are generally divided into two categories: automated exoskeleton that move the limbs by controlling the displacement of each segment, and devices that enable the mobilization of a limb from a distal application point (Fig. 2), without the control of the various joints [14]. Depending on their design, these robots work in two or three dimensions. They are designed with different working modes: simple passive mobilization, robot-assisted mobilization that interacts more or less with the subject, and resistance training. Most robots enable the interaction with a virtual environment. The technological sophistication of these different systems is quite uneven, reflecting the yet not completely mature nature of these technologies [15].

The oldest rehabilitation robots are in fact isokinetic dynamometers; they are dedicated to instrumental muscle strength training and completely fit the definition of rehabilitation

100 101 102

110 111 112

120 121 122

Fig. 1. Functional electric stimulation of the upper arm during an occupational therapy session.


I. Laffont et al. /Annals of Physical and

Fig. 2. The American in Motion Robot® designed for shoulder-arm rehabilitation.

126 robotics. In hemiplegic patients, their relevance in lower limb

127 rehabilitation has been validated whereas their effectiveness in

128 upper limb rehabilitation is still being debated [16].

129 The effectiveness of upper limb robot-assisted rehabilitation

130 on stroke patients is strongly suspected. The latest meta-

131 analyses suggest a superiority of robot-assisted rehabilitation

132 when embedded in a complete rehabilitation program,

133 compared to conventional methods on motor recovery of the

134 upper limb, with a transfer of the acquired skills into the

135 patient's daily life [17]. The mechanisms explaining this

136 effectiveness remain uncertain; it is possible that the intensity

137 and repetition of the exercises might be largely at the origin of

138 the effectiveness for this type of rehabilitation. The individual

139 effects of robotics remain unknown and are still being debated

140 today. The refinement of these devices might probably promote

141 a better effectiveness [18]. Non-automated electromechanical

142 devices, like Armeo®, are often classified as rehabilitation

143 robots even though their functioning mode does not fit the

144 definition of robots. The effectiveness of robot-assisted

145 rehabilitation for the lower limbs is still being argued in

146 the literature [19]. Some studies reported that the "dose"

147 effect was greater for robot-assisted gait rehabilitation than for

148 robot-assisted upper limb rehabilitation. Paradoxically, these

149 devices offer functions that are often less advanced than

150 devices used for the upper limb: the interaction with the

151 patient is mostly limited to applying forces to impose a

152 ''normal'' gait pattern to the subject, with parameters set by

153 the therapists. There are very few devices equipped with self-

154 adapting functions where the machine can adapt to the

155 patient's performances. [20]. The association with virtual

156 reality is rare on these robots [7].

157 Generally, very few rehabilitation robots are available on the

158 market, and their diffusion is greatly limited by the yet

159 immature nature of the technology, the price of the devices, as

160 well as the reluctance of therapists and patients to use them [7].

161 These reluctances are fed by the fear of seeing these

162 rehabilitation robots replace human help; yet most studies

163 have shown that the effectiveness of robot-assisted rehabilita-

164 tion was based on its integration within a global program where the place of rehabilitation therapists is essential.

Rehabilitation Medicine xxx (2014) xxx-xxx 3

1.2.3. Virtual reality 166

Virtual reality has strongly invaded the field of rehabilitation 167

[21,22]. Video games for the general public have been tested on 168

neurological patients in several clinical studies, and have shown 169

their effectiveness especially in upper limb rehabilitation but also 170

for posture rehabilitation. Encouraged by these first publications, 171

several teams have started working on video games dedicated to 172

the rehabilitation of hemiplegic patients and thus designed with 173

the help of therapists based on their knowledge of motor and 174

cognitive specificities required for these patients (Fig. 3). The 175

superiority of ''dedicated'' games has not yet been validated, but 176

in this case also it is probably due to the immaturity of these 177

technologies. These games are progressively enriched with 178

promising new functions, not yet fully validated: intelligent 179

components allowing the automatic adaptation of the game to the 180

patient's own achievements [23], command interface enabling 181

the therapist to adapt online the game's characteristics to the 182

patient's needs, multiplayer systems to play outside of the 183

institution via a web-service platform. 184

Besides its rehabilitation relevance, virtual reality opens 185

essential perspectives in terms of patient follow-up and 186

individualization of care. In fact, thanks to the automatic 187

recording of the movements performed by the subject, we will 188

be able to conduct a refined analysis of the quality and quantity 189

of motor function progression, and also to better understand this 190

progression timeline. The collected data should help us 191

decipher the learning and recovery mechanisms, in order to 192

Fig. 3. Upper arm rehabilitation through video-games. The cursor on the screen is moved thanks to a tactil tablet or by using the Kinect® system.


4 I. Laffont et al./Annals of Physical and Rehabilitation Medicine xxx (2014) xxx-xxx

192 249

193 better analyze how we could act on them. Furthermore, this data robot-assisted or via FES, can help patients become aware of 250

194 acquisition will facilitate the modeling of post-stroke recovery the recruitment of relevant brain areas and thus influence brain 251

195 and improve our ability to individualize in a very precise plasticity by facilitating learning. Brain interface coupled with 252

196 manner these rehabilitation programs [24]. robotic or SEF technologies might also contribute to "closing 253

the sensorimotor loop'' and thus promoting the shaping and 254

197 1.2.4. Modulation of sensory afferents maybe the emergence of voluntary motor functions; 256

198 We find under this term techniques using sensory afferents to • finally, very recent studies have suggested associating the 257

199 impact on the recovery of functional motor abilities. All decoding of this brain signal with brain stimulation techniques, 258

200 sensory feedback techniques, visual or auditory and biofeed- during voluntary tasks. The coupling of these two techniques 259

201 back techniques can fit into this category; voluntarily we will could help reinforce the mechanisms of adaptive brain 260

202 only review them briefly [25]. These techniques are old and plasticity and inhibit maladaptive mechanisms (e.g. inhibition 261

203 technological advances have enabled the sophistication of their of contralesional activations when they exist). 262

204 application as well as providing a better understanding of their 263

205 action mode. These sensory afferent modulation techniques 1.2.6. Brain stimulation 264

206 also concern transcutaneous stimulation devices, like TENS, Brain stimulation techniques can be ranked among innovative 265

207 sometimes proposed as adjuvant methods to other sensorimotor rehabilitation technologies. They are based on the use of a local 266

208 rehabilitation devices [26]. magnetic field or galvanic current [32] to stimulate or inhibit 267

209 The three most advanced techniques for sensory afferent certain brain areas, to promote the emergence of motor functions 268

210 modulation are mirror therapy, robot-assisted rehabilitation and [33,34]. Repetitive transcranial stimulation (rTMS) or trans- 269

211 postural rehabilitation devices. Mirror therapy exploits the cranial direct current stimulation (TDCS) can be used in a 270

212 theory of mirror neurons, where the observation or even mind stimulating or an inhibiting mode according to the characteristics 271

213 representation of the movement facilitates the activation of brain of the generated magnetic field or currents. The spatial resolution 272

214 areas involved in the performance of motor tasks [27]. The use of in rTMS is better than in TDCS and its application can be 273

215 mirror therapy has been generalized and rationalized, especially associated with neuro-navigation techniques to increase its 274

216 for the upper limb, with highly suspected results on motor and precision. TDCS bears the advantage of being easy to use and 275

217 functional recovery. requiring less costly materials. 276

218 Virtual reality rehabilitation robotics is a technique proposing The effectiveness of these methods is still being debated [35], 277

219 visual, auditory and haptic feedback of the performed task to even if there are an increasing number of studies in the literature 278

220 patients. Computer and robotic technologies allow the manipu- showing some relevance in motor recovery [36]. The most recent 279

221 lation of this feedback (increased errors for example) in order to studies promote the use of these techniques as a "facilitation" 280

222 manage the post-therapy effect and promote learnings [28,29]. method for other rehabilitation techniques: for example the 281

223 Finally dynamic and static postural evaluation devices are patient follows an intensive rehabilitation session preceded and 282

224 typically included in the definition of technology for sensory facilitated by a TDCS session. In a similar manner, coupling 283

225 afferent modulation. Their relevance in postural rehabilitation, these brain stimulation methods to brain signal recording 284

226 which implies the recovery of several other motor functions, has methods during voluntary movements opens perspectives for 285

227 increasingly been validated. new paradigms where the stimulation site will be guided by the 286

management of individual brain map recordings specific to each 287

228 1.2.5. Neurofeedback rehabilitation patient. 288

229 Recent advances in terms of brain signal collection and

230 treatment permit a refined analysis of brain activation areas during 1.3. Perspectives

231 the completion of a motor or cognitive task. These recordings are 289

232 available through functional magnetic resonance imaging (fMRI), The advent of these technologies applied to rehabilitation is 290

233 near-infrared spectroscopy (NIRS) or electroencephalography revolutionizing our practices. Brain signal recording techniques 291

234 (EEG) techniques. However, fMRI, in spite of its excellent spatial associated with the infinite possibilities of behavioral recordings 292

235 and temporal resolution, cannot be mounted onto a device to of motor functions or cognitive processes, promote the refined 293

236 record brain activity in functional situations. NIRS and EEG, understanding of the mechanisms involved during recovery. This 294

237 especially when coupled, can record brain activity during motor increased knowledge on neural plasticity phenomena, underlying 295

238 tasks in daily life or at least in rehabilitation settings. the learning process post lesion, will allow us to individualize 296

239 The collected brain signal can be used for therapeutic very precisely our rehabilitation programs, refine the indications 297 objectives [30]: for this or that technique, and, through recovery modeling, define 298

2410 rational therapeutic strategies for a more effective care 299

242 • brain interface coupled to an auditory or visual feedback management. Eventually these technologies will become real 300

243 system (e.g. displacement of a target) can help patients to "assistants" for rehabilitation professionals. The future probably 301

244 visualize the effects of brain representation exercises and resides in associating these different techniques to one another. 302

245 facilitate the learning of recruiting brain activation [31]; Using these technological tools to help the patient-therapist 303

246 • brain interface, when associated with a passive or active relationship is a preview of what the rehabilitation of tomorrow 304

mobilization of the limb through an external device, either will be: a personalized and rationalized training program, greater


I. Laffont et al. /Annals of Physical and

306 possibilities of increasing the quantity of rehabilitation training

307 at home without increasing the physiotherapists' time, appro-

308 priation by the patients and their family of some of these tools

309 under the supervision of rehabilitation professionals acting at a

310 distance via web-service platforms. Our goal is to remain vigilant

311 in anticipating these positive and ineluctable advances while

312 preserving the quality of care where direct human interaction

313 remains essential.

Disclosure of interest

315 The authors have not supplied their declaration of conflict of

316 Q3 interest.

2. Version française

2.1. Introduction

319 La reeducation du patient hemiplegique a beaucoup evolué ces

320 Q4 30 dernieres années [1]. En particulier, de nouveaux modeles

321 organisationnels ont eéteé proposeés, allant de la creéation d'uniteés

322 specialisees [2], au concept d'early supported discharge [3], a la

323 « tele-reeducation » [4,5], ou au concept d'« auto-reeducation » [6].

324 En parallele a ces evolutions organisationnelles, les

325 methodes et les moyens mis a la disposition de la reeducation

326 de ces patients se sont considerablement diversifies, avec une

327 importance de plus en plus grande donneée aux dispositifs

328 technologiques [7]. Cette evolution s'est faite a la faveur des

329 progrès des neurosciences qui nous permettent de mieux

330 comprendre les mecanismes de plasticite cerébrale qui sous-

331 tendent les phenomenes de recuperation sensori-motrice et

332 cognitive [8,9] et a la faveur d'une meilleure integration des

333 theories de l'apprentissage dans nos programmes de réeduca-

334 tion. Ces progrès ont totalement modifie les principes qui

335 basent nos pratiques rèeducatives [10] avec l'avenement

336 d'ideées nouvelles comme la notion de reéeéducation orienteée

337 vers la tache, le regard nouveau que nous portons sur

338 l'importance de l'intensite et de la repetition des exercices,

339 et la remise en question des dureées classiquement admises de

340 nos programmes de reeducation. Cette evolution a ete très

341 largement influencee par Emergence des technologies

342 nouvelles qui ont trouveé dans cette pathologie un champ

343 d'application de plus en plus etendu. Enfin, cette evolution des

344 concepts et des pratiques s'est accompagnee d'une evolution

345 très importante des metiers de la reeducation et des

346 organisations sanitaires de prise en charge de ces patients.

347 Nous nous proposons de réaliser une synthese non exhaustive

348 des principales technologies appliques a la réeducation du sujet

349 hemiplegique, a partir d'une revue de la littérature effectue sur

350 « Medline » et « Web of Science » entre 1990 et 2013.

2.2. Dispositifs technologiques de rééducation

352 2.2.1. La stimulation éélectrique neuromusculaire ou

353 fonctionnelle (SEF)

354 Les courants excito-moteurs ont eéteé proposeés il y a plus de 30 ans dans la reeducation du patient hemiplegique. L'utilisation

Rehabilitation Medicine xxx (2014) xxx-xxx 5

simple de ces courants a rapidement eéteé enrichie de 356

fonctionnantes plus elaborées avec des appareils couplant 357

deétection et stimulation qui laissent la motriciteé propre du 358

patient s'exprimer lors d'une tache volontaire (Fig. 1), avant de Q5359

prendre le relais par des courants excito-moteurs [11]. Cette 360

technique a montreé une efficaciteé lorsqu'elle est appliqueée au 361

membre superieur, en particulier chez le patient hemiparètique 362

[12]. Ces dispositifs peuvent parfaitement s'integrer dans des 363

reeducations dites « orientees vers la tache », la stimulation 364

eélectrique eétant asservie aux mouvements du patient et les 365

rendant ainsi possibles ou plus faciles a réaliser (SEF). Ainsi la 366

SEF peut etre utilisee lors de taches de marche (systeme 367

Walkaid1 par exemple) ou lors de taches de prehension (systeme 368

Handmaster® par exemple). Il est intéressant de noter que ce 369

type d'appareils, qui avaient ete initialement concus dans une 370

indication orthetique, semblent avoir un intérêt therapeutique en 371

ameliorant la motricité des muscles stimules [13]. 372

2.2.2. La robotique de reéeéducation 374

On appelle robot de reéeéducation un dispositif motoriseé 375

interactif permettant la mobilisation d'un membre a des fins de 376

reéeéducation sensori-motrice et eéventuellement cognitive. Les 377

robots de reeducation, qu'ils concernent le membre superieur ou 378

le membre infeérieur, sont geéneéralement classeés en deux 379

categories : les exosquelettes motorises qui deplacentun membre 380

en contrôlant le deplacement de chaque segment, et les dispositifs 381

qui permettent la mobilisation d'un membre a partir d'un point 382

d'application distal (Fig. 2), sans contrôle des différentes 383

articulations [14]. Selon leur conception, ces robots fonctionnent 384

en deux ou trois dimensions. Ils disposent de diffeérents modes de 385

travail : mobilisation passive simple, mobilisation assistée plus ou 386

moins interactive avec le sujet et travail contre reésistance. La 387

plupart permettent une interaction avec un environnement virtuel. 388

Le niveau de sophistication technologique de ces diffeérents 389

appareils est très inegal, ce qui reflete bien le caractère encore 390

immature de ces technologies [15]. 391

Fig. 1. Stimulation électrique fonctionnelle du membre supérieur lors d'une séance de réeducation en ergotheirapie.


6 I. Laffont et al. /Annals of Physical and

Fig. 2. Le robot de rééducation américain dans Motion® conçu pour la rééudcation du mémbré supériéur.

391 Lés robots dé rééducation lés plus anciéns sont lés

392 dynamométrés isocinétiqués. Cés apparéils pérméttént d'éfféc-

393 tuér dés éxércicés dé rénforcémént musculairé instruméntal ét

394 répondént tout a fait a la définition dés robots dé rééducation.

395 Chéz lé patiént hémiplégiqué, léur intérét dans la rééducation

396 dés mémbrés infériéurs ést admis alors qué léur éfficacité dans

397 la rééducation dés mémbrés supériéurs fait éncoré l'objét dé

398 controvérsés [16].

399 L'éfficacité dé la rééducation robotiséé du mémbré supériéur

400 aprés accidént vasculairé cérébral ést largémént suspéctéé. Lés

401 dérniérés méta-analysés suggérént uné supériorité dé la

402 rééducation robotiséé comparéé a dés méthodés convéntion-

403 néllés sur la récupération motricé du mémbré supériéur, avéc un

404 transfért dés acquis én vié quotidiénné [17]. Il résté dés

405 incértitudés sur lés mécanismés éxpliquant cétté éfficacité ét il

406 ést probablé qué l'inténsité ét la répétition dés éxércicés soit a

407 l'originé d'uné grandé partié dé l'éfficacité dé cé typé dé

408 rééducation. Lés éfféts proprés dé la robotisation sont éncoré

409 incértains ét controvérsés. Il ést probablé qué lé pérféctionné-

410 mént dé cés machinés aillé vérs uné méilléuré éfficacité dé

411 céllés-ci [18]. Lés dispositifs éléctromécaniqués dé rééducation

412 non motorisés typé Arméo® sont souvént classés parmi lés

413 robots dé rééducation bién qué léur modé dé fonctionnémént né

414 répondé pas a la définition dés robots.

415 L'éfficacité dé la rééducation robotiséé dés mémbrés

416 infériéurs ést toujours discutéé dans la littérature [19]. Cértainés

417 étudés ont montré qué l'éffét « dosé » était éncoré plus important

418 pour la rééducation robotiséé a la marché qué pour la rééducation

419 robotiséé du mémbré supériéur. Paradoxalémént, cés dispositifs

420 offrent dés fonctionnalités souvént moins évoluéés qué lés

421 dispositifs utilisés pour lé mémbré supériéur : l'intéraction avéc lé

422 patiént sé limité lé plus souvént a l'application dé forcés visant a

423 imposér un pattérn dé marché « normal » au sujét, avéc dés

424 paramétragés éfféctués par lés thérapéutés. Lés dispositifs

425 équipés dé fonctions d'auto-adaptation dé la machiné aux

426 pérformancés du patiént sont trés péu nombreux [20]. Lé

427 couplagé a la réalité virtuéllé ést raré sur cés apparéils [7].

428 D'uné facon généralé, lés robots dé rééducation commércia-lisés sont éncoré péu nombreux ét léur diffusion ést largémént

abilitation Medicine xxx (2014) xxx-xxx

fréinéé a la fois par lé caractéré éncoré immature dé la 430

téchnologié, par lé prix dés apparéils ét égalémént par lés 431

réticéncés dés rééducatéurs ét dés patiénts a léur utilisation [7]. 432

La crainté dé voir lés robots dé rééducation sé substituér aux 433

intérvéntions humainés aliménté cés réticéncés mais la plupart 434

dés étudés ont montré qué l'éfficacité dé la robotiqué dé 435

rééducation reposait sur son intégration dans un programmé 436

global ou la placé dés rééducatéurs ést ésséntiéllé. 437

2.2.3. La réalité virtuelle 439

La réalité virtuéllé a trés fortémént pénétré lé mondé dé la 440

rééducation [21,22]. Lés jéux vidéo « grand public » ont été 441

téstés sur dés patiénts néurologiqués dans plusiéurs étudés 442

cliniqués ét ont montré léur éfficacité, én particuliér dans la 443

rééducation du mémbré supériéur, mais égalémént dans la 444

rééducation dé la posturé. Fortés dé cés prémiérés publications, 445

dé nombréusés équipés sé sont lancéés dans la concéption dé 446

jéux vidéos dédiés a la rééducation dé l'hémiplégiqué ét donc 447

concus avéc dés thérapéutés a partir dé nos connaissancés dés 448

spécificités motricés ét cognitivés dé cés patiénts (Fig. 3). La 449

supériorité dés jéux « dédiés » n'ést pas éncoré démontréé mais la 450

éncoré, il s'agit probablémént d'un réflét du caractéré immature 451

dé cés téchnologiés. Cés jéux s'énrichissént progréssivémént dé 452

fonctionnalités nouvéllés ét prométtéusés mais pour lé momént 453 non totalémént validéés : agénts intélligénts pérméttant uné

Fig. 3. Rééducation du mémbré supériéur dé l'hémiplégiqué avéc dés jéux vidéos dé rééducation. Lé déplacémént du curséur a l'écran ést éfféctué par l'intérmédiairé d'uné tablétté tactilé ou d'un dispositif dé capturé visuéllé du mouvémént typé Kinéct®.


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453 509

454 adaptation automatique du jeu aux performances réalisees par le 2.2.5. La rééducation par neuro-feedback 510

455 patient [23], interface de pilotage permettant au therapeute Les progrès recents en matière de recueil et de traitement du 511

456 d'adapter « on-line » les caracteristiques du jeu aux besoins du signal cerebral permettent une analyse des zones d'activation 512

457 patient, systemes multi-joueurs ou permettant une utilisation en cerebrale au cours de la réalisation d'une tache motrice ou 513

458 dehors de l'institution par l'intermediaire d'une plate forme de cognitive. Ces enregistrements font appel a des techniques 514

459 web-service. d'imagerie fonctionnelle cerebrale (fMRI), a des techniques de 515

460 Outre son interêt reeeducatif, la realite virtuelle ouvre des Spectroscopie proche Infra-rouge (NIRS) ou a des techniques 516

461 perspectives essentielles en matiere de suivi des patients et d'electro-encephalographie (EEG). L'IRMf, malgré une excel- 517

462 d'individualisation des prises en charge. En effet, l'enregis- lente resolution spatiale et temporelle, ne permet pas 518

463 trement automatique des mouvements realises par le sujet va d'enregistrement « embarque » en situation fonctionnelle. La 519

464 nous permettre une analyse plus fine de l'evolution de la NIRS et l'EEG, en particulier si les deux techniques sont 520

465 motricite en quantite et en qualite, mais egalement de mieux couplees, permettent la réalisation d'enregistrements au cours 521

466 appréhender son decours temporel. Les donnees ainsi acquises d'une tache motrice en vie quotidienne ou au moins en situation 522

467 devraient nous permettre de decoder les mecanismes d'appren- de réeducation. 523

468 tissage et de récuperation, ce qui nous permettra de mieux Le signal cerebral ainsi recueilli peut etre utilise a des fins 524

469 comprendre comment agir dessus. De la meme facon, réeducatives [30] :

470 l'acquisition de ces donnees va faciliter la modelisation de la 527

471 récuperation post-AVC et ameliorer notre capacite a individua- • l'interface cerebrale couplee a un systeme de feed-back 527

472 liser très finement les programmes de réeducation [24]. visuel ou auditif peut permettre au patient de visualiser les 529

effets d'un travail en imagerie mentale et faciliter les 53290

473 2.2.4. Les techniques de modulation des afferences activations cerébrales au cours de ce type d'exercice [31] ; 530

474 sensorielles • l'interface cerebrale, lorsqu'elle est couplee a un dispositif de 531

475 On regroupe sous cette appellation les techniques qui mobilisation passive ou active aidee d'un membre (robo- 532

476 utilisent les afferences sensorielles pour influer sur la tique) ou a un dispositif de SEF, peut permettre au patient de 533

477 récuperation d'une motricite fonctionnelle. Toutes les techni- prendre conscience du recrutement des aires cerébrales 536

478 ques d'utilisation du feedback sensoriel visuel ou auditif- d'interêt et ainsi influer sur la plasticite cerebrale en facilitant 535

479 techniques de « biofeedback »-peuvent etre classees ici et ne les apprentissages. L'interface cerebrale couplee a un 538

480 seront volontairement abordees que très rapidement [25]. Ces dispositif de robotique ou de SEF pourrait egalement 539

481 techniques sont anciennes et ce sont les progrès technologiques permettre de « fermer la boucle sensori-motrice » et ainsi 540

482 qui ont permis a la fois d'en sophistiquer l'application et de de faciliter l'emergence d'une motricite volontaire ; 549

483 mieux en comprendre le mode d'action. Les techniques de • enfin, des travaux très recents suggerent le couplage de ce 540

484 modulation des afferences sensitives incluent egalement les decodage du signal cerebral durant une tache volontaire a des 544

485 appareils de stimulation transcutanee type TENS qui sont techniques de stimulation cerebrale. Le couplage de ces deux 543

486 parfois proposes en technique adjuvante d'autres dispositifs de techniques pourrait permettre de renforcer les mecanismes de 546

487 reeducation sensori-motrice [26]. plasticite cerebrale adaptative et d'inhiber les mecanismes 544

488 Les trois formes les plus abouties de ces techniques de mal adaptatifs (inhibition des activations contra lesionnelles 545

489 modulation des afferences sensorielles sont la therapie en lorsqu'elles existent par exemple). 549

490 miroir, la reeducation robotisee et les dispositifs de reeducation 550

491 posturale. La therapie en miroir exploite la theorie des neurones 2.2.6. La stimulation cerebrale 558

492 miroirs selon laquelle l'observation ou meme la simple Les techniques de stimulation cerebrale peuvent etre 552

493 evocation du mouvement facilite l'activation des aires classees parmi les technologies innovantes de reeducation. 553

494 cerébrales impliques dans la réalisation d'une tache motrice Elles sontbasees sur l'utilisation d'un champ magnetique local 554

495 [27]. La therapie en miroir a vu son utilisation se generaliser et ou d'un courant galvanique [32] pour stimuler ou inhiber 555

496 se rationaliser, en particulier au niveau du membre superieur, certaines zones cerébrales, en vue de favoriser l'emergence 556

497 avec des résultats sur la récuperation motrice et la fonction très d'une motricite fonctionnelle [33,34]. La stimulation magne- 557

498 largement suspectes. La robotique de reeducation en realite tique transcranienne répetitive (rTMS) ou la stimulation 558

499 virtuelle est une des seules techniques de reeducation qui puisse electrique directe (TDCS) peuvent s'utiliser en mode excitateur 559

500 offrir au patient un feed-back visuel, auditif et haptique de la ou en mode inhibiteur selon les caracteristiques des champs 560

501 tache réalisee. Les technologies informatiques et robotiques magnetiques ou des courants generés. La resolution spatiale de 561

502 permettent une manipulation de ce feed-back (augmentation la rTMS est meilleure que celle de la TDCS et son application 562

503 des erreurs par exemple) afin d'exploiter le « post-effet » et de peut etre couplee a des techniques de neuronavigation qui sont 563

504 favoriser les apprentissages [28,29]. Enfin, les appareils de susceptibles d'en augmenter la précision. La TDCS a 564

505 posturologie statique et dynamique entrent typiquement dans la l'avantage d'etre d'utilisation plus simple et de se pratiquer 565

506 definition des technologies de manipulation des afferences a l'aide d'appareils moins onereux. 566

507 sensorielles. Leur interêt dans la reeducation posturale qui L'efficacite de ces methodes est encore controversee [35], 567

508 sous-tend la récuperation d'un grand nombre d'autres fonctions meme si il existe dans la litterature un nombre croissant de 568 motrices est de plus en plus etabli. travaux suggerant leur interêt dans la récuperation motrice [36].


570 Lés travaux lés plus récénts téndént a proposér l'utilisation dé

571 cés téchniqués commé méthodé dé « facilitation » d'autrés

572 méthodés dé rééducation : lé patiént bénéficié par éxémplé

573 d'uné séancé dé rééducation inténsivé précédéé ét facilitéé par

574 uné séancé dé stimulation cérébralé dirécté. Dé la mémé facon,

575 lé couplagé dé cés méthodés dé stimulation cérébralé a dés

576 méthodés d'énrégistrémént du signal cérébral durant lé

577 mouvémént volontairé ouvré dés pérspéctivés sur dé nouvéaux

578 paradigmés ou lé sité dé stimulation séra guidé par l'organisa-

579 tion dés cartographiés cérébralés propré a chaqué patiént.

2.3. Perspectives

L'avènémént dé cés téchnologiés appliquéés a la rééducation ést én train dé révolutionnér nos pratiqués. Lés téchniqués d'énrégistrémént du signal cérébral coupléés aux possibilités infiniés d'énrégistréménts comportéméntaux dé la motricité ou dés procéssus cognitifs pérméttént dé compréndré tréès finémént lés mécanismés én causé lors dé la récupération. Cétté méilléuré connaissancé dés phénoménés dé plasticité néuralé qui sous-téndént lés appréntissagés aprés lésion va nous pérméttré d'individualisér trés finémént nos programmés dé rééducation, dé précisér lés indications dé téllé ou téllé téchniqué ét, a travérs la modélisation dé la récupération, dé dégagér dés stratégiés thérapéutiqués rationnéllés pour uné méilléuré éfficacité dé nos prisé én chargé.

Cés téchnologiés vont dévénir a térmé dé véritablés « assistants » dés rééducatéurs. L'avénir ést probablémént au couplagé dé cés différéntés téchniqués lés unés avéc lés autrés. L'introduction dé cés outils téchnologiqués au sérvicé dé la rélation patiént-thérapéuté déssiné cé qué séra la rééducation dé démain : dés programmés pérsonnalisés ét rationalisés, dés possibilités importantés d'augméntér la quantité dé rééducation au domicilé sans augméntér lé témps dé préséncé dés rééducatéurs, l'appropriation par lés patiénts ét léur éntouragé d'uné partié dé cés outils sous lé contrôlé dé proféssionnéls dé la rééducation intérvénant a distancé par l'intérmédiairé dé platé formés dé wébsérvicé. A nous dé réstér vigilants pour anticipér cés évolutions positivés ét inéluctablés tout én présérvant dés soins dé qualité ou l'intéraction humainé dirécté résté incontournablé.

Déclaration d'intérêts

Lés autéurs n'ont pas transmis dé déclaration dé conflits Q6 d'intéréts.


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