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Monitoring therapy-induced recovery after stroke using functional magnetic resonance imaging (fMRI)


Estévez, Natalia. Monitoring therapy-induced recovery after stroke using functional magnetic resonance imaging (fMRI). 2015, University of Zurich, Faculty of Arts.

Abstract

ABSTRACT Stroke often leads to chronic motor disability of the upper limb, which can significantly affect a person’s activities of daily living. Recovery of motor function following a stroke is associated with brain reorganization processes that occur within the surviving areas of the sensorimotor network. Although still not fully understood, there is increasing evidence that movement therapy can facilitate recovery of the upper limb by promoting such processes. To develop more efficient rehabilitation strategies, further work is needed to enhance understanding of therapy- induced recovery and its related reorganization patterns. Functional magnetic resonance imaging (fMRI), which allows for the investigation of the human brain’s functional organization, is a promising method for studying such patterns (i.e., assessed as task-related brain activation) and can further help to evaluate the effect of therapies in stroke patients. Combining fMRI with compatible robots that guide and monitor the execution of movements during recordings may yield a more reliable evaluation of brain activation patterns over time, thereby advancing our understanding of ongoing reorganization processes. Furthermore, the application of robotic devices can contribute to upper limb rehabilitation by providing new therapeutic approaches that can optimize recovery and help to restore lost functions. The long-term purpose of the current project was to provide a better understanding of therapy- induced brain reorganisation in stroke patients who have entered the chronic stage. With this in mind, the present thesis aimed 1) to improve the assessment of arm movement-related brain activation using fMRI; and 2) to acquire insights into brain reorganization patterns induced by arm therapy. Of primary interest was investigating whether robot-assisted therapy can promote brain reorganization in patients with moderate to severe arm hemiparesis. To develop a robust paradigm that permits the reliable investigation of arm movement-related activation in patients with motor impairments, MaRIA, an MRI-compatible arm robot for elbow flexion and extension, was developed and systematically tested. In this context, two studies were performed. Study #1 tested the quality of fMRI recordings while performing motor tasks with MaRIA and the feasibility of this approach in healthy subjects. Study #2 investigated the brain network, which is activated by active and passive arm movements performed with the device, and tested the reliability of this activation over time by applying several statistical approaches. To meet the second aim, an additional study (Study #3) was performed in which MaRIA was used to investigate therapy-induced brain reorganization in chronic stroke patients suffering from moderate to severe unilateral hemiparesis of the arm. For this third study, the patients were divided into two groups. One group was trained via robot-assisted therapy using the arm rehabilitation robot ARMin, while the other group received conventional therapy. The brain reorganization patterns and improvements in arm function induced by each of these therapy methods were analysed and compared. The present results indicate that MaRIA can be used in the MRI environment without causing artefacts in the fMRI time series or discomfort for the person being assessed. The brain network activated by active and passive arm movements in healthy subjects was consistent with the activation patterns reported in previous publications. Reliability analysis demonstrated robust activation patterns for active movements over time. Brain activation was also quite robust for passive movements and reliability was further improved by including additional information about force and range of motion acquired by the device. The investigation of brain reorganization induced by arm therapy demonstrated that reorganization patterns vary depending on the type of intervention, the degree of impairment, and the task performed. For both interventions, changes in activation observed immediately after therapy largely persisted at two months of follow-up. Long-term effects were more stable and even more pronounced in patients with moderate impairments than in those with severe deficits. Therapy with ARMin was shown to promote brain reorganization and reduce motor impairment as effectively as conventional therapy, and is, therefore, a promising tool to enhance functional arm recovery, even in patients who have already reached a chronic stage. This work establishes a new approach to reliably assess arm movement-related brain activation in longitudinal studies on patients with motor impairments. It also allows for the evaluation of different therapeutic interventions and brain plasticity following damage to the nervous system. Additionally, the investigation of therapy-induced reorganization provides important knowledge to help us better understand the effects and potential of robot-assisted therapies in stroke patients suffering from chronic moderate or severe deficits of the arm. ZUSAMMENFASSUNG Erleidet eine Person einen Schlaganfall, so führt dies häufig zu motorische Beeinträchtigungen der oberen Extremitäten, welche die Betroffenen in der Alltagsbewältigung deutlich einschränken. Forschungsarbeiten zeigen, dass nach einem Schlaganfall Reorganisationsprozesse in nicht-geschädigten Gebieten des sensomotorischen Netzwerks in Gang gesetzt werden, welche die Wiederherstellung motorischer Funktionen vorantreiben. Geeignete Bewegungstherapien scheinen diese Reorganisationsprozesse zu erleichtern und somit das Wiedererlernen der verlorenen Funktionen zu unterstützen. Zum Verständnis der zugrundeliegenden zerebralen Prozesse sind weiterführende Studien in diesem Bereich notwendig. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen können helfen, neue und effizientere Rehabilitationsstrategien zu entwickeln. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), welche es erlaubt die Funktionsweise des menschlichen Gehirns zur erforschen, ist besonders geeignet zur Untersuchung solcher Prozesse (erfasst als Aktivierungsmustern) und kann ausserdem dazu beitragen die Wirkung von Therapien zu evaluieren. In Kombination mit Magnetresonanz-kompatiblen Robotern, welche die Durchführung von Bewegungen während den fMRT-Aufnahmen kontrollieren und überwachen, können zuverlässigere Erhebungen der Aktivierungsmuster in Langzeituntersuchungen gewährleistet werden, die für das Verständnis der ablaufenden Reorganisationsprozesse essenziell sind. Des Weiteren können Roboter zur Rehabilitation der beeinträchtigten Extremitäten eingesetzt werden, um neue Therapieansätze zu ermöglichen. Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Dissertationsarbeit bestand darin, ein besseres Verständnis von Therapie-induzierten Reorganisationsmustern bei Patienten im chronischen Stadium nach einem Schlaganfall zu erlangen. In diesem Zusammenhang, beabsichtigte diese Arbeit zum einen die Entwicklung eines zuverlässigeren Verfahrens zur Erhebung von Aktivierungsmustern beim Ausführen von Armbewegungen. Zum anderen sollten zerebralen Reorganisationsmustern, die durch Armtherapie induziert werden, erforscht werden. Der Kern der Untersuchung war zu testen, ob eine roboterunterstützte Armtherapie Reorganisationsprozesse bei Patienten mit moderaten oder schweren Beeinträchtigungen vorantreiben kann. Um ein robustes Paradigma für die Erhebung von Aktivierungen beim Ausführen von Armbewegungen zu erhalten, wurde ein Magnetresonaz (MR) kompatibler Armroboter, genannt MaRIA, entwickelt und getestet. In diesem Zusammenhang wurden zwei Studien durchgeführt. In Studie #1 wurden die Qualität der fMRT-Aufzeichnungen sowie die Durchführbarkeit von fMRT-Erhebungen mit MaRIA bei gesunden Versuchspersonen getestet. Bei der zweiten Studie (Studie #2) wurde die Aktivierung, welche durch aktive und passive Armbewegungen hervorgerufen wurde, untersucht. Zudem wurde die Reliabilität dieser Aktivierungen im Laufe der Zeit mittels verschiedener statistischer Verfahren getestet. In einer weiteren Studie (Studie #3) wurde MaRIA zur Untersuchung von Therapie-induzierten Reorganisationsmustern bei Patienten mit moderaten oder schweren motorischen Beeinträchtigungen eingesetzt. Für die Studie wurden die Patienten in zwei Gruppen eingeteilt. Die eine Gruppe wurde anhand einer roboter-unterstützten Therapie mit Hilfe des Arm- Rehabilitations-Roboters ARMin trainiert. Die andere Gruppe erhielt eine konventionelle Therapie. Die Reorganisationsmuster und Verbesserungen in der Armfunktion bei beiden Therapieverfahren wurden analysiert und miteinander verglichen. Die vorliegenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass MaRIA in der Magnetresonanz- Umgebung eingesetzt werden kann, ohne Interferenzen hervorzurufen. Die Aktivierungen, welche bei der Durchführung aktiver und passiver Armbewegungen erzeugt wurden, stimmen mit früheren Untersuchungsergebnissen überein. Die Reliabilitätsanalyse dieser Aktivierungen zeigte ein robustes Muster für aktive Bewegungen auf. Die Gehirnaktivität war für passive Bewegungen weitgehend robust und die Reliabilität wurde durch das Miteinbeziehen zusätzlicher durch das Gerät erhobenen Informationen weiter verbessert. In der Patientenstudie wurden unterschiedliche Aktivierungsmuster in Abhängigkeit des eingesetzten Rehabilitationsverfahrens, des Schweregrad der motorischen Beeinträchtigung und der Art der durchgeführten Bewegung beobachtet. Die Aktivierungsänderungen unmittelbar nach Therapieschluss konnten auch in der Nachuntersuchung zwei Monate nach Beendigung der Behandlung gefunden werden, wobei die beobachteten Langzeiteffekte bei Patienten mit moderaten Defiziten robuster waren als bei solchen mit schweren Beeinträchtigungen. Die Therapie mit ARMin konnte die zerebralen Reorganisation und die Wiederherstellung der Armfunktion gleich gut vorantreiben wie eine konventionelle Therapie. Demnach ist der Einsatz von ARMin eine vielversprechende Alternative, um die Wiedererlangung der Armfunktion bei Patienten im chronischen Stadium voranzutreiben. In Rahmen dieser Arbeit konnte eine neue Methode zur zuverlässigen Erfassung der Gehirnaktivität beim Ausführen von Armbewegungen etabliert werden. Diese Methode kann in zukünftigen Längsschnittstudien zur Untersuchung von Reorganisationsprozesse in Patienten mit motorischen Beeinträchtigungen eingesetzt werden und dazu verhelfen Therapien zu evaluieren. Zudem konnte die hier durchgeführte Patientenstudie zur Untersuchung therapie- induzierter Reorganisationsprozesse neue Erkenntnisse über die Wirkung und das Potential von roboterunterstützten Therapieformen bei Patienten mit moderaten und schweren Defiziten der Armfunktion liefern.

Abstract

ABSTRACT Stroke often leads to chronic motor disability of the upper limb, which can significantly affect a person’s activities of daily living. Recovery of motor function following a stroke is associated with brain reorganization processes that occur within the surviving areas of the sensorimotor network. Although still not fully understood, there is increasing evidence that movement therapy can facilitate recovery of the upper limb by promoting such processes. To develop more efficient rehabilitation strategies, further work is needed to enhance understanding of therapy- induced recovery and its related reorganization patterns. Functional magnetic resonance imaging (fMRI), which allows for the investigation of the human brain’s functional organization, is a promising method for studying such patterns (i.e., assessed as task-related brain activation) and can further help to evaluate the effect of therapies in stroke patients. Combining fMRI with compatible robots that guide and monitor the execution of movements during recordings may yield a more reliable evaluation of brain activation patterns over time, thereby advancing our understanding of ongoing reorganization processes. Furthermore, the application of robotic devices can contribute to upper limb rehabilitation by providing new therapeutic approaches that can optimize recovery and help to restore lost functions. The long-term purpose of the current project was to provide a better understanding of therapy- induced brain reorganisation in stroke patients who have entered the chronic stage. With this in mind, the present thesis aimed 1) to improve the assessment of arm movement-related brain activation using fMRI; and 2) to acquire insights into brain reorganization patterns induced by arm therapy. Of primary interest was investigating whether robot-assisted therapy can promote brain reorganization in patients with moderate to severe arm hemiparesis. To develop a robust paradigm that permits the reliable investigation of arm movement-related activation in patients with motor impairments, MaRIA, an MRI-compatible arm robot for elbow flexion and extension, was developed and systematically tested. In this context, two studies were performed. Study #1 tested the quality of fMRI recordings while performing motor tasks with MaRIA and the feasibility of this approach in healthy subjects. Study #2 investigated the brain network, which is activated by active and passive arm movements performed with the device, and tested the reliability of this activation over time by applying several statistical approaches. To meet the second aim, an additional study (Study #3) was performed in which MaRIA was used to investigate therapy-induced brain reorganization in chronic stroke patients suffering from moderate to severe unilateral hemiparesis of the arm. For this third study, the patients were divided into two groups. One group was trained via robot-assisted therapy using the arm rehabilitation robot ARMin, while the other group received conventional therapy. The brain reorganization patterns and improvements in arm function induced by each of these therapy methods were analysed and compared. The present results indicate that MaRIA can be used in the MRI environment without causing artefacts in the fMRI time series or discomfort for the person being assessed. The brain network activated by active and passive arm movements in healthy subjects was consistent with the activation patterns reported in previous publications. Reliability analysis demonstrated robust activation patterns for active movements over time. Brain activation was also quite robust for passive movements and reliability was further improved by including additional information about force and range of motion acquired by the device. The investigation of brain reorganization induced by arm therapy demonstrated that reorganization patterns vary depending on the type of intervention, the degree of impairment, and the task performed. For both interventions, changes in activation observed immediately after therapy largely persisted at two months of follow-up. Long-term effects were more stable and even more pronounced in patients with moderate impairments than in those with severe deficits. Therapy with ARMin was shown to promote brain reorganization and reduce motor impairment as effectively as conventional therapy, and is, therefore, a promising tool to enhance functional arm recovery, even in patients who have already reached a chronic stage. This work establishes a new approach to reliably assess arm movement-related brain activation in longitudinal studies on patients with motor impairments. It also allows for the evaluation of different therapeutic interventions and brain plasticity following damage to the nervous system. Additionally, the investigation of therapy-induced reorganization provides important knowledge to help us better understand the effects and potential of robot-assisted therapies in stroke patients suffering from chronic moderate or severe deficits of the arm. ZUSAMMENFASSUNG Erleidet eine Person einen Schlaganfall, so führt dies häufig zu motorische Beeinträchtigungen der oberen Extremitäten, welche die Betroffenen in der Alltagsbewältigung deutlich einschränken. Forschungsarbeiten zeigen, dass nach einem Schlaganfall Reorganisationsprozesse in nicht-geschädigten Gebieten des sensomotorischen Netzwerks in Gang gesetzt werden, welche die Wiederherstellung motorischer Funktionen vorantreiben. Geeignete Bewegungstherapien scheinen diese Reorganisationsprozesse zu erleichtern und somit das Wiedererlernen der verlorenen Funktionen zu unterstützen. Zum Verständnis der zugrundeliegenden zerebralen Prozesse sind weiterführende Studien in diesem Bereich notwendig. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen können helfen, neue und effizientere Rehabilitationsstrategien zu entwickeln. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT), welche es erlaubt die Funktionsweise des menschlichen Gehirns zur erforschen, ist besonders geeignet zur Untersuchung solcher Prozesse (erfasst als Aktivierungsmustern) und kann ausserdem dazu beitragen die Wirkung von Therapien zu evaluieren. In Kombination mit Magnetresonanz-kompatiblen Robotern, welche die Durchführung von Bewegungen während den fMRT-Aufnahmen kontrollieren und überwachen, können zuverlässigere Erhebungen der Aktivierungsmuster in Langzeituntersuchungen gewährleistet werden, die für das Verständnis der ablaufenden Reorganisationsprozesse essenziell sind. Des Weiteren können Roboter zur Rehabilitation der beeinträchtigten Extremitäten eingesetzt werden, um neue Therapieansätze zu ermöglichen. Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Dissertationsarbeit bestand darin, ein besseres Verständnis von Therapie-induzierten Reorganisationsmustern bei Patienten im chronischen Stadium nach einem Schlaganfall zu erlangen. In diesem Zusammenhang, beabsichtigte diese Arbeit zum einen die Entwicklung eines zuverlässigeren Verfahrens zur Erhebung von Aktivierungsmustern beim Ausführen von Armbewegungen. Zum anderen sollten zerebralen Reorganisationsmustern, die durch Armtherapie induziert werden, erforscht werden. Der Kern der Untersuchung war zu testen, ob eine roboterunterstützte Armtherapie Reorganisationsprozesse bei Patienten mit moderaten oder schweren Beeinträchtigungen vorantreiben kann. Um ein robustes Paradigma für die Erhebung von Aktivierungen beim Ausführen von Armbewegungen zu erhalten, wurde ein Magnetresonaz (MR) kompatibler Armroboter, genannt MaRIA, entwickelt und getestet. In diesem Zusammenhang wurden zwei Studien durchgeführt. In Studie #1 wurden die Qualität der fMRT-Aufzeichnungen sowie die Durchführbarkeit von fMRT-Erhebungen mit MaRIA bei gesunden Versuchspersonen getestet. Bei der zweiten Studie (Studie #2) wurde die Aktivierung, welche durch aktive und passive Armbewegungen hervorgerufen wurde, untersucht. Zudem wurde die Reliabilität dieser Aktivierungen im Laufe der Zeit mittels verschiedener statistischer Verfahren getestet. In einer weiteren Studie (Studie #3) wurde MaRIA zur Untersuchung von Therapie-induzierten Reorganisationsmustern bei Patienten mit moderaten oder schweren motorischen Beeinträchtigungen eingesetzt. Für die Studie wurden die Patienten in zwei Gruppen eingeteilt. Die eine Gruppe wurde anhand einer roboter-unterstützten Therapie mit Hilfe des Arm- Rehabilitations-Roboters ARMin trainiert. Die andere Gruppe erhielt eine konventionelle Therapie. Die Reorganisationsmuster und Verbesserungen in der Armfunktion bei beiden Therapieverfahren wurden analysiert und miteinander verglichen. Die vorliegenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass MaRIA in der Magnetresonanz- Umgebung eingesetzt werden kann, ohne Interferenzen hervorzurufen. Die Aktivierungen, welche bei der Durchführung aktiver und passiver Armbewegungen erzeugt wurden, stimmen mit früheren Untersuchungsergebnissen überein. Die Reliabilitätsanalyse dieser Aktivierungen zeigte ein robustes Muster für aktive Bewegungen auf. Die Gehirnaktivität war für passive Bewegungen weitgehend robust und die Reliabilität wurde durch das Miteinbeziehen zusätzlicher durch das Gerät erhobenen Informationen weiter verbessert. In der Patientenstudie wurden unterschiedliche Aktivierungsmuster in Abhängigkeit des eingesetzten Rehabilitationsverfahrens, des Schweregrad der motorischen Beeinträchtigung und der Art der durchgeführten Bewegung beobachtet. Die Aktivierungsänderungen unmittelbar nach Therapieschluss konnten auch in der Nachuntersuchung zwei Monate nach Beendigung der Behandlung gefunden werden, wobei die beobachteten Langzeiteffekte bei Patienten mit moderaten Defiziten robuster waren als bei solchen mit schweren Beeinträchtigungen. Die Therapie mit ARMin konnte die zerebralen Reorganisation und die Wiederherstellung der Armfunktion gleich gut vorantreiben wie eine konventionelle Therapie. Demnach ist der Einsatz von ARMin eine vielversprechende Alternative, um die Wiedererlangung der Armfunktion bei Patienten im chronischen Stadium voranzutreiben. In Rahmen dieser Arbeit konnte eine neue Methode zur zuverlässigen Erfassung der Gehirnaktivität beim Ausführen von Armbewegungen etabliert werden. Diese Methode kann in zukünftigen Längsschnittstudien zur Untersuchung von Reorganisationsprozesse in Patienten mit motorischen Beeinträchtigungen eingesetzt werden und dazu verhelfen Therapien zu evaluieren. Zudem konnte die hier durchgeführte Patientenstudie zur Untersuchung therapie- induzierter Reorganisationsprozesse neue Erkenntnisse über die Wirkung und das Potential von roboterunterstützten Therapieformen bei Patienten mit moderaten und schweren Defiziten der Armfunktion liefern.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Jäncke Lutz, Meyer Martin
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zurich
Date:2015
Deposited On:22 Mar 2019 15:20
Last Modified:15 Apr 2021 15:02
Number of Pages:134
OA Status:Green

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