Reaching, thinking, moving: virtual reality for upper limb rehabilitation

Abstract

Virtual reality (VR) is a promising intervention for sensorimotor rehabilitation following a stroke. To date, increasing evidence supports the use of VR for paretic upper limb rehabilitation in chronic stroke. Still, evidence is limited in the sub-acute phase of stroke recovery, where most rehabilitation occurs. To address this gap, our research team developed a functional game-based VR intervention designed to remediate arm motor impairments in sub-acute stroke rehabilitation. Before the effectiveness of this VR-based intervention can be tested in a planned intervention study, it is crucial to determine the feasibility of the VR intervention with potential users. Specifically, it is necessary to determine the validity of movements made in a 2D VR environment by comparing motor performance and quality of movement variables of reaching movements made in the two environments. This is important to ensure that movements practiced in the virtual environment match real-life situations and to avoid reinforcing maladaptive compensatory movements. The overall aim of the thesis is to determine the feasibility of using a VR intervention as a therapeutic option for improving upper limb function in individuals who have had a stroke. This thesis is comprised of three manuscripts - one review paper and two experimental studies. The first manuscript is a mixed-methods study aimed at determining users’ satisfaction and safety of incorporating the developed VR intervention as an adjunctive therapeutic option for sub-acute stroke rehabilitation. The main findings were that both clinicians and stroke subjects were highly satisfied with the VR intervention and perceived that it would be useful in clinical practice. The duration and intensity of a single session of VR were well tolerated and no adverse events occurred. The second manuscript is a structured review. The objective was to determine the extent to which upper limb movement quality is assessed by commonly used neurological outcome measures. This manuscript highlighted the need to incorporate the assessment of movement quality into clinical practice and research. The results suggested that most upper limb measures poorly capture how well a person moves, limiting their ability to distinguish recovery from compensation and to adequately track changes over time. Only one measure, the Reaching Performance Scale for Stroke, was found to assess both movement quality and motor performance. The use of observational kinematics with or without motion tracking technology could help to incorporate movement quality into clinical assessment.The third manuscript focuses on the kinematic validity of upper limb functional movements performed in the 2D VR environment, in healthy individuals and in individuals who have had a stroke with and without visual perceptual impairments. For unimanual reaching movements, movement speed, hand orientation when grasping the object and trunk kinematics were unaffected by the environment. However, in the virtual environment, unimanual reaches were less smooth and time to peak velocity was longer. These differences were more pronounced in individuals with stroke. Greater visual perceptual impairments resulted in longer movement duration and slower time to peak velocity in only in the virtual environment. For bilateral reach-to-grasp movements, healthy individuals made generally simultaneous and symmetrical movements in both environments. In contrast, movements in stroke subjects were less symmetrical in the virtual environment. The similarity of endpoint spatial variables and most movement quality variables made in the virtual and the physical environments suggest that using the low-cost 2D virtual environment may be a valid approach for sensorimotor rehabilitation following a stroke. This work supports the feasibility of using a low-cost VR intervention for supplementing stroke rehabilitation in individuals with a large spectrum impairments.La réalité virtuelle (RV) est une modalité thérapeutique prometteuse pour la réadaptation sensorimotrice à la suite d’un accident vasculaire cérébral (AVC). De plus en plus de données probantes appuient l'utilisation de la RV pour la réadaptation du bras hémiparétique dans la phase chronique de récupération. Néanmoins, les preuves sont limitées dans la phase subaigüe de récupération, où l’essentiel de la réadaptation a lieu. Pour combler cette lacune, notre équipe a développé une intervention de RV conçue pour le bras parétique. Avant de tester son efficacité de cette intervention, il est essentiel de déterminer la faisabilité avec les utilisateurs potentiels. Il est nécessaire de déterminer la validité des mouvements effectués dans un environnement virtuel (EV) en 2D en comparaison avec le monde réel (EP). Ceci est important pour s'assurer que les mouvements pratiqués dans un EV correspondent à des situations réelles et éviter de réentrainer des mouvements compensatoires non-désirables. L'objectif général de la thèse est de déterminer la faisabilité d'utiliser une intervention de RV comme modalité thérapeutique pour améliorer la fonction du bras chez les personnes qui ont subi un AVC. Cette thèse comprend trois manuscrits, une revue narrative et deux études expérimentales.Le 1er manuscrit est une étude à méthodes mixtes visant à déterminer la satisfaction des utilisateurs et la sécurité face à l’incorporation d’une intervention supplémentaire de RV, pour la réadaptation en phase subaigüe. Les cliniciens et les personnes ayant subi un AVC étaient très satisfaits face à l'intervention de RV et percevaient son utilité dans la pratique clinique. La durée et l'intensité d'une seule session de RV furent bien tolérées et aucun évènement indésirable n’est survenu. Le 2e manuscrit est une revue narrative. L'objectif était de déterminer dans quelle mesure la qualité de mouvement du membre supérieur est évaluée à l'aide des outils de mesure couramment utilisés en neurologie. Ce manuscrit a mis en évidence la nécessité d'intégrer l'évaluation de la qualité du mouvement dans la pratique clinique et en recherche. Les résultats suggéraient que la plupart des outils de mesure du membre supérieur ne reflètent pas la façon dont une personne bouge, limitant la capacité de distinguer la récupération de la compensation et de mesurer de façon adéquate les changements. Une seule mesure, le Reaching Performance Scale for Stroke, évalue à la fois la qualité de mouvement et la performance motrice.Le 3e manuscrit porte sur la validité des mouvements fonctionnels du bras effectués dans un environnement de RV, chez des individus sains et chez des individus ayant subi un AVC avec ou sans atteinte de la perception visuelle. Les participants ont effectué des mouvements dans un EV et un EP similaire. Pour les mouvements unimanuels, la vitesse de déplacement, l'orientation de la main lors de la préhension et la cinématique du tronc n'ont pas été affectées par l'EV. Dans l’EV, les mouvements unilatéraux étaient plus segmentés et le temps jusqu’à la vitesse maximale était plus long. Ces différences étaient plus prononcées chez les personnes ayant subi un AVC. Les atteintes de la perception visuelle étaient associées avec une plus longue durée de mouvement et un délai jusqu’à la vitesse maximale dans l’EV. Pour les mouvements bilatéraux, les mouvements des sujets sains étaient simultanés et symétriques dans les deux environnements. Les mouvements des individus ayant subi un AVC étaient moins symétriques dans l’EV. La similitude des variables spatiales des mouvements au niveau de la main et de la plupart des variables de qualité des mouvements effectués dans les EV et EP suggère que l'utilisation de la RV peut constituer une approche valable pour la rééducation sensorimotrice après un AVC. Ces travaux confirment la faisabilité d'utiliser une intervention de RV pour la réadaptation après un AVC chez des personnes présentant un large spectre de déficiences