Development and clinical validation of interactive technologies for cognitive rehabilitation of stroke patients

Abstract

Cognitive impairments after stroke do not always receive sufficient attention, despite the limitations they impose in activities of daily living (ADL’s). Cognitive rehabilitation methods mostly consist of paper-and-pencil tasks that target specific cognitive domains. Besides limited ecological validity, most interventions lack personalization, which may result in reduced effectiveness. Virtual Reality (VR) is a promising tool for the development of ecologically valid systems. Numerous tools were developed, but many lack clinical validation with Randomized Controlled Trials (RCT’s). Also, similarly to paper-and-pencil approaches, VR lacks a theoretical framework for the selection and personalization of training content. In this thesis, we present a framework for the design of personalized cognitive rehabilitation tasks based on a participatory design approach. We parameterized 11 paper-and-pencil tasks, which were assessed according to their cognitive demands (attention, memory, language and executive functions) by 20 rehabilitation professionals. Using computational modeling, we operationalized them and developed a web tool that generates personalized paper-and-pencil tasks – the Task Generator (TG). Clinical evaluation of the TG with 20 stroke patients showed that, by enabling the personalization of tasks’ cognitive parameters according to patient assessment, this tool provides an adequate cognitive training. Despite the positive impact of personalization, paper-and-pencil tasks are not fully accessible for most stroke patients whose dominant arm is paretic. As such, we developed a virtual cognitive-motor task, based on traditional cancelation tests (with numbers, letters and symbols) for attention and memory training, to be solved through adapted arm reaching movements: Reh@Task. The system progressively adjusts the difficulty according to patient performance, based on the personalization framework. In a one-month intervention with 24 stroke participants, we investigated the benefits of this integrative VR approach by comparing Reh@Task and conventional rehabilitation through 12 time-matched training sessions. Results showed that both groups improved in motor function, but Reh@Task displayed higher between-group outcomes in the arm assessment. Concerning the cognitive domain, improvements were similar in both groups, suggesting that the mere integration of cognitive and motor training is not enough to promote its efficacy. We believe that Reh@Task lacks ecological validity to have a more significant impact on cognition and functionality. Hence, we developed Reh@City v1.0, a VR simulation where memory, attention, visuospatial abilities and executive functions tasks are integrated into the performance of several ADL’s at the pharmacy, supermarket, bank and post-office. We performed a one-month RCT with 18 stroke participants, comparing Reh@City with conventional rehabilitation within 12 sessions time-matched intervention with pre and post neuropsychological assessment. Reh@City v1.0 group improved in global cognitive functioning, attention, memory, visuospatial abilities, executive functions, emotion and overall recovery, while the control group only improved in self-reported memory and social participation. Between groups, VR was also superior to conventional rehabilitation in global cognitive functioning, attention and executive functions, suggesting that Reh@City v1.0, an ADL’s simulation, has more impact in cognitive rehabilitation than conventional methods. Both Reh@Task and Reh@City v1.0 were compared with non-equivalent interventions, that is, occupational therapy (OT), the conventional treatment offered by the health service. However, these tools should be compared with clinically accepted paper-and-pencil tasks, the gold standard in cognitive rehabilitation. Hence, we developed Reh@City v2.0 with the same task contents and using the same personalization framework as for TG. We performed an RCT with 42 stroke participants comparing time-matched paper-and-pencil training (TG) with content equivalent ADL’s simulations tasks at the pharmacy, supermarket, bank, post-office, fashion store, park, magazine kiosk and home (Reh@City); also having a control group of patients undergoing OT. All participants underwent a pre and post neuropsychological assessment; Reh@City and TG groups were also assessed at follow-up. According to results, training with Reh@City v2.0 had a positive impact in general cognitive functioning, attention, visuospatial ability and executive functioning, verbal memory, and processing speed, which generalized to the participants’ self-perceived impact of cognitive deficits in ADL’s. This generalization did not happen in the TG group that only revealed an impact on orientation, processing speed and verbal memory. TG intervention sustained impact at follow-up, maintaining processing speed and verbal memory gains, with new improvement in language. OT was shown to be an insufficient intervention for cognitive deficits after stroke, with no significant improvements in our outcome measures. Between-groups, Reh@City v2.0 was superior in general cognitive functioning, visuospatial ability and executive functioning. Additionally, we performed an analysis of the participants’ performance, both in TG and Reh@City v2.0, during the 12 RCT training sessions and found that both groups performed at the same level and there was not an effect of the training methodology, paper-and-pencil or VR, in overall performance. Still, Reh@City v2.0 offered more intensive training leading to more task repetitions and greater difficulty adaptation progression, which resulted in more cognitive improvements.

Os défices cognitivos pós Acidente Vascular Cerebral (AVC) nem sempre recebem atenção, apesar das limitações no desempenho das atividades de vida diária (AVDs). As metodologias de reabilitação cognitiva consistem principalmente em tarefas de papel-e-lápis para treino de domínios específicos. Além de validade ecológica limitada, a maior parte das intervenções carece de personalização, o que pode limitar a sua eficácia. A Realidade Virtual (RV) é uma ferramenta promissora para o desenvolvimento de sistemas com validade ecológica. Muitos sistemas têm sido desenvolvidos, mas a maioria não tem validação clínica com estudos controlados e randomizados. Além disso, tal como as metodologias papel-e-lápis, a RV necessita de uma estrutura teórica que fundamente a seleção e personalização de tarefas de treino cognitivo. Nesta tese, apresentamos uma abordagem baseada num design participativo para o desenvolvimento de tarefas personalizadas de reabilitação cognitiva. Parametrizamos 11 tarefas papel-e-lápis, avaliadas segundo as suas exigências cognitivas (atenção, memória, linguagem e funções executivas) por 20 profissionais de reabilitação. Através de uma análise estatística baseada em modelos computacionais, desenvolvemos uma ferramenta Web capaz de gerar tarefas papel-e-lápis personalizadas - o Task Generator (TG). Uma avaliação clínica do TG com 20 pessoas com AVC mostrou que, ao personalizar os parâmetros cognitivos de acordo com a avaliação do paciente, o TG permite um treino adequado. Apesar do impacto positivo da personalização, as tarefas papel-e-lápis não são acessíveis aos pacientes cujo braço dominante esteja parético. Assim, desenvolvemos um sistema cognitivo-motor em RV, baseado em testes de cancelamento (com números, letras e símbolos) para treino de atenção e memória através de movimentos de braço: a Reh@Task. O sistema ajusta progressivamente a dificuldade de acordo com o desempenho, com base nos parâmetros de personalização. Numa intervenção de um mês com 24 participantes pós-AVC, investigámos os benefícios desta ferramenta de treino integrado, comparando-a com reabilitação convencional ao longo de 12 sessões, de frequência e duração equivalente. Os resultados demonstraram que ambos os grupos melhoraram na função motora, mas o grupo Reh@Task apresentou melhores resultados na avaliação do braço. Relativamente ao domínio cognitivo, as melhorias foram semelhantes nos dois grupos, sugerindo que a simples integração do treino cognitivo e motor é insuficiente para aumentar a eficácia. A Reh@Task não tem validade ecológica e, como consequência, tem impacto limitado nos domínios cognitivo e funcional. Assim, desenvolvemos a Reh@City v1.0, uma simulação em RV em que tarefas de memória, atenção, capacidades visuoespaciais e funções executivas são integradas em várias AVD’s na farmácia, supermercado, banco e correios. Realizámos um estudo controlado e randomizado de um mês com 18 participantes pós-AVC, comparando a Reh@City v1.0 com reabilitação convencional, numa intervenção de 12 sessões, equivalentes na frequência e duração, com avaliação neuropsicológica pré e pós-intervenção. O grupo Reh@City v1.0 melhorou no funcionamento cognitivo global, atenção, memória, capacidades visuoespaciais, funções executivas, emoção e recuperação geral, enquanto o grupo de controlo melhorou apenas na memória auto-reportada e participação social. Entre grupos, a RV foi também superior no funcionamento cognitivo global, atenção e funções executivas, sugerindo que a Reh@City v1.0 tem mais impacto que as metodologias tradicionais. Ambas Reh@Task e Reh@City v1.0 foram comparadas com intervenções não equivalentes, ou seja, terapia ocupacional (TO), que é o tratamento oferecido pelo serviço de saúde. No entanto, estas ferramentas deveriam ser comparadas com tarefas de papel-e-lápis, que são a referência em reabilitação cognitiva. Neste contexto, desenvolvemos a Reh@City v2.0 com o mesmo conteúdo de tarefas e com a mesma personalização dos parâmetros cognitivos que o TG. Realizámos um estudo controlado e randomizado com 42 pessoas com AVC, comparando uma intervenção, equivalente em frequência e duração, em papel-e-lápis (TG) com tarefas equivalentes em simulação de AVDs na farmácia, no supermercado, no banco, nos correios, na loja de moda, no parque, no quiosque de revistas e em casa (Reh@City v2.0); tendo também um grupo de controlo de pacientes a fazer TO. Todos os participantes realizaram uma avaliação neuropsicológica pré e pós-intervenção, os grupos Reh@City v2.0 e TG também realizaram uma avaliação de seguimento. De acordo com os resultados, o treino com a Reh@City v2.0 teve impacto positivo no funcionamento cognitivo geral, atenção, capacidade visuoespacial e funcionamento executivo, memória verbal e velocidade de processamento, que se generalizou para o impacto auto-percebido dos défices cognitivos nas AVDs. Esta generalização não se verificou no grupo TG que apenas revelou ganhos na orientação, velocidade de processamento e memória verbal. A intervenção através do TG teve maior impacto na avaliação de seguimento, mantendo os ganhos na velocidade de processamento e na memória verbal, com ganho adicional na linguagem. A TO revelou-se uma intervenção insuficiente, sem ganhos significativos em nenhuma das medidas. Entre grupos, a Reh@City v2.0 foi superior no funcionamento cognitivo geral, capacidade visuoespacial e funcionamento executivo. Adicionalmente, analisámos o desempenho, no TG e na Reh@City v2.0, durante as 12 sessões da intervenção e concluímos que ambos os grupos tiveram o mesmo nível de desempenho, não havendo um efeito da metodologia de treino utilizada no desempenho geral. No entanto, a Reh@City v2.0 possibilitou um treino mais intensivo, permitindo mais repetições de tarefas e, consequentemente, maior progressão na dificuldade ao longo da intervenção, resultando em maior impacto cognitivo.