Clinical application of a wearable system for assessing upper limb motor function in children with Duchenne muscular dystrophy and spinal muscular atrophy

Abstract

(English) Duchenne Muscular Dystrophy (DMD) and Spinal Muscular Atrophy (SMA) are rare neuromuscular diseases characterized by progressive muscle weakness, leading to loss of ambulation, respiratory and cardiological complications, and ultimately to a premature death. Recent therapeutic advancements have introduced new possibilities for managing these disorders, focusing on preserving upper limb function to maintain patient's autonomy. Nevertheless, the clinical assessment tools rely on observational scales, which lack the sensitivity and objectivity needed to accurately track disease progression and therapeutic outcomes. In this context, the Inertial Measurement Units (IMUs), electronic devices able to quantitatively track the orientation of the body segment where they are attached, represent a valid alternative. For this reason, the main objective of this thesis is to validate the use of an IMU-based system to objectively quantify the upper limb motor function in children with neuromuscular diseases (NMDs). First, a systematic review was conducted to analyze the technical and clinical aspects of using an IMU-based system for clinical application, highlighting key challenges such as sensor-to-segment calibration, not always feasible for patients with motor impairment, and the lack of standardized biomechanical protocols. Additionally, an analysis of the biomechanical metrics generally implemented was performed, emphasizing the most meaningful to evaluate the motor status in people with motor diseases. Using an IMU-based system, it is possible to obtain well-known metrics like spatiotemporal or angular metrics. All of them have been proven to be useful for evaluating upper limb motor function in people with motor impairment. However, there is a lack of agreement regarding the clinical protocol and the biomechanical metrics that can help to better understand the progression of the diseases. To address these open challenges, an IMU-based system was developed, the ArmTracker, equipped with seven sensors to evaluate the kinematics of the upper limb in children with DMD and SMA. The first issue addressed was the sensor-to-segment calibration. A picture-based sensor-to-segment calibration was developed, allowing accurate kinematic analysis even in patients with motor impairment, such as children with NMDs. This method was validated by comparing IMU-derived motion data against the gold-standard in the motion analysis field. Furthermore, the kinematic data obtained with this method were compared against standard calibration methods, commonly implemented in clinical practice. Results, obtained in a group of healthy subjects, shown that the picture-based calibration technique led to accurate kinematic data while being more practical and feasible for clinical applications. The system was further tested in a clinical setting on a group of children with DMD and SMA. Kinematic metrics such as workspace area, curve efficiency, and range of motion were computed and compared with the results of the standard clinical scales. A strong correlation with clinical scores was found, confirming their validity for assessing upper limb motor function. Moreover, the system identified discrepancies with respect to the clinical score, suggesting that IMU-based metrics might provide additional insights beyond traditional scales. These metrics were further analyzed one year after the first assessment to assess their sensitivity in longitudinal assessment. The findings suggest that kinematic metrics, obtained with an IMU-based system, are useful not only to objectively assess upper limb motor function in children with NMDs, but may also support clinicians in conducting longitudinal evaluations. We hope that the work of this dissertation serves as a relevant guideline for future therapists and engineers in the field to enhance the understanding and the evolution of neuromuscular diseases.

(Català) La distròfia muscular de Duchenne (DMD) i l'atròfia muscular espinal (AME) són malalties neuromusculars minoritàries caracteritzades per una debilitat muscular progressiva que comporta, entre altres conseqüències, la pèrdua de la deambulació, complicacions respiratòries i cardíaques, i, eventualment, una mort prematura. Els avenços recents en teràpies han obert noves possibilitats per al tractament d’aquests trastorns, centrant-se especialment en la preservació de la funció de les extremitats superiors amb l'objectiu de mantenir l'autonoia funcional dels pacients. Tanmateix, les eines actuals d’avaluació clínica es basen principalment en escales observacionals, les quals manquen de sensibilitat i objectivitat per descriure amb precisió la progressió de la malaltia o la resposta al tractament. En aquest context, les unitats de mesura inercial (IMU, per les seves sigles en anglès), dispositius electrònics capaços de registrar de forma quantitativa l’orientació del segment corporal on s’ubiquen, emergeixen com una alternativa vàlida. Per aquest motiu, aquesta tesi presenta el desenvolupament i la validació d’un sistema basat en IMUs dissenyat per oferir una avaluació objectiva i quantitativa de la funció motora de les extremitats superiors en nens amb trastorns neuromusculars. En primer lloc, es realitzà una revisió sistemàtica per analitzar els aspectes tècnics i clínics de l’aplicació d’IMUs en entorns sanitaris, posant especial atenció en reptes com la necessitat de calibració sensor-segment —sovint inviable en pacients amb discapacitat motora— i la manca de protocols biomecànics estandarditzats. També s'identifiquen i analitzen les mètriques biomecàniques més rellevants per avaluar l’estat motor de persones amb afectacions neuromusculars. Aquestes mètriques inclouen indicadors espacials, temporals i angulars. No obstant això, encara no hi ha un consens clar sobre el protocol clínic i les mètriques biomecàniques que poden ajudar a comprendre millor la progressió de les malalties motores. Per tal de donar resposta a aquests reptes, s'ha desenvolupat el sistema ArmTracker, equipat amb set sensors IMU per analitzar la cinemàtica del membre superior en infants amb DMD i AME. Una de les contribucions clau d’aquest treball és la proposta d’un mètode de calibració sensor-segment basat en imatges, especialment indicat per a pacients amb mobilitat reduïda. Aquest mètode ha estat validat mitjançant la comparació amb un sistema de captura de moviment optoelectrònic, considerat l’estàndard de referència. Els resultats obtinguts en una mostra de subjectes sans mostren que la precisió assolida amb aquesta metodologia és comparable a la de l’estàndard, amb l’avantatge afegit de ser més pràctica i factible en entorns clínics. Posteriorment, el sistema s'ha avaluat en un context clínic real amb infants diagnosticats amb DMD i AME. S'han calculat un conjunt de mètriques cinemàtiques (com l’àrea de treball, l’eficiència del moviment i el rang articular) i s'han comparat amb els resultats de les escales clíniques tradicionals. S'ha trobat una forta correlació, la qual reforça la validesa clínica d’aquestes mètriques. A més, l’anàlisi ha posat en evidència discrepàncies entre els resultats clínics i les capacitats motores reals dels pacients, indicant que les mesures objectives proporcionades per IMUs poden oferir informació complementària i rellevant. Aquestes mètriques s'han analitzat també un any després de la primera valoració, i els resultats obtinguts suggereixen que són sensibles als canvis longitudinals. Esperem que aquest treball sigui en el futur una guia rellevant per a professionals clínics i enginyers biomèdics, i que contribueixi a millorar la comprensió de l’evolució de les malalties neuromusculars, així com a optimitzar l’avaluació funcional i l’estratègia terapèutica en pacients pediàtrics.

(Español) La distrofia muscular de Duchenne (DMD) y la atrofia muscular espinal (AME) son enfermedades neuromusculares raras caracterizadas por una debilidad muscular progresiva, que causa pérdida de la deambulación, complicaciones respiratorias y cardíacas, y una muerte prematura. Los avances terapéuticos recientes han abierto nuevas posibilidades para el manejo de estos trastornos, centrándose en preservar la funciónalidad de las extremidades superiores con el fin de mantener la autonomía del paciente. Sin embargo, las herramientas clínicas de evaluación se basan en escalas observacionales, que faltan de la sensibilidad y objetividad necesarias para evaluar la progresión de la enfermedad y los efectos del tratamiento. En este contexto, las Unidades de Medida Inercial (IMUs), dispositivos electrónicos capaces de registrar cuantitativamente la orientación del segmento al que están adheridos, representan una alternativa válida. Por esta razón, el objetivo principal de esta tesis es validar el uso de un sistema basado en IMUs para cuantificar objetivamente la función motora del miembro superior en niños con enfermedades neuromusculares (NMDs). En primer lugar, se llevó a cabo una revisión sistemática para analizar los aspectos técnicos y clínicos del uso de IMUs en contextos clínicos, destacando desafíos claves como la calibración sensor-segmento, no siempre viable en pacientes con discapacidad motora, y la ausencia de protocolos biomecánicos estandarizados. Además, se realizó un análisis de las métricas biomecánicas comúnmente implementadas, resaltando aquellas más significativas para evaluar el estado motor en personas con funcionalidad motora reducida. Estas métricas incluyen indicadores espaciales, temporales y angulares. No obstante, aún falta consenso sobre el protocolo clínico y las métricas biomecánicas que mejor permiten comprender la progresión de estas enfermedades. En respuesta a estas problemáticas, se desarrolló el ArmTracker, un sistema equipado con siete sensores para evaluar la cinemática del miembro superior en niños con DMD y AME. El primer problema analizado fue la calibración sensor-segmento. Se desarrolló una calibración basada en imágenes, que permite un análisis cinemática precisa, incluso en pacientes con discapacidad motora, como en caso de niños con NMDs. Este método fue validado mediante la comparación con el estándar de referencia en el análisis del movimiento. Además, los datos cinemáticos obtenidos se compararon con métodos de calibración utilizados en la práctica clínica. Los resultados, obtenidos en un grupo de sujetos sanos, mostraron que este metodo proporciona datos cinemáticos precisos, siendo además más práctico y factible para aplicaciones clínicas. Posteriormente, el sistema fue testado en un entorno clínico en un grupo de niños con DMD y AME. Se obtuvieron métricas cinemáticas (como el área de trabajo, la eficiencia de movimiento y el rango articular) que fueron comparadas con los resultados de las escalas clínicas. Se encontró una fuerte correlación con las puntuaciones clínicas, confirmando la validez del sistema para evaluar la función motora de la extremidades superiores. Además, el sistema identificó discrepancias con respecto a las puntuaciones clínicas, lo que sugiere que las métricas obtenidas pueden también ofrecer información adicional más allá de las escalas tradicionales. Estas métricas fueron analizadas nuevamente un año después de la primera evaluación para valorar su sensibilidad en un seguimiento longitudinal. Los resultados sugieren que las métricas cinemáticas obtenidas no solo permiten evaluar objetivamente la función motora de las extremidades superiores en niños con NMDs, sino que también pueden apoyar a los clínicos en evaluaciones longitudinales. Esperamos que este trabajo sirva como una guía para futuros terapeutas e ingenieros del ámbito, contribuyendo a mejorar la comprensión y el seguimiento de la evolución de las enfermedades neuromusculares.