Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

Daniel S. Scholz

Sonification of arm movements in stroke rehabilitation:

a novel approach in neurologic music therapy

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-107621

title (ger.)

Sonifikation von Armbewegungen in der Schlaganfall Rehabilitation: ein innovativer Ansatz in der neurologischen Musik Therapie

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2015

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/scholzd_ws15.pdf

abstract (deutsch)

Schlaganfälle verursachen einen der größten Anteile an erworbenen körperlichen Einschränkungen weltweit. Diese Zahl steigt zudem jährlich an, da der Bevölkerungsdurchschnitt immer älter wird. Die Rehabilitation von Schlaganfallpatienten stellt damit eine große Herausforderung dar, obwohl zur Zeit einige neue Trainingsprogramme untersucht werden, die eine größere Effizienz und eine höhere Nachhaltigkeit der Rehabilitation gewährleisten sollen. Einige der Rehabilitationsprogramme werden leider von den Patienten weniger gut angenommen, da sie recht rigide sind und eine sehr große Kooperationsbereitschaft der Patienten voraussetzen. Diese Programme werden leider häufig als sehr frustrierend erlebt. Allerdings fehlt es sogar einigen der gut etablierten physiotherapeutischen Methoden an wissenschaftlicher Wirksamkeitsevidenz in Bezug auf die Rehabilitation motorischer Fähigkeiten. Deshalb besteht ein großer Bedarf an innovativen, motivierenden und zielgerichteten Trainingsprogrammen für die Schlaganfallrehabilitation.

Sonifikation bezeichnet die Verwendung von nicht-gesprochenem Audiomaterial um sonst nicht-hörbare Informationen abzubilden. Die erste Sonifikations-Apparatur war der Geiger-Müller Zähler. Dieser registriert radioaktive Strahlung und veranschaulicht die Menge der Verstrahlung durch die Häufigkeit der wiedergegebenen Geräusche. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde Sonifikation eingesetzt um sonst nicht-hörbare Armbewegungen von Schlaganfallpatienten in einem vorher definierten dreidimensionalen Raum zu verklanglichen. Diese Art der Verklanglichung wurde dann verwendet um ein musikalisches Retraining für den vom Schlaganfall betroffenen Arm zu entwickeln und dieses dann später in einer klinischen Studie ein zu setzen.

Die erste experimentelle Studie, die hier dargestellt wird, wurde durchgeführt, um die Effektivität einer bestimmten Art von Sonifikation zu untersuchen und für einen späteren Einsatz in der Klinik zu validieren. Bis heute existiert kein allgemein anerkanntes sonifikations-unterstütztes Rehabilitationsverfahren. Um dieses Problem anzugehen, wurde ein Computerprogramm namens „SonicPointer“ entwickelt. Bei diesem Test werden die Computer-Maus-Bewegungen von Versuchspersonen in Echtzeit mit komplexen Tönen verklanglicht. Die spezifischen Ton Charakteristika werden einer, für die Versuchsperson unsichtbaren Klangkartierung entnommen. In jedem Versuchsabschnitt wird den Versuchspersonen ein Klang vorgespielt. Daraufhin ist die Aufgabe, den Ursprung des Tones auf der Klangkartierung so schnell und so präzise wie möglich zu bestimmen und dort mit der Maus hin zu klicken. Mit diesem Paradigma wurden 26 Versuchspersonen untersucht. Im Allgemeinen war die Lokalisierungszuordnung der Versuchspersonen für die Tonhöhe präziser als für die Tonhelligkeit (das Timbre). Die Lernkurven waren am steilsten und die Teilnehmer waren am schnellsten, wenn die Tonhöhe auf die vertikale Bewegungsachse und die Tonhelligkeit auf die horizontale Achse gelegt waren. Dies scheint die optimale Konstellation der Klang-zu-Achsen Zuweisung für diese zwei-dimensionale Sonifikation zu sein. Im zweiten Experiment wurde die in der vorangegangenen Studie evaluierte optimale Verklanglichung in einer klinischen Machbarkeitsstudie mit Schlaganfallpatienten angewandt. Hierfür haben wir eine neuartige musikalische Sonifikationstherapie speziell für die Rehabilitation der Grobmotorik des Armes entwickelt. Vier Schlaganfallpatienten wurden in eine klinische prä-post Machbarkeitsstudie eingeschlossen und mit der musikalischen Sonifikationstherapie trainiert. Vor und nach dem Training wurde die Funktionsfähigkeit des Armes und das psychische Befinden der Patienten mit standardisierten Motorik Tests und neuropsychologischen Fragebögen erfasst. Die vier Patienten wurden in zwei Gruppen eingeteilt. Beide Gruppen erhielten entweder eine jeweils neuntägige musikalische Sonifikationstherapie (Musikgruppe = MG) oder eine Placebo Sonifikations Bewegungstherapie (Kontrollgruppe = KG). Der einzige Unterschied zwischen den zwei Versuchsgruppen war, dass in der KG kein Klang zusätzlich zu den Bewegungen abgespielt wurde. Zu Beginn des Trainings explorierten die Patienten den akustischen Effekt den die Bewegungen ihres vom Schlaganfall-betroffenen Armes auf die Verklanglichung im dreidimensionalen Raum hatten. Gegen Ende des Trainings war es den meisten Patienten möglich, einfache Melodien nur durch das Bewegen ihres beeinträchtigten Armes zu spielen. Beide Patienten der MG verbesserten sich nach dem Training in fast allen Motorik Tests und berichteten in der Stroke Impact Scale weniger durch den Schlaganfall eingeschränkt zu sein. Die beiden Patienten der KG profitierten nicht merklich vom Bewegungstraining. Da die klinische Machbarkeitsstudie vielversprechende Ergebnisse aufzeigte, allerdings aber aufgrund ihrer kleinen Patientenzahl nur eine sehr geringe statistische Aussagekraft hatte, war es notwendig eine dritte, größere klinische Studie durch zu führen. Das Studiendesign dieser Studie war nahezu identisch mit dem in Studie zwei verwendeten, allerdings wurden 25 Patienten trainiert und getestet und es wurde zusätzlich eine 3-Dimensionale Bewegungsanalyse der Bewegungsflüssigkeit eingesetzt. Die 15 Patienten in der Musikgruppe zeigten im Fugl-Meyer Assessment signifikant reduzierten Gelenksschmerz im Vergleich zur Kontrollgruppe nach dem Training. Außerdem berichteten sie einen Trend zu einer verbesserten Handfunktionalität in der Stroke Impact Scale.

Zusammenfassend, lässt sich feststellen, dass die Zuordnung von Klangdimensionen zu Raumdimensionen relevant für das Ergebnis der Sonifikation ist und dass eine musikalische Sonifikation als vielversprechende Schlaganfall Rehabilitationstherapie eingesetzt werden kann. Allerdings ist die Zahl der getesteten Versuchspersonen in den präsentierten Studien noch gering, daher sind weitere Evaluation und Forschung nötig. Darüber hinaus sollten weitere Motorik Tests für die Erhebung der Fähigkeiten der Schlaganfallpatienten zum Einsatz kommen um Boden- und Deckeneffekte zu vermeiden und somit eine präzisere Diagnostik zu ermöglichen.

abstract (englisch)

Stroke is one of the leading causes of disabilities worldwide, and the number of affected patients per year and country is increasing due to the societies growing older. Rehabilitation of stroke patients remains a challenge, although currently several new training programs are being investigated, all aiming at an improved efficiency and sustainability of rehabilitation effects. Some traditional rehabilitation programs lack general acceptance by patients, due to high demands on the patients' cooperation, which sometimes may be perceived by patients as frustrating. Yet, even the well established standard physiotherapeutical approaches do not unambiguously provide evidence of efficacy when it comes to improvement of skilled motor behavior. Therefore there is an urgent need for innovative, patient motivating, goal directed and efficient training programs in stroke rehabilitation.

Sonification stands for the usage of non-speech audio conveying otherwise not audible information. The first sonification device was the Geiger-Müller counter which detects electromagnetic radiation and communicates a decay by a click sound. In this thesis, stroke patients arm movements in a predefined three dimensional space were sonified. Sonification was then applied to develop and to incorporate musical retraining for the arm affected by the stroke.

The first experimental study was conducted in order to examine and validate the effectiveness of a certain type of sonification for a later application in stroke rehabilitation. To date, no established sonification-supported rehabilitation protocol strategy exists. Therefore a computer program was developed, the “SonicPointer”, to sonify participants' computer mouse movements in real-time with complex tones. Tone characteristics were derived from a parameter mapping, invisible and unbeknown to the participants, which was overlaid on the computer screen. In each trial, a target tone was presented and subjects were instructed to indicate its “origin” with respect to the overlaid parameter mappings on the screen as quickly and accurately as possible with a mouse click. Due to the participants' ignorance of the parameter map on the screen, only implicit learning over a series of trials led to an increase in accuracy in this task. One of the aims of the study was to find out how sonification parameters should be mapped in space optimally. Twenty-six elderly healthy participants were tested with this device. Generally, subjects' localizing performance was better on the tone pitch axis as compared to the tone brightness axis. Furthermore, the learning curves were steepest and participants were fastest when pitch was mapped onto the vertical and brightness onto the horizontal axis, suggesting that this is the optimal constellation for this two-dimensional sonification.

In the second experimental study presented herein we applied the previously acquired optimal sonification mapping in a newly developed musical sonification therapy designed to retrain gross-motor functions. Four stroke patients were included in this clinical pre-post feasibility study and were trained with the musical sonification therapy. Patients' upper extremity functions and their psychological states were assessed pre and post training with numerous standardized motor function tests, assessments and neuropsychological questionnaires. The four patients were subdivided into two groups. Both groups received nine days of musical sonification therapy (MG) or a sham sonification movement training (CG). The only difference between the training protocols was that in the CG no sound was played back at the patients. During the training, patients started by exploring the acoustic effects when moving their affected arm in a predefined three-dimensional space. The training proceeded with increasingly complex tone sequences leading to the patients playing simple melodies only by moving their impaired arms in the 3D space. The two MG patients improved in nearly all motor-function tests after the training. Also they reported to be less impaired by the stroke. The two CG patients did not benefit noticeably from the movement training.

Since the second feasibility study yielded promising results, - although with limited statistical power,- a third clinical musical sonification therapy study was run. The setup was basically the same as in experiment two but this time 25 stroke patients were trained and tested. An advanced 3D analysis of the arm movement smoothness was developed and included into the pre post-test battery. The 15 MG patients showed significantly reduced joint pain in the Fugl Meyer Assessment as compared to the control-group after the musical sonification training. They also reported a trend to have an improved hand function on the Stroke Impact Scale.

Summarizing the results of the experiments presented in this thesis it can be concluded that the mapping of sounds in space is crucial for the outcome and a musical sonification can be applied as a promising stroke rehabilitation tool. Of course the number of patients investigated is limited and further evaluation and research is necessary. Furthermore, different motor tests should be included in future research in order to prevent floor and ceiling effects

keywords

Schlaganfall-Rehabilitation, Neuroplastizität, Musiktherapie, stroke rehabilitation, neuroplasticity, music therapy 

kb

1.305