Technology-supported exercise therapy for chronic nonspecific low back pain

Abstract

Low back pain (LBP) is the leading cause of years lived with disability worldwide. Approximately 80% of people will experience at least one episode of LBP in their lifetime. Although an initial episode of acute LBP usually resolves within four to six weeks, pain flare ups are common and a significant amount of people develop chronic low back pain (CLBP, i.e. LBP that persists > three months). Moreover, about 15 to 25% of people are not fully recovered after one year. Besides the negative consequences of LBP on an individual level, it also poses an enormous economic burden on society, as it is the single most important reason for sick leave and early retirement. Therefore, optimizing the treatment for CLBP is paramount. One of the most frequently used interventions for managing CLBP is exercise therapy. This type of treatment has consistently been shown to be effective in reducing pain and disability in patients with CLBP. However, the effect sizes are often small and not all patients respond well to exercise therapy. One of the main reasons that has been suggested for these modest results is the fact that in many clinical trials the interventions are not tailored to the individual patient. Indeed, given the heterogeneity within the CLBP population, a one-size-fits-all approach is unlikely to yield satisfactory treatment results. As such, we should aim to individualize the exercise programme based on the clinical presentation and treatment goals of the patient. Another aspect that needs to be considered are the numerous barriers to participate in a long term exercise programme, such as the lack of motivation, the experience of pain during exercises, not being supported during home exercises or a lack of time to exercise. Given the small to moderate effects of ‘conventional’ exercise therapy for patients with CLBP, new approaches are warranted to improve treatment results. A potential avenue to obtain this is by using technological systems to support exercises, as technology may have the potential to remove barriers or to support aspects deemed important for treatment success after exercise therapy. Therefore, we focused on three main aspects in this PhD project: (1) the integration of technological support into an individually tailored exercise programme with home exercises, (2) the provision of external postural feedback to improve movement control and (3) using virtual reality (VR) distraction during exercises to obtain an analgesic effect. Chapter I consists of a systematic review and a feasibility study. In our systematic review (Study 1), we summarized the current evidence on the effectiveness of technology-supported exercise therapy (TSET) for patients with LBP. We showed that TSET is not more effective than other interventions or a placebo/waiting list to improve pain, disability or quality of life, even when only more recent trials were considered. In addition, when the technological support was the single difference between interventions, no between-groups differences could be found. A standard therapy combined with a TSET-programme led to larger improvements in pain and disability compared to a standard therapy alone. However, when TSET was added to a standard therapy that was already effective, the additional benefits of TSET were less clear. The lack of benefit from technological support may possibly be explained by the fact that technological support was not integrated into a programme containing individually tailored, functional and home exercises. To assess whether it is possible to implement technology (i.e. serious games and sensor-based postural feedback) into such an exercise programme, we conducted a Feasibility Study (Study 2). Ten patients with chronic non-specific low back pain (CNSLBP) and an underlying movement control impairment were recruited. All participants received an exercise programme that was based on the same principles of movement control training, but which was tailored to the individual patient. The technology-supported exercises were integrated into functional activities and technological support was provided at the rehabilitation centre and at home. Our study showed that is feasible to support a functional exercise programme with technology for patients with CNSLBP, both in a supervised and a home environment. Participants found the intervention credible and remained motivated throughout the study. In addition, no serious adverse events were reported. However, the time needed to set up the games was a barrier for home use and participants would have found it useful to have receive postural feedback during daily life activities. In addition, we were not able to measure the adherence to home exercises, which was an important limitation of this study. In Chapter II, we explored whether movement control could be improved by sensor-based postural feedback. First, we conducted a Reliability Study (Study 3) in healthy participants to investigate during which movement movement control tasks we could assess lumbopelvic kinematics reliably and with sufficient agreement. We were mainly interested in establishing the minimal detectable change between two measurements (i.e. measurement error), as this would be essential for our intervention study (Study 4). Four different movement control tasks were assessed: waiter’s bow (WB), stance-to-sit-tostance (SIT), lifting a box from the floor (LIFT) and placing a box on an overhead shelf (OVERH). The maximal deviation from the starting position in the lumbar spine and hip were calculated for each task (i.e. range of motion expressed in degrees). Both the within and between session reliability of the WB and LIFT task were excellent (ICC range = 0.89 – 0.96), and the measurement error was acceptable (~5° in the lumbar spine, ~10° in the hip). Therefore, these two movement control tasks were used in our intervention study. In this Intervention Study (Study 4), we investigated whether sensor-based postural feedback was more effective than feedback from a mirror or no feedback to improve lumbopelvic movement control in patients with CNSLBP. In addition, we assessed whether patients with CNSLBP were equally capable of improving lumbopelvic movement control compared to healthy persons. During the intervention, participants practised the WB during 3 sets of 6 repetitions while receiving their designated form of feedback (i.e. from sensors, a mirror or no feedback). Our results showed that sensor-based feedback was significantly more effective than feedback from a mirror and no feedback to improve lumbopelvic movement control performance (measured with the WB) and motor learning (measured with the LIFT task). The between groups differences were also larger than the measurement error, except for the hip joint during the LIFT task. Patients with CLBP were equally capable of improving lumbopelvic movement control compared to healthy persons. Finally, Chapter III consists of an intervention study in a CLBP population (Study 5) in which we assessed whether virtual reality (VR) distraction had an analgesic effect during and after exercises, and whether it influenced the time spent thinking of pain during the exercises. Furthermore, we investigated whether levels of baseline pain intensity, pain catastrophizing and pain-related fear moderated the effects of VR distraction. Participants in the intervention group played 2 VR games which had to be controlled using pelvic tilts. Participants in the control group tilted their pelvis according to an auditory signal. Our results showed that participants in the VR group experienced significantly less pain during and immediately after the exercises, and they spent significantly less time thinking of their pain compared to the control group. The effect sizes (Cohen’s d) were large, an ranged between 0.85 and 1.31. Baseline levels of pain intensity, pain-catastrophizing and pain-related fear did not moderate the effectiveness of the VR distraction. In conclusion, this PhD project shows that technological support is able to remove barriers to, or to support important aspects of exercise therapy for patients with CLBP. In addition, we also demonstrated that it was feasible to integrate technological support into a tailored and functional exercise programme including home exercises. Furthermore, specific recommendations for future research were made. The results of the current PhD project can be used to develop effective technology-supported exercise programmes, based on sound clinical reasoning.

Lage rugpijn (LRP) is wereldwijd gezien de belangrijkste oorzaak waarom mensen beperkingen ervaren tijdens hun dagelijkse activiteiten. Ongeveer 80% van de populatie zal ten minste een episode van LRP doormaken tijdens hun leven. Alhoewel een acute episode van LRP meestal opgelost is na vier tot zes weken, treedt er vaak herval op. Bovendien is er een deel van de patiënten dat evolueert naar chronische lage rugpijn (CLRP), wat wil zeggen dat klachten na drie maanden nog steeds aanwezig zijn. Zo zal 15 tot 25% van deze mensen na een jaar niet volledig genezen zijn van hun rugpijn. Naast de negatieve gevolgen op persoonlijk vlak, heeft LRP ook een enorme economische impact op de samenleving. Inderdaad, LRP is de belangrijkste reden van werkverzuim en het is de meest gerapporteerde oorzaak waarom mensen vroegtijdig op pensioen moeten gaan. Om deze redenen is het essentieel dat we verder onderzoek doen om de behandeling van CLRP te optimaliseren. Een van de meest frequent gebruikte behandelingen voor CLRP is oefentherapie. Er is sterk bewijs dat oefentherapie de pijn en de beperkingen van patiënten met CLRP vermindert. Echter, deze positieve effecten zijn slechts van een kleine tot matige grootorde, en voor een deel van de patiënten lijken oefeningen niet veel beterschap te brengen. Een van de belangrijkste redenen voor deze matige resultaten is waarschijnlijk dat de oefenprogramma’s niet op maat worden gemaakt van de individuele patiënt. Gezien de heterogeniteit binnen de populatie van patiënten met CLRP hoeft het niet te verwonderen dat een onesize-fits-all benadering niet tot bevredigende resultaten leidt. Daarom is het essentieel dat oefenprogramma’s gebaseerd worden op het klinische beeld van de patiënt en dat er rekening gehouden wordt met de behandeldoelstellingen van het individu. Daarnaast zijn er een aantal factoren die belemmeren dat patiënten geëngageerd blijven om een langdurig oefenprogramma te volgen, wat een negatieve impact kan hebben op het behandelresultaat. Voorbeelden hiervan zijn een gebrek aan motivatie, het ervaren van pijn tijdens het oefenen, geen ondersteuning krijgen tijdens thuisoefeningen of een gebrek aan tijd om te oefenen. Gezien de matige effecten van ‘conventionele’ oefentherapie voor mensen met CLRP is het nodig om nieuwe benaderingen te exploreren om alzo de behandelresultaten te verbeteren. Een potentiële manier om dit te bekomen is het ondersteunen van oefentherapie via het gebruik van technologische systemen. Deze systemen hebben de mogelijkheid om belangrijke aspecten van oefentherapie te ondersteunen, of om barrières voor het uitvoeren van oefeningen weg te nemen. In dit doctoraatsproject, hebben we ons daarom gefocust op de volgende drie hoofdzaken: (1) de integratie van technologische systemen in een geïndividualiseerd oefenprogramma met thuisoefeningen, (2) het geven van externe posturale feedback ter verbetering van de bewegingscontrole, en (3) het gebruik van virtual reality afleiding om zo een analgetisch effect te verkrijgen tijdens het oefenen. Hoofdstuk I bestaat uit een systematische review en een haalbaarheidsstudie. In onze systematische review (Studie 1) hebben we de huidige evidentie omtrent technologie-ondersteunde oefentherapie (TOOT) voor personen met LRP samengevat. Hieruit bleek dat TOOT niet effectiever was dan andere interventies of een placebo interventie om de pijn, beperkingen en kwaliteit van leven te verbeteren. Indien we enkel de studies vergeleken waarbij de technologische ondersteuning het enige verschil was tussen de interventies, bleek dat er geen verschillen waren tussen beide groepen. Wanneer een standaard behandeling aangevuld werd met een TOOT-interventie, zagen we wel dat dit tot grotere verbeteringen in pijn en beperkingen leidde dan een standaard behandeling alleen. Er moet wel opgemerkt worden dat wanneer de standaard behandeling op zichzelf reeds effectief was, het bijkomende effect van de TOOT minder duidelijk werd. Het feit dat technologische ondersteuning geen additioneel voordeel biedt om de pijn, beperkingen of kwaliteit van leven te verbeteren kan mogelijks verklaard worden doordat in deze studies de ondersteuning niet geïntegreerd werd in een individueel aangepast oefenprogramma met thuisoefeningen. Om na te gaan of het mogelijk is om technologie in zo een oefenprogramma te implementeren, hebben we een haalbaarheidsstudie (Studie 2) uitgevoerd. Tien patiënten met CLRP en een onderliggende probleem met de bewegingscontrole van de lage rug werden geïncludeerd. Alle deelnemers aan de studie kregen een oefenprogramma dat was gebaseerd op dezelfde principes, maar dat wel was aangepast aan de individuele patiënt. De technologie-ondersteunde oefeningen werden geïntegreerd in functionele activiteiten en de technologische ondersteuning was tevens beschikbaar in de thuissituatie. De resultaten van onze studie toonden aan dat het haalbaar was om dergelijk oefenprogramma aan te bieden aan patiënten met CLRP. De deelnemers vonden de therapie geloofwaardig en doorheen de studie bleven ze gemotiveerd om de oefeningen te doen. Verder werden er geen serieuze negatieve effecten gerapporteerd. De tijd die nodig was om het technologische systeem op te starten was duidelijk een barrière om het te gebruiken in de thuissituatie, en de meeste patiënten zouden het ook nuttig gevonden hebben indien ze de posturale feedback ook tijdens dagelijkse bezigheden hadden kunnen krijgen. Een belangrijke limitatie van deze studie was dat we niet in staat waren om de therapietrouw in verband met de thuisoefeningen te meten. In Hoofdstuk II zijn we nagegaan of het mogelijk was om de lumbopelvische bewegingscontrole te verbeteren door middel van posturale feedback die gegeven werd via bewegingssensoren. Vooraleer deze studie aan te vatten, hebben we een betrouwbaarheidsstudie (Studie 3) uitgevoerd om na te gaan welke functionele bewegingscontroletaken op een betrouwbare en accurate manier gemeten konden worden. We waren voornamelijk geïnteresseerd om de meetfout vast te stellen, aangezien dit noodzakelijk was voor onze interventiestudie (studie 4). Er werden vier bewegingscontroletaken gemeten: Een heupbuiging met neutrale lage rug (WB), een stand-zit-stand taak (SIT), het opheffen van een bak op de grond (LIFT) en het bovenhoofds heffen van een klein bakje (OVERH). Voor elke taak werd de maximale deviatie van de startpositie gemeten in de lumbale wervelkolom en het heupgewricht, en dit werd uitgedrukt in het aantal graden. Zowel de betrouwbaarheid binnen een sessie als de betrouwbaarheid tussen twee sessies was excellent voor de WB en de LIFT (ICCs tussen 0.89 en 0.96). Tevens was de meetfout acceptabel (~5° voor de lumbale wervelkolom, ~10° voor het heupgewricht). Daarom werden deze twee taken gebruikt in onze interventiestudie. In deze interventiestudie (Studie 4) hebben we onderzocht of sensor-gebaseerde posturale feedback effectiever was dan feedback van een spiegel of geen feedback, om de lumbopelvische bewegingscontrole te verbeteren. Daarnaast zijn we nagegaan of patiënten met CLBP even goed in staat waren om hun bewegingscontrole te verbeteren in vergelijking met gezonden personen. Tijdens de interventie oefenden de deelnemers de WB gedurende drie sessies van zes herhalingen, terwijl ze hun toegewezen vorm van feedback kregen (van de sensoren, spiegel of geen feedback). Onze resultaten toonden aan dat sensor-gebaseerde feedback effectiever was dan feedback van een spiegel of geen feedback om de lumbopelvische controle tijdens de WB te verbeteren. Verder was dit type van feedback ook effectiever om het motorisch leren verbeteren (gemeten met LIFT). Uit onze resultaten bleek ook dat patiënten met CLRP even goed in staat waren om hun lumbopelvische controle te verbeteren in vergelijking met gezonde personen. Hoofdstuk III bestaat uit een interventiestudie bij patiënten met CLRP, waarin we onderzocht hebben of virtual reality (VR) distractie een analgetisch effect had tijdens en na het oefenen. Tevens zijn we nagegaan of VR distractie de tijd die gespendeerd werd aan het denken aan pijn beïnvloedde. Als laatste hebben we onderzocht of de mate van pijnintensiteit, pijn-gerelateerde angst en catastroferende gedachten (gemeten voor het onderzoek) een invloed hadden op het effect van de VR distractie. De deelnemers in de interventiegroep speelde twee VR games die bestuurd moesten worden door bekkenkantelingen. De deelnemers in de controlegroep kantelden hun bekken op het ritme van een auditief signaal. Onze resultaten toonden aan dat in vergelijking met de controle groep, de personen in de interventiegroep significant minder pijn ervaarden tijdens en na het oefenen, en dat ze ook minder aan hun pijn dachten. De mate van pijnintensiteit, pijn-gerelateerde angst en catastroferende gedachten hadden geen invloed op de effectiviteit van de VR distractie. De algemene conclusie van dit doctoraatsproject is dat we via technologie belangrijke aspecten van oefentherapie kunnen ondersteunen, en barrières voor het uitvoeren van oefeningen weg kunnen nemen. Tevens hebben we aangetoond dat het mogelijk is om technologische ondersteuning te integreren in een individueel aangepast oefenprogramma met thuisoefeningen. Bijkomend werden er aanbevelingen gedaan voor verder onderzoek. De resultaten van dit doctoraatsproject kunnen gebruikt worden om effectieve technologieondersteunde oefenprogramma’s te ontwikkelen die passen binnen een evidence-based klinisch redeneermodel.