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D'Andrea, Antonio (2016) SVILUPPO DI DISPOSITIVI APTICI E USO DI REALTÀ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE DELLA MANO E DELLE DITA. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

In the past decade, there has been an increasing attention for the development of personal and rehabilitation robots to assist, enhance, and quantify the rehabilitation therapy. This interest is expected to continue due to the improvements in health care that will allow people to live longer.

A promising approach is the use of virtual reality in combination with haptic devices, i.e. manipulators that are capable of providing realistic force stimuli and accurate measurements of user’s movements, to treat the disability induced by stroke or chronic musculo-skeletal pathologies. The use of this technology not only helps to recover lost motor skills, but allows to obtain objective information on the rehabilitation process.

In this research we have investigated the application of this approach in hand/finger rehabilitation of stroke patients. The first objective has been the development of a software framework that could support the flexibility and adaptability required by the addressed applications. Indeed, rehabilitation exercises have to be adapted to the patient disability, different devices must be integrated depending on the target of the rehabilitation, and different quantitative inforamtion should be recorded according to the objective of the trainign session. Based on the available tools, a software framework was developed using the Model/View/Controller software pattern that allows to decouple the different modules composing the application. Three main components were developed, namely: device management, virtual environment state evolution, and user interface. To reduce the cost, the framework was implemented only through the use of freely available libraries.

The software framework was then used to develop a prototype application based on a five-bar linkage haptic device. During its development we paid special attention to the medial device regulations. Two main areas were identified as the most critical ones: the mechanical and physiological safety. A mechanical protection barrier for the hand/finger device was developed to ensure safe use by the user.

At the same time, we investigated how to pursue physiological safey, i.e. how to monitor patients fatigue through the analysis of their physiological signals. When the patient enters a state of fatigue, it is necessary to change the intensity of the exercise according to the rehabilitation needs of the patient. The recognition of such state is a further element to be monitored during the control loop of the device, and that should be integrated in the analysis in real time. A first attempt to recognize the satte of fatigue was the observation of changes in the frequency band of electromyographic signals (EMG) of the patient. A framework for the acquisition of electromyographic signals, interfacing the rehabilitation system with an EMG amplifier, was developed.

In the last part of the research, we investigated a different strategy for acquiring physiological signals of patient fatigue using the analysis of electroencephalographic signals (EEG). From an in-depth analysis of related literature, a software framework to integrate the analysis of EEG signals within the rehabilitation device conrol was identified. Additionally, a set of indexes for the definition of the level of mental fatigue of the patient was also designed.

Abstract (italiano)

Negli ultimi dieci anni, si è assistito a una sempre crescente attenzione verso lo sviluppo di robot personali e per la riabilitazione al fine di assistere e migliorare la terapia riabilitativa, oltre che a meglio quantificarne l’efficacia. Ci si aspetta che questo interesse cresca sempre di più grazie all'allungamento delle aspettative di vita.

In questo ambito, un approccio che appare promettente per il recupero di disabilità legate a ictus e patologie neuromuscoloscheletriche croniche è l’uso della realtà virtuale in combinazione con dispositivi aptici (manipolatori robotici in grado di generare forze che vanno a stimolare il sistema tattile e/o propriocettivo dell’utente). L’uso di queste tecnologie non solo aiutano a recuperare le disabilità ma permette di ottenere una obiettiva valutazione sul processo di riabilitazione.

Questa ricerca si è occupata di investigare l’applicabilità di questo approccio alla riabilitazione dei movimenti della mano e delle dita in pazienti post-ictus. Il primo obiettivo è stato sviluppare un framework software che potesse supportare la flessibilità e l’adattabilità richieste dalla applicazione studiata. Infatti, deve essere possibile adattare gli esercizi di riabilitazione al livello di disabilità del paziente, supportare diversi dispositivi secondo l’obiettivo della terapia riabilitativa e raccogliere differenti informazioni in funzione dell’obiettivo della sessione stessa.

Per offrire una risposta adeguata a queste esigenze, si è sviluppato
un framework software basato sul software pattern Model/View/Controller che permette di disaccoppiare i diversi moduli che compongono l’applicazione. Tre sono stati i componenti principali che sono stati sviluppati, ovvero: la gestione del dispositivo, la predizione dell’evoluzione dello stato dell’ambiente virtuale e l’interfaccia utente.
Per ridurre il costo, il framework si basa solo su librerie disponibili
gratuitamente.

Il framework software è stato poi utilizzato per sviluppare una applicazione prototipo basata su un dispositivo aptico. Durante il suo sviluppo si è prestata particolare attenzione all'analisi delle normative sui dispositivi medici. Due aree principali sono state identificate come le più carenti del dispositivo, ovvero: la sicurezza meccanica e quella fisiologica. Si è pertanto sviluppato una barriera meccanica di protezione del dispositivo, garantendo agli utenti un utilizzo sicuro dello stesso.

Contemporaneamente ci è occupati degli aspetti fisiologici relativi alla sicurezza, come ad esempio lo studio dell’affaticamento del paziente attraverso l’analisi di segnali fisiologici dello stesso. Nel momento in cui il paziente entra in uno stato di affaticamento, è infatti necessario modificare l’intensità dell’esercizio secondo le esigenze riabilitative del paziente. Il riconoscimento di tale stato costituisce un ulteriore elemento da monitorare all'interno della catena di controllo del dispositivo, che dovrà anche essere integrato nell'analisi in real-time. Un primo tentativo è stato fatto per cercare di riconoscere lo stato di fatica attraverso l’osservazione dei cambiamenti nella banda di frequenza dei segnali elettromiografici (EMG) del paziente, e il riconoscimento, da questi, dello stato di affaticamento secondo le indicazioni della letteratura. Si è sviluppato quindi un framework per l’acquisizione dei segnali elettromiografici, interfacciando il sistema riabilitativo con un amplificatore di segnali EMG. I dati ottenuti con questo approccio non hanno portato a risultati conclusivi, a causa dell’assenza di un protocollo di posizionamento dei sensori sull'avambraccio definito a livello internazionale, l’elevato cross-talk tra i segnali e l'ipotono muscolare dei pazienti anziani.

Nell'ultima parte della ricerca, si è elaborato una diversa strategia per identificare la fatica mentale del paziente durante l’esercizio di riabilitazione, concentrandosi sull'uso dei segnali elettroencefalografici (EEG). Da una dettagliata analisi della letteratura correlata, si è definito una struttura software per integrare l’analisi dei segnali EEG con il controllo del dispositivo di riabilitazione e si è inoltre individuato degli indici per il riconoscimento del livello di affaticamento mentale del paziente.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Reggiani, Monica
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 28 > Scuole 28 > INGEGNERIA MECCATRONICA E DELL'INNOVAZIONE MECCANICA DEL PRODOTTO
Data di deposito della tesi:28 Gennaio 2016
Anno di Pubblicazione:28 Gennaio 2016
Parole chiave (italiano / inglese):haptic rehabilitation, virtual reality, force feedback, mental fatigue, muscle fatigue, medical device safety, rehabilitation exercise riabilitazione aptica, realtà virtuale, feedback di forza, fatica mentale, fatica muscolare, sicurezza dispositivi medici, esercizi riabilitativi
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-INF/06 Bioingegneria elettronica e informatica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali
Codice ID:9235
Depositato il:17 Ott 2016 12:49
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