abstract: Millions of Americans live with motor impairments resulting from a stroke and the best way to administer rehabilitative therapy to achieve recovery is not well understood. Adaptive mixed reality rehabilitation (AMRR) is a novel integration of motion capture technology and high-level media computing that provides precise kinematic measurements and engaging multimodal feedback for self-assessment during a therapeutic task. The AMRR system was evaluated in a small (N=3) cohort of stroke survivors to determine best practices for administering adaptive, media-based therapy. A proof of concept study followed, examining changes in clinical scale and kinematic performances among a group of stroke survivors who received either a month of AMRR therapy (N = 11) or matched dosing of traditional repetitive task therapy (N = 10). Both groups demonstrated statistically significant improvements in Wolf Motor Function Test and upper-extremity Fugl-Meyer Assessment scores, indicating increased function after the therapy. However, only participants who received AMRR therapy showed a consistent improvement in their kinematic measurements, including those measured in the trained reaching task (reaching to grasp a cone) and in an untrained reaching task (reaching to push a lighted button). These results suggest that that the AMRR system can be used as a therapy tool to enhance both functionality and reaching kinematics that quantify movement quality. Additionally, the AMRR concepts are currently being transitioned to a home-based training application. An inexpensive, easy-to-use, toolkit of tangible objects has been developed to sense, assess and provide feedback on hand function during different functional activities. These objects have been shown to accurately and consistently track hand function in people with unimpaired movements and will be tested with stroke survivors in the future. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Bioengineering 2012

A partir da necessidade de medir a força aplicada em uma muleta ou bengala quando o paciente está caminhando, o que seria extremamente complexo com uma balança comum, desenvolveu-se meios utilizando sensores e circuitos eletrônicos que possibilitem tal aquisição do valor da força aplicada. O sensor utilizado foi acoplado na própria haste da muleta. O circuito eletrônico constituiu-se das seguintes etapas: a de amplificação, a de conversão analógica-digital e a de um microcontrolador para gerenciar todo o processo. Para que os dados referentes à carga descarregada na muleta fossem tratados de uma maneira que o pesquisador ou o clínico tivessem facilidade de compreensão e análise, um software foi desenvolvido. Este permite a construção de gráficos e análises estatísticas. Foram desenvolvidos ainda, configurações que permitissem sincronismo com outros equipamentos de análise de forças de marcha. O trabalho conta também com exemplos práticos de aquisições com pacientes que possuem alguma debilidade motora, demonstrando a utilidade da muleta instrumentalizada no apoio ao clínico ou em pesquisas na área de engenharia de reabilitação. / Because of the necessity of measuring the forces in a cane or crutch while the patient walking, an extremely complex task, a system has been developed to measure these forces, using sensors and electronic circuits. The sensors have been applied directly to the shaft of the metal crutch. The electronic circuit has the following stages: amplification, analog to digital conversion and the microcontroler to manage the whole process. A software has been developed to analyze the data and to be user friendly. The software allows the construction of graphics and the statistical analysis. This project has also shown practical examples with patients that have some gait pathologies, showing the usefulness of the instrumented crutch in supporting the physician, or in the rehabilitation engineering research.

<div> <div> <div> <p>Patients with Spinal Cord Injury (SCI) have limited time with supervised therapy in rehabilitation hospitals. This makes it imperative for them to continue regular therapy at home so they can maximize motor recovery especially for performing Activities of Daily Living (ADL). However, physical therapy can be tedious and frustrating leading to a lack of motivation. A novel upper extremity movement measurement tool was developed using a commercial VR system to rapidly and objectively measure an individual’s range of motion, velocity of movement on an individual gesture basis, and frequency of movements in a three-dimensional space. Further, an exergame with varied and customizable gameplay parameters was developed. Through the analysis of participant interaction with the exergame, we identified gameplay parameters that can be adjusted to affect the player’s perceived and physiological effort. We observed that VR has a significant motivational effect on range of motion of upper limbs in individuals with tetraplegia. The motion data and kernel density estimation is used to determine areas of comfort. Moreover, the system allowed calculation of joint torques through inverse kinematics and dynamics to serve as an analysis tool to gauge muscular effort. The system can provide an improved rehabilitation experience for persons with tetraplegia in home settings while allowing oversight by clinical therapists through analysis of mixed reality videos or it could be used as a supplement or alternative to conventional therapy. </p> </div> </div> </div>

Este trabalho visou desenvolver e integrar técnicas, algoritmos e equipamentos para o auxílio a deficientes visuais em sua familiarização para orientação e mobilidade, permitindo uma maior autonomia de locomoção e, em uma segunda etapa, a leitura de cartazes e sinais. Para tal, foi proposta a substituição sensorial da visão pelo tato, permitindo que imagens sejam capturadas, tratadas digitalmente para detecção de bordas, com simplificação da imagem e diminuição de sua resolução. Estas imagens simplificadas são posteriormente transmitidas ao usuário por meio de eletroestimulação cutânea no abdome. Foi desenvolvido um protótipo de hardware, firmware para comandá-lo e software em um microcomputador para tratar a imagem capturada, além de uma matriz de eletrodos e estimação de distância por ultra-som, para compensar a falta de estereoscopia. Este protótipo foi projetado para ser o mais flexível possível para permitir o teste de diferentes maneiras de estímulo. Foram realizados testes preliminares comprovando a viabilidade do conceito, e um segundo protótipo maior foi então projetado e construído. Este sistema provou ser útil também como equipamento para pesquisas em psicologia experimental, na área de cognição e aprendizagem. / This work intended to develop and integrate techniques, algorithms and equipments to aid visually handicapped people with the familiarization of unknown environments, as involved in orientation and mobility techniques, making locomotion an easier task. In a second phase, it allowed the blind user to receive signals corresponding to signs with letters, allowing them to \"read\" these signs. In order to do that, it was proposed the sensory substitution of vision by touch. Images were captured, processed digitally to be simplified, have their edges detected (contours of objects) and have their resolution reduced. This reduced image was then passed to the user by cutaneous electro-stimulation on the abdomen. A hardware prototype was developed, as well as firmware to control it, software to digitally process the image, a flexible matrix of electrodes, and an ultrasonic distance estimation system, to compensate for the lack of stereoscopy. The system was designed to be as flexible as possible to allow several stimuli tests. Preliminary tests were conducted that proved the feasibility of this concept. A second prototype, larger, was then designed and built. This device proved valuable also as a tool for research in experimental psychology, in cognition and learning.

Este trabalho visou desenvolver e integrar técnicas, algoritmos e equipamentos para o auxílio a deficientes visuais em sua familiarização para orientação e mobilidade, permitindo uma maior autonomia de locomoção e, em uma segunda etapa, a leitura de cartazes e sinais. Para tal, foi proposta a substituição sensorial da visão pelo tato, permitindo que imagens sejam capturadas, tratadas digitalmente para detecção de bordas, com simplificação da imagem e diminuição de sua resolução. Estas imagens simplificadas são posteriormente transmitidas ao usuário por meio de eletroestimulação cutânea no abdome. Foi desenvolvido um protótipo de hardware, firmware para comandá-lo e software em um microcomputador para tratar a imagem capturada, além de uma matriz de eletrodos e estimação de distância por ultra-som, para compensar a falta de estereoscopia. Este protótipo foi projetado para ser o mais flexível possível para permitir o teste de diferentes maneiras de estímulo. Foram realizados testes preliminares comprovando a viabilidade do conceito, e um segundo protótipo maior foi então projetado e construído. Este sistema provou ser útil também como equipamento para pesquisas em psicologia experimental, na área de cognição e aprendizagem. / This work intended to develop and integrate techniques, algorithms and equipments to aid visually handicapped people with the familiarization of unknown environments, as involved in orientation and mobility techniques, making locomotion an easier task. In a second phase, it allowed the blind user to receive signals corresponding to signs with letters, allowing them to \"read\" these signs. In order to do that, it was proposed the sensory substitution of vision by touch. Images were captured, processed digitally to be simplified, have their edges detected (contours of objects) and have their resolution reduced. This reduced image was then passed to the user by cutaneous electro-stimulation on the abdomen. A hardware prototype was developed, as well as firmware to control it, software to digitally process the image, a flexible matrix of electrodes, and an ultrasonic distance estimation system, to compensate for the lack of stereoscopy. The system was designed to be as flexible as possible to allow several stimuli tests. Preliminary tests were conducted that proved the feasibility of this concept. A second prototype, larger, was then designed and built. This device proved valuable also as a tool for research in experimental psychology, in cognition and learning.

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Em geral, indivíduos com disfunções motoras nos membros superiores apresentam dificuldades para executar a movimentação de objetos, a qual é essencial para a execução das atividades de vida diária. Dessa forma, esses indivíduos não a executam ou a fazem de maneira ineficiente. Para que essa manipulação seja realizada de maneira satisfatória, fazem-se necessários os movimentos de alcance e preensão de objetos controlados voluntariamente pelo indivíduo, e também a aquisição sensorial da força empregada durante a preensão. Portanto, este trabalho apresenta o desenvolvimento, a aplicação e a avaliação de um protótipo de sistema híbrido visando à reabilitação parcial da capacidade sensório-motora do membro superior direito de tetraplégicos. Tal sistema engloba uma órtese dinâmica para cotovelo utilizada em conjunto com a estimulação elétrica neuromuscular, e uma luva instrumentada que possibilita a realimentação qualitativa da força de preensão. Os resultados das avaliações clínicas mostraram que o sistema auxilia os tetraplégicos em tarefas que envolvem o alcance e a preensão de objetos, bem como trazê-los para próximo do corpo. O aumento da faixa de alcance, a geração de preensão e a restauração artificial da habilidade de movimentar um objeto para próximo do corpo representam esse auxílio proporcionado pelo sistema. Assim o protótipo de sistema híbrido representa uma estratégia alternativa para a reabilitação de lesados medulares (níveis C5-C6). / Generally, individuals with motor impairments in the upper limbs have difficulties performing the movement of objects, which is essential for the execution of activities of daily living. Thus, these individuals do not perform these activities or perform them inefficiently. Toward satisfactory manipulation, reach and grasp movements of objects performed with voluntary control, and grasp force feedback are necessary. Therefore, this work presents the development, application and evaluation of a hybrid system prototype aiming at partial rehabilitation of sensory-motor ability of quadriplegic\'s right upper limb. Such system includes an elbow dynamic orthosis combined with neuromuscular electrical stimulation, and an instrumented glove that allows the qualitative grasp force feedback. The results of clinical assessment showed that the system aids quadriplegic in tasks that involve reaching and grasping of objects, as well as bringing them close to the body. The improvement of reaching range, grasping generation and artificial restoration of the ability to move an object close to the body represent this aid provided by the system. Thus, the hybrid system prototype represents an alternative strategy for the rehabilitation of individuals with spinal cord injury (C5-C6 level).

Em geral, indivíduos com disfunções motoras nos membros superiores apresentam dificuldades para executar a movimentação de objetos, a qual é essencial para a execução das atividades de vida diária. Dessa forma, esses indivíduos não a executam ou a fazem de maneira ineficiente. Para que essa manipulação seja realizada de maneira satisfatória, fazem-se necessários os movimentos de alcance e preensão de objetos controlados voluntariamente pelo indivíduo, e também a aquisição sensorial da força empregada durante a preensão. Portanto, este trabalho apresenta o desenvolvimento, a aplicação e a avaliação de um protótipo de sistema híbrido visando à reabilitação parcial da capacidade sensório-motora do membro superior direito de tetraplégicos. Tal sistema engloba uma órtese dinâmica para cotovelo utilizada em conjunto com a estimulação elétrica neuromuscular, e uma luva instrumentada que possibilita a realimentação qualitativa da força de preensão. Os resultados das avaliações clínicas mostraram que o sistema auxilia os tetraplégicos em tarefas que envolvem o alcance e a preensão de objetos, bem como trazê-los para próximo do corpo. O aumento da faixa de alcance, a geração de preensão e a restauração artificial da habilidade de movimentar um objeto para próximo do corpo representam esse auxílio proporcionado pelo sistema. Assim o protótipo de sistema híbrido representa uma estratégia alternativa para a reabilitação de lesados medulares (níveis C5-C6). / Generally, individuals with motor impairments in the upper limbs have difficulties performing the movement of objects, which is essential for the execution of activities of daily living. Thus, these individuals do not perform these activities or perform them inefficiently. Toward satisfactory manipulation, reach and grasp movements of objects performed with voluntary control, and grasp force feedback are necessary. Therefore, this work presents the development, application and evaluation of a hybrid system prototype aiming at partial rehabilitation of sensory-motor ability of quadriplegic\'s right upper limb. Such system includes an elbow dynamic orthosis combined with neuromuscular electrical stimulation, and an instrumented glove that allows the qualitative grasp force feedback. The results of clinical assessment showed that the system aids quadriplegic in tasks that involve reaching and grasping of objects, as well as bringing them close to the body. The improvement of reaching range, grasping generation and artificial restoration of the ability to move an object close to the body represent this aid provided by the system. Thus, the hybrid system prototype represents an alternative strategy for the rehabilitation of individuals with spinal cord injury (C5-C6 level).

Este trabalho tem a finalidade de analisar algumas técnicas de processamento do sinal mioelétrico, de forma a possibilitar uma posterior implementação de um circuito, que reconheça este sinal e apresente como saída um sinal de controle a ser utilizado em sistemas de reabilitação. Foram simuladas e avaliadas três técnicas de filtragem para o sinal mioelétrico, a fim de atenuar a interferência dos principais ruídos que corrompem este sinal. As técnicas avaliadas foram: filtragem digital clássica; cancelamento de ruído adaptativo e reconstrução do sinal por meio das componentes obtidas pela transformada wavelet. Também foi implementado e analisado um sistema simplificado de reconhecimento dos padrões para este sinal, realizado por meio de uma rede neural artificial, em que foi aplicado em sua entrada o próprio sinal mioelétrico e não suas características obtidas por processamentos matemáticos. Diante dos resultados obtidos os canceladores de ruído adaptativos apresentaram melhores resultados com relação às outras técnicas de filtragem. Apesar de não ter sido adequada para a filtragem, a transformada wavelet mostrou-se uma poderosa ferramenta de análise de sinais, em virtude da sua característica multiresolução. A técnica utilizada para reconhecer os padrões do sinal mostrou bons resultados com os sinais analisados. / This work has the purpose to analyze some techniques for myoelectric signal processing, towards a subsequent implementation of a circuit which can recognize this signal and present as output a control signal to be used in rehabilitation systems. Simulation and evaluation of three filtering techniques for the myoelectric signal were done in order to attenuate the main interferences of noises which corrupt this signal. The evaluated techniques were: classic digital filtering; adaptive noise cancelling and the signal reconstruction through the obtained components by the wavelet transform. A simplified system of pattern recognition for this signal also was implemented and analyzed, accomplished through an artificial neural network. The myoelectric signal itself was applied to the input instead of its characteristics obtained by mathematical processing. According to the results obtained the adaptive noise cancelling presented better results in comparison to the other filtering techniques. Despite not being adequate for filtering, the wavelet transform proved to be a powerful tool for signal analysis, by virtue of its multiresolution characteristics. The technique used to recognize the signal patterns has shown good results with the analyzed signals.

Increasingly, virtual reality therapy (VRT) technologies are being used to augment pediatric rehabilitation. The mechanisms underlying success/failure of VRTs are not well understood. This thesis proposed an innovative 3-phase framework for evaluating VRT technologies with respect to neuroplasticity based on results of a scoping review of 21 studies. A case study was undertaken to demonstrate use of the framework to design and evaluate ‘Musical Steps’, a VRT technology aimed at promoting heel contact in toe-walking children. 5 therapists and 4 children were engaged in this study. The system accurately detected 88%(SD=7%) of heel contacts and was rated positively in usability testing (phase 1). Feasibility studies indicated that, while enjoyable, children did not understand the feedback provided and hence, heel contact was not increased (phase 2). These findings will direct future reiterations prior to evaluating clinical impact (phase 3). The proposed framework may enhance design and translation of therapeutically relevant VRTs.