Lower-limb non-invasive sensory neuroprosthesis: real-time data visualization and calibration

Sensory-feedback neuroprosthesis are the new frontier of supporting devices for amputees. The concept is to restore the missing sensation via electrical-nerve stimulation. This increases the embodiment of the prosthesis, adds the possibility to modulate the applied force, lowers the cognitive burdensome and increases the trustfulness towards the device. Invasive stimulation methods have been successfully tested on upper-limb amputees and lower-limb amputees, obtaining somatotopic evoked sensations. These methods requires surgery to implant electrodes, which are then subjected to encapsulation and migration. A non-invasive method to elicit sensations in patients is to use superficial-electrical stimulation (TENS); this idea has been tested with good results on upper-limb amputees. The topic of this thesis is to provide the basis to apply the same concept to lowerlimb amputees and diabetic peripheral neuropathy patients. The sensory-feedback restoration should be driven by sensorized insoles, thus a Real-Time GUI to visually evaluate the values of the sensors and the corresponding stimulation has been developed. The concept of TENS to evoke somatotopic sensations requires highly patient-dependent mapping (i.e.: association between electrodes positions, stimuli settings, evoked distal-sensations and location of these). For this reason, a Mapping Software has been developed and validated on volunteers.

Le neuroprotesi in grado di restituire il feedback sensoriale sono il futuro per quanto riguarda il supporto agli amputati. Il concetto è di restituire la sensazione mancante tramite stimolazione elettrica dei nervi. Ripristinare il feedback sensoriale comporta un percepire maggiormente la protesi come fosse un proprio arto; introduce la possibilità di modulare la forza applicata, diminuisce il carico cognitivo, ed aumenta la sicurezza nei confronti della protesi. Metodi di stimolazione elettrica invasivi sono stati testati con successo su amputati agli arti superiori ed inferiori, ottenendo sensazioni evocate somatotopiche. Questi metodi richiedono operazioni chirurgiche per impiantare gli elettrodi, i quali subiscono gli effetti di migrazione e vengono ricoperti da tessuto cicatrizzato. Un metodo non invasivo per evocare sensazioni nei pazienti è quello di utilizzare stimolazione elettrica transcutanea; l’idea è stata testata con successo per pazienti amputati agli arti superiori. Il tema di questa tesi è quello di realizzare gli strumenti di base per applicare lo stesso concetto di stimolazione non-invasiva anche a pazienti amputati agli arti inferiori, e pazienti con neuropatia diabetica. Il feedback sensoriale implementato dovrebbe essere posto in relazione alla pressione letta da sensori posti sotto una suola. Per questo motivo è stata sviluppata una interfaccia grafica a tempo-reale, in grado di mostrare contemporaneamente la lettura dei sensori e la stimolazione applicata. Il concetto di stimolazione trans-cutanea per evocare sensazioni somatotopiche richiede fortemente un "mapping" che cambia da paziente a paziente. Tale "mapping" consiste nell’associare le posizioni degli elettrodi, le configurazioni di stimolazione, le percezioni sentite e le loro posizioni. Per questa ragione, un software per il Mapping è stato sviluppato e validato su volontari.