Analysis and comparison of three different EMG muscle training systems

The present work has been conducted within a collaboration between the Middlesex University of London and the Department of Electronics, Information and Bioengineering (DEIB) of Politecnico di Milano and it is a part of the research field focused on the study and optimization of rehabilitation systems. These refer to a set of HW + SW devices made available to patients in order to enable them to perform rehabilitation training. The work is performed through experimental activities and make use of software for signal processing and design, modelling and simulation. The specific aim of this work is to propose the best configuration in term of HW + SW that allows patients to perform their own rehabilitation training at home completing it successfully without decreasing of performances caused by a loss of attention and stimulus. Specifically, this thesis project has planned the design of three configurations HW + SW, where hardware corresponds to a device for EMG detection or to its prototype and software corresponds to a programming software addressed to the creation of simple animations or videogames in order to use them during the rehabilitation training. The project shown pro and cons of each configuration and this allowed the comparison of these three systems. From this comparison the most complete and suitable system for this project has emerged. The comparison showed the third configuration as the most complete and suitable with respect to the aims of the project, even though some adjustments and improvements are necessary. The flexibility, easy to use and safety of the hardware together with a challenging videogame with a catchy graphic were crucial in the choice. To demonstrate the system functioning and its applicability in the rehabilitation field it was performed a test on a patient in Humanitas Hospital, Milan. In conclusion, this thesis project represents the basis for possible future tests to apply on patients. In this case tests will provide results more consistent in order to use it in clinical practice. The present thesis is divided into five different sections: • Chapter 1: containing a brief introduction and description of the background of the project and the current state of the art; • Chapter 2: describing the experimental set-up, including materials and methods to perform tests; • Chapter 3: describing all the results obtained with the three different configurations HW + SW; • Chapter 4: containing the discussion of the final results. In this section limitations are discussed and the best configuration is proposed. It is also described the test performed; • Chapter 5: summarizing the conclusions arisen at the end of the work to be used as a starting point for future works; • Appendix: where codes implemented during tests are reported; • References: reporting the citations of the scientific works cited in the text.

Il presente progetto di tesi, svolto presso l’Università Middlesex di Londra e il Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria (DEIB) del Politecnico di Milano, si inserisce nel settore di ricerca dello studio e della ottimizzazione di sistemi rivolti alla riabilitazione. Questi si riferiscono ad un insieme di HW + SW messi a disposizione dei pazienti per permettere loro l’esecuzione di piani riabilitativi. Nel dettaglio, il progetto è svolto attraverso attività di tipo sperimentale e si avvale dell’utilizzo di software rivolti al signal processing e alla progettazione, modellizzazione e simulazione. L’obiettivo specifico del lavoro è proporre la migliore configurazione HW+SW che permetta al paziente di eseguire i propri esercizi riabilitativi da casa portandoli a termine con successo, senza diminuzione della perfomance causata da perdita di attenzione e stimolo. In dettaglio, il progetto di tesi ha previsto la progettazione di tre configurazioni HW + SW, dove l’hardware corrisponde ad un dispositivo per la rilevazione del segnale EMG o ad un suo prototipo e il software corrisponde ad un software di programmazione rivolto alla creazione di piccole animazioni o veri e propri videogiochi da utilizzare durante l’esecuzione degli esercizi riabilitativi. La progettazione ha evidenziato i punti di forza e i limiti di ciascuna configurazione e questo ha permesso quindi l’esecuzione di un confronto tra i tre sistemi, dai quali è emerso il più completo e adatto agli scopi del presente progetto. Il confronto ha fatto emergere la terza configurazione come la più completa e adatta agli scopi del presente progetto, nonostante anche in questa siano presenti margini di miglioramento. La flessibilità, facilità di utilizzo e sicurezza per il paziente dell’hardware unito ad un videogioco stimolante e di grafica accattivante sono stati determinanti nella scelta. Per dimostrare il funzionamento del sistema e la sua applicabilità nel campo riabilitativo, è stato eseguito un test su paziente presso l’Ospedale Humanitas di Milano. In conclusione, il progetto di tesi costituisce la base per eventuali test futuri da eseguire su pazienti. In questo caso i test forniranno risultati più consistenti per l’utilizzo del sistema nella pratica clinica. Il presente elaborato è strutturato come descritto qui di seguito: • Il capitolo 1 contiene una breve introduzione riguardante il contesto di riferimento in cui si inserisce il progetto di tesi che permette di avere una visione d’insieme delle problematiche in esame in questo progetto; • Nel capitolo 2 vengono descritti gli strumenti hardware e software utilizzati per l’allestimento dei tre configurazioni sotto analisi e le procedure seguite per la realizzazione dei sistemi; • Nel capitolo 3 sono riportati i risultati elaborati ed ottenuto con le tre diverse configurazioni HW + SW; • Il capitolo 4 consta di una discussione inerente ai risultati ottenuti, mettendo in luce i limiti riscontrati e proponendo la configurazione migliore da utilizzare nel futuro per eseguire test su pazienti. Viene inoltre descritto il test eseguito; • Il capitolo 5 riassume le conclusioni a cui si è pervenuti al termine del lavoro e i possibili sviluppi futuri; • Appendice, in cui sono riportati i codici riferiti ai test effettuati; • Bibliografia; dove sono elencati tutti i lavori da cui è stato estrapolato il materiale citato nelle varie sezioni dell’elaborato.