Virtual reality environment with low-cost haptic feedback thimble for post spinal cord injury upper-limb rehabilitation

Spinal cord injury (SCI) is a damage to the spinal cord that causes temporary or permanent changes in body functions below the site of the injury. In particular, the impairment of the upper limbs limits the patient’s autonomy in the execution of activities of daily living. Nowadays, robots and virtual reality can be used together to complement traditional rehabilitation. They increase the duration and number of sessions, thus accelerating the recovery. Moreover, the robotic devices can be used to provide haptic feedback, thus allowing users to “feel” the interaction with the virtual environment. The aim of this Thesis is to design and implement a low-cost virtual reality platform for upper limb rehabilitation of patients affected by cervical SCI. The system consists of three different virtual rehabilitation games developed in Unity that allow the patient to interact using hands thanks to the incorporation of LeapMotion device. Moreover, haptic feedback is provided thanks to a thimble feedback device. In this thesis, the three games, the mechanical elements composing the device, the firmware controlling the device and the configuration of the electronic boards have been developed and implemented. At the end of the Thesis, a proof of concept has been performed both with healthy subjects and SCI patients, to evaluate the platform and its usability. The data saved during the sessions and the system usability questionnaires show that this platform can be a useful tool both for patients and therapists to control the performance and the recovery process.

La lesione spinale è un danno al midollo spinale che provoca cambiamenti temporanei o permanenti nelle funzioni corporee al di sotto della sede della lesione. In particolare, il danneggiamento degli arti superiori limita l'autonomia del paziente nell'esecuzione delle attività quotidiane. Al giorno d’oggi, robot e realtà virtuale possono essere utilizzati insieme per completare la riabilitazione tradizionale. Questi aumentano la durata e il numero di sedute, accelerando così il recupero. Inoltre, i dispositivi robotici possono essere utilizzati per fornire un feedback tattile, permettendo così agli utenti di "sentire" l'interazione con l'ambiente virtuale. Lo scopo di questa tesi è quello di progettare e implementare una piattaforma di realtà virtuale a basso costo per la riabilitazione degli arti superiori di pazienti affetti da mielolesione cervicale. Il sistema è costituito da tre diversi giochi di riabilitazione virtuale sviluppati in Unity che permettono al paziente di interagire con le mani grazie all'incorporazione del dispositivo LeapMotion. Inoltre, il feedback tattile è fornito grazie ad un dispositivo di feedback a ditale. In questa tesi sono stati sviluppati e implementati i tre giochi, gli elementi meccanici che compongono il dispositivo, il firmware che controlla il dispositivo e la configurazione delle schede elettroniche. Al termine della tesi è stata eseguita una prova di fattibilità sia con soggetti sani che con pazienti SCI, per valutare la piattaforma e la sua usabilità. I dati salvati durante le sessioni e i questionari di usabilità del sistema dimostrano che questa piattaforma può essere uno strumento utile sia per i pazienti che per i terapisti per controllare le prestazioni e il processo di recupero.