User interface design and calibration of a novel sensorimotor stimulation system

Stroke is currently the leading cause of persistent, long term disability in the world and originates approximately 20% from haemorrhagic events and 80% from ischemic events. Considering that cerebrovascular diseases are the third leading cause of death in the world and constitute the highest incidence non-communicable diseases of our century, medical treatments and rehabilitation processes for the recovery of affected patients are of key interest. In particular, what this work focuses on is the reduced awareness of the body and the surrounding environment as a result of this type of event that causes a body misperception and misrepresentation with consequent reduced autonomy in daily life. Hence the need to develop a treatment that would not only aim at motor recovery but also at improving the sensory perception of the body. Starting from the work carried out within the project INCOGNITO, whose aim was the rehabilitative treatment of patients with stroke in chronic phase, the idea of extending it to patients in acute phase was developed, in this context my thesis work has been inserted. The treatment is based on an innovative approach for functional electrical stimulation of the upper limb, in particular the forearm, and is aimed at the sensory and motor recovery of patients through different modes and intensities of stimulation, calibrated to the needs of the individual subject. Starting from the commercial electrodes currently used in rehabilitation, a new approach of functional electrical stimulation has been developed and, thus, new electrodes that, together with traditional electrodes, can provide an innovative type of treatment. In particular, the designed electrodes were used for sensory stimulation, while the traditional ones were using for motor stimulation. The aim of this work is to evaluate, with healthy subjects, if the stimulation given by the designed sensorial electrodes is comparable with the one of the commercial motor electrodes and, in this context, find the configuration optimization of such sensory electrodes. The set of commercial electrodes, used for motor stimulation, and the designed electrodes, used for sensory stimulation and properly optimized, will constitute the progress of this work that will be tested on patients with chronic stroke. In this way, a treatment that is comparable and compatible with the conventional one will be obtained, using, however, a single device, unlike the traditional treatment that provides a wide range of techniques.

L'ictus è attualmente la principale causa di disabilità a lungo termine nel mondo ed è originato per circa il 20% da eventi di tipo emorragico e per l'80% di tipo ischemico. Considerando che le malattie cerebrovascolari sono la terza causa di morte al mondo e che costituiscono la più alta incidenza di malattie non trasmissibili del nostro secolo, i trattamenti medici e i processi di riabilitazione per il recupero dei pazienti colpiti sono di fondamentale interesse. In particolare, ciò su cui si concentra questo lavoro è la ridotta consapevolezza del corpo e dell'ambiente circostante come risultato di questo tipo di evento, che causa un'errata percezione e rappresentazione del corpo con conseguente ridotta autonomia nella vita quotidiana. Da qui la necessità di sviluppare un trattamento che non miri soltanto al recupero motorio, ma anche al miglioramento della percezione sensoriale del corpo. Partendo dal lavoro svolto nell'ambito del progetto INCOGNITO, il cui obiettivo era il trattamento riabilitativo dei pazienti con ictus in fase cronica, si è sviluppata l'idea di estenderlo ai pazienti in fase acuta, in questo contesto è stato inserito il mio lavoro di tesi. Il trattamento si basa su un approccio innovativo per la stimolazione elettrica funzionale dell'arto superiore, in particolare dell'avambraccio, ed è finalizzato al recupero sensoriale e motorio dei pazienti attraverso diverse modalità e intensità di stimolazione, calibrate sulle esigenze del singolo soggetto. Partendo dagli elettrodi commerciali attualmente in uso nella riabilitazione, è stato sviluppato un nuovo approccio di stimolazione elettrica funzionale e, quindi, nuovi elettrodi che, insieme agli elettrodi tradizionali, possano fornire un trattamento innovativo. In particolare, gli elettrodi progettati sono stati utilizzati per la stimolazione sensoriale, mentre quelli tradizionali sono stati utilizzati per la stimolazione motoria. L’obiettivo di questo lavoro è di valutare, con soggetti sani, se la stimolazione data dagli elettrodi sensoriali progettati è paragonabile a quella degli elettrodi motori commerciali e, in questo contesto, trovare l'ottimizzazione della configurazione di tali elettrodi sensoriali. Il set di elettrodi commerciali, utilizzati per la stimolazione motoria, e gli elettrodi progettati, utilizzati per la stimolazione sensoriale e opportunamente ottimizzati, costituiranno la successiva implementazione di questo lavoro che sarà testato su pazienti con ictus cronico. In questo modo si otterrà un trattamento paragonabile e compatibile con quello convenzionale, utilizzando però un unico dispositivo, a differenza del trattamento tradizionale che prevede una vasta gamma di tecniche.