The e-glove : design, production and validation of a wearable device for rehabilitation of the neurological hand

This thesis deal with the design, implementation and testing of a lightweight, comfortable, wearable and connected device for grasp force monitoring in patients suffering from neurologic hand. Cerebrovascular accident (CVA), spinal cord injury (SCI), multiple sclerosis (MS) have proven to be the main causes of hand dysfunction, but the actual clinical approach, based on highly repetitive, task-specific exercises, is limited by the absence of a suitable instrument dedicated to the objective measurement of performance parameters such as the exerted grip force. At the same time, the commercially available alternatives have revealed their limits in term of optimization of stimulation parameters (FES), encumbrance and weight (Exoskeletons) and underdevelopment (Soft-gloves). In order to outweigh these limits, the proposed E-glove has been projected to help monitoring significant rehabilitation parameters in a task-specific therapy, while reducing the impact on patient freedom of movement. The produced solution is a thin, compact, comfortable and wireless system based on ESP32 microcontroller, mounted on a glove whose fingertips, in positions that have been defined by the literature, were sewn some hand-crafted force sensors. LEDs have been integrated, allowing an intuitive and real-time visualization of force values, and Bluetooth-based and Wifi-based applications have been developed allowing the therapists to access data from everywhere. E-glove integration in a closed-loop control system could, in perspective, be exploited to optimize the stimulation parameters of the existing MeCFES device.

Questa tesi si focalizza sulla progettazione, implementazione e il collaudo di un dispositivo leggero, confortevole, indossabile e connesso per il monitoraggio della forza di presa in pazienti affetti da mano neurologica. Ictus (CVA), lesioni del midollo spinale (SCI) e sclerosi multipla (SM) hanno dimostrato di essere le principali cause di disfunzione della mano, ma l'approccio clinico attuale, basato su esercizi compito-specifici altamente ripetitivi, è limitato dall'assenza di un idoneo strumento dedicato alla misurazione oggettiva di parametri prestazionali, quali la forza di presa esercitata. Allo stesso tempo, le alternative disponibili in commercio hanno rivelato i loro limiti in termini di ottimizzazione dei parametri di stimolazione (FES), ingombro e peso (esoscheletri) e sottosviluppo (guanti morbidi). Per superare questi limiti, E-glove è stato progettato per aiutare a monitorare parametri riabilitativi significativi in ​​una terapia compito-specifica, riducendo al contempo l'impatto sulla libertà di movimento del paziente. La soluzione prodotta è un sistema compatto, comodo e senza fili basato su microcontrollore ESP32, montato su un guanto ai cui polpastrelli, in posizioni che sono state definite da letteratura, sono stati cuciti dei sensori di forza realizzati a mano. Alcuni LED sono stati integrati, consentendo una visualizzazione intuitiva e in tempo reale dei valori di forza e sono state sviluppate applicazioni basate su Bluetooth e Wi-Fi che consentono ai terapisti di accedere ai dati da qualsiasi luogo. In prospettiva, l'integrazione del guanto in un sistema di controllo ad anello chiuso potrebbe essere sfruttata per ottimizzare i parametri di stimolazione del dispositivo esistente MeCFES.