Design and development of an RF-based system for the rehabilitation of the upper limb

Acquired disabilities are nowadays one of the major challenges the healthcare systems have to face. One of the leading causes of acquired disability worldwide is represented by stroke, and one of the most impacting consequences affecting stroke survivors is the impairment of the upper limb. The recovery of upper limb functionalities can be maximized through rehabilitation therapy, consisting of repeated functional exercises. In particular, occupational therapy has been shown to positively impact on the recovery of functionalities. While several technological solutions have been implemented supporting the rehabilitation process in clinics, the current need of healthcare costs reduction calls for new solutions to support the patients in the continuity of the rehabilitation process also at home, to be used autonomously by the patients, with a minimal intervention from the clinicians. To face the current healthcare needs in the field of post-stroke rehabilitation of the upper limb, a new system, RehabMe, has been designed and developed. The system guides the patients in the execution of functional exercises, which are built as sequences of reaching and grasping tasks to be executed with custom everyday objects. The exercises creation process and the monitoring of motor performance, together with the guidance during the execution, represent the three core functionalities provided by the system. The RFID technology has been identified as a suitable way to implement the system. A deep analysis of the range of typologies of RFID systems and their characteristics has led to the design of a technical solution based on passive UHF RFID systems. The system design and implementation required an accurate analysis and characterization of the system, from the electronics and the ergonomics point of view. This process required several development, testing, and refinement steps, from the choice of the system components to their integration and refinement. The process resulted in a final robust hardware device based on flexible electronics, with a shape and dimensions designed to be easily wearable on the forearm without discomfort, able to wirelessly communicate with clients, with enough energy to be used for the rehabilitation session without needing the intervention of the user. The software platform of RehabMe has also been developed. The implementation of the software included the development of a logic and a procedure to create custom exercises using an unconstrained set of objects. The basic actions of the reach and grasp exercises (i.e., reach, grasp, move, release) have been identified, and a suitable flow for their combination with the objects identified through the tag’s EPC have been developed. Beside the creation of the exercises, a logic has been created for the administration of the therapy. An intuitive interface for the patient to follow the instructions have been created, able to guide the patient through multimodal outputs, while controlling in background and transparently the hardware device. Beside the hardware and software design and development, a tuning of the parameters used to perform the reader-tag communication had to be performed. The investigation on the parameters impacting on the reading performance has been performed, and a custom reading strategy has been created. A reduction of the power consumption and of the reader’s heating has been obtained, while assuring a robust data acquisition with the maximum available frequency. The properties of the RF signal used by the system to recognize the objects and guide the execution of the exercises have been used to extract motor performance parameters. The variations of the phase of the signal, in combination with the signal’s power level, have been analyzed to extract the movement time of each task as well as the distance covered and the movement’s velocity. The algorithms for the measures extraction have been implemented and tested against validated systems, showing the stability of the measures in laboratory settings. A clinical testing of was performed to evaluate the robustness and usability of the system, as well as at assessing its capability of tracking the patient’s performance evolution. A first round of tests has been conducted on a larger sample of patients (10 patients) using the system for three sessions. The results showed that the overall system was perceived as highly usable, as assessed by the SUS score, and the need of few interventions by the operator, as well as no failures reported demonstrated the quality of the RehabMe approach. The second round of the testing was aimed at evaluation the capability of the system in monitoring longitudinally the performance of the patients. The measures extracted were validated against the analysis of the video recordings taken during the sessions’ execution, showing that the measures were robust enough to provide reliable information on the execution performance, in line with the recovery trend measured through the standard clinical scales. The implementation of RehabMe demonstrated a new approach to the technology-based motor rehabilitation of the upper limb through the use of everyday objects, unconstrained movements, and a single wearable device to provide evidence-based rehabilitation therapy. The process and the results presented in this work showed the effective translation of the RFID technology to the field of motor rehabilitation through a technology adaptation and tuning approach. The results obtained from the field testing of the full system demonstrated that the use of RFID well fits the needs for home-based rehabilitation systems. Beside the effective provision of the rehabilitation exercises, the possibility to use the RFID technology also as a mean to monitor the performance and the progression of the patients during the rehabilitation path has been investigated. This process resulted in the extraction of execution time and velocity, which represent informative values for the description of patients’ motor performance. The longitudinal testing preliminary showed the capability of performance tracking using these measures as extracted by RehabMe, but the low number of patients involved in the second round of the study does not allow to draw final conclusions. Limitations in the signal quality in real-life scenarios resulted from the clinical testing, showing that a redesign of the antenna for the improvement of signal quality is needed, and that further advancement could be obtained by the integration of more information sources for the motion description.

Le disabilità acquisite costituiscono al giorno d’oggi una delle maggiori sfide che i sistemi sanitari devono affrontare. Una delle cause principali di disabilità acquisita a livello mondiale è rappresentata dall’ictus, e una delle conseguenze più importanti subite dai sopravvissuti dall’ictus è il danneggiamento dell’arto superiore. Il recupero delle funzionalità dell’arto superiore può essere massimizzato attraverso la riabilitazione, che consiste nella ripetizione di esercizi funzionali. In particolare, è stato dimostrato come la terapia occupazionale abbia un impatto positivo sul recupero delle funzionalità. Nonostante diverse soluzioni tecnologiche siano state sviluppate a supporto del processo riabilitativo in clinica, la necessità di ridurre i costi della sanità richiede nuove soluzioni per fornire ai pazienti continuità nel processo di riabilitazione anche a casa, in grado di essere utilizzate autonomamente dai pazienti con un intervento clinico minimo. Per affrontare le necessità attuali nel campo della riabilitazione post-ictus dell’arto superiore, è stato progettato e sviluppato un nuovo sistema, RehabMe. Il sistema guida i pazienti durante l’esecuzione di esercizi funzionali, che sono costruiti come sequenze di movimenti di reaching e grasping, da eseguire con oggetti della vita quotidiana. Il processo di creazione degli esercizi e il monitoraggio delle prestazioni motorie, insieme alla guida fornita durante l’esercizio, rappresentano le funzionalità cardine fornite dal sistema. La tecnologia RFID è stata identificata come una soluzione adatta per lo sviluppo del sistema. Un’analisi profonda delle tipologie dei sistemi RFID e delle loro caratteristiche ha condotto alla progettazione di una soluzione tecnica basata sull’usi di sistemi RFID UHF. La progettazione e l’implementazione hanno richiesto un’analisi accurata e una caratterizzazione del sistema dal punto di vista dell’elettronica e dell’ergonomia. Questo processo ha richiesto diverse fasi di sviluppo, testing e rifinitura. Il processo è risultato in un dispositivo hardware robusto basato su elettronica flessibile, con una forma e delle dimensioni progettate per essere facilmente indossabile sull’avambraccio comodamente, capace di comunicare senza fili, con una quantità di energia sufficiente per essere usato durante la sessione di riabilitazione senza bisogno di interventi dell’utente. Anche la piattaforma software di RehabMe è stata sviluppata. Lo sviluppo del software ha incluso lo sviluppo di una logica e una procedura per creare esercizi personalizzati usando un insieme non limitato di oggetti. Le azioni basilari degli esercizi di reaching e grasping (i.e., raggiungere, afferrare, muovere, rilasciare) sono state identificare, e un flusso adatto alla loro combinazione con gli oggetti identificati tramite l’EPC della tag sono stati sviluppati. Oltre alla creazione degli esercizi, una logica è stata creata anche per la somministrazione della terapia. Un’interfaccia intuitiva è stata creata per permettere al paziente di seguire le istruzioni, capace di guidare il paziente attraverso output multimodali, controllando allo stesso tempo il dispositivo hardware in modo trasparente. Oltre alla progettazione e allo sviluppo dell’hardware, è stato necessario effettuare una sintonizzazione dei parametri utilizzati per effettuale la comunicazione lettore-tag. Lo studio dei parametri con effetto sulle prestazioni di lettura è stato effettuato, ed è stata creata una strategia di lettura personalizzata. Si è ottenuta una riduzione del consumo e del riscaldamento del lettore, assicurando, allo stesso tempo un’acquisizione dati robusta e alla massima frequenza possibile. Le proprietà del segnale RF utilizzate dal sistema per riconoscere gli oggetti e guidare l’esecuzione degli esercizi sono state usate per estrarre degli indicatori di prestazione motoria. Le variazioni della fase del segnale, combinate con il livello di potenza del segnale, sono state analizzate per estrarre la durata, la distanza percorsa e la velocità di movimento durante ogni task. Gli algoritmi per l’estrazione delle misure sono stati sviluppati e testati rispetto a sistemi validati, dimostrando la stabilità delle misure in ambiente di laboratorio. Un testing clinico è stato condotto per valutare la robustezza e l’usabilità del sistema, e per validare la sua capacità di tracciare l’evoluzione delle prestazioni del paziente. Un primo ciclo di test è stato condotto su un campione allargato di pazienti (10 pazienti) che hanno utilizzato il sistema per tre sessioni. I risultati hanno mostrato come in generale i, sistema sia stato percepito come molto utilizzabile, come riportato dal SUS, e come siano state necessari pochi interventi da parte dell’operatore, a dimostrazione della qualità dell’approccio di RehabMe. Il secondo ciclo di test era finalizzato alla valutazione della capacità del sistema di monitorare longitudinalmente le prestazioni dei pazienti. Le misure estratte sono state validate contro l’analisi di video registrati durante l’esecuzione delle sessioni, dimostrando come le misure fossero sufficientemente robuste da fornire informazioni attendibili circa le prestazioni, in linea con le tendenze di recupero misurate tramite le scale cliniche standard. Lo sviluppo di RehabMe ha dimostrato un nuovo approccio alla riabilitazione motoria dell’arto superiore basata sull’uso di tecnologia tramite l’uso di oggetti quotidiani, movimenti liberi, e un unico dispositivo indossabile per fornire terapia riabilitativa basata sulle evidenze. Il processo e i risultati presentati in questo lavoro hanno mostrato un’efficace traslazione della tecnologia RFID al campo della riabilitazione motoria tramite l’adattamento della tecnologia. I risultati ottenuti dal testing sul campo del sistema completo hanno dimostrato come l’uso di tecnologia RFID si adatti al bisogno di sistemi per la riabilitazione a casa. Oltre a fornire efficacemente esercizi riabilitativi, è stata studiata la possibilità di utilizzare la tecnologia RFID come un mezzo per monitorare le prestazioni e i progressi dei pazienti durante il percorso riabilitativo. Questo processo è risultato nell’estrazione del tempo e della velocità di movimento, che rappresentano valori informativi per la descrizione delle prestazioni motorie dei pazienti. Il testing longitudinale preliminare ha mostrato la capacità di tracciare le prestazioni utilizzando le misure estratte da RehabMe, ma il numero limitato di pazienti inclusi nel secondo ciclo dello studio non permette di trarre conclusioni definitive. Delle limitazioni nella qualità del segnale in scenari di vita reale sono emersi dal testing clinico, dimostrando che una riprogettazione dell’antenna sarebbe necessaria per migliorare la qualità del segnale, e che nuovi progressi potrebbero essere ottenuti dall’integrazione di più fonti di informazione per la descrizione del movimento.