Towards the digital transformation for upper limbs rehabilitation with NiuRion : integration of a functional calibration procedure and usability study

Neuro-motor rehabilitation has a primary relevance among healthcare services, since it helps patients affected by acute or chronic conditions to optimize functional capabilities and maintain independence to achieve a good quality of life. When impairments occur, there is the need for effective rehabilitative therapies which can be supported by medical devices. Among the available technologies, the combination of Virtual Reality by means of serious games and inertial measurement units (IMUs) results to be promising to maximize functional recovery: serious games merge engagement and rehabilitation purposes providing task-oriented activities in contextualized scenarios. Moreover, IMUs provide for the gathering of kinematic parameters useful to monitor the therapy. This work focuses on the assessment of NiuRion, a digital rehabilitation device which enables patients affected by neuromotor disorders or musculoskeletal conditions to perform rehabilitative sessions for upper limbs at home, by means of a sensorized shirt which interacts with a software of serious games. Since accuracy of the measurement system has to be combined with high levels of usability, two main purposes have been identified: the integration of a functional Sensor-To-Segment calibration procedure to deal with the misalignment between sensors reading and underlying body segments, and the design of a usability study to assess the intuitiveness of the device as well as the adequateness of the user interface, from the perspective of both patients, physiatrists and physiotherapists. At first, simulated orientation quaternions from a Simulink multibody mechanical model have been exploited to simulate a functional movement (90° humeral flexion) required for the calibration procedure with five IMUs arranged as in the NiuRion shirt. Sensors’ readings have been exploited to estimate reference directions necessary to define the matrix which relates the sensors reference frame to the anatomical one and to compute anatomical joint angles. The application of the calibration procedure has provided for the compensation of the STS misalignment, producing the expected anatomical joint angles. However, the comparison between calibrated data with respect to optoelectronic system outcomes has shown significant correlations along the principal axis of movement, while differences in measurements have occurred in the other axis. Thus, the combination of effective strategies for the optimization of initialization and calibration procedure could entirely demonstrate the reliability of the device. On the other hand, usability tests results have revealed a general willingness to use NiuRion which has proven to be an easy to use and engaging tool for rehabilitation therapies.

La riabilitazione neuromotoria svolge un ruolo chiave tra i servizi del sistema sanitario permettendo a pazienti affetti da patologie acute o croniche di ottimizzare le funzionalità motorie e di migliorare l’indipendenza per mantenere un’adeguata qualità della vita. In particolare, terapie valide ed efficaci possono prevedere l’utilizzo di dispositivi medici. Nello scenario delle tecnologie esistenti, i dispositivi di riabilitazione digitale che combinano l’utilizzo di sensori inerziali (IMU) allo sviluppo di serious games in realtà virtuali si sono dimostrati promettenti. I serious games associano scopi riabilitativi ad attività coinvolgenti mirate al raggiungimento di obiettivi, mentre gli IMU consentono di acquisire parametri cinematici necessari a monitorare lo svolgimento dell’esercizio. Questa tesi si concentra sulla valutazione di NiuRion, un dispositivo di riabilitazione digitale che permette a pazienti con disturbi neuromotori/muscoloscheletrici di svolgere sessioni riabilitative per gli arti superiori in ambiente domestico tramite una maglietta sensorizzata che interagisce con un software di serious games. Pertanto, due sono gli obiettivi principali volti a combinare l’accuratezza del sistema di misura ad ottime caratteristiche di usabilità. Il primo riguarda l’integrazione di una procedura di calibrazione funzionale per minimizzare il disallineamento tra le misure degli IMU e l’orientamento dei segmenti anatomici, il secondo prevede uno studio di usabilità rivolto a pazienti e terapisti per valutare l’intuitività di utilizzo e l’adeguatezza dell’interfaccia utente. Un modello biomeccanico costruito in Simulink ha permesso di simulare l’acquisizione del movimento funzionale necessario alla calibrazione (flessione dell’omero a 90°) da parte di IMU posti in corrispondenza della loro disposizione sulla maglietta di NiuRion, mentre i dati acquisiti dagli IMU hanno permesso la stima delle direzioni di riferimento necessarie a costruire la matrice che relaziona il sistema di riferimento dei sensori a quello anatomico del soggetto e permette il calcolo degli angoli articolari. La procedura di calibrazione ha compensato il disallineamento tra l’orientamento dei sensori e dei segmenti corporei. Tuttavia, il confronto con i dati acquisiti da sistema optoelettronico ha mostrato correlazioni significative solo rispetto all’asse principale di movimento, mentre sono state rilevate differenze significative nelle misure sugli altri assi. Perciò, combinare strategie efficienti per ottimizzare l’inizializzazione e la calibrazione degli IMU potrebbe dimostrare la complessiva affidabilità del dispositivo. Inoltre, i risultati legati all’usabilità hanno identificato NiuRion come un dispositivo coinvolgente e di semplice utilizzo nello svolgimento di terapie riabilitative.