A graphical user interface for a hybrid FES robotic exoskeleton for walking : design and usability evaluation

According to a report published by World Health Organisation (WHO) in 2013, each year between 250 and 500 thousand people suffer a Spinal Cord Injury (SCI). This pathology causes a loss of sensation and/or muscle function below the injury level, leading then to everyday social problems. This results in the necessity to develop rehabilitation treatments that aim to restore the lost functionalities, especially related to deambulation. Currently, standard treatments for SCI people are based on exercises for maintaining limbs mobility carried out by therapists or caregivers. However, the patient plays a passive role throughout the whole exercise execution, which makes the rehabilitation less effective. For this reason, alternative rehabilitation techniques to conventional ones have been proposed: Robotic Rehabilitation and Functional Electrical Stimulation (FES). The former uses robotic devices to assist therapists during rehabilitation sessions and to enable an intense and repetitive training. The latter induces artificial muscular contraction by delivering electrical pulses. In particular, what has gained interest in recent years is the possibility to integrate these two technologies is a single device, thus called hybrid. The advantages of these systems are the active role of the patient enabled by the electrical stimulation of his muscles and the possibility to prolong rehabilitative sessions thanks to the support provided by the exoskeleton. The main focus of this thesis work concerns the development of a Graphical User Interface (GUI) to assist therapists for a correct execution and assessment of rehabilitation treatments with a hybrid device. Indeed, hybrid systems are complex devices that handle a huge amount of data and set different parameters; then, the development of a user-friendly, intuitive and effortless GUI plays a crucial role for the correct delivery of the therapy. Several requirements for the GUI has been defined and empirically tested. Moreover, application’s usability has been evaluated on 10 biomedical engineers and 7 therapists using SUS and ad hoc questionnaires. The analysis demonstrated that the user-friendly purpose was properly satisfied, both for engineers and therapists.

In base ad uno studio dell’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) svolto nel 2013, ogni anno tra 250 e 500 mila persone sono colpite da lesione spinale. Questa patologia causa la perdita di sensitività e/o delle funzioni muscolari al di sotto del livello della lesione, portando la persona a soffrire sia di problemi fisici che sociali. Si pone quindi la necessità di sviluppare trattamenti riabilitativi che mirino al ripristino delle funzionalità perdute, in particolare legate alla deambulazione. Ad oggi, i trattamenti convenzionali per persone aventi lesione spinale si basano su esercizi svolti dal terapista sul paziente che mirano al mantenimento della mobilità degli arti. In questi esercizi, il paziente svolge un ruolo completamente passivo, rendendo l’effetto della riabilitazione meno efficace. Per questa ragione, metodi riabilitativi alternativi sono stati proposti: riabilitazione robotica e stimolazione elettrica funzionale. La prima utilizza dispositivi robotici per assistere il terapista durante la riabilitazione e per permettere un esercizio ripetitivo ed intenso. La stimolazione elettrica funzionale, invece, permette la contrazione muscolare mediante impulsi elettrici. In particolare, negli ultimi anni ha ottenuto molto successo la possibilità di integrare queste due tecnologie in un singolo dispositivo, chiamato sistema ibrido. I vantaggi di questi sistemi sono il ruolo attivo che il paziente svolge grazie alla contrazione dei muscoli ottenuta dall’utilizzo della stimolazione elettrica e di prolungare le sedute riabilitative grazie al supporto dato dagli esoscheletri. Il seguente lavoro si pone come obiettivo lo sviluppo di un’interfaccia grafica per assistere il terapista durante la sessione riabilitativa svolta con un sistema ibrido. Infatti, dato che i sistemi ibridi sono dispositivi molto complessi in grado di gestire un’ampia quantità di dati, lo sviluppo di un’interfaccia grafica che sia user-friendly, intuitiva e facile da utilizzare è fondamentale per garantire uno svolgimento della terapia corretta e sicura. Molteplici caratteristiche sono state definite per l’interfaccia grafica e testate empiricamente. Inoltre, l’usabilità dell’applicazione è stata testata da 10 ingegneri biomedici e 7 terapisti mediante il System Usability Scale (SUS) e un questionario ad hoc. L’analisi di questi questionari ha dimostrato la buona usabilità del sistema sia da parte degli ingegneri che dei terapisti.