Sviluppo di un'interfaccia guidata da movimenti oculari per il controllo di una neuroprotesi dell'arto superiore

This thesis presents an innovative use of eye-tracking device. The main goal of this thesis is the creation of a new interface based on eye movements for the control of a multimodal neuroprosthesis for the upper limb in order to support daily activities. The target of this system are the neurodegenerative and genetic neuromuscular diseases and high level spinal cord injury. Eye-tracking becomes the main module for the detection of the subject’s intention when the voluntary control of the upper limb muscles is lost. Gaze data are processed to implement different control algorithms adapting the level of progressive of the diseases. If the person has residual eye-movements control, the detection of subject’s intention is carried out by real-time fixation-event recognition, the input parameters are the time of fixation and the area of fixation, which are subject-dependent. If the patient is not able to guide his/her gaze, another interface is used based on different blinking signals, “long blinking” for the trigger of the sub-actions and “double blinking” for the emergency function, allow the subject to select the sub-actions for the interaction with an object selected by BCI signals. Evaluation tests on healthy subject and on one patient have verified the reliability and feasibility of the algorithms developed and have estimated the optimal combination of parameters for the different controls.

In questo lavoro di tesi viene presentato un utilizzo innovativo di un dispositivo di eye-tracking. E’ stata sviluppata un’interfaccia basata sui movimenti oculari per il controllo di una neuroprotesi modulare dell’arto superiore, che consente di svolgere attività di vita quotidiana. L’intero sistema è rivolto a pazienti affetti da patologie neurodegenerative del sistema nervoso e problemi genetici neuromuscolari o con traumi a livello alto della colonna vertebrale. L’eye-tracking diviene il modulo fondamentale per l’identificazione delle intenzioni del paziente quando il controllo volontario dei muscoli degli arti viene perso. Gli algoritmi di controllo, che elaborano i dati di gaze, sono stati definiti in base alle capacità residue del paziente nel direzionare il proprio sguardo. Se il paziente ha intatto il controllo dei movimenti oculari, l’identificazione di voler interagire con la neuroprotesi è effettuata tramite il riconoscimento delle fissazioni, in real-time, con durata e area di fissazione soggetto-specifiche. Nel caso in cui il paziente abbia perso la capacità di direzionare lo sguardo, una diversa interfaccia basata sul riconoscimento di diversi comandi di blinking, “blinking lungo” per il trigger, “doppio blinking” per l’emergenza, permette al soggetto di selezionare le sottoazioni per l’interazione con un oggetto scelto tramite segnali cerebrali (BCI). I test effettuati su soggetti sani e un soggetto neurologico (high level Spinal Cord Injury) hanno dimostrato l’affidabilità e la fattibilità dei controlli e hanno portato alla stima di parametri ottimali per la gestione dei diversi controlli.