Upper-limb functional assessment: motor-control mechanisms and human-machine interaction

Assessing and rehabilitating upper-limb abilities holds high importance in addressing motor impairments, particularly in individuals with neurological disorders. However, current methodologies lack adequate quantification tools to monitor recovery in daily activities, posing challenges in distinguishing pathological movements from normative behavior This doctoral thesis introduces a novel standardized protocol for kinematic evaluation of upper-limb functionality. Specifically tailored to encompass shoulder and elbow movements while interacting with physical objects in a pick-and-place task, the setup aims to provide a comprehensive kinematic assessment. The primary aim of the project is to explore the central tendencies in healthy behavior during the designated goal-oriented task, focusing on hand patterns and inter-joint coordination. Trajectories exhibit spatio-temporal kinematic variations based on the movement direction relative to the gravitational field, highlighting the necessity of tailoring assessment and assistance methods for different gravity-related conditions. Moreover, a synergistic behavior across joints is observed, albeit with consistent variability in joint involvement among subjects, suggesting diverse planning strategies influenced by extrinsic factors. These findings advocate for personalized rehabilitative interventions. Identifying kinematic features associated with healthy motor behavior serves as potential normative benchmarks for assessing rehabilitative technologies in occupational therapy settings. The secondary objective revolves around evaluating a portable and cost-effective mixed-reality solution and a robotic device during the designated task. Specifically, the efficacy of Microsoft HoloLens2 for quantitative upper-limb assessment is examined. Utilizing this head-mounted display for mixed-reality applications, reliable hand-tracking capabilities facilitate consistent calculation of kinematic features and synchronized gaze pattern data extraction. Limitations are identified and recommendations are provided to enhance the device's potential. Additionally, a case study illustrates the usability of HoloLens2 in potentially evaluating oculomotor coordination in individuals with Multiple Sclerosis. Furthermore, the potential of robotic intervention is explored, with exoskeletons offering personalized training and dynamic assistance tailored to individual needs. The Variable Assistive-Corrective Tunnel (VACT) is introduced as a path-definition methodology, showing promise for time-independent control strategies in upper-limb rehabilitation. A study on the Harmony exoskeleton's effect on healthy upper-limb behavior, under different weight support levels, unveils varying impacts on movement performance, both in the task and joint space, elucidating the device's potentials and limitations for functional upper-limb assessment. In summary, this thesis significantly contributes to the advancement of upper-limb assessment and rehabilitation through innovative protocols and technologies. By integrating insights from kinematic analyses, mixed-reality platforms, and advanced robotic systems, researchers and clinicians can develop more accessible, personalized, and effective interventions for individuals with neurological conditions, ultimately enhancing their functional outcomes and quality of life.

La valutazione e la riabilitazione della funzionalità degli arti superiori rappresentano aree cruciali nell'affrontare i disturbi motori, soprattutto nei soggetti con disturbi neurologici. Le metodologie attuali mancano di strumenti di quantificazione precisi per monitorare il recupero nelle attività quotidiane, rendendo difficile distinguere i movimenti patologici dal comportamento normale. Questa tesi di dottorato presenta un nuovo protocollo standardizzato su misura per valutare la funzionalità degli arti superiori, concentrandosi sui modelli della mano e sulla coordinazione interarticolare. Utilizzando l'analisi cinematica dei dati di compiti sani di prelievo e posizionamento, viene esaminata l'influenza della forza gravitazionale sui modelli delle mani. Le variazioni nelle strategie di controllo motorio nelle diverse direzioni di movimento sottolineano la natura complessa della modulazione del sistema nervoso centrale. Nonostante si osservi un comportamento sinergico tra le articolazioni durante compiti orientati agli obiettivi, una variabilità significativa tra i soggetti suggerisce la necessità di interventi riabilitativi personalizzati. Le caratteristiche cinematiche associate al comportamento motorio sano vengono discusse come possibili parametri di riferimento normativi per la valutazione delle tecnologie riabilitative in contesti di terapia occupazionale. Inoltre, la tesi indaga la fattibilità e l'efficacia di una piattaforma di realtà mista per la valutazione obiettiva ed economica degli arti superiori in individui con deficit motori. Utilizzando HoloLens2, un display montato sulla testa di Microsoft, vengono dimostrate funzionalità affidabili di tracciamento manuale, consentendo il calcolo coerente delle caratteristiche cinematiche e l'estrazione sincronizzata dei dati dei modelli di sguardo. Vengono fornite limitazioni e raccomandazioni per ottimizzare il potenziale del dispositivo. Un caso di studio illustra l'utilizzabilità di HoloLens2 nella valutazione della coordinazione oculomotoria in soggetti affetti da sclerosi multipla. Infine, viene esplorato il potenziale dell’intervento robotico. Gli esoscheletri offrono formazione personalizzata e assistenza dinamica su misura per le esigenze individuali. Il Tunnel assistivo-correttivo variabile (VACT) viene introdotto come metodologia di definizione del percorso, promettente per strategie di controllo indipendenti dal tempo nella riabilitazione degli arti superiori. Uno studio sull'effetto dell'esoscheletro di Harmony sul comportamento sano degli arti superiori sotto diversi livelli di supporto del peso rivela diversi impatti sulle prestazioni di movimento sia nel compito che nello spazio articolare, facendo luce sulle potenzialità e sui limiti del dispositivo per la valutazione funzionale dell'arto superiore. Nel complesso, questa tesi contribuisce al progresso della valutazione e della riabilitazione dell'arto superiore attraverso l'integrazione di protocolli e tecnologie innovativi. Combinando informazioni provenienti da analisi cinematiche, piattaforme di realtà mista e sistemi robotici avanzati, ricercatori e medici possono sviluppare interventi più accessibili, personalizzati ed efficaci per le persone con patologie neurologiche, migliorando in definitiva i loro risultati funzionali e la qualità della vita.