Design and validation of a virtual reality environment for post-stroke cycling rehabilitation

Virtual Reality has emerged as a promising technology in the biomedical and rehabilitation fields, offering motivating, task-oriented, and feedback-based environments that can enhance user engagement and motor performance. Within this context, stroke rehabilitation represents one of the most significant and challenging applications, as stroke is a leading cause of long-term disability worldwide, often resulting in motor and cognitive impairments that compromise autonomy in activities of daily living. This thesis presents the design and development of a non-immersive VR system integrated with a recumbent trike for post-stroke rehabilitation. The system combines aerobic exercise and motor re-education through a feedback-based interface, enabling users to perform functional and goal-oriented cycling sessions. The virtual environment, developed in Unity, communicates via Bluetooth with the trike to provide real-time visualization of the exercise, resistance control, and data acquisition (cadence, power, and heart rate). This integration allows for individualized training protocols and objective performance monitoring. Five post-stroke participants with varying degrees of hemiplegia took part in the pilot study. Validated questionnaires were employed to assess user perception: the Short Flow Scale (SFS) evaluates the user’s flow experience and engagement during the virtual task, the System Usability Scale (SUS) assesses usability, the Technology Acceptance Model 3 (TAM3) analyzes technology acceptance, and the Simulator Sickness Questionnaire (SSQ) monitors potential cybersickness symptoms. The results demonstrated the feasibility, usability, and motivational value of the proposed non-immersive virtual environment for post-stroke cycling rehabilitation. Participants reported strong engagement (SFS median = 6/7), high usability (SUS = 80.5/100), and positive technology acceptance (TAM3 median = 5/7), together with no cybersickness symptoms. Physiological data confirmed the ability to maintain aerobic exercise and improve inter-limb symmetry through real-time visual feedback, supporting the potential of the system as an engaging and effective rehabilitation tool.

La realtà virtuale (VR) si è affermata come una tecnologia promettente nei settori biomedico e riabilitativo, offrendo ambienti motivanti, task-oriented e basati sul feedback, in grado di migliorare il coinvolgimento dell’utente e le prestazioni motorie. In questo contesto, la riabilitazione post-ictus rappresenta una delle applicazioni più rilevanti e complesse, poiché l’ictus costituisce una delle principali cause di disabilità a lungo termine, associata a deficit motori e cognitivi che compromettono l’autonomia e la qualità della vita. La presente tesi descrive la progettazione e lo sviluppo di un sistema di realtà virtuale non immersiva integrato con un trike reclinato per la riabilitazione post-ictus. Il sistema combina allenamento aerobico e riabilitazione motoria tramite un’interfaccia basata sul biofeedback, che guida l’utente in sessioni di pedalata mirate e personalizzate. L’ambiente virtuale, sviluppato in Unity, comunica via Bluetooth con il trike per fornire la visualizzazione in tempo reale del movimento, il controllo della resistenza e la raccolta dei dati (cadenza, potenza e frequenza cardiaca). Questa integrazione consente di impostare protocolli di allenamento personalizzati e di effettuare un monitoraggio oggettivo delle prestazioni. Cinque partecipanti post-ictus con diversi gradi di emiplegia hanno preso parte allo studio pilota. Per valutare la percezione dell’utente, l’usabilità e il coinvolgimento psicologico, sono stati utilizzati questionari validati: la Short Flow Scale (SFS) per misurare il livello di coinvolgimento e stato di flusso durante l’esperienza virtuale, la System Usability Scale (SUS) per l'usabilità, il Technology Acceptance Model 3 (TAM3), e il Simulator Sickness Questionnaire (SSQ). I risultati hanno dimostrato la fattibilità, l’usabilità e il valore motivazionale dell’ambiente virtuale non immersivo proposto. I partecipanti hanno riportato un’elevata usabilità (SUS = 80,5/100), un forte coinvolgimento (mediana SFS = 6/7) e una positiva accettazione tecnologica (mediana TAM3 = 5/7), senza sintomi di cybersickness. I dati fisiologici hanno confermato la capacità di mantenere un esercizio aerobico e di migliorare la simmetria tra gli arti grazie al feedback visivo in tempo reale, supportando il potenziale del sistema come strumento riabilitativo efficace e motivante.