Biofeedback system to improve the human-orthosis interaction

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)Every year, 15 million people worldwide suffer a stroke. More than 80 % of stroke survivors present gait disabilities, limiting their motor independence and well-being. The patients may regain their motor independence with active orthoses. Biofeedback systems (BSs) may be used as an orthotic rehabilitation’s complementary tool to inform the user timely and objectively about their behaviour during gait. Thus, teaching the patients how to improve the human-orthosis interaction. Overall, this allows accelerating and increasing the effectiveness of the gait recovery. Nonetheless, there is a lack of BSs for orthotic gait rehabilitation, and no wearable solution is available. This dissertation aims the development of a wearable, stand-alone and modular BS to be integrated into SmartOs-ankle orthosis, following a user-centered design. The developed BS provides sensory, sonorous, and visual stimulation through vibrotactile motors, headphones, and a Red-Green-Blue Light-Emitting Diode, respectively. The BS includes a microcontroller to manage the activation of the stimuli according to the interaction torque and the reference trajectory of the SmartOs-ankle orthosis. The sensory and sonorous stimuli were chosen for developing user-oriented strategies to teach the user, as follows. When and how to perform the paretic and non-paretic foot-floor contact (foot-floor contact biofeedback); the direction of ankle rotation along the gait cycle (joint motion biofeedback); and, the necessary muscular strength along with the gait cycle (user participation biofeedback). The visual stimulus is used to help the therapist to follow the performance of the patients during the therapy and, consequently, help and motivate them – therapist-oriented strategies. From a validation with healthy subjects, the BS increased the user’s motor performance significantly when walking with an orthosis. The system was able to teach the users about the direction of ankle rotation and the necessary muscular strength along with the gait cycle, improving the human-orthosis interaction. Future work towards enhancing the foot-floor contact strategies and extending the BS validation with a large group of participants and longer training period.A cada ano, 15 milhões de pessoas, mundialmente, sofrem um acidente vascular cerebral (AVC). Mais de 80 % dos sobreviventes apresentam incapacidades de marcha, limitando a sua independência motora e bem-estar. Estes pacientes podem recuperar a sua independência motora através do uso de ortóteses ativas. Adicionalmente os sistemas de biofeedback (BSs) podem ser usados como uma ferramenta complementar da reabilitação assistida por ortótese, informando os usuários, oportunamente e objetivamente, acerca do seu comportamento durante a execução de uma tarefa, e ensinando-os a melhorar a sua interação com a ortótese; assim, acelerando e aumentando a eficácia da recuperação. Não obstante, existem poucos BSs desenvolvidos para a reabilitação assistida por ortóteses, os quais não são vestíveis. Esta dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um BS vestível, autónomo e modular para ser integrado na ortótese de tornozelo do sistema SmartOs, baseando-se numa visão centralizada no utilizador. O BS desenvolvido fornece estimulação sensorial, sonora e visual através de motores vibratórios, auscultadores e um díodo emissor de luz vermelha-verde-azul, respetivamente. O BS inclui um microcontrolador que gere a ativação dos estímulos de acordo com o torque de interação e trajetória de referência da ortótese do tornozelo. Os estímulos sensorial e sonoro foram escolhidos para ensinar o utilizador sobre: quando e como executar o contacto entre o pé, parético e não parético, e o solo; o sentido de rotação do tornozelo ao longo do ciclo da marcha; e a força muscular necessária ao longo do ciclo da marcha. O estímulo visual é usado para ajudar o terapeuta a seguir o desempenho dos pacientes ao longo da terapia, de forma que o terapeuta possa ajudá-los e motivá-los. A partir da validação com sujeitos saudáveis, verificou-se que o BS aumentou significativamente o desempenho motor do utilizador durante a marcha com a ortótese. O sistema mostrou-se capaz de ensinar os utilizadores sobre a direção e magnitude da força muscular necessária ao longo do ciclo da marcha, melhorando a interação entre o humano e a ortótese. O trabalho futuro envolve a melhoria das estratégias que visam o contacto entre o pé e o solo e a validação do sistema com mais participantes e treinos mais longos