Studio e sviluppo di un sistema biofeedback applicato a compiti neuromotori in ambiente virtuale

The main objective of this thesis work is the implementation of a protocol for upper limb motor function training in a nonimmersive virtual environment, using electromyographic biofeedback and interaction with visual stimuli. The secondary objective is to implement these functionalities in a system characterized by low-cost devices for upper limb motion tracking and biopotential recording. For protocol development, biofeedback related to upper trapezius muscle activation, using a fixed threshold method, has been used. For this purpose, it has been implemented an application that can communicate via Bluetooth Low Energy with custom wearable sensors that acquire the electromyographic signal in real time. A study has been carried out on healthy subjects, to evaluate the effectiveness of the protocols and assess how they adapt to biofeedback using a CalComp digitizing tablet, considered the gold standard for hand movement tracking, to acquire movement. In addition, a co-registration protocol for the Leap Motion Controller, a low-cost optical sensor for gesture recognition and hand position tracking, has been developed to test its performance against the CalComp digitizer. Preliminary results from the conducted experiments suggested that the biofeedback protocol is potentially effective in inducing muscle activation control, although longer adaptation sessions and an adaptive threshold method on muscle activation appear to be necessary to achieve a significantly better result on a population of healthy subjects. Furthermore, it has been verified that the Leap Motion optical sensor can be considered reliable and sufficiently accurate compared to the digitizer, albeit with limitations. The adoption of such a sensor would certainly allow this technology to be brought into patients' homes for home rehabilitation or telerehabilitation applications as well.

L’obiettivo principale del presente lavoro di tesi è l'implementazione di un protocollo per l’allenamento delle funzioni motorie dell'arto superiore in un ambiente virtuale non immersivo utilizzando il biofeedback elettromiografico e l'interazione con stimoli visivi. L’obiettivo secondario è realizzare tali funzionalità in un sistema caratterizzato da dispositivi a basso costo per il tracciamento del movimento dell’arto superiore e per la registrazione dei biopotenziali. Per lo sviluppo del protocollo, è stato utilizzato un biofeedback legato all’attivazione del muscolo trapezio superiore con un metodo a soglia fissa. A tal fine, è stata implementata un’applicazione in grado di comunicare tramite Bluetooth Low Energy con dei sensori wearable custom che acquisiscono il segnale elettromiografico in tempo reale. È stato condotto uno studio su soggetti sani per valutare l'efficacia dei protocolli e valutare come questi si adattano al biofeedback utilizzando una tavoletta digitalizzatrice CalComp, considerata il gold standard per il tracciamento dei movimenti della mano, per acquisire il movimento. Inoltre, è stato sviluppato un protocollo per la co-registrazione del Leap Motion Controller, un sensore ottico a basso costo per il riconoscimento dei gesti e il tracciamento della posizione della mano, per verificare le sue prestazioni rispetto al digitalizzatore CalComp. I risultati preliminari degli esperimenti condotti hanno suggerito che il protocollo di biofeedback è potenzialmente efficace per indurre il controllo dell’attivazione muscolare, nonostante sessioni di adattamento più lunghe e un metodo di soglia adattiva sull’attivazione muscolare appaiano necessari per ottenere un risultato significativamente migliore su una popolazione di soggetti sani. Inoltre, è stato verificato che il sensore ottico Leap Motion può essere considerato affidabile e sufficientemente accurato rispetto al digitalizzatore, seppur con delle limitazioni. L’adozione di tale sensore permetterebbe sicuramente di portare questa tecnologia anche nelle case dei pazienti per applicazioni di riabilitazione domiciliare o teleriabilitazione.