Publication: A novel framework for upper limb rehabilitation using automated and robotic systems
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Publication date
2019-10
Defense date
2020-01-29
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Abstract
This thesis proposes a conceptual framework of rehabilitation under an innovative
paradigm of integration of robotic and automated systems into a holistic health
strategy. This framework considers the traditional rehabilitation cycle as a reference
of design, analysing its components and current issues in order to develop
automated alternative systems that keep the clinical meaningful.
The research work primarily focused on developing one of the core components
of the framework, that is, the automated assessment systems (AAS). The
assessment stage is strongly in uenced by “one-on-one” patient-therapist interactions,
di cult management of patient’s results, and time-consuming and labourintensive
procedures due to the nature of manual administration. Therefore, the
AAS aims to face these limitations and to augment the clinicians’ capabilities by
providing them with automated tools. In this regard, this thesis presents the process
of automation of a traditional and well-known clinical test for the assessment
of upper extremity (UE) motor function. The Box and Blocks Test (BBT) of
manual dexterity was the primary outcome measure taken as a case of study. The
automation process considered di erent approaches (computer vision, proximity
sensors, VR) in order to provide the clinicians with an objective, reliable, and automatic
tool denoted as the automated box and blocks test (ABBT). Additionally,
this thesis reviewed the limitations of current robot-based interventions focusing
on devices for UE treatment. Thus, this analysis resulted in the identi cation of
a need for systems for complementing the task-oriented training performed for
rehabilitation robotics. In this line, thiswork also explored the use of virtual reality
for the rehabilitation of UE motor function. As a result, a set of video games were
implemented. These video game served as an intervention tool for a treatment protocol
in hospital in order to improve UE functioning and, concurrently, evaluate
the feasibility of the ABBT.
Finally, the nature of hospital-oriented perspective requires testing the developed
systems in clinical environments. Hence, part of the research consisted of
piloting of the ABBT in a hospital facility and correlating the metrics obtained
from the manual and automatic procedures. Besides, a treatment focused on
improving the UE functioning using the serious games developed in this thesis
was conducted in clinical settings. This way, this research work also provides a
methodology for the validation of systems with the ultimate purpose of hospital
applicability.
La presente tesis propone un marco conceptual de rehabilitación bajo un paradigma innovador de integrar sistemas robóticos y automáticos en una estrategia de salud holística. Este marco considera el tradicional ciclo de rehabilitación como referencia de su diseño, analizando sus componentes y actuales limitaciones para desarrollar alternativos sistemas automatizados pero que mantengan la signi cancia clínica. El trabajo de investigación se enfocó principalmente en el desarrollo de uno de los componentes centrales del marco propuesto, es decir, los sistemas automatizados de evaluación. El proceso de evaluación está fuertemente marcado por la interacción uno-a-uno entre paciente y terapeuta, el difícil manejo de los resultados, y la demorosa y laboriosa administración de este proceso manual. Por ello, los sistemas automatizados de evaluación buscan reducir estas limitaciones y aumentar las capacidades del terapeuta dotándole de herramientas automatizadas. Así, esta tesis presenta el proceso de automatización de una conocida prueba clínica para medir la funcionalidad de la extremidad superior (ES). Dicha prueba de referencia es el Box and Blocks Test (BBT) que mide la destreza manual. En su automatización se estudiaron diversas tecnologías (visión por computador, sensores de proximidad, realidad virtual) para provisionar al terapeuta con una herramienta objetiva, able y automática, que se ha denominado el automatizado box and blocks test (ABBT). Por otro lado, la presente tesis también revisa los principales inconvenientes de las actuales terapias basadas en robot para el tratamiento de la ES. Así, este análisis condujo a identi cación de la necesidad de complementar los tratamientos orientados a la tarea que implementa la terapia basada en robots. En esa línea, la tesis exploró el uso de la realidad virtual como medio para mejor la funcionalidad motora de la ES. Como resultado, se implementó un conjunto de serious games que fueron probados como herramienta de intervención en hospital y, en paralelo, evaluar la abilidad del ABBT. Finalmente, la naturaleza del considerado enfoque clínico requirió la validación de los sistemas en un entorno hospitalario. Por ello, parte de la investigación consistió en realizar estudios piloto del ABBT en un hospital y estudiar la correlación entre las métricas obtenidas con el método manual y automático. Estos ensayos se sumaron a la validación clínica de los serious games en una clínica. En consecuencia, esta tesis también proporciona una metodología para la validación clínica de sistemas enfocados a un uso en hospital.
La presente tesis propone un marco conceptual de rehabilitación bajo un paradigma innovador de integrar sistemas robóticos y automáticos en una estrategia de salud holística. Este marco considera el tradicional ciclo de rehabilitación como referencia de su diseño, analizando sus componentes y actuales limitaciones para desarrollar alternativos sistemas automatizados pero que mantengan la signi cancia clínica. El trabajo de investigación se enfocó principalmente en el desarrollo de uno de los componentes centrales del marco propuesto, es decir, los sistemas automatizados de evaluación. El proceso de evaluación está fuertemente marcado por la interacción uno-a-uno entre paciente y terapeuta, el difícil manejo de los resultados, y la demorosa y laboriosa administración de este proceso manual. Por ello, los sistemas automatizados de evaluación buscan reducir estas limitaciones y aumentar las capacidades del terapeuta dotándole de herramientas automatizadas. Así, esta tesis presenta el proceso de automatización de una conocida prueba clínica para medir la funcionalidad de la extremidad superior (ES). Dicha prueba de referencia es el Box and Blocks Test (BBT) que mide la destreza manual. En su automatización se estudiaron diversas tecnologías (visión por computador, sensores de proximidad, realidad virtual) para provisionar al terapeuta con una herramienta objetiva, able y automática, que se ha denominado el automatizado box and blocks test (ABBT). Por otro lado, la presente tesis también revisa los principales inconvenientes de las actuales terapias basadas en robot para el tratamiento de la ES. Así, este análisis condujo a identi cación de la necesidad de complementar los tratamientos orientados a la tarea que implementa la terapia basada en robots. En esa línea, la tesis exploró el uso de la realidad virtual como medio para mejor la funcionalidad motora de la ES. Como resultado, se implementó un conjunto de serious games que fueron probados como herramienta de intervención en hospital y, en paralelo, evaluar la abilidad del ABBT. Finalmente, la naturaleza del considerado enfoque clínico requirió la validación de los sistemas en un entorno hospitalario. Por ello, parte de la investigación consistió en realizar estudios piloto del ABBT en un hospital y estudiar la correlación entre las métricas obtenidas con el método manual y automático. Estos ensayos se sumaron a la validación clínica de los serious games en una clínica. En consecuencia, esta tesis también proporciona una metodología para la validación clínica de sistemas enfocados a un uso en hospital.
Description
Mención Internacional en el título de doctor
Keywords
Robotics, Rehabilitation, Automation, Upper limb, Neurological, Virtual reality, Motor function, Assessment