SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE

MOTORIADottorato di Ricerca in Bioingegneria, XIX ciclo, a.a 2003/2004

Marco Dozza

Supervisore:

Prof. Angelo Cappello

DEIS – Università di Bologna

Cosupervisori:

Prof.ssa Fay Horak - NSI – Oregon Health and Sciences University

Dott. Ing. Lorenzo Chiari – DEIS – Università di Bologna

Controrelatore:

Prof. Carlo Marchesi

DSI – Università di Firenze

Tema di ricerca ed obiettivo specifico Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004

Durante questo primo anno di ricerca l’attività principale ha riguardato

-La sperimentazione in vivo (su soggetti sani e pazienti vestibolari) di sistemi a Bio-Feedback (BF) sviluppati in precedenza (Audio BF)

-La messa a punto di nuovi sistemi a BF basati su canali informativi diversi (Video, Tattile) .

-La realizzazione di esperimenti pilota tesi ad individuare le modalità piú promettenti per l’utilizzo del BF posturale nella pratica clinica

DEIS

• Creazione del protocollo sperimentale

• Set-up sistema Audio BF

OHSU – Neurological Science Institute

• Realizzazione esperimenti e interpretazione clinica dei risultati.

• Sviluppo di un nuovo sistema di visual BF.

• Realizzazione di esp. pilota in condizioni dinamiche

DEIS

• Analisi dei risultati

• Redazione scritti

GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC

Metodologie e/o tecnologie studiate e utilizzate Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004

Sistema Biofeedback (BF):

• Rilevamento del movimento (Analog Device ADXL203)

• Elaborazione dell’informazione (Toshiba Celeron 2.2GHz)

• Restituzione informazione

• Audio (cuffie Philips SBF HP-140)

• Video (proiettore Infocus LP70+ DLP)

• Tattile (vibratori)

• Software sviluppato in Matlab © e Matlab Acquisition Toolbox ©

• Pedana di forza AMTI OR6-6 per cross-validazione

Protocollo:

• Soggetti sani e vestibolari bilaterali

• Postura ortostatica eretta

• Condizioni di limitata informazione sensoriale

ML

AP

Risultati (1): Audio BF riduce le oscillazioni posturali aumentando il controllo posturale in soggetti sani

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Accettato da IEEE Trans of Biomed Eng.

5 soggetti giovani sani

Postura ortostatica eretta su TemperTM foam 4’’ a occhi chiusi

5 prove con Audio BF e 5 senza randomizzate della durata di un minuto

Risultati 1.1

Il segnale accelerometrico è molto correlato (r=0.9) allo spostamento del COP in diverse condizioni di limitazione sensoriale

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In corso di pubblicazione su Arch Phys Med Rehab

9 soggetti sani e 9 soggetti bilaterali vestibolari

Postura ortostatica eretta su TemperTM foam 4’’ a occhi chiusi

5 prove con Audio BF e 5 senza, con ordine casuale, della lunghezza di un minuto

Risultati (2): Audio BF riduce le oscillazioni posturali proporzionalmente alla severità della patologia vestibolare

Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004

In preparazione per Experimental Brain Research

Risultati (3): riduzione delle oscillazioni posturali a seguito della disponibilità di informazione sensoriale

•L’informazione sensoriale è ridondante

•I diversi canali senoriali hanno un diverso peso sulla riduzione delle oscillazioni posturali

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Risultati (4): l’informazione resa disponibile dall’Audio BF è ridondante rispetto a quella sensoriale

La ridondanza di informazione sensoriale comporta una maggiore insensibilità ai disturbi

L’informazione resa disponibile dall’Audio BF è ridondante con quella visiva e somatosensibile ma, soprattutto, con quella vestibolare

L’informazione resa disponibile dall’Audio BF è maggiormente ridondante con quella visiva nei soggetti sani e con quella somatosensibile nei soggetti vestibolari

In preparazione per Experimental Brain Research

Pilot (1): Audio BF in condizioni dinamiche

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1 soggetto giovane sano

Postura ortostatica eretta con occhi chiusi su piattaforma rotante.

Rotazioni con superimposizione di sinusoidi pseudorandom.

1 prova con e una senza Audio BF per ciscuna delle seguenti velocità: 1,2,4 gradi per secondo. Durata di ogni prova 470 secondi.

L’analisi delle frequenze sulle quali agisce il sistema di BF è in corso in collaborazione col Motor Control Laboratory del dott. Robert Peterka

Risultato preliminare: in presenza di Audio BF il soggetto migliora l’allineamento con la verticale per frequenze di oscillazione comprese fra 0.02 e 1 Hz

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Pilot (2): Audio BF durante il cammino

2 soggetti sani hanno camminato lentamente (0.5 Hz) per 40 secondi con e senza l’ausilio del sistema di Audio BF toccando ad ogni passo col tallone del piede in movimento la punta del piede fermo (posizione Romberg).

Risultato preliminare:

L’ampiezza delle oscillazioni posturali in direzione medio-laterale diminuisce usando il sistema di Audio BF

Pilot (3): visual BF in condizioni statiche

Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004

9 soggetti giovani sani

2 tipi di BF: visual e audio

2 tipi di rappresentazione del feedback: lineare e sigmoidale

Prove randomizzate della durata di un minuto nelle condizioni occhi chiusi e occhi chiusi su TemperTM foam 4’’

Nelle prove con visual feebdack i soggetti sono istruiti a controllare una variabile biomeccanica (accelerazione istantanea) rappresentata graficamente da una stella rossa da mantenersi all’interno di un’ellisse verde.

I soggetti sembrano reagire con una diversa strategia posturale a seconda del tipo di BF impiegato e della diversa rappresentazione del BF.

Pilot (4): BF tattile in condizioni statiche Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004

Sistema di BF tattile:

4 vibratori vengono attivati in base all’accelerazione rilevata a livello L5. Ogni vibratore funge da allarme per una diversa direzione. Le soglie di attivazione sono definite in modo personalizzato e dinamico.

Protocollo:

5 soggetti sani

Postura ortostatica eretta su TemperTM foam 4’’ a occhi chiusi con e senza l’ausili del sistema di BF tattile nella sola direzione medio-laterale.

La vibrazione è stata applicata ai mastoidi destro e sinistro

In collaborazione con F. Hlavacka

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Pilot (5): BF tattile in condizioni dinamiche

In collaborazione con C. Wall & D. Wrisley

2 soggetti vestibolari unilaterali

Postura ortostatica eretta su piattaforma rotante (velocità 0.5, 1, 2, 4 gradi/sec)

10 sessioni su 4 giorni

2 sessioni con BF tattile (C. Wall) negli ultimi 2 giorni

8 sessioni di sway reference con guadagno crescente all’inizio e alla fine di ogni giorno

Risultato preliminare:

La semplice pratica su piattaforma rotante ha un effetto transfer sulle performance in sway reference

Obiettivi futuri: Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004

• Realizzazione di nuovi sistemi a BF basati su diversi tipi di sensori, ad esempio sensori in grado di rilevare la pressione al di sotto dei piedi dei soggetti.

• Sviluppo dell’ABF per l’utilizzo durante atti motori complessi: (1) adattamento della dinamica audio a compiti base (alzata da una sedia, salita di un gradino, camminata lenta), (2) selezione della miglior codifica (lineare vs non lineare).

• Integrazione e comparazione dei sistemi di BF Audio, Video e Tattile• Allargamento della sperimentazione a nuove classi patologiche (Emiplegie,

Neuropatie).

INPUT (sensore) ELABORAZIONE(software)

OUTPUT(rappresentazione della informazione)

NIH Grant application: “Sensory Biofeedback for Balance Rehabilitation”

SOGGETTO (patologia)

Sistema a BF

Pubblicazioni su riviste internazionali: Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004

• Dozza, M., Chiari, L.and Horak, F.B. Audio-biofeedback improves balance in patients with bilateral vestibular loss. Arch Phys Med Rehab. (In stampa).

• Chiari, L., Dozza, M., Cappello, A., Horak, F.B., Macellari, V., and Giansanti, D. An accelerometry-based system for balance improvement using audio-biofeedback. IEEE Trans of Biomed Eng. (Accettato).

• Dozza, M., Horak, F. and Chiari, L. Auditory biofeedback partially compensates for lack of sensory information in maintaining balance. Exp Brain Res, (In preparazione).

Pubblicazioni su atti di conferenze nazionali e internazionali:Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004

• Dozza M., Cappello A., Horak F.B., Chiari L., “How Audio-biofeedback of Trunk Acceleration Affects Feed-forward and Feed-back Control of Posture”, Gait & Posture, vol. 20(Suppl.2) pp. S123-124, 2004

• Horak F.B., Dozza M., Peterka R., and Chiari L., "What do subjects learn from audio-biofeedback for postural verticality?", Proc. Neural Control of Movement, Barcelona, March 2004

• Dozza M., Chiari L., Horak F.B., “A Portable Audio-biofeedback System to Improve Postural Control”, Proc. 26th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, San Francisco, September 1-5, 2004

• Dozza M., Horak F.B., Chiari L., “Audio Biofeedback of trunk acceleration improves balance in subjects with bilateral vestibular loss”, Proc. 28th Annual Meeting of the American Society of Biomechanics, Portland, September 8-11, 2004.http://www.x-cd.com/biomech04/pdfs/368.pdf

• Chiari L., Dozza M., Cappello A., and Horak F.B., “Influence of audio feedback on structural properties of postural sway”, Proc. XVth Congress of the International Society of Electrophysiology & Kinesiology, Boston, June 18-21, 2004, p.246.