SWORD: an intelligent vibratory wearable device to improve rehabilitation in stroke patients

Abstract

Anualmente ocorrem cerca de 16 milhões AVCs em todo o mundo. Cerca de metade dos sobreviventes irá apresentar défice motor que necessitará de reabilitação na janela dos 3 aos 6 meses depois do AVC. Nos países desenvolvidos, é estimado que os custos com AVCs representem cerca de 0.27% do Produto Interno Bruto de cada País. Esta situação implica um enorme peso social e financeiro. Paradoxalmente a esta situação, é aceite na comunidade médica a necessidade de serviços de reabilitação motora mais intensivos e centrados no doente. Na revisão do estado da arte, demonstra-se o arquétipo que relaciona metodologias terapêuticas mais intensivas com uma mais proficiente reabilitação motora do doente. Revelam-se também as falhas nas soluções tecnológicas existentes que apresentam uma elevada complexidade e custo associado de aquisição e manutenção. Desta forma, a pergunta que suporta o trabalho de doutoramento seguido inquire a possibilidade de criar um novo dispositivo de simples utilização e de baixo custo, capaz de apoiar uma recuperação motora mais eficiente de um doente após AVC, aliando intensidade com determinação da correcção dos movimentos realizados relativamente aos prescritos. Propondo o uso do estímulo vibratório como uma ferramenta proprioceptiva de intervenção terapêutica a usar no novo dispositivo, demonstra-se a tolerabilidade a este tipo de estímulos através do teste duma primeira versão do sistema apenas com a componente de estimulação num primeiro grupo de 5 doentes. Esta fase validará o subsequente desenvolvimento do sistema SWORD. Projectando o sistema SWORD como uma ferramenta complementar que integra as componentes de avaliação motora e intervenção proprioceptiva por estimulação, é descrito o desenvolvimento da componente de quantificação de movimento que o integra. São apresentadas as diversas soluções estudadas e o algoritmo que representa a implementação final baseada na fusão sensorial das medidas provenientes de três sensores: acelerómetro, giroscópio e magnetómetro. O teste ao sistema SWORD, quando comparado com o método de reabilitação tradicional, mostrou um ganho considerável de intensidade e qualidade na execução motora para 4 dos 5 doentes testados num segundo grupo experimental. É mostrada a versatilidade do sistema SWORD através do desenvolvimento do módulo de Tele-Reabilitação que complementa a componente de quantificação de movimento com uma interface gráfica de feedback e uma ferramenta de análise remota da evolução motora do doente. Finalmente, a partir da componente de quantificação de movimento, foi ainda desenvolvida uma versão para avaliação motora automatizada, implementada a partir da escala WMFT, que visa retirar o factor subjectivo da avaliação humana presente nas escalas de avaliação motora usadas em Neurologia. Esta versão do sistema foi testada num terceiro grupo experimental de cinco doentes.

About 16 million first ever-strokes occur worldwide every year. Half of stroke survivors are left with some degree of physical impairment that needs rehabilitation in the 3 to 6 month after-stroke time window. This situation implies a high economic and social burden. In developed countries, stroke cost is estimated to represent an average of 0.27% of each country’s gross domestic product. Paradoxically, it is accepted in the medical community the need for more intensive and patient-centered rehabilitation services. In the state of art review, it is demonstrated the archetype that relates the intensity on rehabilitation with a proficient motor recovery of the patient. Additionally, it is shown that the major pitfalls in current technological solutions in the field of motor rehabilitation are due to their intrinsic complexity and associated cost. Given this state of the art, the research question that supports this thesis, inquiries the possibility of creating a novel low-cost device targeted at the motor rehabilitation of stroke patients, capable of providing a more efficient treatment through enabling higher intensity and automated determination of the correctness of the movements performed by the recovering patient. The validity of the vibratory stimulus is presented from an historic and neurophysiologic point of view. Furthermore, a state of art review of motion capture systems is presented. Intending the use of the vibratory stimulus as a proprioceptive therapeutic tool to be integrated in the new device, it is demonstrated the tolerability of the stimulus from the experimental test of a first version of the device, incorporating the stimulation component, in a first group of five patients. Projecting the SWORD device as a tool that combines both features of motor function evaluation with proprioceptive intervention through vibratory stimulation, it is described the development of the motion capture component. Several solutions were studied and the final algorithm, based on the sensory fusion of the measures from three sensors (accelerometer, gyroscope and magnetometer), is described in detail. The experimental test of the SWORD system on a second group of patients showed that, when compared with a typical treatment, it is capable of providing a more intensive intervention and with a higher quality in 4 out of 5 patients. To demonstrate the versatility of the SWORD system, it was developed the tele-rehabilitation module that complements the motion capture component with a graphical feedback interface and a remote tool for the clinician to evaluate the performance of the patient through out the time he uses the system in his home or any other remote environment. Finally, from the motion capture component, a motor function evaluation version of the system was deployed. Implemented from the WMFT scale, it aims to eliminate the human subjectivity present in the traditional evaluation scales used in the neurology medical area. This system was evaluated on a third group of five patients.