SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’
VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE
MOTORIA
Dottorato di Ricerca in Bioingegneria, XIX ciclo, a.a 2003/2004
Marco Dozza
Supervisore:
Controrelatore:
Prof. Angelo Cappello
Prof. Carlo Marchesi
DEIS – Università di Bologna
DSI – Università di Firenze
Cosupervisori:
Prof.ssa Fay Horak - NSI – Oregon Health and Sciences University
Dott. Ing. Lorenzo Chiari – DEIS – Università di Bologna
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Tema di ricerca ed obiettivo specifico
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
GEN FEB MAR APR MAG GIU LUG AGO SET OTT NOV DIC
DEIS
OHSU – Neurological Science Institute
• Creazione del protocollo
sperimentale
• Realizzazione esperimenti e interpretazione clinica
dei risultati.
• Set-up sistema Audio BF
• Sviluppo di un nuovo sistema di visual BF.
• Realizzazione di esp. pilota in condizioni dinamiche
DEIS
• Analisi dei risultati
• Redazione scritti
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Metodologie e/o tecnologie studiate e utilizzate
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)
AP
ML
• 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
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Risultati (1): Audio BF riduce le oscillazioni posturali
aumentando il controllo posturale in soggetti sani
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
Accettato da IEEE Trans of Biomed Eng.
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Risultati (2): Audio BF riduce le oscillazioni posturali
proporzionalmente alla severità della patologia vestibolare
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
In corso di pubblicazione su Arch Phys Med Rehab
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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
In preparazione per Experimental Brain Research
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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
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Pilot (1): Audio BF in condizioni dinamiche
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 mediolaterale diminuisce
usando il sistema
di Audio BF
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Pilot (3): visual BF in condizioni statiche
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.
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Pilot (4): BF tattile in condizioni statiche
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
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
In collaborazione con C. Wall & D. Wrisley
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Obiettivi futuri:
•
•
•
•
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)
Sistema a BF
SOGGETTO
(patologia)
NIH Grant application: “Sensory Biofeedback for Balance Rehabilitation”
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Pubblicazioni su riviste internazionali:
• 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).
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Pubblicazioni su atti di conferenze nazionali e internazionali:
• 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 audiobiofeedback 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.xcd.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.