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SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA Dottorato di Ricerca in Bioingegneria, XIX ciclo, a.a 2003/2004 Marco Dozza Supervisore:

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1 SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA Dottorato 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

2 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 lattività 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 lutilizzo 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

3 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 dellinformazione (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

4 Risultati (1): Audio BF riduce le oscillazioni posturali aumentando il controllo posturale in soggetti sani Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004 Accettato da IEEE Trans of Biomed Eng. 5 soggetti giovani sani Postura ortostatica eretta su Temper TM 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

5 Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004 In corso di pubblicazione su Arch Phys Med Rehab 9 soggetti sani e 9 soggetti bilaterali vestibolari Postura ortostatica eretta su Temper TM 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

6 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 Linformazione sensoriale è ridondante I diversi canali senoriali hanno un diverso peso sulla riduzione delle oscillazioni posturali

7 Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004 Risultati (4): linformazione resa disponibile dallAudio BF è ridondante rispetto a quella sensoriale La ridondanza di informazione sensoriale comporta una maggiore insensibilità ai disturbi Linformazione resa disponibile dallAudio BF è ridondante con quella visiva e somatosensibile ma, soprattutto, con quella vestibolare Linformazione resa disponibile dallAudio BF è maggiormente ridondante con quella visiva nei soggetti sani e con quella somatosensibile nei soggetti vestibolari In preparazione per Experimental Brain Research

8 Pilot (1): Audio BF in condizioni dinamiche Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/ 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. Lanalisi 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 lallineamento con la verticale per frequenze di oscillazione comprese fra 0.02 e 1 Hz

9 Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004 Pilot (2): Audio BF durante il cammino 2 soggetti sani hanno camminato lentamente (0.5 Hz) per 40 secondi con e senza lausilio del sistema di Audio BF toccando ad ogni passo col tallone del piede in movimento la punta del piede fermo (posizione Romberg). Risultato preliminare: Lampiezza delle oscillazioni posturali in direzione medio- laterale diminuisce usando il sistema di Audio BF

10 Pilot (3): visual BF in condizioni statiche Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/ 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 Temper TM 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 allinterno di unellisse verde. I soggetti sembrano reagire con una diversa strategia posturale a seconda del tipo di BF impiegato e della diversa rappresentazione del BF.

11 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 allaccelerazione 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 Temper TM foam 4 a occhi chiusi con e senza lausili 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

12 Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004 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 allinizio e alla fine di ogni giorno Risultato preliminare: La semplice pratica su piattaforma rotante ha un effetto transfer sulle performance in sway reference

13 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 dellABF per lutilizzo 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

14 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).

15 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. S , 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.pdfhttp://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.


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