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 Controrelatore: Prof. Carlo Marchesi DSI – Università di Firenze Cosupervisori: Prof.ssa Fay Horak - NSI – Oregon Health and Sciences University Dott. Ing. Lorenzo Chiari – DEIS – Università di Bologna

Tema di ricerca ed obiettivo specifico Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004 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 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 Creazione del protocollo sperimentale Set-up sistema Audio BF DEIS Analisi dei risultati Redazione scritti

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

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

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

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

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

Pilot (2): Audio BF durante il cammino 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 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 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.

In collaborazione con F. Hlavacka Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004 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

Pilot (5): BF tattile in condizioni dinamiche Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004 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

Obiettivi futuri: INPUT (sensore) ELABORAZIONE(software) Marco Dozza – SISTEMI A BIOFEEDBACK E REALTA’ VIRTUALE PER LA RIABILITAZIONE MOTORIA – a.a. 2003/2004 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”

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

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