Design of a vibrotactile stimulus paradigm for a biofeedback device to improve gait rehabilitation of lower limb amputees

Abstract

A lower limb amputation not only affects locomotion, but also the amputee's somatosensory system, body perception, and mental health and, naturally, the fear of falling is more pronounced. Consequently, the patient is faced with the challenge of developing motor strategies that allow him to carry out daily activities since the use of the prosthesis does not fully compensate for the deficiencies acquired by a prosthetic gait, such as, for instance, asymmetry and variation in the duration of the gait events. Faced with the absence of effective treatments that restore locomotor functionality, the BioWalk project presents a rehabilitation solution: a biofeedback system that assists amputees during gait training sessions. This system consists in applying a vibrotactile stimulus on the skin of the affected leg. This stimulus can be activated at different moments of the prosthetic gait, allowing the patient to have a better perception and awareness of his body and locomotion to be able to detect any abnormal motor behaviours during the rehabilitation sessions and, in the future, to establish an adequate and healthy gait pattern. Consequently, there is a need to analyse muscular and kinematic data of the gait of amputees to detect which events are critical in prosthetic gait, which muscles are activated or most required in gait, how the centre of mass behaves in the gait of an amputee, among other parameters. Thus, in this dissertation, the main goal is to investigate and propose the best way (i.e., paradigm) to apply a vibrotactile stimulus to be used in a biofeedback device during rehabilitation sessions.

Uma amputação do membro inferior não afeta apenas a locomoção, mas também o sistema somatosensorial do amputado, a sua perceção corporal, a sua saúde mental e, naturalmente, o medo de cair encontra-se mais acentuado. Consequentemente, o paciente é confrontado com o desafio de desenvolver estratégias motoras que lhe permitam a realização de atividades diárias dado que o uso da prótese não compensa totalmente as deficiências adquiridas por uma marcha protética, como por exemplo, a assimetria e a variação na duração dos eventos de marcha. Perante a ausência de tratamentos eficazes que restaurem a funcionalidade locomotora, o projeto BioWalk apresenta uma solução de reabilitação: um sistema de biofeedback que auxilie a pessoa amputada durante sessões de treino de marcha. Este sistema consiste na aplicação de um estímulo vibrotátil sobre a pele da perna afetada. Este estímulo pode ser ativado em diversos momentos da marcha protética permitindo ao paciente uma melhor percetibilidade e consciência sobre o seu corpo e locomoção para que seja capaz de detetar algum comportamento motor anormal durante as sessões de reabilitação e para, futuramente, estabelecer um padrão de marcha adequado e saudável. Consequentemente, surge a necessidade de analisar dados musculares e cinemáticos da marcha de amputados de forma a detetar quais os eventos críticos na marcha protética, quais são os músculos ativados ou os que são mais requeridos na marcha, como se comporta o centro de massa na marcha de um amputado, entre outros parâmetros. Assim, nesta dissertação, o objetivo é propor um paradigma de estímulos vibrotáteis para serem usados num dispositivo de biofeedback durante sessões de reabilitação.