Functional feedback vibrotactile system for patients with parkinson’s disease: freezing of gait

Abstract

Parkinson’s Disease (PD) is a neurodegenerative disorder of the Central Nervous System (CNS) affecting the nigrostriatal system, with motor and non-motor symptoms. One of the most critical gait disturbances are the "freezing" episodes, denominated by freezing of gait (FOG). FOG corresponds to a temporary, sudden and involuntary disability to ongoing motor movement. To overcome FOG, two approaches can be considered: the pharmacological and non-pharmacological methods. Regarding to the pharmacological methods, firstly, there have been no significant scientific advances and these methods do not alter the course of PD symptom, and consequently, do not prevent FOG. Thereby, this pharmacological barrier has encouraged new researches based on non-pharmacological approaches. In fact, the non-pharmacological methods are a non-invasive and efficient solution for patients to overcome FOG, with an increasingly innovative character. However, some non-pharmacological methods are more efficient than others and in particular, patients present less difficulties in overcoming FOG when using feedback and especially Neurofeedback Systems. In particular, Vibrotactile Neurofeedback can be perceived in any environment and easily accepted by patients. However, the current Vibrotactile Neurofeedback Systems have some limitations for the patients: are not ergonomic or robust, constrain the freedom of movement, are uncomfortable and not easy to use. Therefore, in this thesis, it is presented a solution, aiming to develop and validate a Wearable Neurofeedback Vibrotactile Device in order to help PD patients to overcome FOG. The developed system is composed by a sensory acquisition system, a processing unit and an actuation system (the vibrotactile motors). The sensory acquisition system includes an accelerometer which data is used to detect the gait event. When this event is detected, the actuation system is activated and provides the vibrotactile feedback. The implemented system was validated in healthy and in PD patients in Hospital of Braga. The results allowed to conclude that the system is able to provide vibrotactile Neurofeedback according to the motion of each user and, more importantly, the patients showed a good acceptability in using the system while walking.

A doença de Parkinson (DP) é uma doença neurodegenerativa do Sistema Nervoso Central (SNC) que afeta o sistema nigrostriatal, com sintomas motores e não motores. Um dos distúrbios de marcha mais críticos são os episódios de "congelamento", denominados pelo freezing of gait (FOG). O FOG corresponde a uma incapacidade temporária, repentina e involuntária de oferecer continuidade ao movimento. Para superar o FOG, duas abordagens podem ser consideradas: os métodos farmacológicos e não farmacológicos. Em relação aos métodos farmacológicos, em primeiro lugar, não houveram avanços científicos significativos e esses métodos não alteram o curso do sintoma de DP e, consequentemente, não impedem o FOG. Deste modo, esta barreira farmacológica incentivou novas pesquisas baseadas em abordagens não farmacológicas. De fato, os métodos não-farmacológicos são uma solução não-invasiva e eficiente para que os pacientes superem FOG, com um caráter cada vez mais inovador. No entanto, alguns métodos não farmacológicos são mais eficientes do que outros e, em particular, os pacientes apresentam menos dificuldades em ultrapassar o FOG ao utilizar feedback, especialmente através de Sistemas de Neurofeedback. Em particular, o Neurofeedback Vibrotátil pode ser percebido em qualquer ambiente e facilmente aceito pelos pacientes. No entanto, os atuais sistemas de Neurofeedback Vibrotátil têm algumas limitações para os pacientes: não são ergonômicos ou robustos, limitam a liberdade de movimento, são desconfortáveis e não são fáceis de usar. Portanto, nesta tese, é apresentada uma solução, com o objetivo de desenvolver e validar um Dispositivo Wearable de Neurofeedabck Vibrotátil para ajudar pacientes PD a superar FOG. O sistema desenvolvido é composto por um sistema de aquisição sensorial, uma unidade de processamento e um sistema de atuação (os motores vibrotáteis). O sistema de aquisição sensorial inclui um acelerómetro, onde os dados adquiridos são usados para detetar um evento da marcha em particular. Quando este evento é detetado, o sistema de atuação é ativado e fornece o feedback vibrotátil. O sistema implementado foi validado em pacientes saudáveis e em pacientes com DP no Hospital de Braga. Os resultados permitiram concluir que o sistema é capaz de fornecer Neurofeedback vibrotátil de acordo com o movimento de cada usuário e, mais importante, os pacientes mostraram uma boa aceitação no uso do sistema durante a caminhada.