A wearable biofeedback device to improve motor symptoms in Parkinson’s disease

Abstract

This dissertation presents the work done during the fifth year of the course Integrated Master’s in Biomedical Engineering, in Medical Electronics. This work was carried out in the Biomedical & Bioinspired Robotic Devices Lab (BiRD Lab) at the MicroElectroMechanics Center (CMEMS) established at the University of Minho. For validation purposes and data acquisition, it was developed a collaboration with the Clinical Academic Center (2CA), located at Braga Hospital. The knowledge acquired in the development of this master thesis is linked to the motor rehabilitation and assistance of abnormal gait caused by a neurological disease. Indeed, this dissertation has two main goals: (1) validate a wearable biofeedback system (WBS) used for Parkinson's disease patients (PD); and (2) develop a digital biomarker of PD based on kinematic-driven data acquired with the WBS. The first goal aims to study the effects of vibrotactile biofeedback to play an augmentative role to help PD patients mitigate gait-associated impairments, while the second goal seeks to bring a step advance in the use of front-end algorithms to develop a biomarker of PD based on inertial data acquired with wearable devices. Indeed, a WBS is intended to provide motor rehabilitation & assistance, but also to be used as a clinical decision support tool for the classification of the motor disability level. This system provides vibrotactile feedback to PD patients, so that they can integrate it into their normal physiological gait system, allowing them to overcome their gait difficulties related to the level/degree of the disease. The system is based on a user- centered design, considering the end-user driven, multitasking and less cognitive effort concepts. This manuscript presents all steps taken along this dissertation regarding: the literature review and respective critical analysis; implemented tech-based procedures; validation outcomes complemented with results discussion; and main conclusions and future challenges.

Esta dissertação apresenta o trabalho realizado durante o quinto ano do curso Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica, em Eletrónica Médica. Este trabalho foi realizado no Biomedical & Bioinspired Robotic Devices Lab (BiRD Lab) no MicroElectroMechanics Center (CMEMS) estabelecido na Universidade do Minho. Para efeitos de validação e aquisição de dados, foi desenvolvida uma colaboração com Clinical Academic Center (2CA), localizado no Hospital de Braga. Os conhecimentos adquiridos no desenvolvimento desta tese de mestrado estão ligados à reabilitação motora e assistência de marcha anormal causada por uma doença neurológica. De facto, esta dissertação tem dois objetivos principais: (1) validar um sistema de biofeedback vestível (WBS) utilizado por doentes com doença de Parkinson (DP); e (2) desenvolver um biomarcador digital de PD baseado em dados cinemáticos adquiridos com o WBS. O primeiro objetivo visa o estudo dos efeitos do biofeedback vibrotáctil para desempenhar um papel de reforço para ajudar os pacientes com PD a mitigar as deficiências associadas à marcha, enquanto o segundo objetivo procura trazer um avanço na utilização de algoritmos front-end para biomarcar PD baseado em dados inerciais adquiridos com o dispositivos vestível. De facto, a partir de um WBS pretende-se fornecer reabilitação motora e assistência, mas também utilizá-lo como ferramenta de apoio à decisão clínica para a classificação do nível de deficiência motora. Este sistema fornece feedback vibrotáctil aos pacientes com PD, para que possam integrá-lo no seu sistema de marcha fisiológica normal, permitindo-lhes ultrapassar as suas dificuldades de marcha relacionadas com o nível/grau da doença. O sistema baseia-se numa conceção centrada no utilizador, considerando o utilizador final, multitarefas e conceitos de esforço menos cognitivo. Portanto, este manuscrito apresenta todos os passos dados ao longo desta dissertação relativamente a: revisão da literatura e respetiva análise crítica; procedimentos de base tecnológica implementados; resultados de validação complementados com discussão de resultados; e principais conclusões e desafios futuros.