A software to manage rehabilitation sessions with a robotic walker

Abstract

Cerebellar ataxia arises from damage or dysfunction that affects the cerebellum and its pathways. As a result, the motor abilities of individuals with this condition become weakened. Robotics-assisted therapy is still an emerging area, but it has several advantages that could boost the rehabilitation of these individuals. Considering this problematic, WALKit Smart Walker is being developed. Its main purpose is to improve the treatment of ataxic patients through intelligent and multidisciplinary rehabilitation sessions. Thus, it is equipped with several sensors that provide monitoring capabilities through a continuous evaluation of the end-user gait and posture. A vast amount of data is acquired during each session by the walker sensors. For health professionals to analyse this data and have feedback on the patient’s status throughout therapy, tools are needed to control, manage, and monitor sessions in a clear, practical and intuitive way. Therefore, the main goal of this dissertation is centred on implementing an effective way to store the acquired data, along with the development of software that satisfies these requirements. To address these goals, a polyglot persistence database system, composed of a relational and a non-relational database, was implemented to store the required data while maintaining efficiency. Furthermore, a web application was developed to provide, not only to health professionals, but also to patients themselves, the management of the rehabilitation sessions with the walker. The application provides an individual and temporal analysis of the sessions through interactive graphics adapted to each patient. Additionally, it allows the management of the several patients who are/were in treatment and the addition of clinical ratting scales, which are useful to assess their motor condition and adapt therapies as needed. In this way, professionals can have a better perception of the patient’s condition, and can show patients their evolution, possibly contributing to increase their motivation in therapy. Moreover, in the context of this dissertation, the embedded software of WALKit SmartW, which allows the therapy configuration, was optimized. This software had no security mechanisms, thus the main goal was on the implementation of techniques capable of making the software secure. Additionally, other functionalities such as feedback alerts, were added to the existing application. Throughout the development of this project, it was possible to have continuous feedback from health professionals of the Hospital of Braga. Usability tests and questionnaires were also applied, and the results were very promising, enhancing the need for a system with these characteristics. Professionals claimed the system may help in analysing the patient clinical status in an intuitive form while keeping them motivated during treatments.

A ataxia cerebelar surge a partir de danos ou disfunções que afetam o cerebelo e as suas vias. Como resultado, as capacidades motoras dos indivíduos que possuem esta condição ficam fragilizadas. A terapia assistida por robôs é ainda uma área em desenvolvimento, no entanto apresenta diversas vantagens que poderão agilizar os tratamentos destes indivíduos. Atendendo a esta problemática, o WALKit SmartW encontra-se a ser desenvolvido. O seu principal propósito é auxiliar os tratamentos de pacientes ataxicos através de sessões de reabilitação inteligentes e multidisciplinares. Para tal, é composto por um conjunto de sensores que fornecem uma monitorização e avaliação contínua da marcha e da postura do utilizador. Uma grande quantidade de dados é adquirida ao longo de cada sessão através dos sensores. De forma a que os profissionais de saúde analisem estes dados e tenham feedback do estado do paciente ao longo da terapia, são necessárias ferramentas que permitam controlar, gerir e monitorizar as sessões, de forma clara, prática e intuitiva. O principal objetivo desta dissertação centra-se na implementação de uma estratégia eficiente para armazenar os dados, juntamente com o desenvolvimento de um software que satisfaça estes requisitos. Para cumprir estes objetivos, um sistema de base de dados com persistência poliglota, composto por uma base de dados relacional e uma não relacional, foi implementado para armazenar os dados mantendo a eficiência. Além disso, uma aplicação web foi desenvolvida para proporcionar, não só aos profissionais de saúde, como também aos próprios pacientes, a gestão das sessões de reabilitação com o andarilho. A aplicação disponibiliza uma análise individual e temporal das sessões através de gráficos interativos adaptados a cada paciente. Adicionalmente, possibilita também a gestão dos diversos pacientes que estão/estiveram em tratamento, e a adição de escalas de classificação clínica, que são úteis para avaliar a condição motora e adaptar as terapias conforme necessário. Desta forma, os profissionais conseguem ter uma melhor perceção acerca do estado do paciente, e os pacientes podem ver a sua evolução, contribuindo para aumentar a motivação na terapia. Ainda no contexto desta dissertação, otimizou-se a aplicação embebida no software do andarilho WALKit, que permite as configurações da terapia. O software era isento de qualquer mecanismo de segurança, pelo que o maior foco centrou-se na aplicação de técnicas capazes de o tornar seguro. Adicionalmente, outras funcionalidades, como alertas e configurações de algoritmos, foram adicionadas à aplicação existente. Ao longo do desenvolvimento deste projeto, foi possível obter o feedback contínuo de profissionais de saúde do Hospital de Braga. Testes e questionários de usabilidade foram também aplicados, e os resusltados foram bastante promissores, reforçando a necessidade de um sistema com estas características. Os profissionais afirmaram que o sistema irá ajudar a analisar o estado do paciente de forma intuitiva, mantendo-o motivado durante os tratamentos.