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Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.unb.br/handle/10482/39009
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Title: Desenvolvimento de sistema de realidade virtual imersivo para reabilitação de marcha usando estimulação elétrica
Authors: Balbino, Henrique de Sousa e Silva
Orientador(es):: Bó, Antonio Padilha Lanari
Assunto:: Realidade virtual
Marcha humana
Caminhada
Abstract: A deficiência motora é uma condição que interfere na qualidade de vida de milhões de pessoas no mundo. Uma condição muito comum que leva a algum tipo de deficiência motora (por exemplo, paraplegia) devido à danificação do sistema nervoso é a lesão medular. A lesão medular ocorre com a lesão da medula espinhal, impedindo a comunicação entre o cérebro e as partes do corpo após a lesão e levando à perda de mobilidade e sensibilidade. Para auxiliar na qualidade de vida de pessoas com deficiência motora, uma das principais alternativas é a reabilitação. Na reabilitação, a pessoa com deficiência exercita as partes afetadas para reduzir os efeitos negativos devido à lesão e há a possibilidade de recuperar, ao menos parcialmente, as funções perdidas. Uma tecnologia amplamente utilizada em várias modalidades de reabilitação, inclusive para lesão medular, é a realidade virtual (da sigla em inglês VR, que significa \emph{virtual reality}). Essa tecnologia permite ao usuário se sentir imerso em um ambiente virtual e interagir com objetos presentes nesse ambiente. A reabilitação normalmente exige muito esforço e dedicação do paciente, já que seu resultado depende da frequência e da intensidade que os exercícios são realizados, o que pode ser considerado chato, cansativo e desgastante. A realidade virtual auxilia na reabilitação fornecendo ao paciente maior motivação e engajamento na realização dos exercícios, além de poder fornecer uma medida de desempenho. Neste trabalho é desenvolvido um sistema de realidade virtual imersivo no contexto de reabilitação para pessoas paraplégicas, com ênfase em lesão medular. O trabalho é desenvolvido com atividades que fornecem a sensação de caminhada. É esperado que o usuário tenha uma experiência imersiva e interativa semelhante à uma pessoa sem deficiência caminhando naturalmente. Para fornecer a experiência imersiva, o hardware de realidade virtual utilizado foi o HTC Vive. O ambiente virtual com um avatar e suas funcionalidades foram desenvolvidos com a Unreal Engine. Além dos controles e do HMD do Vive, também foram utilizadas IMUs para o rastreamento de partes do corpo do usuário. No ambiente virtual, o usuário encorpora um avatar, que o representa fisicamente no ambiente virtual. As informações de rastreamento vindo dos dispositivos fixos às partes do corpo do usuário são utilizadas para que o avatar replique os movimentos do usuário nas partes correspondentes (cabeça, braços e pernas). Para fornecer uma sensação imersiva, o usuário tem uma visão em primeira pessoa em relação ao avatar, ou seja, a câmera é posicionada onde estariam os olhos do avatar, além da câmera obedecer aos dados de rastreamento do HMD. Para fornecer uma forma de deslocamento no ambiente virtual que depende dos movimentos do usuário, que pode ser paraplégico, foi desenvolvido um algoritmo que analisa o sinal de orientação de uma IMU acoplada ao braço do usuário e estima a velocidade de movimento. Essa implementação fornece uma experiência interativa de deslocamento que se assemelha à caminhada física. Os experimentos com voluntários ocorreram em até 3 etapas. A primeira, de caminhada na esteira com pessoas hígidas, para avaliar a estimativa da velocidade com a velocidade dereferência da esteira. A segunda, com realidade virtual, em um ambiente com um circuito e uma referência móvel para avaliar o controle do movimento do usuário com o avatar. A terceira, também com realidade virtual, é um caminho em linha reta infinito com elementos de gameficação, o que permite avaliar o desempenho para cumprir tarefas no ambiente virtual. Os experimentos de realidade virtual foram feitos com pessoas hígidas e com pessoas com paraplegia. Após os experimentos, foram aplicados questionários validados para avaliar a experiência dos voluntários. Também foi feita uma questão discursiva para os voluntários descreverem a experiência com o sistema desenvolvido. Os resultados mostram que os voluntários foram capazes de controlar o avatar no ambiente virtual para cumprir as tarefas. Através dos questionários, foi possível concluir que os voluntários gostaram da experiência, se sentiram imersos e acreditam que o sistema é capaz de ajudar na reabilitação. Por outro lado, alguns sintomas se expressaram com o uso do sistema incluindo enjoo e desconforto. Como propostas futuras são sugeridas melhorias para evitar os sintomas (principalmente enjoo), implementação de outras formas de interação no mundo virtual e também integração com outros sistemas de reabilitação. As melhorias sugeridas para evitar o enjoo incluem melhorar as formas de deslocamento e de girar no mundo virtual, ou até mesmo planejar as atividades para exigir menos movimento dos usuários. A adição de outras formas de interação permitiria a criação de atividades mais complexas e possivelmente engajadoras. Já a integração com outros sistemas de reabilitação permitiria o movimento físico das pernas do usuário nas atividades com realidade virtual.
Abstract: Motor disability is a condition that impairs the quality of life of millions of people around the world. A very common condition that leads to some kinds of motor disability (i.e.: paraplegia) due to the damage to the nervous system is the spinal cord injury (SCI). SCI prevents the communication between the brain and parts of the body below the injury and leads to the loss of mobility and sensibility. To improve the quality of life of people with motor disability, one of the main alternatives is rehabilitation. In rehabilitation, the person with disability exercices the affected parts to reduce the negative effects due to the injury and there is a chance of recovery, at least partially, of the lost functions. A technology widely used in many kinds of rehabilitation, including for SCI, is virtual reality (VR). This technology allows the user to feel immersed in a virtual environment and interacting with objects inside this environment. Rehabilitation usually demands a lot of effort and dedication from the patient, since its results depends on the frequency and the intensity that the exercises are executed, that can be considered boring, tiring and wearing. VR assists the rehabilitation providing the patient greater motivation and engagement while doing the exercices, besides allowing to measure performance. In this work it is developed an immersive VR system in the rehabilitation context for paraplegic people, with emphasis in SCI. The work is developeed with activities that provide the feeling of walking. It is expected that the user has an immersive and interactive experience close to a person without any disability walking naturally. To provide a way to move in the virtual environment that depends on the movements of the user, that can be a paraplegic person, an algorithm was developed to analyze the signal of the orientation of an IMU attached to the arm of the user and estimates the velocity of the movement. This implementation allows an interactive experience of movement and that ressembles walking physically. The experiments with volunteers occurred in up to 3 phases. The first one, of non-disabled people walking in a treadmill, to evaluate the estimated velocity compared to the velocity of reference from the treadmill. The second phase, using VR, in an environment with a circuit and a moving reference to evaluate the control of the movement of the user with the avatar. The thirdphase, also using VR, is an infinite straight forward path with gamefication elements, allowing to evaluate the performance by accomplishing tasks in the virtual environment. People with and without paraplegia participated in the VR experiments. After the experiments, validated questionnaires were applied to assess the experience of the volunteers. Also, a discursive question was made for the volunteers to describe the experience with the developed system. The results showed that the volunteers were capable to control the avatar in the virtual environment in order to accomplish the tasks. Through the questionnaires, it was possible to conclude that the volunteers enjoyed the experience, felt immersed and believe that the sistem is capable to assist the rehabilitation. On the other hand, some symptoms were expressed by the use of the system including nausea and discomfort. Suggested future proposals include improvements to prevent the symptoms (mainly nausea), implementation of other kinds of interaction in the virtual world and also integration with other rehabilitation systems. The suggested improvements to prevent nausea include better implementations for moving and turning in the virtual world, or even design the activities in a less demanding way to the users. Additional kinds of interaction would allow the creation of more complex activities that are possibly more engaging. The integration with other rehabilitation systems would allow the physical movement of the legds of the user during the activities with VR.
Description: BALBINO, Henrique de Sousa e Silva. Desenvolvimento de sistema de realidade virtual imersivo para reabilitação de marcha usando estimulação elétrica. 2020. viii, 123 f., il. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Sistemas Eletrônicos e Automação)—Universidade de Brasília, Brasília, 2020.
metadata.dc.description2: Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2020
Licença:: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
Appears in Collections:ENE - Mestrado em Engenharia de Sistemas Eletrônicos e de Automação (Dissertações)

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