Interactive therapeutic systems for fall prevention using computer vision technologies

Abstract

[spa] En los últimos años, las tecnologías basadas en la visión han ganado mucho interés entre los investigadores y los profesionales de la salud. Por ejemplo, el uso de dispositivos interactivos y de bajo coste como Microsoft Kinect se ha hecho cada vez más popular en contextos de rehabilitación y terapia física. Gran parte de este interés se ha dirigido a la población de edad avanzada, ya que son más propensos a perder el equilibrio y caer, lo que a su vez provoca grandes costes sociales y de salud. Sin embargo, el uso de estas tecnologías sin una validación previa puede no considerarse seguro y efectivo para estas personas, ya que la mayoría de las aplicaciones disponibles en el mercado no están diseñadas ellas. Por lo tanto, esta tesis pretende proponer y validar sistemas interactivos que usan tecnologías basadas en la visión para mejorar el equilibrio y prevenir caídas entre las personas mayores. Al principio, realizamos una extensa revisión sistemática de la literatura sobre juegos serios y sistemas de realidad virtual basados en la visión y utilizados para la rehabilitación motora. La búsqueda se basa en las pautas de Kitchenham y responde a preguntas de investigación bien definidas para cubrir adecuadamente las características principales de este campo. Como resultado, proporcionamos las principales cifras, tendencias, tecnologías y participantes, entre otros detalles que los investigadores han abordado. Adicionalmente, proponemos una metodología de investigación para asistir a los ingenieros en el diseño y la presentación de sus estudios clínicos ya que estos aspectos no se han tenido en cuenta en muchos estudios de investigación. A continuación, diseñamos y desarrollamos un conjunto de prototipos de juegos para la rehabilitación del equilibrio. Para lograrlo, seguimos características de diseño específicas que se ocupan del desarrollo de juegos serios para la rehabilitación. Además, colaboramos estrechamente con fisioterapeutas a lo largo de nuestro proceso de trabajo con respecto a la naturaleza multidisciplinaria de este campo. Para evaluar objetivamente la viabilidad y la eficacia de nuestros juegos, realizamos un estudio de un caso en el que dos mujeres mayores se someten a un programa de intervención de 5 semanas en una casa de ancianos en Túnez. Los resultados son prometedores, lo que sugiere que la rehabilitación basada en juegos serios puede ser útil para mejorar el equilibrio en personas mayores y puede incorporarse a un programa de prevención de caídas. Finalmente, desarrollamos un sistema para medir la prueba de alcance funcional (FRT); una de las herramientas clínicas más utilizadas para evaluar el equilibrio en adultos mayores. De hecho, se recomienda evaluar las capacidades del usuario o medir los resultados de una terapia utilizando pruebas clínicas confiables para seleccionar o adaptar adecuadamente una terapia. Para ello, realizamos dos experimentos para validar el uso del dispositivo Microsoft Kinect para medir el FRT. Comparamos las medidas de FRT calculadas por nuestro sistema utilizando Kinect con las obtenidas por el método estándar, es decir, manualmente. Los resultados preliminares sugieren que Microsoft Kinect es confiable y adecuado para calcular esta prueba de equilibrio.

[eng] In late years, vision-based technologies gained much interest among researchers and healthcare practitioners. For instance, the use of low cost and interactive devices such as Microsoft Kinect became increasingly popular in rehabilitation and physical therapy contexts. Much of this interest has been directed toward elderly population since they are more prone to loss of balance and falls that induce in its turn substantial social and healthcare costs. However, the use of these technologies without previous validation may not be considered safe and effective for this particular category since most of the applications in the market are not primarily designed for them. Therefore, this thesis aims to propose and validate interactive systems based on computer vision technologies for improving balance and preventing falls among elderly people. At the beginning, we conduct an extensive systematic literature review about vision-based serious games and virtual reality systems used for motor rehabilitation. The search is based on Kitchenham guidelines and answers defined research questions in an effort to properly cover the main features of this field. As a result, we provide the main figures, trends, technologies, and target groups, among other details addressed by researchers. Additionally, we propose a research methodology to assist engineers in the design and report of their clinical studies since these aspects were disregarded in many research studies. Next, we design and develop a set of prototype games for balance rehabilitation. To achieve that, we follow specific framework and design features that deal with the development of serious games for rehabilitation. Moreover, we closely collaborate with physiotherapists along our work process regarding the multidisciplinary nature of this field. To objectively evaluate the feasibility and effectiveness of our games, we conduct a case study where two older women undergo a 5-week intervention program in a Tunisian elderly house. Results are promising suggesting that game-based rehabilitation can be useful for improving balance in elderly people and can be incorporated in a fall prevention program. At the end, we develop a system for measuring the Functional Reach Test (FRT); one of the most used clinical tools to assess the balance of older adults. In fact, it is recommended to assess the capabilities of the user or measure the outcomes of a therapy using reliable clinical tests to properly select or adapt a therapy. For that purpose, we conduct two experiments to validate the use of Microsoft Kinect for measuring the FRT. We compare the FRT measures computed by our system using Kinect with those obtained by the standard method i.e. manually. Findings suggest that Microsoft Kinect is reliable and adequate to calculate this balance test

[cat] En els darrers anys, les tecnologies basades en la visió per computador han obtingut un gran interès entre investigadors i professionals de la salut. Per exemple, l’ús de dispositius interactius i de baix cost com Microsoft Kinect es va fer cada vegada més popular en els contextos de rehabilitació i teràpia física. Gran part d’aquest interès s’ha dirigit a la població gran, ja que és més propensa a la pèrdua d’equilibri i de caigudes que generen importants costos socials i sanitaris. Tanmateix, l’ús d’aquestes tecnologies sense validació prèvia pot no ser considerat segur i eficaç per aquestes persones, ja que la majoria de les aplicacions que podem trobar al mercat no estan dissenyades pensant en elles. Aquesta tesi pretén proposar i validar sistemes interactius que usen tecnologies basades en la visió per computador per millorar l’equilibri i prevenir caigudes entre persones grans. Al principi, realitzem una extensa revisió sistemàtica de la literatura sobre jocs seriosos basats en la visió i sistemes de realitat virtual utilitzats per a la rehabilitació motora. La cerca es basa en les directrius de Kitchenham i en respostes a preguntes de recerca definides amb l’objectiu de cobrir adequadament les principals característiques d’aquest camp. Com a resultat, oferim les principals tendències, tecnologies i grups d’orientació, entre altres detalls tractats pels investigadors. A més, proposem una metodologia de recerca per ajudar els enginyers en el disseny i l’informe dels seus estudis clínics, ja que aquests aspectes no es van tenir en compte en moltes investigacions estudis. A continuació, dissenyem i desenvolupem un conjunt de prototipus de jocs per a la rehabilitació de l’equilibri. Per aconseguir-ho, seguim característiques específiques del marc i del disseny que tracten el desenvolupament de jocs seriosos per a la rehabilitació. A més, al llarg del nostre procés de treball col·laborem estretament amb fisioterapeutes destacant el caràcter multidisciplinari d’aquest camp. Per avaluar objectivament la viabilitat i l’eficàcia dels nostres jocs, realitzem un estudi de casos en què dues dones grans passen per un programa d’intervenció de cinc setmanes en un centre per persones majors de Tunísia. Els resultats suggereixen que la rehabilitació basada en jocs pot ser útil per millorar l’equilibri en persones grans i es pot incorporar a un programa de prevenció de caigudes. Finalment, desenvolupem un sistema per mesurar la prova d’abast funcional (FRT); una de les eines clíniques més utilitzades per avaluar l’equilibri dels adults majors. Es recomana avaluar les capacitats de l’usuari o mesurar els resultats d’una teràpia mitjançant proves clíniques fiables per seleccionar o adaptar-la adequadament. Amb aquest objectiu, realitzem dos experiments per validar l’ús del dispositiu de captura Microsoft Kinect per mesurar el FRT. Comparem les mesures de FRT calculades pel nostre sistema utilitzant Kinect amb les obtingudes pel mètode estàndard, és a dir, manualment. Els resultats suggereixen que Microsoft Kinect és fiable i adequat per calcular aquesta prova d’equilibri