A novel motion tracking system for evaluation of functional rehabilitation of the upper limbs

Upper limb function impairment is one of the most common sequelae of central nervous system injury, especially in stroke patients and when spinal cord injury produces tetraplegia. Conventional assessment methods cannot provide objective evaluation of patient performance and the tiveness of therapies. The most common assessment tools are based on rating scales, which are inefficient when measuring small changes and can yield subjective bias. In this study, we designed an inertial sensor-based monitoring system composed of five sensors to measure and analyze the complex movements of the upper limbs, which are common in activities of daily living. We developed a kinematic model with nine degrees of freedom to analyze upper limb and head movements in three dimensions. This system was then validated using a commercial optoelectronic system. These findings suggest that an inertial sensor-based motion tracking system can be used in patients who have upper limb impairment through data integration with a virtual reality-based neuroretation system.

Upper Limb Portable Motion Analysis System Based on Inertial Technology for Neurorehabilitation Purposes

Here an inertial sensor-based monitoring system for measuring and analyzing upper limb movements is presented. The final goal is the integration of this motion-tracking device within a portable rehabilitation system for brain injury patients. A set of four inertial sensors mounted on a special garment worn by the patient provides the quaternions representing the patient upper limb’s orientation in space. A kinematic model is built to estimate 3D upper limb motion for accurate therapeutic evaluation. The human upper limb is represented as a kinematic chain of rigid bodies with three joints and six degrees of freedom. Validation of the system has been performed by co-registration of movements with a commercial optoelectronic tracking system. Successful results are shown that exhibit a high correlation among signals provided by both devices and obtained at the Institut Guttmann Neurorehabilitation Hospital.

Inverse kinematics of a 6 DoF human upper limb using ANFIS and ANN for anticipatory actuation in ADL-based physical Neurorehabilitation

Objective: This research is focused in the creation and validation of a solution to the inverse kinematics problem for a 6 degrees of freedom human upper limb. This system is intended to work within a realtime dysfunctional motion prediction system that allows anticipatory actuation in physical Neurorehabilitation under the assisted-as-needed paradigm. For this purpose, a multilayer perceptron-based and an ANFIS-based solution to the inverse kinematics problem are evaluated. Materials and methods: Both the multilayer perceptron-based and the ANFIS-based inverse kinematics methods have been trained with three-dimensional Cartesian positions corresponding to the end-effector of healthy human upper limbs that execute two different activities of the daily life: "serving water from a jar" and "picking up a bottle". Validation of the proposed methodologies has been performed by a 10 fold cross-validation procedure. Results: Once trained, the systems are able to map 3D positions of the end-effector to the corresponding healthy biomechanical configurations. A high mean correlation coefficient and a low root mean squared error have been found for both the multilayer perceptron and ANFIS-based methods. Conclusions: The obtained results indicate that both systems effectively solve the inverse kinematics problem, but, due to its low computational load, crucial in real-time applications, along with its high performance, a multilayer perceptron-based solution, consisting in 3 input neurons, 1 hidden layer with 3 neurons and 6 output neurons has been considered the most appropriated for the target application.

Influence of liposoluble vitamin status on health parameter and physical fitness in European adolescents = Influencia del estado en vitaminas liposolubles en parámetros de salud y condición física en adolescentes europeos

La adolescencia es un período de crecimiento y desarrollo crítico e importante para la adquisición de hábitos saludables, en los que tanto la alimentación como la actividad física tienen un papel destacado. Junto con el primer año de vida, los requerimientos de energía y nutrientes son mayores que en cualquier otro periodo. Dentro de la nutrición, las vitaminas se ven involucradas en múltiples procesos celulares y tisulares, y sus deficiencias se vinculan a enfermedades crónicas degenerativas en la edad adulta como las cardiovasculares, cáncer, diabetes y osteoporosis, pero cuyos factores de riesgo se establecen a edades más tempranas. Las concentraciones sanguíneas de vitaminas están influenciadas en gran medida por la ingesta dietética, pero existen otros factores del individuo, entre los que cabe citar la composición corporal, la actividad física y condición física que, junto a la genética, podrían desempeñar un papel crucial. La presente memoria de Tesis Doctoral tiene como objetivo analizar el estado en vitaminas liposolubles y su relación con diversos factores de salud, entre los que destacan la composción corporal, hábitos dietéticos, actividad física y condición física en adolescentes Europeos. El trabajo está basado en los datos del estudio HELENA (“Healthy Lifestyle in Europe by Nutrition in Adolescence”). Se han analizado un total de 1089 adolescentes procedentes de diez ciudades en nueve paises europeos. Los principales resultados de este trabajo indican; a) La existencia de un estado deficiente en vitaminas liposolubles en adolescentes Europeos, especialmente de vitamina D, que alcanza valores del 80%. b) La estación del año, la latitud, el índice de masa corporal, la condición física, la ingesta de calcio dietético, los suplementos vitamínicos y la edad son las variables más relacionadas con el estado de vitamina D. c) A su vez, la capacidad cardiorrespiratoria puede predecir los niveles de vitamina D en los chicos, mientras que la fuerza muscular y masa magra parecen influir en los niveles de vitamina D en las chicas. La grasa corporal y el índice de masa corporal se correlaccionan negativamente con los niveles de vitamina D, especialmente en chicos. d) Un estado de vitamina D óptimo provoca una mejora de la masa ósea sólo cuando se tiene un nivel adecuado de actividad física. e) Se identifica la necesidad de establecer un consenso sobre los rangos aceptables y puntos de corte para las concentraciones sanguíneas de estas vitaminas en este grupo de población, ya que los actuales están extrapolados de la población adulta ABSTRACT Adolescence is a critical period of physiological growth and development as well as for the acquisition of healthy behaviors where both diet and physical activity play a major role. Apart from the first year of life, both energy and nutrient requirements are greatest during adolescence and the way to spend this energy by movement is also crucial. Vitamins are specifically involved in multiple cellular and tissue processes, and there is increasing evidence that deficiencies at these early ages could contribute to risk factors of chronic diseases like cardiovascular and cerebrovascular disease, cancer, diabetes and osteoporosis in adulthood, regardless data are scarce for younger ages. Vitamin concentrations are largely influenced by diet but other individual factors like body composition, physical activity or fitness together with genetics could play also an important role. The current thesis analyzes the liposoluble vitamin status in European adolescents and their relation with several health related factors, like body composción, dietary intake, physical activity and fitness. The work is based on data from the HELENA study ("Healthy Lifestyle in Europe by Nutrition in Adolescence"), for which a total of 1089 adolescents from ten different cities, in nine European countries were recruited. The main outcomes of this thesis are: a) There is a high liposoluble vitamin deficiency prevalence in European adolescents, specifically for vitamin D, which is presenting almost 80% of the adolescents. b) Season, latitude, BMI, fitness, dietary calcium intake, supplements intake and age are highly related to 25(OH)D concentrations found in European adolescents. c) Cardiorespiratory fitness may predict 25(OH)D concentrations in male adolescents, whereas upper limbs muscular strength and FFM may predict 25(OH)D concentrations in young females. Fat mass and BMI are inversely related to 25(OH)D concentrations, especially in males. d) The effect of 25(OH)D concentrations on bone mineral content in adolescents depends on physical activity levels. e) There is a need to establish a consensus on acceptable ranges and cut-offs of blood concentrations of these vitamins during adolescence, as currently they are extrapolated from adults.

Definición e implementación de métricas objetivas para la evaluación funcional del miembro superior: aplicación a población con lesión medular cervical

En personas que padecen una Lesión Medular cervical, la función de los miembros superiores se ve afectada en mayor o menor medida, dependiendo fundamentalmente del nivel de la lesión y de la severidad de la misma. El déficit en la función del miembro superior hace que la autonomía e independencia de las personas se vea reducida en la ejecución de Actividades de la Vida Diaria. En el entorno clínico, la valoración de la función del miembro superior se realiza principalmente con escalas clínicas. Algunas de ellas valoran el nivel de dependencia o independencia en la ejecución de Actividades de la Vida Diaria, como, por ejemplo, el índice de Barthel y la escala FIM (Medida de la Independencia Funcional). Otras escalas, como Jebsen-Taylor Hand Function, miden la función del miembro superior valorando la destreza y la habilidad en la ejecución de determinadas tareas funcionales. Estas escalas son generales, es decir, se pueden aplicar a distintas poblaciones de sujetos y a la presencia de distintas patologías. Sin embargo, existen otras escalas desarrolladas específicamente para valorar una patología concreta, con el objetivo de hacer las evaluaciones funcionales más sensibles a cambios. Un ejemplo es la escala Spinal Cord Independence Measure (SCIM), desarrollada para valorar Lesión Medular. Las escalas clínicas son instrumentos de medida estandarizados, válidos para su uso en el entorno clínico porque se han validado en muestras grandes de pacientes. No obstante, suelen poseer una elevada componente de subjetividad que depende principalmente de la persona que puntúa el test. Otro aspecto a tener en cuenta, es que la sensibilidad de las escalas es alta, fundamentalmente, a cambios groseros en el estado de salud o en la función del miembro superior, de forma que cambios sutiles en el sujeto pueden no ser detectados. Además, en ocasiones, poseen saturaciones en el sistema de puntuación, de forma que mejorías que se puedan producir por encima de un determinado umbral no son detectadas. En definitiva, estas limitaciones hacen que las escalas clínicas no sean suficientes, por sí mismas, para evaluar estrategias motoras del miembro superior durante la ejecución de movimientos funcionales, siendo necesaria la búsqueda de instrumentos de medida que aporten objetividad, complementen las valoraciones y, al mismo tiempo, intenten solventar las limitaciones que poseen las escalas. Los estudios biomecánicos son ejemplos de métodos objetivos, en los que diversas tecnologías se pueden utilizar para recoger información de los sujetos. Una concreción de estos estudios son los estudios cinemáticos. Mediante tecnología optoelectrónica, inercial o electromagnética, estos estudios proporcionan información objetiva acerca del movimiento realizado por los sujetos, durante la ejecución de tareas concretas. Estos sistemas de medida proporcionan grandes cantidades de datos que carecen de una interpretación inmediata. Estos datos necesariamente deben ser tratados y reducidos a un conjunto de variables que, a priori, posean una interpretación más sencilla para ser utilizados en la práctica clínica. Estas han sido las principales motivaciones de esta investigación. El objetivo principal fue proponer un conjunto de índices cinemáticos que, de forma objetiva, valoren la función del miembro superior; y validar los índices propuestos en poblaciones con Lesión Medular, para su uso como instrumentos de valoración en el entorno clínico. Esta tesis se enmarca dentro de un proyecto de investigación: HYPER (Hybrid Neuroprosthetic and Neurorobotic Devices for Functional Compensation and Rehabilitation of Motor Disorders, referencia CSD2009-00067 CONSOLIDER INGENIO 2010). Dentro de este proyecto se lleva a cabo investigación en el desarrollo de modelos, para determinar los requisitos biomecánicos y los patrones de movimiento de los miembros superiores en sujetos sanos y personas con lesión medular. Además, se realiza investigación en la propuesta de nuevos instrumentos de evaluación funcional en el campo de la rehabilitación de los miembros superiores. ABSTRACT In people who have suffered a cervical Spinal Cord Injury, upper limbs function is affected to a greater or lesser extent, depending primarily on the level of the injury and the severity of it. The deficit in the upper limb function reduces the autonomy and independence of persons in the execution of Activities of Daily Living. In the clinical setting, assessment of upper limb function is mainly performed based on clinical scales. Some value the level of dependence or independence in performing activities of daily living, such as the Barthel Index and the FIM scale (Functional Independence Measure). Other scales, such as the Jebsen-Taylor Hand Function, measure upper limb function in terms of the skill and ability to perform specific functional tasks. These scales are general, so can be applied to different populations of subjects and the presence of different pathologies. However, there are other scales developed for a specific injury, in order to make the functional assessments more sensitive to changes. An example is the Spinal Cord Independence Measure (SCIM), developed for people with Spinal Cord Injury. The clinical scales are standardized instruments measure, valid for use in the clinical setting because they have been validated in large patient samples. However, they usually have a high level of subjectivity which mainly depends on the person who scores the test. Another aspect to take into account is the high sensitivity of the scales mainly to gross changes in the health status or upper limb function, so that subtle changes in the subject may not be detected. Moreover, sometimes, have saturations in the scoring system, so that improvements which may occur above a certain threshold are not detected. For these reasons, clinical scales are not enough, by themselves, to assess motor strategies used during movements. So, it’s necessary to find measure instruments that provide objectivity, supplement the assessments and, at the same time, solving the limitations that scales have. Biomechanical studies are examples of objective methods, in which several technologies can be used to collect information from the subjects. One kind of these studies is the kinematic movement analysis. By means of optoelectronics, inertial and electromagnetic technology, these studies provide objective information about the movement performed by the subjects during the execution of specific tasks. These systems provide large quantities of data without easy and intuitive interpretation. These data must necessarily be treated and reduced to a set of variables that, a priori, having a simpler interpretation for their use in the clinical practice. These were the main motivations of this research. The main objective was to propose a set of kinematic indices, or metrics that, objectively, assess the upper limb function and validate the proposed rates in populations with Spinal Cord Injury, for use as assessment tools in the clinical setting. This dissertation is framed within a research project: HYPER (Neurorobotic Devices for Functional Compensation and Rehabilitation of Motor Disorders, grant CSD2009- 00067 CONSOLIDER INGENIO 2010). Within this research project, research is conducted in relation to the biomechanical models development for determining the biomechanical requirements and movement patterns of the upper limb in healthy and people with Spinal Cord Injury. Moreover, research is conducted with respect to the proposed of new functional assessment instruments in the field of upper limb rehabilitation.