Desenvolvimento de sistema de realidade virtual imersivo para reabilitação de marcha usando estimulação elétrica

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.