Augmented reality system with application in physical rehabilitation

Abstract

The aging phenomenon causes increased physiotherapy services requirements, with increased costs associated with long rehabilitation periods. Traditional rehabilitation methods rely on the subjective assessment of physiotherapists without supported training data. To overcome the shortcoming of traditional rehabilitation method and improve the efficiency of rehabilitation, AR (Augmented Reality) which represents a promissory technology that provides an immersive interaction with real and virtual objects is used. The AR devices may assure the capture body posture and scan the real environment that conducted to a growing number of AR applications focused on physical rehabilitation. In this MSc thesis, an AR platform used to materialize a physical rehabilitation plan for stroke patients is presented. Gait training is a significant part of physical rehabilitation for stroke patients. AR represents a promissory solution for training assessment providing information to the patients and physiotherapists about exercises to be done and the reached results. As part of MSc work an iOS application was developed in unity 3D platform. This application immersing patients in a mixed environment that combine real-world and virtual objects. The human computer interface is materialized by an iPhone as head-mounted 3D display and a set of wireless sensors for physiological and motion parameters measurement. The position and velocity of the patient are recorded by a smart carpet that includes capacitive sensors connected to a computation unit characterized by Wi-Fi communication capabilities. AR training scenario and the corresponding experimental results are part of the thesis.

O envelhecimento causa um aumento das necessidades dos serviços de fisioterapia, com aumento dos custos associados a longos períodos de reabilitação. Os métodos tradicionais de reabilitação dependem da avaliação subjetiva de fisioterapeutas sem registo automatizado de dados de treino. Com o principal objetivo de superar os problemas do método tradicional e melhorar a eficiência da reabilitação, é utilizada a RA (Realidade Aumentada), que representa uma tecnologia promissora, que fornece uma interação imersiva com objetos reais e virtuais. Os dispositivos de RA são capazes de garantir uma postura correta do corpo de capturar e verificar o ambiente real, o que levou a um número crescente de aplicações de RA focados na reabilitação física. Neste projeto, é apresentada uma plataforma de RA, utilizada para materializar um plano de reabilitação física para pacientes que sofreram AVC. O treino de marcha é uma parte significativa da reabilitação física para pacientes com AVC. A RA apresenta-se como uma solução promissora para a avaliação do treino, fornecendo informações aos pacientes e aos profissionais de fisioterapia sobre os exercícios a serem realizados e os resultados alcançados. Como parte deste projeto, uma aplicação iOS foi desenvolvida na plataforma Unity 3D. Esta aplicação fornece aos pacientes um ambiente imersivo que combina objetos reais e virtuais. A interface de RA é materializada por um iPhone montado num suporte de cabeça do utilizador, assim como um conjunto de sensores sem fios para medição de parâmetros fisiológicos e de movimento. A posição e a velocidade do paciente são registadas por um tapete inteligente que inclui sensores capacitivos conectados a uma unidade de computação, caracterizada por comunicação via Wi-Fi. O cenário de treino em RA e os resultados experimentais correspondentes fazem parte desta dissertação.