title: Gamified 3D orthopaedic rehabilitation using low cost and portable inertial sensors
title: Ορθοπεδική ανάρρωση μέσω τρισδιάστατων παιχνιδιών με τη χρήση χαμηλού κόστους φορητών αισθητήρων κίνησης
Creators: name: Κονταδακης Γρηγοριος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2018

description: This work introduces an innovative gamified rehabilitation platform comprising of a mobile game and a custom sensor placed on the knee, intended for patients that have undergone Total Knee Replacement surgery, in collaboration with the General Hospital in Chania. The application uses a single custom-made, light, portable and low-cost sensor node consisting of an Inertial Measurement Unit (IMU) attached on a lower limb in order to capture its orientation in space in real-time, while the patient is completing a physiotherapy protocol.
An IMU measures and reports a body's specific force (accelerometer), angular rate (gyroscope), and sometimes the magnetic field surrounding the body (magnetometer). IMUs provide the leading technology used in wearable devices and are employed in this thesis as they meet the main design constraints of this framework, maximizing portability and minimizing cost. Previous work indicates that when multiple IMUs are employed, satisfactory rehabilitation exercise classification accuracy results are achieved based on three, two and one IMUs. Such results drive the further investigation of the challenging classification problem using just a single IMU in this thesis, enhancing maximum portability compared to multiple IMU systems, in conjunction with sufficiently high success rates of movement detection.
Our goal is to reduce the need for the physical presence of a physiotherapist by aiding the efficient performance of exercise sessions at any location and increase patient engagement during physiotherapy by motivating the user to participate in a game using the current ultra-portable framework of just a single IMU sensor and an Android device. The proposed sensor node attached on the lower limb provides input to the gamified experience displayed on an Android mobile device, offering feedback to the patient in relation to whether the performed exercises were accurately conducted. A classification algorithm is proposed that automatically classifies an exercise in real-time as correct or incorrect, according to physiotherapists’ set criteria. Initial testing of the system is conducted in the Chania’s General Hospital Orthopaedic Clinic, Greece, in collaboration with Orthopaedic Surgeons and Physiotherapists. This testing indicates that patient engagement is enhanced in most cases.

description: Η τρέχουσα εργασία παρουσιάζει μία πλατφόρμα ορθοπεδικής ανάρρωσης μέσω τρισδιάστατων παιχνιδιών, αποτελούμενη από ένα φορητό παιχνίδι και έναν αυτοσχέδιο αισθητήρα κίνησης τοποθετημένο στο γόνατο, προοριζόμενο για ασθενείς που έχουν πραγματοποιήσει εγχείρηση ολικής αρθροπλαστικής γονάτου, σε συνεργασία με το Νοσοκομείο Χανίων. Η εφαρμογή χρησιμοποιεί έναν μόνο αυτοσχέδιο, φορητό, χαμηλού κόστους αισθητήρα αποτελούμενο από μία αδρανειακή μονάδα μέτρησης (Inertial Measurement Unit, IMU) τοποθετημένη στο κάτω άκρο με στόχο την καταγραφή της περιστροφής σε πραγματικό χρόνο, ενώ ο ασθενής ακολουθεί ένα φυσιοθεραπευτικό πρωτόκολλο.
	Μία αδρανειακή μονάδα μέτρησης καταγράφει την συγκεκριμένη δύναμη αδράνειας ενός σώματος, τον γωνιακό ρυθμό, και μερικές φορές το μαγνητικό πεδίο που περιβάλλει ένα σώμα. Οι αδρανειακές μονάδες μέτρησης παρέχουν τεχνολογία αιχμής χρησιμοποιούμενη σε φορητές συσκευές και χρησιμοποιούνται σε αυτή την εργασία, από τη στιγμή που ικανοποιούν τους βασικούς σχεδιαστικούς περιορισμούς του προτεινόμενου συστήματος, δηλαδή την μεγιστοποίηση της φορητότητας και την ελαχιστοποίηση του κόστους. Προηγούμενες δουλειές δείχνουν πως όταν χρησιμοποιούνται IMU, ικανοποιητικά αποτελεσματα ακρίβειας στην ταξινόμηση ασκήσεων μποορούν να πραγματοποιηθούν χρησιμοποιώντας τρεις, δύο, ακόμη και μία IMU. Τέτοια αποτελέσματα προωθούν την περαιτέρω διερεύνηση του απαιτητικού προβλήματος της ταξινόμησης χρησιμοποιώντας έναν μόνο αισθητήρα, διασφαλίζοντας μέγιστη φορητότητα σε σύγκριση με τα συστήματα πολλαπλών αισθητήρων, ενώ παράλληλα παρέχουν επαρκή ποσοστά επιτυχίας ανίχνευσης κίνησης.
	Ο στόχος μας είναι να μειώσουμε την ανάγκη φυσικής παρουσίας ενός φυσικοθεραπευτή βοηθώντας την αποδοτική πραγματοποιήση φυσιοθεραπευτικών ασκήσεων σε οποιαδήποτε τοποθεσία καθώς και η εμβύθιση του ασθενούς στο εικονικό περιβάλλον κατά τη διάρκεια της φυσικοθεραπείας δίνοντας κίνητρο στο χρήστη να συμμετέχει σε ένα παιχνίδι χρησιμοποιώντας την προτεινόμενη με γνώμονα την φορητότητα εφαρμογή αποτελούμενη από μία μόνο αδρανειακή μονάδα μέτρησης (IMU) και μια φορητή συσκευή με λειτουργικό σύστημα Android. Ο αυτοσχέδιος κόμβος προσαρτημένος στο κάτω άκρο αποτελεί την είσοδο στο παιχνίδι πληροφορώντας τον ασθενή κατά πόσο οι φυσικοθεραπευτικές ασκήσεις έγιναν σωστά ή όχι. Ένας αλγόριθμος ταξινόμησης προτείνεται που κατατάσσει τις ασκήσεις σε πραγματικό χρόνο ως σωστές η λανθασμένες, σύμφωνα με τα κριτήρια που έχουν θέσει οι φυσικοθεραπευτές. Αρχικές δοκιμές αυτού του συστήματος έγιναν στην ορθοπεδική κλινική του Νοσοκομείου Χανίων, σε συνεργασία με ορθοπεδικούς χειρούργους και φυσιοθεραπευτές. Αυτές οι δοκιμές δείχνουν ότι η εμβύθιση των ασθενών επιτυγχάνεται στην πλειοψηφία των περιπτώσεων.