Tra gamification, realtà virtuale e aumentata: la riabilitazione digitale e immersiva.

Negli ultimi anni gli ambienti interattivi hanno visto un crescente utilizzo nell'ambito della riabilitazione motoria, neuromotoria e cognitiva.

L'utilizzo della tecnologia per dar vita ad ambientazioni virtuali è stato supportato da numerosi studi che dimostrano la loro funzionalità per far lavorare il paziente simulando situazioni del mondo reale.

Ecco quindi che realtà virtuale (virtual reality), realtà aumentata (augmented reality) ed exergames si sono ampiamente diffusi nel trattamento di molte patologie sia acute sia degenerative e il mondo scientifico ha scommesso su questi sistemi

Insieme alla robotica, gli ambiti citati costituiscono gli scenari più interessanti nell'evoluzione tecnologica della riabilitazione.

L'evoluzione della gamificazione in riabilitazione

Il progresso tecnologico nel campo dell’informatica, dell’elettronica e della telematica sta contribuendo a diffondere la digitalizzazione nell'ambito della riabilitazione.

Di pari passo con l'evoluzione del digitale la comunità scientifica ha verificato negli anni la funzionalità di questa trasformazione per rispondere ai bisogni crescenti di continuità, efficacia e sostenibilità delle cure fisiche per i pazienti.

La realtà virtuale, la realtà aumentata e gli exergames sono in grado di generare delle ambientazioni e degli scenari realistici attraverso la computer grafica su uno schermo bi o tridimensionale.

Il paziente ha, così, la possibilità di interagire con gli elementi rappresentati con un alto grado di somiglianza rispetto agli ambienti reali garantendo un'esperienza immersiva.

Come nasce l'exergame

Le radici di questo progresso risiedono nella gamificazione, un processo che ha avuto inizio con la diffusione delle prime piattaforme di gioco videoludiche, già alla fine degli anni Settanta, con l’esordio della console Atari.

Il continuo progresso tecnologico continuò ad evolversi fino all’inizio degli anni Novanta, quando iniziarono a comparire i primi devices portatili (Game Boy, Sega Master System ecc.).

L'utente non dava più comandi diretti a un gioco (tramite joystick o tastiera), ma iniziava, così, ad interagire con un vero movimento, che se ripetuto portava ad esercitare uno sforzo fisico.

In tempi recenti nasce la categoria Exergame, derivante dall’unione delle due parole exercise e gaming.

Iniziarono ad apparire nelle sale giochi i primi exergame di danza interattivi, come Dance Dance Revolution di Konami. Seguì poi una rivoluzione di massa con l’introduzione di console domestiche, come la Nintendo Wii e successivamente le console Xbox e PlayStation.

Lo sviluppo delle applicazioni in ambito riabilitativo

Dopo un primo approccio riguardante la sfera health fitness, lo sviluppo delle console nell’ambito riabilitativo non è tardato ad arrivare.

Il problema principale delle prime applicazioni ha riguardato la poca applicabilità in termini di soluzioni, soprattutto perché i primi applicativi erano principalmente indirizzati ad un pubblico sano, con poco in comune con la sfera ortopedica e neurologica.

Di conseguenza, la scarsa adattabilità di questi prodotti ha generato la scintilla che ha stimolato la ricerca scientifica e tecnologica a indagare e sviluppare soluzioni con lo scopo di sfruttare la forza degli exergame in ambito riabilitativo.

I nuovi scenari della teleriabilitazione

Negli ultimi anni, inoltre, si sta assistendo allo studio di applicazioni di realtà virtuale che siano in grado di guidare, sotto il controllo del fisioterapista, il processo di presa in carico e cura anche direttamente al domicilio del paziente, in modo da favorire la continuità di cura.

Questo processo ha il nome di “teleriabilitazione” e permette, tra le altre cose, di monitorare l’evoluzione clinica dei pazienti in seguito alla dimissione ospedaliera o ad un primo ciclo di fisioterapia.

La tecnologia che guida queste nuove frontiere della riabilitazione lavora si ad ovviare problematiche ed esigenze post-trauma o intervento, ma risulta molto utile anche come forma di prevenzione, fondando il proprio progresso sul valore del movimento per la salute dei pazienti.

I vantaggi e le applicazioni della gamificazione nella riabilitazione

L’esercizio terapeutico eseguito con la realtà virtuale è in grado di indurre un riarrangiamento funzionale della corteccia motoria e delle reti neuronali danneggiate dall’evento patologico, anche grazie alla mediazione dei cosiddetti neuroni specchio.

Queste particolari cellule del cervello ci permettono di comprendere le dinamiche di un movimento, più o meno complesso, semplicemente attraverso l'osservazione.
Le aree applicative della realtà virtuale in riabilitazione sono:

• il trattamento delle patologie ortopediche (interventi di protesi all’anca, al ginocchio ed esiti di fratture),
• la riabilitazione delle patologie neuromotorie (esiti di trauma cranico, di ictus, Parkinson, Sclerosi Multipla e gli eventuali disturbi cognitivi ad esse correlati),
• la riabilitazione psichiatrica,
• il recupero cognitivo e della memoria.

Nelle persone con disabilità motoria, ad esempio, è possibile intervenire col supporto della realtà virtuale per:

• la riabilitazione delle funzioni motorie deficitarie,

• il training per l'utilizzo di ausili per la mobilità,

• interventi per il miglioramento della qualità della vita della persona.

I risultati in termini di efficacia e di tempo impiegato per il recupero dei pazienti sono notevoli.

Inoltre questi programmi sono stati applicati anche come strumento per promuovere la qualità di vita globale dei pazienti.

Alcune ricerche si sono focalizzate sullo studio degli effetti dell'utilizzo della realtà virtuale su dimensioni come il tono dell'umore, l'autostima, il senso di padronanza e la motivazione a fare delle persone, in particolare bambini e giovani adulti con disabilità motoria.

Motivo per cui exergames, realtà virtuale e aumentata si dimostrano ideali anche per avviare i bambini al movimento e promuovere uno stile di vita attivo e sano nel contesto di una nuova psicomotricità.

I sistemi digitali per la riabilitazione

I sistemi digitali per la riabilitazione non solo rendono possibili percorsi di recupero, prevenzione e cura dei pazienti, bensì permettono di generare report utili alla verifica dell’efficacia degli esercizi attuati e alla pianificazione progressiva della strategia riabilitativa da impostare di volta in volta in relazione ai livelli di recupero del paziente.

La chiave di volta nell'utilizzo di questi sistemi, infatti, sta nell'oggettivazione dei dati scientifici che vengono emessi dai sistemi stessi.

La gamma di sistemi digitali TecnoBody per la riabilitazione include elementi alla base del nuovo processo riabilitativo hi-tech quali:

• il Biofeedback, ovvero l'“informazione biologica di ritorno”, che consiste nell’avere un segnale di varia natura (acustico, visivo, tattile) in tempo reale, che possa informare il paziente al riguardo le sue componenti biologiche. Il biofeedback può riguardare una moltitudine di informazioni sulla sfera biologica, come per esempio la natura biomeccanica associata al movimento, il controllo posturale (sia statico che dinamico), controlli cinematici relativi a forza, potenza, accellerazione, velocità.
• Virtual reality, ossia l'utilizzo di ambientazioni virtuali totalmente o parzialmente immersive per la persona. All’interno dell’ambiente virtuale la persona è rappresentata da un Avatar, ovvero una figura ricostruita digitalmente che sta ad impersonificare l’utente, facilitando in questo modo la simulazione dei compiti da svolgere (molto utile soprattutto in ambito neurologico e della terapia occupazionale).
• Augmented Reality, ovvero la realtà aumentata che favorisce l’arricchimento della percezione sensoriale umana mediante informazioni, raccolte e convogliate elettronicamente, che non sarebbero percepibili con i cinque sensi.

Questi tre elementi tecnologici vengono utilizzati, per esempio, nella funzione Gait Trainer di WalkerView e la funzione Move e Monitor (presenti nel D-Wall) trattate successivamente.

La Gait Analysis tramite Walker View 3.0 SCX

Walker View è il primo treadmill autoadattivo dotato di 8 celle di carico e di telecamera volumetrica che permette di eseguire Gait e Run Analysis in brevissimo tempo (minimo 30 secondi oppure impostabile).

Con il report della valutazione sia degli appoggi sia dei gradi articolari eseguiti durante il cammino si può programmare una rieducazione con Gait Trainer che grazie al Bio-feedback visibile sullo schermo (visivo/uditivo/vibro-tattile) permette al paziente di correggere autonomamente il suo schema motorio durante i movimenti di deambulazione e/o corsa.

Data la complessità del gesto motorio che si analizza, i parametri da osservare sono molteplici a seconda dei casi.

Attraverso gli F-Sensor (i sensori isoinerziali di TecnoBody posizionati sulla parte dorsale della caviglia) si può monitorare l’angolo di approccio e di stacco tra il piede ed il terreno confrontandolo con l’arto controlaterale.

Un dato molto importante da osservare è il coefficiente di variazione della lunghezza del passo, ovvero quanto la persona continua a variare la lunghezza del passo per correggere eventuali squilibri posturali.

• i parametri cinematici dati dalla rilevazione delle 8 celle di carico,
• il comportamento posturale in toto e segmentario, per confrontarlo con l’arto contro laterale,
• possibili assimetrie, compensi posturali, schemi motori di movimento errati.

Alcuni importanti parametri che possono essere valutati e confrontati tra arto destro e sinistro grazie alle 8 celle di carico presenti nel tappeto sono:

• il tempo medio del passo (cicli/secondo);
• la lunghezza del passo dx-sx (cm);
• il coefficiente di variazione della lunghezza del passo (%);
• il tempo di contatto dx-sx (secondi);
• l’oscillazione verticale del COG - Centre Of Gravity (cm-%)
• la percentuale di carico tra arto dx-sx scaricata sul tappeto (%-kg)

A fine gait analysis è possibile osservare:

I dati che emergono dall’analisi posturale sono i seguenti:

• Valori medi di flesso estensione e inclinazione laterale destro/sinistra del tronco;
• ROM totale dell’anca destra e sinistra, valori di estensione e flessione;
• ROM totale delle ginocchia destra e sinistra, valori di estensione e flessione;
• Valori di prono/supinazione e flessione plantare e dorsale delle caviglie (sensori F-Sensor).

Conoscendo in primis la storia passata e l’anamnesi del paziente, ed avendo eseguito il test di gait analysis, è possibile a questo punto la lettura dei dati nella loro intera pienezza.

Walker View 3.0 SCX fornirà all’operatore gli score raggiunti e dati da interpretare, al fine di presupporre il miglior percorso terapeutico per raggiungere l’obiettivo prefissato, come per esempio la rieducazione del cammino senza compensi e/o limitazioni articolari.

La rieducazione, prima al cammino e poi alla corsa, è molto difficile da corticalizzare in quanto dopo un trauma risulta complesso andare a rielaborare tutti i feedback intrinseci ed unirli con quelli estrinseci.

Il trauma, infatti, altera le percezioni intrinseche della persona inficiando l’efficacia del gesto motorio.

Per questi motivi i feedback in tempo reale e oggettivi aiutano in maniera importante la persona a riprogrammare il corretto pattern locomotorio, dato dal ripristino delle sue percezioni intrinseche.

Continua a leggere per scoprire tutte le potenzialità del feedback tramite funzione Gait Trainer di Walker View 3.0 SCX.

Le potenzialità del feedback con Gait Trainer

Il Gait Trainer si presenta come una potente interfaccia software presente sul treadmill Walker View.

Attraverso di esso è possibile settare molteplici parametri riguardanti la schema motorio posturale e cinematico della camminata.

Il terapista può impostare uno o più parametri contemporaneamente (per esempio lunghezza del passo e flessione delle anche), in modo che attraverso segnale visivo, acustico e vibro-tattile la persona possa auto-correggersi, riprogrammando in maniera efficace il suo schema di movimento.

Il software risulta modulabile, in modo da poter settare ogni parametro sia dal punto di vista posturale (telecamera 3D) che dinamico (celle di carico).

I parametri modificabili sono qui riportati:

Parametri cinematici:

• lunghezza del passo
• altezza del passo
• tempi di contatto
• carico applicato sul tappeto (kg e %)

Parametri posturali:

• flesso/estensione del tronco,
• inclinazione laterale dx/sx del tronco,
• flesso/estensione delle anche,
• flesso/estensione delle ginocchia,
• flesso/estensione dei piedi,
• prono/supinazione dei piedi.

Apprendimento e rieducazione con D-Wall

Lo specchio è forse uno degli elementi universali più diffusi nell'ambito Fitness e Rehab.

TecnoBody lo ha reinterpretato per realizzare una vera e propria rivoluzione.

La Virtual Reality immersiva è protagonista di questo grande schermo da 65 pollici, capace di restituire un bio-feedback immediato e riconducibile all'intuitività riscontrabile negli specchi.

Il processo di apprendimento naturale ed istintivo dello specchio viene potenziato e inserito in uno sviluppo integrato dell'analisi del gesto.

Con D-WALL è possibile immergere atleti e pazienti in ambienti virtuali e dar loro in tempo reale stimolanti feedback di controllo sia di tipo posturale sia di simmetria dei gesti ed angoli articolari. La figura della persona viene scansionata e tradotta in avatar virtuale.

Inoltre le ambientazioni virtuali degli exergames disponibili permettono di coinvolgere emotivamente la persona rendendola parte attiva nel processo riabilitativo e di controllo degli esercizi. Ogni movimento è gestito in maniera integrata, rilevato dalla piattaforma di forza per la registrazione dell'equilibrio e delle forze, che invia i dati al sistema e permette di restituire il feedback finale.

La telecamera 3D, posta frontalmente al sistema D-Wall, è uno dei fulcri del sistema.

Grazie alla body recognition e all'interfaccia gesture la persona ottiene un riscontro in tempo reale su ogni movimento svolto.

Il classico specchio diventa, così, uno specchio digitale in grado di rilevare ogni singolo gesto con precisione ed affidabilità.

La tecnologia della camera 3D è ad alta risoluzione (HD), dotata di raggi infrarossi. L’ottica a raggi infrarossi, emettendo un fascio invisibile sulla massa del soggetto, è in grado di ricostruirlo trasformandolo in un avatar in modalità tridimensionale in tempo reale, per un riscontro immediato rivolto principalmente all’apprendimento e alla consapevolezza dei movimenti.

Il modulo Move di D-WALL

Il modulo Move è l'area del software di D-WALL che permette alla persona di muoversi in un ambiente di 2,5 x 3 metri con la possibilità di configurare obiettivi specifici, ovvero:

• obiettivi da prendere con i piedi;
• obiettivi da prendere con le mani;
• obiettivi da schivare e/o saltare;
• mix di obiettivi differenti.

Il percorso, quindi la successione di obiettivi, è impostabile dal terapista stesso, lasciando in questo modo piena libertà di personalizzazione.

È possibile configurare esercizi rivolti all’agilità o spostamenti veloci, che producano reazioni simili all’HIIT training, oppure esercitazioni con un mix di obiettivi, ovvero da prendere e da schivare, in questo modo lo stress intrinseco tende ad aumentare, rendendo l’allenamento più intenso.

Il terapista o il trainer può anche impostare obiettivi a comparsa lenta dal suolo, in questo modo la persona anziana può muoversi all’interno dell’area svolgendo specifici training di navigazione spaziale.

Attraverso il kit delle pedane elettroniche è possibile eseguire training con focus rivolto principalmente all’equilibrio (come seguire tracciati personalizzati e raggiungere obiettivi).

Oppure, sfruttando la loro connettività ed il modulo exergame, è possibile proporre esercitazioni ludiche sul grande schermo, con scopo primario rivolto al movimento ed il mantenimento dello stato di equilibrio, condizione fondamentale per poter progredire con l’esercizio.

Per esempio, in associazione con la tavoletta elettronica bipodalica del Balance Kit di D-WALL, spostando il proprio centro di pressione a destra e sinistra l’avatar curverà durante la simulazione dello sci, spostando il centro di pressione in avanti aumenterà la velocità e la diminuirà quanto più ci si sposta indietro.

In ambito riabilitativo, per esempio, possiamo svolgere la stessa esercitazione “Gioco Sci” (o altri giochi e esercitazioni/tracciati) a carico ridotto, sfruttando la tavoletta monopodalica e posizionando il paziente nella posizione di split sagittale con solamente la gamba anteriore posizionata sulla superficie della tavoletta, in questo modo si ridurrà il carico e la difficoltà, per spostare il focus sul controllo articolare e la mobilità della caviglia nel sapersi muovere nello spazio.

Gli sviluppi della gamification per i professionisti del settore

Il lavoro con Virtual Reality ed ExerGame si può intersecare alle classiche sedute di terapia in modo da ottimizzare i tempi di recupero, inserendo molte informazioni di tipologia estrinseca in real-time.

Il paziente beneficia, così, di una mole di indicatori utili a riprogrammare i suoi feedback grazie ai dati oggettivi forniti su schermo, aumentando l’efficacia del compito motorio assegnatogli dal fisioterapista.

Il recupero funzionale della persona oltre ad essere anticipato, viene migliorato in termini di qualità del lavoro in quanto restituisce delle indicazioni utili sul suo stato di recupero, non solamente al soggetto stesso ma anche al suo terapista/preparatore.

L’utilizzo della Virtual Reality e l’implementazione dei bio-feedback è attualmente in aumento, la loro integrazione deve essere graduale e supportata dal terapista, soprattutto con i soggetti più anziani e/o fragili, i quali possono avere delle prime difficoltà iniziali di ambientazione.

I vantaggi riguardanti l’uso di questa tecnologia sono notevoli, sia dal punto di vista cognitivo corticale, sia come implementazione del punto di vista neuromuscolare.

Per questo motivo la digitalizzazione e i sistemi di cui trattato in questo contributo continueranno ad inserirsi in modo importante nel metodo di lavoro dei professionisti del settore, garantendo condizioni di recupero sempre migliori per i pazienti e una continua ottimizzazione del metodo di lavoro dei terapisti.