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Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Avaliação quantitativa da rigidez de punho em pessoas com a doença de Parkinson por meio de uma órtese ativa
Alternate title (s): Quantitative Evaluation of Wrist Rigidity in People with Parkinson's Disease Using an Active Orthosis
Author: Silva, Daniel Hilário da
First Advisor: Pereira, Adriano Alves
First coorientator: Milagre, Selma Terezinha
First member of the Committee: Milagre, Selma Terezinha
Second member of the Committee: Almeida, Maria Fernanda Soares de
Third member of the Committee: Silva, Gabriella Lelis
Fourth member of the Committee: Maciel, Carlos Dias
Fifth member of the Committee: Oliveira, Iraides Moraes
Summary: Introdução e Revisão Bibliográfica: A rigidez é definida como um aumento da resistência da articulação em movimentos passivos, sendo uma anormalidade do tônus muscular resultante de distúrbios extrapiramidais, com grau de resistência constante independentemente da posição do ângulo da articulação. Embora o tremor seja o sinal motor mais conhecido pela população, as alterações na marcha e a presença de rigidez nos membros superiores e inferiores são as mais incapacitantes para o indivíduo com a doença de Parkinson (DP). A rigidez é um dos sintomas cardinais da DP e é observada em mais de 83% dos indivíduos com a doença. A forma atualmente utilizada pelos profissionais da saúde para a avaliação da rigidez é a Unified Parkinson’s Disease Rating System (UPDRS), um método subjetivo, sujeito a erros na avaliação. Este trabalho propôs, desenvolveu e validou um método objetivo para quantificar a rigidez do punho por meio de uma órtese instrumentalizada. O objetivo foi diferenciar indivíduos com DP de controles saudáveis (HC) e correlacionar métricas objetivas com os scores clínicos subjetivos. Metodologia: Os métodos utilizados para a avaliação objetiva da rigidez, normalmente são compostos por sensores inerciais para registrar o movimento, ou por sensores eletromiográficos que registram a ativação muscular, ou ainda por servomotores, todos esses métodos, geralmente, utilizam os movimentos de flexão e extensão de alguma articulação para o registro dos sinais. No estudo, utilizou-se uma órtese de punho instrumentada (sensores de força e corrente) para aplicar movimentos passivos de flexão e extensão a 30 voluntários: 15 com a DP e 15 do grupo de controle (HC). Doze características biomecânicas foram extraídas dos sinais. Modelos de Aprendizado de Máquina (ML) foram treinados para classificar os grupos (DP vs. HC). Análises estatísticas, incluindo correlação de Spearman e regressão linear múltipla, foram aplicadas para comparar os dados da órtese com o escore de rigidez da MDS-UPDRS. A usabilidade do dispositivo foi avaliada com as escalas: Escala Curta de Fluxo (SFSS) e Escala de Usabilidade do Sistema (SUS). Resultados: Os modelos de ML demonstraram alta capacidade de classificação, atingindo 91,30% de acurácia (QDA) com o conjunto completo de características e 86,96% (ET) após seleção de features (CFS). Foi encontrada uma correlação moderada e estatisticamente significativa ρ=0,41 e p < 0,05 entre a característica CARGA_Flexao e o escore de rigidez da MDS-UPDRS. O modelo de regressão para a quantificação da rigidez explicou 57,4% (R² ajustado) da variabilidade do escore clínico, com base na interação entre variáveis biomecânicas. A usabilidade da órtese foi avaliada como excelente, com escores médios globais de 84,83 na SUS, acima do limiar de 68, e de 4,20 na SFSS, sugerindo um estado de fluxo. Conclusão: Os resultados demonstram que a órtese instrumentalizada é uma ferramenta viável, robusta e objetiva para a avaliação da rigidez na DP. A quantificação instrumental apresentou alta acurácia na classificação e associação significativa com a avaliação clínica. Conclui-se que este sistema representa um subsídio técnico promissor para auxiliar no diagnóstico e no monitoramento da DP, reduzindo a subjetividade das avaliações tradicionais.
Abstract: Introduction and Literature Review: Rigidity is defined as an increase in joint resistance during passive movements, being an abnormality of muscle tone resulting from extrapyramidal disorders, with a constant degree of resistance regardless of the joint angle position. Although tremor is the most widely known motor signal, gait disturbances and the presence of rigidity in the upper and lower limbs are the most disabling for individuals with Parkinson's Disease (PD). Rigidity is one of the cardinal symptoms of PD and can be found in over 83% of individuals with PD. The method currently used by health professionals to measure rigidity is the Unified Parkinson’s Disease Rating System (UPDRS), a subjective method prone to evaluation errors. This thesis proposed, developed, and validated an objective method to quantify wrist rigidity using an instrumented orthosis. The objective was to differentiate individuals with PD from healthy controls (HC) and to correlate objective metrics with subjective clinical scores. Methodology: Methods used for the objective assessment of rigidity typically consist of inertial sensors to record movement, electromyographic sensors to register muscle activation, or servomotors; all these methods generally use flexion and extension movements of a joint to record signals. In this study, an instrumented wrist orthosis (force and current sensors) was used to apply passive flexion and extension movements to 30 volunteers: 15 with PD and 15 from the control group (HC). Twelve biomechanical features were extracted from the signals. Machine Learning (ML) models were trained to classify the groups (PD vs. HC). Statistical analyses, including Spearman’s correlation and multiple linear regression, were used to compare orthosis data with the MDS-UPDRS rigidity score. The device's usability was evaluated using the Short Flow State Scale (SFSS) and the System Usability Scale (SUS). Results: ML models demonstrated high classification capability, achieving 91.30% accuracy (QDA) with the full feature set and 86.96% (ET) after feature selection (CFS). A moderate and statistically significant correlation ρ=0,41 and p < 0,05 was found between the CARGA_Flexao (Flexion Load) feature and the MDS-UPDRS rigidity score. The regression model for rigidity quantification was able to explain 57.4% (Adjusted R²) of the clinical score variability, based on the interaction between biomechanical variables. The orthosis usability was rated as excellent, with global mean scores of 84.83 on the SUS scale (above the 68 threshold) and 4.20 on the SFSS scale, suggesting a state of flow. Conclusion: The results demonstrate that the instrumented orthosis is a viable, robust, and objective tool for assessing rigidity in PD. The instrumental quantification showed high classification accuracy and a significant association with clinical assessment. It is concluded that this system represents a promising technical subsidy to aid in the diagnosis and monitoring of PD, reducing the subjectivity of traditional evaluations.
Keywords: Análise quantitativa
Aprendizado de máquina
Doença de Parkinson
Rigidez
Órtese
Processamento de sinais
Quantitative analysis
Machine learning
Parkinson’s disease
Rigidity
Orthosis
Signal processing
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA::ENGENHARIA MEDICA
Subject: Engenharia biomédica
Parkinson, Doença de
Aparelhos ortopédicos
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica
Quote: SILVA, Daniel Hilário da. Avaliação quantitativa da rigidez de punho em pessoas com a doença de Parkinson por meio de uma órtese ativa. 2025. 146 f. Tese (Doutorado em Engenharia Biomédica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.633.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.633
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/47860
Date of defense: 24-Oct-2025
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 3. Saúde e bem-estar - Assegurar uma vida saudável e promover o bem-estar para todos, em todas as idades.
Appears in Collections:TESE - Engenharia Biomédica

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