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https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48667| Document type: | Tese |
| Access type: | Acesso Aberto |
| Title: | Ai-driven lightweight motor assessment embedded in an exergame for post-stroke rehabilitation |
| Alternate title (s): | Avaliação motora simplificada dirigida por ai integrada a um exergame para reabilitação pós-AVC |
| Author: | Souza, Júlia Tannús de |
| First Advisor: | Freitas, Luiz Carlos Gomes de |
| First coorientator: | Naves, Eduardo Lázaro Martins |
| First member of the Committee: | Silva, Éderson Rosa da |
| Second member of the Committee: | Bourhis, Guy Marc Alain |
| Third member of the Committee: | Morère, Yann |
| Fourth member of the Committee: | Pino, Pierre Antoine |
| Fifth member of the Committee: | Rodrigues, Thiago Braga |
| Summary: | Introdução: O AVC é uma das principais causas de incapacidade a longo prazo em todo o mundo e frequentemente resulta em comprometimento motor persistente dos membros superiores. A avaliação motora precisa é essencial para o planejamento da reabilitação e o monitoramento da recuperação. Tradicionalmente, essa avaliação é realizada utilizando escalas clínicas padronizadas, como a Avaliação de Fugl-Meyer (FMA), que exigem profissionais de saúde treinados, podem ser demoradas e exigir muitos recursos, além de envolverem subjetividade, já que as pontuações podem variar entre os avaliadores. Ademais, essas escalas não podem ser facilmente administradas remotamente, e avaliações presenciais repetidas podem ser difíceis para indivíduos com limitações de mobilidade. Abordagens de avaliação mais rápidas e objetivas poderiam permitir avaliações mais frequentes e melhorar o acompanhamento da recuperação motora. Embora os recentes avanços em saúde digital, exergames e Inteligência Artificial (IA) tenham possibilitado soluções alternativas, muitos sistemas existentes dependem de sensores especializados de captura de movimento, softwares demorados ou modelos de IA não interpretáveis, o que limita a acessibilidade, a escalabilidade e a adoção clínica. Objetivos: Esta tese visa desenvolver e avaliar uma abordagem simplificada, interpretável e sem sensores para a avaliação motora dos membros superiores pós-AVC, integrada a um exergame de reabilitação. O sistema proposto fornece simultaneamente exercícios terapêuticos e estima automaticamente o desempenho motor dos membros superiores durante o jogo, utilizando apenas uma câmera padrão, permitindo o uso remoto supervisionado. Especificamente, os objetivos são (i) revisar os métodos existentes de avaliação motora automatizada e suas relações com os parâmetros cinemáticos do jogo e (ii) propor e validar preliminarmente uma estrutura de exergame de baixo custo capaz de estimar o comprometimento motor clínico utilizando características cinemáticas simples e transparentes. Materiais e Métodos: Uma revisão sistemática foi conduzida para analisar as tecnologias e abordagens computacionais atuais para avaliação motora automatizada dos membros superiores após acidente vascular cerebral (AVC), identificando os parâmetros de jogo mais utilizados. Com base nesses achados, um estudo experimental foi desenvolvido utilizando um exergame de reabilitação baseado em Unity, controlado por movimentos do braço capturados com uma câmera padrão e processados utilizando a estrutura MediaPipe. Dezesseis características cinemáticas e espaço-temporais foram extraídas de trajetórias bidimensionais da mão e do braço durante o jogo. Doze indivíduos com AVC crônico (24 membros superiores) participaram, com escores bilaterais da Escala de Avaliação Motora de Fugl-Meyer (FMA) utilizados como referência clínica. Análises de correlação, seleção exaustiva de características e modelagem de regressão linear múltipla foram realizadas para estimar os escores da FMA, com comparações exploratórias a modelos alternativos de aprendizado de máquina. Resultados: A revisão sistemática indicou que a maioria das abordagens existentes depende de sensores externos ou métodos computacionalmente complexos, o que frequentemente limita a interpretabilidade e a aplicabilidade no mundo real. No estudo experimental, algumas características derivadas do jogo e clinicamente interpretáveis, incluindo a abertura média da mão e a área de exploração espacial, apresentaram correlação significativa com os escores da FMA. Um modelo de regressão linear múltipla simplificado demonstrou forte desempenho preditivo para os membros afetados (Spearman ρ = 0,92, R² = 0,89, RMSE = 4,42) e estratificou com precisão a gravidade do comprometimento motor, atingindo acurácias entre 86% e 93%. Modelos de aprendizado de máquina mais complexos não superaram a abordagem de regressão interpretável. Conclusão: Esta tese demonstra que modelos computacionais simplificados, interpretáveis, de baixo custo e sem sensores para avaliação motora pós-AVC podem ser incorporados em jogos de reabilitação usando características cinemáticas derivadas de uma câmera padrão, e podem ser potencialmente válidos para a avaliação da função motora. Mais testes com mais jogos e populações são necessários para generalizar os resultados. A integração da avaliação ao jogo reduz a carga de trabalho clínica, permite o monitoramento de alta frequência e melhora a acessibilidade para a telerreabilitação. |
| Abstract: | Introduction: Stroke is a leading cause of long-term disability worldwide and frequently results in persistent upper-limb motor impairments. Accurate motor assessment is essential for rehabilitation planning and monitoring recovery. This assessment is traditionally performed using standardized clinical scales, such as the Fugl-Meyer Assessment (FMA), which require trained healthcare professionals, can be time- and resource-intensive, and involve subjectivity, as scores may vary across evaluators. Moreover, they cannot be easily administered remotely, and repeated in-person evaluations can be difficult for individuals with mobility limitations. Faster and more objective assessment approaches could enable more frequent evaluations and improve the tracking of motor recovery. Although recent advances in digital health, exergames, and Artificial Intelligence (AI) have enabled alternative solutions, many existing systems rely on specialized motion capture sensors, time-consuming software, or non-interpretable AI models, limiting accessibility, scalability, and clinical adoption. Objectives: This thesis aims to develop and evaluate a sensor-free, lightweight, and interpretable approach for post-stroke upper-limb motor assessment embedded into a rehabilitation exergame. The proposed system simultaneously provides therapeutic exercises and automatically estimates upper-limb motor performance during gameplay using only a standard camera, enabling supervised remote use. Specifically, the objectives are to (i) review existing automated motor assessment methods and their relationships with kinematic game parameters, and (ii) propose and preliminarily validate a low-cost exergame framework capable of estimating clinical motor impairment using simple and transparent kinematic features. Materials and Methods: A systematic review was conducted to analyze current technologies and computational approaches for automated upper-limb motor assessment after stroke, identifying the most used game parameters. Based on these findings, an experimental study was developed using a Unity-based rehabilitation exergame controlled by arm movements captured with a standard camera and processed using the MediaPipe framework. Sixteen kinematic and spatiotemporal features were extracted from two-dimensional hand and arm trajectories during gameplay. Twelve individuals with chronic stroke (24 upper limbs) participated, with bilateral FMA scores used as the clinical reference. Correlation analyses, exhaustive feature selection, and multiple linear regression modeling were performed to estimate FMA scores, with exploratory comparisons to alternative machine learning models. Results: The systematic review indicated that most existing approaches depend on external sensors or computationally complex methods, often limiting interpretability and real-world applicability. In the experimental study, some gameplay-derived and clinically interpretable features, including average hand aperture, and spatial exploration area, were significantly correlated with FMA scores. A lightweight multiple linear regression model demonstrated strong predictive performance for affected limbs (Spearman ρ = 0.92, R² = 0.89, RMSE = 4.42) and accurately stratified motor impairment severity, achieving accuracies between 86% and 93%. More complex machine learning models did not outperform the interpretable regression approach. Conclusion: This thesis demonstrates that sensor-free, low-cost, interpretable and lightweight computation models for post-stroke motor assessment can be embedded into rehabilitation exergames using kinematic features derived from a standard camera, and be potentially valid for motor function assessment. Further tests with more games and populations are needed to generalize the result. Integrating assessment into gameplay reduces clinical workload, enables high-frequency monitoring, and improves accessibility for telerehabilitation. |
| Keywords: | Stroke rehabilitation Motor assessment Exergames Telerehabilitation Fugl-Meyer Assessment |
| Area (s) of CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO::METODOLOGIA E TECNICAS DA COMPUTACAO |
| Subject: | Engenharia elétrica Reabilitação - Tecnologia Acidente vascular cerebral |
| Language: | eng |
| Country: | Brasil |
| Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
| Program: | Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica |
| Quote: | SOUZA, Júlia Tannús de. AI-driven lightweight motor assessment embedded in an exergame for post-stroke rehabilitation. 2026. 89 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.229 |
| Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2026.229 |
| URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48667 |
| Date of defense: | 2-Mar-2026 |
| 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 Elétrica |
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