Ambientes Virtuais de Interação Natural emProcessos de Reabilitação Motora

Virtual Environments with Natural Interaction inMotor Rehabilitation Process

Renan Vinicius AranhaUniversidade Federal de Goiás

renan.ufg@gmail.com

Marcos Wagner de Souza RibeiroUniversidade Federal de Goiásmarcoswagnersouza@gmail.com

Clarissa Avelino Xavier de CamargoUniversidade Federal de Goiás

clacamargo.info@gmail.com

Resumo—O câncer de mama apresenta como principal tra-tamento a mastectomia, cirurgia de retirada total ou parcial damama. Os pacientes submetidos a este processo cirúrgico ficamsujeitos a diversas complicações, como depressão e a restrição demovimento do ombro. A realização de fisioterapia é fundamentalnesses casos, no entanto, tal processo ainda é problemático, pois,além de sentirem dor, os pacientes encontram baixa motivaçãopara continuar o tratamento. Assim, a utilização de recursoscomputacionais, especialmente técnicas de realidade virtual einteração natural, podem auxiliar neste processo ao propiciarformas atrativas de se realizar os procedimentos de reabilitaçãomotora.

Abstract—Breast cancer presents as a primary treatment themastectomy, surgery with the total or partial removal of thebreast. Patients undergoing this surgical process are subjectto various complications such as depression and restriction ofshoulder movement. The physical therapy is crucial in thesecases, however, this process is still problematic because, besidesfeeling pain, patients find low motivation to continue treatment.Thus, the use of techniques of virtual reality computer resourcesand natural interaction, can assist in this process by providingattractive ways to perform the procedures motor rehabilitation.

I. INTRODUÇÃO

Este projeto de pesquisa tem como objeto de estudo aterapêutica posterior à cirurgia de tratamento do câncer demama1. O estudo é motivado pela dificuldade no processode reabilitação físico-motora de pacientes que passaram pormastectomia, cirurgia de retirada parcial ou total da mama.Estes indivíduos2, a partir da fase cirúrgica, ficam suscetíveisà complicações resultantes da perda de tecidos, músculos,ligações nervosas, quando a retirada é necessária. Segundo[1, p. 248], entre tais complicações estão: "infecção, necrosede pele, seroma, aderência e deiscência cicatriciais, limitaçãoda amplitude de movimento (ADM) do ombro, cordão axilar,dor, alteração sensorial, lesão de nervos motor e/ou sensitivo,fraqueza muscular e linfedema". Diante deste panorama, arealização de fisioterapia é um processo fundamental na reabil-itação, prevenção e recuperação dos movimentos dos membrossuperiores que podem ser afetados pelo tratamento. Nessesentido, muitos pacientes afirmam sentir dor na realização de

1Termo utilizado por profissionais da área da saúde.2Apesar de ser uma patologia comum no público feminino, também é

possível haver ocorrências no público masculino.

muitas atividades nos primeiros meses após o procedimentocirúrgico [1]. Caso não recuperem totalmente estes movimen-tos, estes indivíduos perderão significativa qualidade de vida.Por este motivo, várias iniciativas vêm sendo empregadas paraaumentar o conforto do paciente e motivá-lo a continuar noprocesso de reabilitação, que é geralmente caracterizado comorepetitivo e desmotivante [2].

A utilização de recursos computacionais, como simuladoresou outras técnicas e ferramentas de engenharia biomédica,área que integra a área médica com a área de engenhariade computação/mecatrônica, têm apresentado resultados sat-isfatórios. Dentre essas técnicas, as de Realidade Virtual (RV),especificamente de ambientes virtuais (AV), são iniciativasque vêm tendo sucesso devido à vários fatores. Um dessesfatores é que, nesses ambientes virtuais, novas técnicas deinteração com o sistema são desenvolvidas. Uma das técnicasmais recentes e mais eficientes é a técnica de interação natural,em que o usuário interage com o sistema sem a necessidadede mecanismos artificiais, como mouse, teclado ou joystick,já que a interação natural pode ocorrer por meio de gestos,uso da própria voz ou simplesmente pelo reconhecimento domovimento corporal.

Adicionalmente a estas técnicas, a utilização de jogos podeaumentar ainda mais o interesse do usuário pela aplicação.Diversas pesquisas investigam a importância de jogos emsituações educacionais, de treinamento e de reabilitação, jáque estes caracterizam-se pela competitividade e a constantenecessidade de se atingir objetivos, ocasionando assim a mo-tivação no uso da aplicação.

Dessa forma, o uso de ambientes virtuais com inter-ação natural e o contexto de jogos agregado pode ser umasolução extremamente viável para pessoas que necessitampassar por esse processo de reabilitação, contrapondo àquelesprocedimentos tradicionais, que são repetitivos, desmotivantes,causavam dor e nem sempre tinham resultados satisfatórios.A estratégia desse estudo é quebrar o paradigma para que apessoa que utilize esse sistema possa realizá-lo com um prazermaior do que se tivesse utilizando um modelo tradicional e,desta forma, superar as dificuldades inerentes ao processo dereabilitação, que tem como maior protagonista a dor.

O uso de jogos em conjunto com as técnicas supracitadas

têm despertado grande interesse junto aos profissionais desaúde, pois podem distrair os pacientes durante atividades do-lorosas, serem eficazes como ferramenta de simulação duranteum processo de reabilitação, terem aplicação em intervençõesterapêuticas e a melhoria da precisão motora em procedimentos[3], [4].

O tipo de jogo utilizado para essas finalidades é definidocomo serious games. O termo surgiu para descrever jogosque, além de entretenimento, visam oferecer outros tipos deexperiências ao seu usuário [5]. Na área da saúde, os seriousgames têm sido amplamente utilizados no treinamento depessoal, em simulações, na validação de produtos e, ainda, nacriação de novas abordagens para reabilitação [6]. Neste últimocaso, a aplicação de serious games tem grande importância, jáque por ser de natureza repetitiva, o processo de reabilitaçãotende a ocasionar baixa motivação no paciente.

É essencial esclarecer que a aplicação de serious gamesem processos de reabilitação deve ocorrer de forma cautelosa.Além de apoio de profissionais especializados nos procedi-mentos, deve-se levar em consideração que muitos pacientesapresentam sequelas físicas e emocionais. Jogos de alta com-plexidade, com poucas chances de vitória, por exemplo, nãosão recomendáveis. Ainda, o jogo deve relevar os erros dos jo-gadores, já que muitos pacientes tendem a apresentar sintomasde frustração e depressão por não conseguirem realizar algunsmovimentos [7], o que pode agravar ainda mais o quadro dopaciente. De acordo com [8], o jogo deve oferecer equivalênciaentre aprendizado e entretenimento.

Apesar dos riscos, sabe-se que, efetivamente, o uso deserious games na reabilitação de pessoas é eficaz e, ainda, trazbenefícios não apenas ao paciente, que tem mais um motivopara continuar seu processo de reabilitação, mas tambémàs clínicas e hospitais, que poderão utilizar equipamentosflexíveis e de baixo custo em diversos tipos de tratamento [7].

II. TRABALHOS RELACIONADOS

Os trabalhos abaixo relacionados permitiram o levanta-mento bibligráfico necessário para a verificação da relevânciada pesquisa.

A. An Augmented Reality System for Hand Movement Reha-bilitation

Desenvolvido pelo departamento de Engenharia Mecânicada Universidade Nacional de Singapura (National Univer-sity of Singapore), o trabalho tem como objeto de estudoos sistemas para reabilitação dos movimentos das mãos. Apesquisa comparou o processo tradicional de reabilitação comas técnicas que utilizam as tecnologias de RV e RA (RealidadeAumentada) e, por fim, concluiu que a utilização de RAapresentou mais vantagens. Foi recomendado, então, umasolução utilizando tal tecnologia juntamente com o uso deluvas eletrônicas, que atuam como dispositivo de entrada dedados no sistema.

Basicamente, o sistema atua sob as seguintes premissas: aprimeira, onde o paciente apresenta sequelas graves e prati-camente não possui movimentos em uma ou em ambas asmãos; e a segunda, onde o paciente apresenta sequelas de

menor gravidade, ou seja, o indivíduo consegue mover asmãos, porém com dificuldade.

No primeiro caso, a luva será utilizada pelo terapeutaou pelo próprio paciente, porém na mão que não apresentasequelas. Os movimentos captados serão reproduzidos por umamão virtual, que será sobreposta à mão debilitada do paciente.No segundo caso, a luva será utilizada exclusivamente pelopaciente, que poderá acompanhar sua evolução ao longo dotratamento [9].

B. The Virtual Meditative Walk

Com o intuito de verificar se a RV pode ser utilizada deforma eficiente no tratamento de pacientes com dor crônica,o Transforming Pain Research Group (Grupo de PesquisaTransformando Dor) propôs a pesquisa intitulada The VirtualMeditative Walk (Passeio Virtual de Meditação).

O grupo trabalhou com a premissa de que a meditação é ummétodo eficaz para auxiliar pessoas que sofrem de dor crônicae, portanto, desenvolveu um ambiente virtual (AV) que facilitaa transição do paciente para o estado de meditação.

No sistema, o paciente deve ser ligado à aparelhos debiofeedback, que farão o acompanhamento do desempenho dousuário. Em seguida, o mesmo deverá subir em uma esteira evestir o capacete de realidade virtual.

Ao decorrer da utilização, o AV se adaptará ao grau derelaxamento do usuário e demais informações captadas pelossensores de biofeedback. O sistema permite ainda que médicose demais observadores acompanhem o desenvolvimento dopaciente [10].

C. Augmented Reality System Design for Stroke RehabilitationApplication

Criado pelo Departamento de Pós-graduação do Institutode Informática e Engenharia de Comunicação da UniversidadeNacional de Tecnologia de Taipei em Taiwan, este trabalho temcomo objetivo facilitar e motivar a reabilitação de pacientesque apresentam sequelas decorrentes de derrame.

Assim, os pesquisadores analisaram os movimentosrotineiros da vida de uma pessoa com movimentação normale os classificaram em graus de dificuldade. Posteriormente,alguns enredos de jogos foram desenvolvidos e, com o in-tuito de não tornar o processo de reabilitação cansativo, ospesquisadores levaram em conta o nível de dificuldade dosmovimentos envolvidos em cada etapa do jogo.

Quando o usuário apresenta êxito em um jogo, ele poderáavançar para um jogo com nível de dificuldade maior. Ainteração do usuário com o jogo se dá por movimentos desentar e levantar, além da movimentação de um marcadorfiducial de RA.

Desenvolvido para pacientes que podem realizar partedo processo de reabilitação sozinhos, o sistema foi testadocom um grupo de usuários e apresentou resultado promissor.Porém, não houve estudo ou testes com pacientes que sofreramderrames, já que este ainda não foi avaliado por terapeutas [11].

D. Serious Game para Tratamento de Torcicolo

Para auxiliar o tratamento de torcicolo, os autores (3)deste trabalho propuseram um serious game que utiliza osexercícios de alongamento e flexão do pescoço como formade movimentação uma bicicleta virtual.

O sistema desenvolvido utiliza técnicas de RA, incluindoo marcador, e o framework ARToolKit [12].

E. Utilização de Realidade Virtual e Wiimote para Criaçãode Jogos Voltados à Reabilitação

Os autores (4) deste trabalho desenvolveram um tutorialcom os procedimentos necessários para a elaboração de umserious game voltado à reabilitação de pessoas.

Utilizando-se do Wiimote como dispositivo de interaçãohomem-computador, os autores apresentaram como estudo decaso projetos de diversas Universidades que trabalham comreabilitação.

Apesar de cada jogo utilizar o Wiimote de modo diferente,todos os jogos apresentavam em comum a reabilitação dosmembros superiores, porém com diferentes enfoques [7].

F. Interação natural como apoio a atividade de telementoriaem Telemedicina

Neste trabalho, os autores (4) abordam a utilização deinteração natural como forma de apoio à atividade de tele-mentoria em Telemedicina. Através da ferramenta Arthron, quepermite a manipulação de objetos virtuais, criou-se um sistemaque utiliza a interação natural como forma alternativa de semanipular os objetos virtuais [13].

G. Interação Natural baseada em Gestos como Interface deControle para Modelos Tridimensionais

Por meio da utilização do sensor de movimentos Kinect,este trabalho investiga a utilização de Interação Natural comoum meio de se controlar objetos virtuais tridimensionais [14].

H. Desenvolvimento de Aplicações com uso de Interação Nat-ural: um estudo de caso voltado para vídeo colaboração emsaúde

Este trabalho aborda, através da utilização do Kinect, odesenvolvimento voltado à Interação Natural de ferramentasque propiciem o controle e a manipulação de objetos por meiode movimentos gerados pelo usuário [15].

I. Uso de Interação Natural para Auxiliar a Execução dePosturas e Movimentos

Com o intuito de auxiliar as pessoas em suas práticasde alongamentos, este trabalho utilizou técnicas de InteraçãoNatural para verificar a corretude de movimentos realizadospelos usuários, já que, se realizados de forma incorreta, algunsmovimentos podem prejudicar o corpo.

Adicionalmente, o sistema tem como objetivo propiciara motivação nos usuários, incentivando-os a praticar maisexercícios por meio da utilização de serious games.

Para capturar os movimentos, foi utilizado o Kinect [16].

J. Uso de Interfaces Naturais na Modelagem de ObjetosVirtuais

O sistema desenvolvido neste trabalho permite que osusuários realizem a modelagem 3D de objetos por meio deposes e gestos com as mãos. Cerca de dez pessoas fizerama avaliação do sistema que, de acordo com o trabalho, tempotencial para se tornar uma interface inovadora [17].

K. Serious Games Baseados em Realidade Virtual para Edu-cação Médica

Este trabalho apresenta a utilização de serious games eRealidade Virtual para a elaboração de ambientes virtuais quepropiciem o aprendizado médico [18].

L. MoVER: Serious Game aplicado à reabilitação motorausando sensor de movimento Kinect

Com a premissa de que tornando as sessões de fisioterapiamais atrativas os pacientes podem apresentar melhores resulta-dos, os autores deste trabalho desenvolveram um serious gameque simula a realização de tarefas virtuais por meio de desafios,que serão realizados com a utilização do corpo humano.

O trabalho apresentou ainda contribuição no sentido daavaliação de Interfaces Naturais que permitem, em tempo real,a personalização dos movimentos a serem realizados pelopaciente durante a fisioterapia [19].

M. Serious Games para Saúde e Treinamento Imersivo

O trabalho apresenta conceitos e benefícios da utilizaçãode serious games na área da saúde e em treinamentos, alémde avaliar que existem poucos sistemas desenvolvidos nessesentido [6].

N. Sistema para fisioterapia baseado na plataforma Kinect

Esta dissertação investiga a criação de um sistema de baixocusto que permita que pacientes em processo de fisioterapiapossam realizar movimentos em suas residências e, adicional-mente, receberem uma avaliação contínua do andamento doprocesso. Utilizando-se de técnicas de interação natural, apesquisa fez uso do sensor de movimentos Kinect e verifi-cou que tal dispositivo é eficaz na identificação automáticados movimentos realizados. No entanto, a pesquisa concluiutambém que mais estudos são necessários para que a avaliaçãodos movimentos possa ocorrer também de forma automática[20].

O. Realidade Virtual: Desenvolvimento e Aplicabilidade notratamento da dor secundária ao câncer de mama

O referido trabalho analisa a utilização de recursos deRealidade Virtual nos processo de reabilitação pós-operatóriaao câncer de mama. A pesquisa concluiu que tal utilizaçãoé valiosa no processo de reabilitação, especialmente pelaatenuação da dor sentida durante os procedimentos e, ainda,pela redução dos transtornos causados pela doença ao paciente[21].

III. PROCEDIMENTOS TÉCNICOS

Tendo como premissa trabalhos relacionados que apontama dificuldade do processo da terapêutica posterior ao trata-mento do câncer de mama e a possibilidade de avanço queáreas da computação podem proporcionar neste quadro, esteprojeto deve gerar como produto um sistema que auxilie areabilitação motora de membros por meio de um serious gamecomposto por um ambiente virtual, com o qual o usuáriopoderá interagir por meio de interação natural.

Existem diversos dispositivos de Interação Natural. Entreeles, destacam-se os sensores Kinect, o Wiimote e o Move.Durante a pesquisa, um sensor será escolhido para propiciarque a interação entre usuário e jogo aconteça de forma maispróxima aos hábitos comuns dos seres humanos, evitandoassim o desgaste do aprendizado do funcionamento de dis-positivos tradicionais, como o mouse.

Adicionalmente, o uso de Interação Natural permite tam-bém a captação dos movimentos realizados pelos indivíduos.Tais movimentos, formalmente denominados protocolos, terãopapel fundamental no decorrer da aplicação. Predefinidospor fisioterapeutas, os protocolos representam os movimentosrealizados no processo de fisioterapia e serão utilizados comocritério de avaliação do desempenho do usuário.

Os protocolos a serem realizados serão exibidos ao usuáriopor meio de um ambiente virtual, onde um humanoide3 mod-elado em 3D fará os protocolos e indicará ao usuário queé a vez deste executar a ação. O humanoide indicará ainda,por meio de mensagens exibidas na tela, se o usuário estárealizando corretamente ou não os protocolos escolhidos pelofisioterapeuta.

Serão levantados, também, critérios que tornem o sistemaum serious game. Assim, pretende-se motivar o usuário acontinuar o processo, recompensando-o em seus acertos e,então, aumentando o nível de dificuldade gradativamente.

Posteriormente, o sistema será testado por uma equipe deuma instituição parceira, que não será citada com o intuito depreservar o sigilo no desenvolvimento desta pesquisa. Após ostestes, o sistema passará por uma avaliação final, objetivandoa conclusão a respeito da contribuição deste no processo deterapêutica posterior ao tratamento do câncer de mama.

IV. CONCLUSÃO

Diante do exposto, a expectativa desta pesquisa é desen-volver um protótipo que, unindo serious games e interaçãonatural, possa auxiliar os pacientes da terapêutica posterior àcirurgia do câncer de mama em seu tratamento, criando, portécnicas de realidade virtual, um ambiente motivador.

AGRADECIMENTOS

Agradeço profundamente aos professores Marcos Wagnerde Souza Ribeiro e Clarissa Avelino Xavier de Camargo pelaorientação nesta pesquisa.

3Representação de um humano.

REFERENCES

[1] S. L. NASCIMENTO, R. R. OLIVEIRA, M. M. F. OLIVEIRA, andM. T. P. AMARAL, “Complicações e condutas fisioterapêuticas apóscirurgia por câncer de mama: estudo retrospectivo,” 2012.

[2] C. CAMARGO, V. CAMARGO, A. CARVALHO, E. LAMOUNIER,C. CAVALHEIRO, A. ANDRADE, I. MENDES, and M. LIMA, “Reha-bilitation protocols in virtual reality for the treatment of breast cancer’ssecondary pain,” Realidade Virtual e Aumentada: Anais do WRVA 2013,2013.

[3] A. M. MORAIS, A. SOUSA, L. S. MACHADO, and R. M. MORAES,“Tomada de decisão aplicada à inteligência artificial em serious gamesvoltados para a saúde,” 2009.

[4] D. MICHAEL and S. CHEN, “Serious games: Games that educate, trainand inform,” Thomson Course Tecnology, vol. 2, p. 23, 2006.

[5] S. BLACKMAN, “Serious games... and less,” Computer Graphics, pp.12–16, 2005.

[6] L. S. MACHADO, R. M. MORAES, and F. L. S. NUNES, “Seriousgames para saúde e treinamento imersivo,” 2009.

[7] S. M. MALFATTI, E. A. G. COUTINHO, and S. R. SANTOS,“Utilizando realidade virtual e wiimote para criação de jogos voltadosà reabilitação,” 2011.

[8] W. A. LIMA, Construção de um Framework para Jogos EducacionaisDigitais. Jataí, Goiás: Universidade Federal de Goiás, 2014.

[9] S. K. O. Y. Shen and A. Y. C. Nee, An Augmented Reality System forHand Movement Rehabilitation, 2008.

[10] D. Gromala, S. Barnes, M. Song, and T. Fox, The Virtual MeditativeWalk, 2010.

[11] R.-G. Lee and S.-C. Tien, Augmented Reality System Design for StrokeRehabilitation Application, 2012.

[12] J. V. PAULO, L. F. B. LOPES, J. B. D. JUNIOR, and E. F. DAMAS-CENO, Serious Game para Tratamento de Torcicolo, 2011.

[13] A. C. S. MEDEIROS, R. H. A. CASTRO, D. R. D. SILVA, and T. A.TAVARES, Interação natural como apoio a atividade de telementoriaem Telemedicina, 2012.

[14] A. C. S. MEDEIROS, Interação Natural baseada em Gestos comoInterface de Controle para Modelos Tridimensionais, João Pessoa, PB,2012.

[15] R. H. A. CASTRO, Desenvolvendo Aplicações com uso de InteraçãoNatural: um estudo de caso voltado para vídeo colaboração em saúde,João Pessoa, PB, 2012.

[16] T. H. NASCIMENTO, Uso de Interação Natural para Auxiliar aExecução de Posturas e Movimentos, Jataí, GO, 2013.

[17] F. H. M. OLIVEIRA, Uso de Interfaces Naturais na Modelagem deObjetos Virtuais, Uberlândia, MG, 2013.

[18] L. d. MACHADO, R. M. MORAES, and F. d. NUNES, “Serious gamesbaseados em realidade virtual para educação médica,” Rev. bras. educ.med. [online], pp. 254–262, 2011.

[19] V. D. S. JUNIOR, C. B. M. MONTEIRO, R. NAKAMURA, L. S.YOJO, L. V. ARAÚJO, and F. L. S. NUNES, “Mover: Serious gameaplicado à reabilitação motora usando sensor de movimento kinect,”2013.

[20] G. P. CAMPOS, Sistema para fisioterapia baseado na plataformaKinect. Portugal: Universidade do Porto, 2013.

[21] I. S. MENDES, C. A. X. CAMARGO, G. L. CAVALHEIRO, A. CAR-DOSO, F. P. S. LIMA, M. O. LIMA, and A. O. ANDRADE, RealidadeVirtual: Desenvolvimento e Aplicabilidade no tratamento da dor se-cundária ao câncer de mama. Uberlândia: VI Simpósio em EngenhariaBiomédica, 2013.