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Robotic Functional Gait Rehabilitation with Tethered Pelvic Assist Device
The primary goal of human locomotion is to stably translate the center of mass (CoM) over the ground with minimum expenditure of energy. Pelvic movement is crucial for walking because the human CoM is located close to the pelvic center. Because of this anatomical feature, pelvic motion directly contributes to the metabolic expenditure, as well as in the balance to keep the center of mass between the legs. An abnormal pelvic motion during the gait not only causes overexertion, but also adversely affects the motion of the trunk and lower limbs. In order to study different interventions, recently a cable-actuated robotic system called Tethered Pelvic Assist Device (TPAD) was developed at ROAR laboratory at Columbia University. The cable-actuated system has a distinct advantage of applying three dimensional forces on the pelvis at discrete points in the gait cycle in contrast to rigid exoskeletons that restrict natural pelvic motion and add extra inertia from the rigid linkages. However, in order to effectively use TPAD for rehabilitation purposes, we still need to have a better understanding of how human gait is affected by different forces applied by TPAD on the pelvis. In the present dissertation, three different control methodologies for TPAD are discussed by performing human experiments with healthy subjects and patients with gait deficits. Moreover, the corresponding changes in the biomechanics during TPAD training are studied to understand how TPAD mechanistically influences the quality of the human gait.
In Chapter 2, an ‘assist-as-needed’ controller is implemented to guide and correct the pelvic motion in three dimensions. Here, TPAD applies the correction force based on the deviation of the current position of the pelvic center from a pre-defined target trajectory. This force acts on the pelvic center to guide it towards the target trajectory. A subject in the device experiences a force field, where the magnitude becomes larger when the subject deviates further away from the target trajectory. This control strategy is tested by performing the experiments on healthy subjects with different target pelvic trajectories.
Chapter 3 describes a robotic resistive training study using a continuous force on the pelvis to strengthen the weak limbs so that subjects can improve their walking. This study is designed to improve the abnormal gait of children with Cerebral Palsy (CP) who have a crouch gait. Crouch gait is caused by a combination of weak extensor muscles that do not produce adequate muscle forces to keep the posture upright, coupled with contraction of muscles that limit the joint range of motion. Among the extensor muscles, the soleus muscle acts as the major weight-bearing muscle to prevent the knees from collapsing forward during the middle of the stance phase when the foot is on the ground. Electromyography, kinematics, and clinical measurements of the patients with crouch gait show significant improvements in the gait quality after the resistive TPAD training performed over five weeks.
Both Chapters 2 & 3 present interventions that are bilaterally applied on both legs. Chapter 4 introduces a training strategy that can be used for patients who have impairments in only one leg which results in manifests as asymmetric weight-bearing while walking. This training method is designed to improve the asymmetric weight bearing of the hemiparetic patients who overly rely on the stronger leg. The feasibility of this training method is tested by experiments with healthy subjects, where the controller creates an asymmetric force field to bring asymmetry in weight bearing during walking.
In summary, the present dissertation is devoted to developing new training methods that utilize TPAD for rehabilitation purposes and characterize the responses of different force interventions by investigating the resulting biomechanics. We believe that these methodologies with TPAD can be used to improve abnormal gait patterns that are often observed in cerebral palsy or stroke patients
Analisi della Risposta Neuromuscolare a una Perturbazione Medio-Laterale del Cammino Progettazione e Realizzazione della Piattaforma Perturbante e Caratterizzazione Biomeccanica
STATO DELL’ARTE. Uno degli effetti collaterali dell’aumento dell’aspettativa di vita è rappresentato dall’incremento del rischio di caduta e dalle conseguenze ad esso associate nella popolazione degli anziani. Studi epidemiologici hanno infatti evidenziato che un anziano su tre cade almeno una volta l’anno, riportando danni che, nel peggiore dei casi, comportano il decesso [1, 2]. Le cause di questo fenomeno sono da ricercare nelle ridotte capacità del sistema neuromuscolare di reagire efficacemente agli stimoli esterni e nella fragilità del sistema scheletrico, dovuta a processi degenerativi quali l’osteoporosi.
Oggigiorno, l’unica arma disponibile per ridurre l’incidenza delle cadute è la prevenzione: da una parte si cerca di minimizzare il rischio connesso a fattori ambientali come superfici scivolose o ostacoli poco visibili; dall’altra si cerca di intervenire con programmi riabilitativi che si propongono di contrastare gli effetti dell’invecchiamento mediante esercizi in grado di migliorare prontezza di riflessi e forza muscolare. Questo ultimo obiettivo ha spinto molti gruppi di ricerca ad investigare la risposta reattiva di soggetti anziani mediante protocolli sperimentali che emulano eventi quali inciampo o scivolamento.
Un aspetto ancora poco investigato è rappresentato dalla risposta neuromuscolare rispetto alla direzione di perturbazione. Numerosi studi [3, 4] hanno evidenziato che la stabilità dinamica del cammino bipede sul piano frontale è più bassa di quella sul piano sagittale. Pertanto, una perturbazione dell’equilibrio sul questo piano mette maggiormente a rischio l’equilibrio inducendo più facilmente i soggetti a cadere. Questo limite intrinseco del sistema muscolo-scheletrico, associato al fatto che alcune prominenze ossee sono esposte sul piano frontale (per esempio, la superficie esterna del grande trocantere), aumenta significativamente il rischio che un impatto con il suolo possa tradursi in una frattura, in caso di urto laterale.
OBIETTIVO DELLA TESI. Sviluppare, ex-novo, un protocollo sperimentale per la caratterizzazione della risposta neuromuscolare di soggetti sottoposti ad una perturbazione istantanea del baricentro mediante una forza che agisce nel piano frontale.
PROGETTAZIONE E SVILUPPO DELLA PIATTAFORMA PERTURBANTE. Il set-up sperimentale consiste in un dispositivo in grado di rilasciare un peso collegato alla cintura di un soggetto mediante una corda, così da emulare una forza istantanea applicata al baricentro (Fig. 1). Più in dettaglio, la struttura è composta da un telaio avente due aste (A1 e A2) fisse in posizione verticale, allineate sul piano frontale del soggetto: alla prima asta, quella più vicina al soggetto, è fissato il primo modulo slitta-motore (SL-M1, Fig. 2) che funziona da perno per il rilascio di un occhiello; sulla seconda è alloggiato il secondo modulo slitta-motore (SL-M2, Fig.2) che controlla il sistema di rilascio della corda (C).
Il funzionamento del dispositivo può essere sintetizzato come segue. In condizioni di riposo (Figura 1A) il peso è sospeso mediante una corda che passa attraverso il meccanismo di rilascio controllato da SL-M2 ed è connessa ad un occhiello (F) imperniato alla slitta del modulo SL-M1 (Fig. 2). Dall’altra parte dell’occhiello è legata un’altra corda, lasca (Fig. 2), che raggiunge la cinta del soggetto senza alterarne la dinamica (Fig. 1A). La perturbazione viene somministrata mediante il modulo SL-M1: la slitta viene ritirata dal servomotore rilasciando l’occhiello che, a sua volta, viene trascinato dal peso e trasmette la forza applicata alla cintura del soggetto (Fig. 1B). Durante questa fase, lo stato del soggetto viene perturbato con una forza che agisce come un gradino (Fig. 1B). Prima che il peso raggiunga il pavimento, il modulo SL-M2 sgancia il meccanismo di rilascio così da scaricare la tensione dalla corda: la forza che agisce su soggetto si riduce immediatamente a zero consentendo al soggetto il recupero dell’equilibrio (Fig. 1C).
Il tempo che intercorre tra l’istante di somministrazione della perturbazione (Fig. 1B) e lo sgancio del meccanismo di rilascio della corda (Fig. 1C) può essere controllato (nell’ordine delle decine di millisecondi) in modo da generare una perturbazione pressoché impulsiva. Inoltre, la struttura modulare dei gruppi di azionamento delle slitte fa sì che lo stesso principio di funzionamento possa essere valido anche variando l’altezza della perturbazione, garantendo una buona versatilità del dispositivo.
La rotazione dei servomotori viene controllata da Arduino [5] sulla base di un segnale di abilitazione ottenuto da un sensore di pressione, applicato sotto il tallone del soggetto. In particolare, questo sensore identifica l’istante del ciclo di passo in cui si vuole somministrare la perturbazione e, quindi, la innesca.
Il set-up sperimentale prevedeva la registrazione di segnali EMG sui principali gruppi muscolari della gamba destra e su entrambi i glutei medi, principali artefici del controllo dell’equilibrio del baricentro nel piano frontale (Fig. 3). Al soggetto veniva chiesto di camminare sul tapis-roulant alla velocità preferita senza supporto, e di contrastare la perdita di equilibrio qualora la perturbazione fosse stata innescata.
RISULTATI. Per lo svolgimento dei test sono stati esaminati 4 soggetti giovani sani sottoposti a 3 ripetizioni per ciascuna delle seguenti prove: assenza di perturbazione, forza da 3 kg, e forza da 6 kg. I segnali EMG registrati durante la perturbazione sono stati confrontati con quelli ottenuti durante il cammino non perturbato, dopo essere stati opportunamente pre-processati (filtraggio passa banda 10-500 Hz, rettifica, filtraggio passa basso 5 Hz). La Fig. 4 mostra un esempio rappresentativo relativo al confronto tra i segnali EMG.
Inoltre sono stati estratti i picchi massimi di attivazione per ogni muscolo per tutte le prove, e gli istanti di tempo in cui si verificano all’interno del ciclo di passo. Questi dati sono stati mediati su tutti i soggetti.
L’analisi dei dati ha evidenziato che i muscoli che maggiormente risentono della perturbazione sono GML, GMR e TA (Fig. 5); per questi tre muscoli l’attivazione massima risulta statisticamente maggiore (il confronto è stato svolto tramite un test di Mann-Whitney, α=0.05) rispetto al caso non perturbato. La massima attivazione del RF è statisticamente maggiore, rispetto al caso non perturbato, solo in caso di risposta a perturbazioni di 6 kg. Il test di Mann-Whitney applicato agli istanti di attivazione massima dà esito positivo (p<0.05) in un solo confronto: l’attivazione massima del GasL è ritardata in caso di perturbazione più intensa.
CONCLUSIONI. Sotto il profilo fisiologico, i risultati mostrano che i due glutei medi reagiscono contemporaneamente per riposizionare il baricentro all’interno della base di appoggio del soggetto. Inoltre, tibiale anteriore e retto femorale, in accordo con i rispettivi muscoli antagonisti, contribuiscono a stabilizzare le articolazioni di ginocchio e caviglia. Infine, la risposta neuromuscolare sembra indicare un prolungamento temporale della fase di appoggio della gamba perturbata, confermato dal consistente ritardo nell’attivazione del gastrocnemio laterale, in risposta a perturbazioni di maggiore entità. Per quanto concerne l’aspetto ingegneristico, la congruenza dei risultati tra i soggetti dimostra che il dispositivo soddisfa le specifiche di progetto consentendo un’ottima ripetibilità delle condizioni sperimentali. Pertanto, la piattaforma rappresenta un ottimo punto di partenza da cui proseguire in un’analisi più approfondita della risposta neuromuscolare evocata da perturbazioni medio – laterali del cammino.
Bibliografia
1. T. Masud and R. O. Morris, “Epidemiology of Falls,” 2001.
2. J. A. Stevens, P. S. Corso, E. A. Finkelstein, T. R. Miller. "The costs of fatal and nonfatal falls among older adults," 2006.
3. V. Vashista, X. Jin, and S. K. Agrawal, “Active Tethered Pelvic Assist Device (A-TPAD) to study force adaptation in human walking,” 2014.
4. A. L. Hof, S. M. Vermerris, and W. A. Gjaltema, “Balance responses to lateral perturbations in human treadmill walking.,” 2010.
5. https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinBoardUn
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Trunk Rehabilitation Using Cable-Driven Robotic Systems
Upper body control is required to complete many daily tasks. One needs to stabilize the head and trunk over the pelvis, as one shifts the center of mass to interact with the world. While healthy individuals can perform activities that require leaning, reaching, and grasping readily, those with neurological and musculoskeletal disorders present with control deficits. These deficits can lead to difficulty in shifting the body center of mass away from the stable midline, leading to functional limitations and a decline in the quality of activity. Often these patient groups use canes, walkers, and wheelchairs for support, leading to occasional strapping or joint locking of the body for trunk stabilization.
Current rehabilitation strategies focus on isolated components of stability. This includes strengthening, isometric exercises, hand-eye coordination tasks, isolated movement, and proprioceptive training. Although all these components are evidence based and directly correlate to better stability, motor learning theories such as those by Nikolai Bernstein, suggest that task and context specific training can lead to better outcomes. In specific, based on our experimentation, we believe functional postural exploration, while encompassing aspects of strengthening, hand-eye coordination, and proprioceptive feedback can provide better results.
In this work, we present two novel cable robotic platforms for seated and standing posture training. The Trunk Support Trainer (TruST) is a platform for seated posture rehabilitation that provides controlled external wrench on the human trunk in any direction in real-time. The Stand Trainer is a platform for standing posture rehabilitation that can control the trunk, pelvis, and knees, simultaneously. The system works through the use of novel force-field algorithms that are modular and user-specific. The control uses an assist-as-needed strategy to apply forces on the user during regions of postural instability. The device also allows perturbations for postural reactive training.
We have conducted several studies using healthy adult populations and pilot studies on patient groups including cerebral palsy, cerebellar ataxia, and spinal cord injury. We propose new training methods that incorporate motor learning theory and objective interventions for improving posture control. We identify novel methods to characterize posture in form of the “8-point star test”. This is to assess the postural workspace. We also demonstrate novel methods for functional training of posture and balance.
Our results show that training with our robotic platforms can change the trunk kinematics. Specifically, healthy adults are able to translate the trunk further and rotate the trunk more anteriorly in the seated position. In the standing position, they can alter their reach strategy to maintain the upper trunk more vertically while reaching. Similarly, Cerebral Palsy patients improve their trunk translations, reaching workspace, and maintain a more vertical posture after training, in the seated position. Our results also showed that an Ataxia patient was able to improve their reaching workspace and trunk translations in the standing position. Finally, our results show that the robotic platforms can successfully reduce trunk and pelvis sway in spinal cord injury patients. The results of the pilot studies suggest that training with our robotic platforms and methods is beneficial in improving trunk control
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A Cable-Driven Pelvic Robot: Human Gait Adaptation and Rehabilitation Studies
Walking is a state of continuous imbalance that requires a complex control strategy and cyclic activation of leg muscles to achieve successful inter‐limb coordination. Neuro‐musculoskeletal impairments, such as stroke, cerebral palsy, and spinal cord injury, affect one's ability to voluntarily contract muscles to normal amplitudes. This change in muscle activation pattern reduces the joint level torque generation and as a result impairs the ability to walk normally. Technological advances over the last two decades have resulted in the development of rigid link robotic exoskeletons that aim to improve gait deficits. These devices reduce repetitive and manual labor of therapists while providing objective measurement of the therapy during the gait rehabilitation. Despite the development of these robotic devices, no consensus has emerged about the superiority of robot-aided gait rehabilitation over the traditional methods. This may be because of the inherent complexity of the human musculoskeletal system and the constraints that rigid linked systems impose on the human movement.
In this work, we present a cable-driven Active Tethered Pelvic Assist Device (A-TPAD) for gait rehabilitation that can apply a controlled external wrench to the human pelvis in any direction and at any point of the gait cycle for a specified duration. The A-TPAD does not add undesirable inertia on the user and does not constrain the user's motion during training. The A-TPAD provides a technological platform to scientifically study human adaptation in gait due to externally applied forces and moments on the pelvis. Human studies with the A-TPAD can motivate new gait rehabilitation paradigms which can potentially be used to correct gait deficits in human walking.
The human nervous system is capable of modifying the motor commands in response to alterations in the movement conditions. Several studies have demonstrated the flexibility of human locomotion despite motor impairments and have shown the potential of using such paradigms for gait rehabilitation. In this work, we present a number of human experiments using the cable-driven A-TPAD to propose novel force interventions that induce adaptation in human gait kinematics and kinetics. In particular, stance phase gait interventions have been developed for gait rehabilitation of hemiparetic patients. In these interventions, the external force vector was applied to the pelvis to target weight bearing during walking and to promote longer stance durations. A single-session force training experiment with hemiparetic stroke patients was also conducted as a part of this work. It is shown that hemiparetic stroke patients improved the ground reaction force symmetry, forward propulsion effort, and stance phase symmetry during walking.
In this work, the A-TPAD is also used to develop an intervention to apply external gait synchronized forces on the pelvis to reduce the user's effort during walking. The external forces were directed in the sagittal plane to assist the trailing leg during the forward propulsion and vertical deceleration of the pelvis during the gait cycle. A pilot experiment with five healthy subjects was conducted. This study provides a novel approach to study the role of external forces in altering the walking effort, such understanding is important while designing assistive devices for individuals who spend higher than normal effort during walking