Design of a wearable active ankle-foot orthosis for both sides

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)Portugal is the west European country with the highest rate of stroke-related mortality, being that, of those who suffer cerebrovascular accidents, 40% feature an impairment which can manifest itself through motor sequelae, namely drop foot. An ankle-foot orthosis is often recommended to passively accommodate these motor problems; however, active/powered exoskeletons are also a suitable solution for post-stroke patients. Due to the high complexity of the human ankle joint, one of the problems regarding these active devices is the misalignment occurring between the rehabilitation device and the human joint, which is a cause of parasitic forces, discomfort, and pain. The present master dissertation proposes the development of an adjustable wearable active ankle-foot orthosis that is able to tackle this misalignment issue concerning commercially available lower limb orthotic devices. This work is integrated on the SmartOs – Smart, Stand-alone Active Orthotic System – project that proposes an innovative robotic technology (a wearable mobile lab) oriented to gait rehabilitation. The conceptual design of a standard version of the SmartOs wearable active orthosis was initiated with the analysis of another ankle-foot orthosis – Exo-H2 (Technaid) – from which the necessary design changes were implemented, aiming at the improvement of the established device. In order to achieve a conceptual solution, both the practical knowledge of the Orthos XXI design team and several design methods were used to ensure the accomplishment of the defined requirements. The detailed design process of the standard SmartOs wearable active orthosis prototype is disclosed. With the purpose of validating the design, the critical components were simulated with the resources available in SolidWorks®, and the necessary CAD model’s adaptations were implemented to guarantee a reliable and safe design. The presented design is currently set for further production in Orthos XXI, followed by the mandatory mechanical tests.Portugal é o país da Europa ocidental com maior taxa de mortalidade por acidente vascular cerebral (AVC), sendo que, dos que sofrem acidentes vasculares cerebrais, 40% apresentam uma deficiência que pode manifestar-se por sequelas motoras, nomeadamente o pé pendente. Uma ortótese do tornozelo é recomendada frequentemente para acomodar passivamente esses problemas motores; no entanto, exoesqueletos ativos são também uma solução adequada para pacientes pós-AVC. Devido à alta complexidade da articulação do tornozelo humano, um dos problemas associados a esses dispositivos ativos é o desalinhamento que ocorre entre o dispositivo de reabilitação e a articulação humana, que é uma causa de forças parasitas, desconforto e dor. A presente dissertação de mestrado propõe o desenvolvimento de uma ortótese ativa do tornozelo ajustável e vestível, que seja capaz de resolver esse problema de desalinhamento relativo aos dispositivos ortóticos de membros inferiores disponíveis comercialmente. Este trabalho está integrado no projeto SmartOs - Smart, Stand-alone Active Orthotic System - projeto que propõe uma tecnologia robótica inovadora (wearable mobile lab) direcionada para a reabilitação da marcha. O projeto conceptual de uma versão padrão da ortótese ativa vestível do projeto SmartOs foi iniciado com a análise de outra ortótese do tornozelo – Exo-H2 (Technaid) - a partir da qual foram implementadas as alterações de projeto necessárias, visando o aprimoramento do dispositivo estabelecido. Para se chegar a uma solução conceptual, tanto o conhecimento prático da equipa de projeto da Orthos XXI como os diversos métodos de projeto foram utilizados para garantir o cumprimento dos requisitos definidos. O processo do desenho detalhado da versão padrão da ortótese ativa SmartOs será também divulgado. Com o objetivo de validar o projeto, os componentes críticos foram simulados com os recursos disponíveis no SolidWorks® e as adaptações necessárias do modelo CAD foram implementadas para garantir um projeto fidedigno e seguro. O projeto apresentado está atualmente em preparação para produção na empresa Orthos XXI, depois do qual se seguem os ensaios mecânicos obrigatórios

Biomechanical mechanisms underlying exosuit-induced improvements in walking economy after stroke

Stroke-induced hemiparetic gait is characteristically asymmetric and metabolically expensive. Weakness and impaired control of the paretic ankle contribute to reduced forward propulsion and ground clearance—walking subtasks critical for safe and efficient locomotion. Targeted gait interventions that improve paretic ankle function after stroke are therefore warranted. We have developed textile-based, soft wearable robots that transmit mechanical power generated by off-board or body-worn actuators to the paretic ankle using Bowden cables (soft exosuits) and have demonstrated the exosuits can overcome deficits in paretic limb forward propulsion and ground clearance, ultimately reducing the metabolic cost of hemiparetic walking. This study elucidates the biomechanical mechanisms underlying exosuit-induced reductions in metabolic power. We evaluated the relationships between exosuit-induced changes in the body center of mass (COM) power generated by each limb, individual joint powers, and metabolic power. Compared to walking with an exosuit unpowered, exosuit assistance produced more symmetrical COM power generation during the critical period of the step-to-step transition (22.4±6.4% more symmetric). Changes in individual limb COM power were related to changes in paretic (R2= 0.83, P= 0.004) and nonparetic (R2= 0.73, P= 0.014) ankle power. Interestingly, despite the exosuit providing direct assistance to only the paretic limb, changes in metabolic power were related to changes in nonparetic limb COM power (R2= 0.80, P= 0.007), not paretic limb COM power (P> 0.05). These findings provide a fundamental understanding of how individuals poststroke interact with an exosuit to reduce the metabolic cost of hemiparetic walking.Accepted manuscript2019-03-0

Quantifying Performance of Bipedal Standing with Multi-channel EMG

Spinal cord stimulation has enabled humans with motor complete spinal cord injury (SCI) to independently stand and recover some lost autonomic function. Quantifying the quality of bipedal standing under spinal stimulation is important for spinal rehabilitation therapies and for new strategies that seek to combine spinal stimulation and rehabilitative robots (such as exoskeletons) in real time feedback. To study the potential for automated electromyography (EMG) analysis in SCI, we evaluated the standing quality of paralyzed patients undergoing electrical spinal cord stimulation using both video and multi-channel surface EMG recordings during spinal stimulation therapy sessions. The quality of standing under different stimulation settings was quantified manually by experienced clinicians. By correlating features of the recorded EMG activity with the expert evaluations, we show that multi-channel EMG recording can provide accurate, fast, and robust estimation for the quality of bipedal standing in spinally stimulated SCI patients. Moreover, our analysis shows that the total number of EMG channels needed to effectively predict standing quality can be reduced while maintaining high estimation accuracy, which provides more flexibility for rehabilitation robotic systems to incorporate EMG recordings

Otimização muscle-in-the-loop em tempo real para reabilitação física com um exosqueleto ativo: uma mudança de paradigma

Assisting human locomotion with a wearable robotic orthosis is still quite challenging, largely due to the complexity of the neuromusculoskeletal system, the time-varying dynamics that accompany motor adaptation, and the uniqueness of every individual’s response to the assistance given by the robot. To this day, these devices have not met their well-known promise yet, mostly due to the fact that they are not perfectly suitable for the rehabilitation of neuropathologic patients. One of the main challenges hampering this goal still relies on the interface and co-dependency between the human and the machine. Nowadays, most commercial exoskeletons replay pre-defined gait patterns, whereas research exoskeletons are switching to controllers based on optimized torque profiles. In most cases, the dynamics of the human musculoskeletal system are still ignored and do not take into account the optimal conditions for inducing a positive modulation of neuromuscular activity. This is because both rehabilitation strategies are still emphasized on the macro level of the whole joint instead of focusing on the muscles’ dynamics and activity, which are the actual anatomical elements that may need to be rehabilitated. Strategies to keep the human in the loop of the exoskeleton’s control laws in real-time may help to overcome these challenges. The main purpose of the present dissertation is to make a paradigm shift in the approach on how the assistance that is given to a subject by an exoskeleton is modelled and controlled during physical rehabilitation. Therefore, in the scope of the present work, it was intended to design, concede, implement, and validate a real-time muscle-in-the-loop optimization model to find the best assistive support ratio that would induce optimal rehabilitation conditions to a specific group of impaired muscles while having a minimum impact on the other healthy muscles. The developed optimization model was implemented in the form of a plugin and was integrated on a neuromechanical model-based interface for driving a bilateral ankle exoskeleton. Experimental pilot tests evaluated the feasibility and effectiveness of the model. Results of the most significant pilots achieved EMG reductions up to 61 ± 3 % in Soleus and 41 ± 10 % in Gastrocnemius Lateralis. Moreover, results also demonstrated the efficiency of the optimization’s specific reduction on rehabilitation by looking into the muscular fatigue after each experiment. Finally, two parallel preliminary studies emerged from the pilots, which looked at muscle adaptation, after a new assistive condition had been applied, over time and at the effect of the lateral positioning of the exoskeleton’s actuators on the leg muscles.Auxiliar a locomoção humana com uma ortose robótica ainda é bastante desafiante, em grande parte devido à complexidade do sistema neuromusculoesquelético, à dinâmica variável no tempo que acompanha a adaptação motora e à singularidade da resposta de cada indivíduo à assistência dada pelo robô. Até hoje, está por cumprir a promessa inicial destes dispositivos, principalmente devido ao facto de não serem perfeitamente adequados para a reabilitação de pacientes neuropatológicos. Um dos principais desafios que dificultam esse objetivo foca-se ainda na interface e na co-dependência entre o ser humano e a máquina. Hoje em dia, a maioria dos exoesqueletos comerciais reproduz padrões de marcha predefinidos, enquanto que os exoesqueletos em investigação estão só agora a mudar para controladores com base em perfis de binário otimizados. Na maioria dos casos, a dinâmica do sistema musculoesquelético humano ainda é ignorada e não tem em consideração as condições ideais para induzir uma modulação positiva da atividade neuromuscular. Isso ocorre porque ambas as estratégias de reabilitação ainda são enfatizadas no nível macro de toda a articulação, em vez de se concentrar na dinâmica e atividade dos músculos, que são os elementos anatómicos que realmente precisam de ser reabilitados. Estratégias para manter o ser humano em loop nos comandos que controlam o exoesqueleto em tempo real podem ajudar a superar estes desafios. O principal objetivo desta dissertação é fazer uma mudança de paradigma na abordagem em como a assistência que é dada a um sujeito por um exosqueleto é modelada e controlada durante a reabilitação física. Portanto, no contexto do presente trabalho, pretendeu-se projetar, conceder, implementar e validar um modelo de otimização muscle-in-the-loop em tempo real para encontrar a melhor relação de suporte capaz de induzir as condições ideais de reabilitação para um grupo específico de músculos fragilizados, tendo um impacto mínimo nos outros músculos saudáveis. O modelo de otimização desenvolvido foi implementado na forma de um plugin e foi integrado numa interface baseada num modelo neuromecânico para o controlo de um exoesqueleto bilateral de tornozelo. Testes experimentais piloto avaliaram a viabilidade e a eficácia do modelo. Os resultados dos testes mais significativos demonstraram reduções de EMG de até 61 ± 3 % no Soleus e 41 ± 10 % no Gastrocnemius Lateral. Adicionalmente, os resultados demonstraram também a eficiência em reabilitação da redução específica no EMG devido à otimização tendo em conta a fadiga muscular após cada teste. Finalmente, dois estudos preliminares paralelos emergiram dos testes piloto, que analisaram a adaptação muscular após uma nova condição assistiva ter sido definida ao longo do tempo e o efeito do posicionamento lateral dos atuadores do exoesqueleto nos músculos da perna.Mestrado em Engenharia Biomédic