Voluntary Ambulation by Upper Limb-Triggered HAL® in Patients with Complete Quadri/Paraplegia Due to Chronic Spinal Cord Injury

Patients with complete paraplegia after spinal cord injury (SCI) are unable to stand or walk on their own. Standing exercise decreases the risk of decubitus ulcers, osteoporosis, and joint deformities in patients with SCI. Conventional gait training for complete paraplegia requires excessive upper limb usage for weight bearing and is difficult in cases of complete quadriplegia. The purpose of this study was to describe voluntary ambulation triggered by upper limb activity using the Hybrid Assistive Limb® (HAL) in patients with complete quadri/paraplegia after chronic SCI. Four patients (3 men, 1 woman) were enrolled in this study. The mean patient age ± standard deviation was 37.2 ± 17.8 (range, 20–67) years. Clinical evaluation before intervention revealed the following findings: case 1, neurological level C6, American Spinal Cord Injury Association impairment scale (AIS) grade B; case 2, T6, AIS A; case 3, T10 AIS A; and case 4, T11, AIS A. The HAL intervention consisted of 10 sessions. Each HAL session lasted 60–90 min. The HAL electrodes for hip and knee flexion-extension were placed on the anterior and posterior sides of the upper limbs contralaterally corresponding to each of the lower limbs. Surface electromyography (EMG) was used to evaluate muscle activity of the tensor fascia lata and quadriceps femoris (Quad) in synchronization with a Vicon motion capture system. The modified Ashworth scale (mAs) score was also evaluated before and after each session. All participants completed all 10 sessions. Cases 1, 2, and 3 demonstrated significant decreases in mAs score after the sessions compared to pre-session measurements. In all cases, EMG before the intervention showed no apparent activation in either Quad. However, gait phase dependent activity of the lower limb muscles was seen during voluntarily triggered ambulation driven by upper limb muscle activities. In cases 3 and 4, active contraction in both Quads was observed after intervention. These findings suggest that upper-limb-triggered HAL ambulation is a safe and feasible option for rehabilitation in patients with complete quadri/paraplegia caused by chronic SCI

Robotic Home-Based Rehabilitation Systems Design: From a Literature Review to a Conceptual Framework for Community-Based Remote Therapy During COVID-19 Pandemic

During the COVID-19 pandemic, the higher susceptibility of post-stroke patients to infection calls for extra safety precautions. Despite the imposed restrictions, early neurorehabilitation cannot be postponed due to its paramount importance for improving motor and functional recovery chances. Utilizing accessible state-of-the-art technologies, home-based rehabilitation devices are proposed as a sustainable solution in the current crisis. In this paper, a comprehensive review on developed home-based rehabilitation technologies of the last 10 years (2011–2020), categorizing them into upper and lower limb devices and considering both commercialized and state-of-the-art realms. Mechatronic, control, and software aspects of the system are discussed to provide a classified roadmap for home-based systems development. Subsequently, a conceptual framework on the development of smart and intelligent community-based home rehabilitation systems based on novel mechatronic technologies is proposed. In this framework, each rehabilitation device acts as an agent in the network, using the internet of things (IoT) technologies, which facilitates learning from the recorded data of the other agents, as well as the tele-supervision of the treatment by an expert. The presented design paradigm based on the above-mentioned leading technologies could lead to the development of promising home rehabilitation systems, which encourage stroke survivors to engage in under-supervised or unsupervised therapeutic activities

Adaptive control for wearable robots in human-centered rehabilitation tasks

Robotic rehabilitation therapies have been improving by providing the needed assistance to the patient, in a human-centered environment, and also helping the therapist to choose the necessary procedure. This thesis presents an adaptive "Assistance-as-needed" strategy which adheres to the specific needs of the patient and with the inputs from the therapist, whenever needed. The exertion of assistive and responsive behavior of the lower limb wearable robot is dedicated for the rehabilitation of incomplete spinal cord injury (SCI) patients. The main objective is to propose and evaluate an adaptive control model on a wearable robot, assisting the user and adhering to their needs, with no or less combination of external devices. The adaptation must be more interactive to understand the user needs and their volitional orders. Similarly, by using the existing muscular strength, in incomplete SCI patients, as a motivation to pursue the movement and assist them, only when needed. The adaptive behavior of the wearable robot is proposed by monitoring the interaction and movement of the user. This adaptation is achieved by modulating the stiffness of the exoskeleton in function of joint parameters, such as positions and interaction torques. These joint parameters are measured from the user independently and then used to update the new stiffness value. The adaptive algorithm performs with no need of external sensors, making it simple in terms of usage. In terms of rehabilitation, it is also desirable to be compatible with combination of assistive devices such as muscle stimulation, neural activity (BMI) and body balance (Wii), to deliver a user friendly and effective therapy. Combination of two control approaches has been employed, to improve the efficiency of the adaptive control model and was evaluated using a wearable lower limb exoskeleton device, H1. The control approaches, Hierarchical and Task based approach have been used to assist the patient as needed and simultaneously motivate the patient to pursue the therapy. Hierarchical approach facilitates combination of multiple devices to deliver an effective therapy by categorizing the control architecture in two layers, Low level and High level control. Task-based approaches engage in each task individually and allow the possibility to combine them at any point of time. It is also necessary to provide an interaction based approach to ensure the complete involvement of the user and for an effective therapy. By means of this dissertation, a task based adaptive control is proposed, in function of human-orthosis interaction, which is applied on a hierarchical control scheme. This control scheme is employed in a wearable robot, with the intention to be applied or accommodated to different pathologies, with its adaptive capabilities. The adaptive control model for gait assistance provides a comprehensive solution through a single implementation: Adaptation inside a gait cycle, continuous support through gait training and in real time. The performance of this control model has been evaluated with healthy subjects, as a preliminary study, and with paraplegic patients. Results of the healthy subjects showed a significant change in the pattern of the interaction torques, elucidating a change in the effort and adaptation to the user movement. In case of patients, the adaptation showed a significant improvement in the joint performance (flexion/extension range) and change in interaction torques. The change in interaction torques (positive to negative) reflects the active participation of the patient, which also explained the adaptive performance. The patients also reported that the movement of the exoskeleton is flexible and the walking patterns were similar to their own distinct patterns. The presented work is performed as part of the project HYPER, funded by Ministerio de Ciencia y Innovación, Spain. (CSD2009 - 00067 CONSOLIDER INGENIOLas terapias de rehabilitación robóticas han sido mejoradas gracias a la inclusión de la asistencia bajo demanda, adaptada a las variaciones de las necesidades del paciente, así como a la inclusión de la ayuda al terapeuta en la elección del procedimiento necesario. Esta tesis presenta una estrategia adaptativa de asistencia bajo demanda, la cual se ajusta a las necesidades específicas del paciente junto a las aportaciones del terapeuta siempre que sea necesario. El esfuerzo del comportamiento asistencial y receptivo del robot personal portátil para extremidades inferiores está dedicado a la rehabilitación de pacientes con lesión de la médula espinal (LME) incompleta. El objetivo principal es proponer y evaluar un modelo de control adaptativo en un robot portátil, ayudando al usuario y cumpliendo con sus necesidades, en ausencia o con reducción de dispositivos externos. La adaptación debe ser más interactiva para entender las necesidades del usuario y sus intenciones u órdenes volitivas. De modo similar, usando la fuerza muscular existente (en pacientes con LME incompleta) como motivación para lograr el movimiento y asistirles solo cuando sea necesario. El comportamiento adaptativo del robot portátil se propone mediante la monitorización de la interacción y movimiento del usuario. Esta adaptación conjunta se consigue modulando la rigidez en función de los parámetros de la articulación, tales como posiciones y pares de torsión. Dichos parámetros se miden del usuario de forma independiente y posteriormente se usan para actualizar el nuevo valor de la rigidez. El desempeño del algoritmo adaptativo no requiere de sensores externos, lo que favorece la simplicidad de su uso. Para una adecuada rehabilitación, efectiva y accesible para el usuario, es necesaria la compatibilidad con diversos mecanismos de asistencia tales como estimulación muscular, actividad neuronal y equilibrio corporal. Para mejorar la eficiencia del modelo de control adaptativo se ha empleado una combinación de dos enfoques de control, y para su evaluación se ha utilizado un exoesqueleto robótico H1. Los enfoques de control Jerárquico y de Tarea se han utilizado para ayudar al usuario según sea necesario, y al mismo tiempo motivarle para continuar el tratamiento. Enfoque jerárquico facilita la combinación de múltiples dispositivos para ofrecer un tratamiento eficaz mediante la categorización de la arquitectura de control en dos niveles : el control de bajo nivel y de alto nivel. Los enfoques basados en tareas involucran a la persona en cada tarea individual, y ofrecen la posibilidad de combinarlas en cualquier momento. También es necesario proporcionar un enfoque basado en la interacción con el usuario, para asegurar su participación y lograr así una terapia eficaz. Mediante esta tesis, proponemos un control adaptativo basado en tareas y en función de la interacción persona-ortesis, que se aplica en un esquema de control jerárquico. Este esquema de control se emplea en un robot portátil, con la intención de ser aplicado o acomodado a diferentes patologías, con sus capacidades de adaptación. El modelo de control adaptativo propuesto proporciona una solución integral a través de una única aplicación: adaptación dentro de la marcha y apoyo continúo a través de ejercicios de movilidad en tiempo real. El rendimiento del modelo se ha evaluado en sujetos sanos según un estudio preliminar, y posteriormente también en pacientes parapléjicos. Los resultados en sujetos sanos mostraron un cambio significativo en el patrón de los pares de interacción, elucidando un cambio en la energía y la adaptación al movimiento del usuario. En el caso de los pacientes, la adaptación mostró una mejora significativa en la actuación conjunta (rango de flexión / extensión) y el cambio en pares de interacción. El cambio activo en pares de interacción (positivo a negativo) refleja la participación activa del paciente, lo que también explica el comportamiento adaptativo

Proposal of air compressing device using walking vibration energy regeneration for pneumatic driven assistive device

Pneumatically driven wearable assistive devices for walking have been developed recently. These devices can achieve flexible assistance without control; however, they require large and heavy air compressors for activation. In this study, a pneumatically driven source using vibration energy regeneration from walking was developed. The aim was to activate the cylinder using vibrations due to walking and compressed air. A mass element, which is connected to a human body via a spring and a cylinder, vibrates along with the human gait cycle. Next, a prototype was developed and tested. In walking experiments, stored pressure was measured at several gait cycles and masses for comparison. Results indicate that the gait cycle period and masses affect the stored pressure; the highest pressure recorded was 0.08 MPa

Robotic exoskeleton with an assist-as-needed control strategy for gait rehabilitation after stroke

Stroke is a loss of brain function caused by a disturbance on the blood supply to the brain. The main consequence of a stroke is a serious long-term disability, and it affects millions of people around the world every year. Motor recovery after stroke is primarily based on physical therapy and the most common rehabilitation method focuses on the task specific approach. Gait is one of the most important daily life activity affected in stroke victims, leading to poor ambulatory activity. Therefore, much effort has been devoted to improve gait rehabilitation. Traditional gait therapy is mostly based on treadmill training, with patient’s body weight partially supported by a harness system. Physical therapists need to manually assist patients in the correct way to move their legs. However, this technique is usually very exhausting for therapists and, as a result, the training duration is limited by the physical conditions of the therapists themselves. Moreover, multiple therapists are required to assist a single patient on both legs, and it is very difficult to coordinate and properly control the body segments of interest. In order to help physical therapists to improve the rehabilitation process, robotic exoskeletons can come into play. Robotics exoskeletons consist of mechatronic structures attached to subject’s limbs in order to assist or enhance movements. These robotic devices have emerged as a promising approach to restore gait and improve motor function of impaired stroke victims, by applying intensive and repetitive training. However, active subject participation during the therapy is paramount to many of the potential recovery pathways and, therefore, it is an important feature of the gait training. To this end, robotics devices should not impose fixed limb trajectories while patient remains passive. These have been the main motivations for the research of this dissertation. The overall aim was to generate the necessary knowledge to design, develop and validate a novel lower limb robotic exoskeleton and an assist-as-needed therapy for gait rehabilitation in post-stroke patients. Research activities were conducted towards the development of the hardware and the control methods required to prove the concept with a clinical evaluation. The first part of the research was dedicated to design and implement a lightweight robotic exoskeleton with a comfortable embodiment to the user. It was envisioned as a completely actuated device in the sagittal plane, capable of providing the necessary torque to move the hip, knee and ankle joints through the walking process. The device, that does not extend above mid-abdomen and requires nothing to be worn over the shoulders or above the lower back, presumably renders more comfort to the user. Furthermore, the robotic exoskeleton is an autonomous device capable of overground walking, aiming to motivate and engage patients by performing gait rehabilitation in a real environment. The second research part was devoted to implement a control approach that assist the patient only when needed. This method creates a force field that guides patient’s limb in a correct trajectory. In this way, the robotic exoskeleton only applies forces when the patient deviates from the trajectory. The force field provides haptic feedback that is processed by the patient, thus leading to a continuous improvement of the motor functions. Finally, research was conducted to evaluate the robotic exoskeleton and its control approach in a clinical study with post-stroke patients. This study aimed to be a proof-of-concept of all design and implementation applied to a real clinical rehabilitation scenario. Several aspects were evaluated: the robotic exoskeleton control performance, patients’ attitudes and motivation towards the use of the device, patients’ safety and tolerance to the intensive robotic training and the impact of the robotic training on the walking function of the patients. Results have shown that the device is safe, easy to use and have positive impact on walking functions. The patients tolerated the walking therapy very well and were motivated by training with the device. These results motivate further research on overground walking therapy for stroke rehabilitation with the robotic exoskeleton. The work presented in this dissertation comprises all the way from the research to implementation and evaluation of a final device. The technology resulting from the work presented here has been transferred to a spin-o↵ company, which is now commercializing the device in different countries as a research tool to be used in clinical studies.Un accidente cerebrovascular es una pérdida de la función cerebral causada por una perturbación en el suministro sanguíneo al cerebro. La principal consecuencia de esta enfermedad es una grave discapacidad a largo plazo, que afecta a millones de personas en todo el mundo a cada año. La recuperación motora después de un accidente cerebrovascular se basa principalmente en la terapia física, y el método de rehabilitación más frecuente se centra en un entrenamiento específico. La marcha es una de las más importantes actividades de la vida diaria afectada por un accidente cerebrovascular, conduciendo a una capacidad ambulatoria deficiente. Debido a eso, mucho esfuerzo se ha dedicado a la rehabilitación de la marcha. La terapia tradicional de la marcha se basa principalmente en el entrenamiento en cinta rodante, con descarga de peso parcial usando un sistema de arnés. Los fisioterapeutas ayudan manualmente a los pacientes a mover sus piernas en la forma correcta. Sin embargo, esta técnica suele ser muy extenuante para los terapeutas, limitando la duración de la terapia por las condiciones físicas de estos. Además, se requieren múltiples terapeutas para asistir a un solo paciente en ambas piernas, siendo muy difícil de coordinar y controlar adecuadamente los segmentos corporales de interés. Con el fin de ayudar a los terapeutas físicos a mejorar el proceso de rehabilitación, los exosqueletos robóticos pueden ser muy útiles. Los exoesqueletos robóticos consisten en estructuras mecatrónicas conectadas a las extremidades del usuario, con el fin de asistir sus movimientos. Estos dispositivos robóticos han surgido como una forma prometedora de restaurar la marcha y mejorar la función motora en víctimas de accidentes cerebrovasculares, aplicando un entrenamiento intensivo y repetitivo. Sin embargo, la participación activa del paciente en la terapia es primordial para muchas de las posibles vías de recuperación y, por lo tanto, es una característica importante del entrenamiento de la marcha. Para este fin, los dispositivos robóticos no deben imponer trayectorias fijas en las extremidades del paciente mientras este permanece pasivo. Estos desafíos en los procesos de rehabilitación han sido la principal motivación para la investigación en esta tesis doctoral. El objetivo principal es generar los conocimientos necesarios para diseñar, desarrollar y validar un exoesqueleto robótico y una terapia de asistencia bajo demanda para la rehabilitación de la marcha en pacientes tras un accidente cerebrovascular. Actividades de investigación fueron llevadas a cabo para el desarrollo del hardware y de los métodos de control necesarios para una prueba de concepto mediante una evaluación clínica. La primera parte de la investigación fue dedicada a diseñar e implementar un exoesqueleto robótico ligero y cómodo para el usuario. Fue concebido un dispositivo completamente actuado en el plano sagital, capaz de proporcionar el par necesario para mover las articulaciones de la cadera, rodilla y tobillo durante la marcha. El dispositivo no se extiende por encima de mitad del abdomen y no requiere llevar nada sobre los hombros o en el tronco, proporcionando más comodidad al usuario. Además, el exoesqueleto robótico es un dispositivo autónomo capaz de asistir marcha ambulatoria, con el objetivo de motivar a los pacientes por medio de rehabilitación en un entorno real. La segunda parte de la investigación fue dedicada a implementar una estrategia de control para ayudar al paciente bajo demanda. El método crea un campo de fuerzas que guía la extremidad del paciente en la trayectoria correcta. De esta manera, el exoesqueleto robótico sólo aplica fuerzas cuando el paciente se desvía de la trayectoria. El campo de fuerza proporciona retroalimentación háptica que es procesada por el paciente, lo que conduce a una mejora continua de las funciones motoras. Por último, fue llevada a cabo una investigación para evaluar el exoesqueleto robótico y su estrategia de control en un estudio clínico con pacientes que han sufrido un accidente cerebrovascular. Este estudio fue una prueba de concepto del diseño y de la implementación del dispositivo aplicada a un escenario de rehabilitación clínica real. Se evaluaron varios aspectos: el desempeño de la estrategia de control, las actitudes y motivación de los pacientes hacia el uso del dispositivo, la seguridad del paciente y su tolerancia a la terapia robótica intensiva y el impacto de la rehabilitación en la marcha de los pacientes. Los resultados han demostrado que el dispositivo es seguro, fácil de usar y tiene un impacto positivo en la marcha. Los pacientes toleraron la terapia robótica muy bien y estuvieron motivados por el entrenamiento con el dispositivo. Estos resultados motivan a seguir la investigación con el exoesqueleto robótico aplicado a la rehabilitación de marcha en pacientes que han sufrido un accidente cerebrovascular. El trabajo presentado en esta tesis doctoral comprende todo el camino desde la investigación hasta la ejecución y evaluación de un dispositivo terminado. La tecnología resultante del trabajo que aquí se presenta ha sido transferida a una empresa spin-off, que ahora está comercializando el dispositivo en diferentes países como una herramienta de investigación para ser utilizada en estudios clínicos.Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y AutomáticaPresidente: Luís Enrique Moreno Lorente.-Secretario: Juan Aranda López.-Vocal: Jose María Azorín Poved