Development of an exoskeleton model in a neurorehabilittion perspective

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017A locomoção é uma tarefa de grande importância na vida das pessoas. Ainda que pareça uma tarefa simples, andar é um exercício complexo que envolve controlo nervoso a fim de ativar os músculos e criar um movimento coordenado. Embora exista variabilidade natural nos padrões de marcha de indivíduos saudáveis, é possível definir um padrão “normal”. O mínimo distúrbio a nível neuromuscular que afete a marcha de um individuo resulta na perturbação da qualidade de vida do mesmo, podendo mesmo condicionar a sua independência. Paralisia Cerebral, Esclerose Lateral Amiotrófica e Parkinson são algumas das doenças que podem afetar o padrão normal da marcha. Outra condição que pode desencadear alterações é o Acidente Vascular Cerebral (AVC), de acordo com a com a Organização Mundial de Saúde, cerca de 15 milhões de pessoas em cada ano sofrem um AVC, das quais 50% sofrem alterações da marcha não permanentes. Cada uma das condições mencionadas provoca alterações diferentes à marcha normal permitindo a definição de padrões de marcha de acordo com a condição que os afeta. Por norma, o tratamento mais utilizado para distúrbios da marcha é reabilitação motora que consiste na realização repetida de exercícios que permitem a estimulação dos músculos de forma a que voltem a estar ativos. Ao longo do tempo as técnicas de reabilitação motora foram evoluindo e recentemente a engenharia uniu-se à medicina para originar uma nova área: a Reabilitação Robótica. Esta área faz uso de tecnologias robóticas com o objetivo de proporcionar um tratamento mais personalizado e adequado a cada paciente, beneficiando assim quer o paciente, quer os terapeutas. Embora ainda esteja em crescimento, esta área tem já demonstrado um grande potencial. O Exoesqueleto é um dispositivo robótico que começou por ser usado em fins militares de forma a aumentar a capacidade que cada soldado carrega, é agora bastante utilizado na Reabilitação Robótica. Este dispositivo estimula o paciente a andar e vai apoiando conforme necessário, respondendo ao paradigma ajudar tanto quanto necessário, ou seja, o dispositivo ajuda o paciente a caminhar, dando-lhe apenas o impulso necessário para que este consiga prosseguir, tendo como objetivo final deixar de ser necessário enviar este impulso. Este procedimento é determinado pela estrutura de controlo do exosqueleto que consiste na estratégia que rege e define o comportamento do dispositivo robótico de acordo com a informação que os sensores do mesmo lhe fornecem. Por exemplo, existem controlos de posição, em que o exosqueleto conhece uma trajetória de padrão normal e ajusta a posição do paciente mediante a diferença que deteta entre a posição dita atual e a posição de referência. A estratégia de controlo desempenha também um papel muito importante no âmbito da Reabilitação Robótica, é claro que os pacientes beneficiam de terapias o mais personalizadas possível, no entanto, o desenvolvimento de uma estratégia de controlo é um processo moroso e que envolve recursos. Uma possível solução para esta limitação é a simulação, que consiste na imitação de um processo ou sistema do mundo real em função do tempo, sendo usado para processos de otimização, testes, treinos e engenharia de segurança. Tendo isto em conta, simulação seria uma forma rápida e económica de estudar novas estratégias de controlo ou até otimizar já existentes. O objetivo deste trabalho consistiu em desenvolver um modelo capaz de realizar simulações de um exosqueleto, mais especificamente do exosqueleto H1, desenvolvido ao abrigo do projeto HYPER. Este modelo foi desenvolvido em OpenSim, um simulador de uso livre desenvolvido pelo National Center for Simulation in Rehabilitation Research (NCSRR), Stanford University, USA. Este simulador é usado maioritariamente para projetos na área da biomecânica com especial enfoque para o estudo do comportamento de sistemas músculo-esqueléticos. Primeiramente, foi efetuado um estudo intensivo sobre padrões de marcha, de forma a perceber quais as condições que podem afetar a marcha de um individuo. Este estudo apresenta a definição de alguns padrões de marcha como: (1) Padrão Normal, (2) Padrão Hemiplégico, causado por AVC, (3) Padrão Diplégico, causado por Paralisia Cerebral, (4)Padrão Neuropático, causado por Esclerose Lateral Amiotrófica, (5) Padrão Miotrófico, causado por Distrofia Muscular, (6)Padrão Parkinsoniano, causado pela doença de Parkinson. Além disto, foi realizada uma pesquisa bibliográfica de forma a conhecer o estado da arte das estratégias de controlo usadas na área de Reabilitation Robótica. Conhecer as características de um padrão de marcha, bem como dos controladores existentes é importante na medida em pode ser interessante desenvolver estratégias de controlo de acordo com o padrão de marcha ou pelo menos conhecer que padrões se devem ajustar para uma terapia mais eficaz de acordo com a condição que afeta o paciente. A construção deste modelo iniciou-se no SolidWorks, um software de desenho assistido por computador, onde o sistema foi modelado de acordo com as propriedades físicas do H1, seguindo-se modelação por código em XML. Após a construção, o modelo foi validado. Para efetuar esta validação foram efetuadas provas estáticas e em movimento com o exosqueleto, tendo sido recolhidos os seguintes dados: ângulos e momento de cada articulação. Os momentos recolhidos nestas provas foram depois comparados com os momentos calculados com a ferramenta Inverse Dynamics do OpenSim, que usou como dados de entrada os ângulos de cada articulação. O modelo construído, denominado Exoskeleton, foi depois integrado num novo modelo em conjunto com um modelo já disponível na base de dados OpenSim, o 3DGait2392. A junção destes modelos deu origem ao ExoBody, um modelo que permite estudar a interação entre o dispositivo robótico e o paciente. Apesar de este modelo não ter passado por um processo de validação análogo ao do Exoskeleton, foi usado para um pequeno estudo de marcha onde se comparou a marcha de um individuo saudável com um paciente de AVC com e sem o uso do exosqueleto. Para a realização deste estudo foram utilizados data sets disponíveis online na base de dados OpenSim, estando já preparados para ser usados como dados de entrada das ferramentas Inverse Kinemaitcs e Inverse Dynamics. A Inverse Kynematics é uma ferramente que calcula para cada instante de tempo a posição do modelo que melhor corresponde à posição experimental, sendo esta determinada por marcadores por norma colocados na pele do individuo em estudo. A Inverse Dynamics, por sua vez, determina as forças generalizadas responsáveis por um determinado movimento em cada articulação. Ambos os modelos construídos são capazes de realizar simulações no OpenSim sem gerar erros de sistema e dentro de tempos computacionais considerados normais. Tal como esperado, a comparação entre os dados experimentais e os dados simulados referentes ao modelo Exoskeleton foram concordantes e por isso o modelo foi validado com sucesso. Considerando o ExoBody model, os resultados apresentados evidenciam diferenças entre os padrões de marcha e também é possível verificar diferenças aquando do uso do exosqueleto ou sem o mesmo. Posto isto, é possível concluir que os objetivos deste trabalho foram alcançados com sucesso uma vez que se desenvolveu o modelo que permite a simulação do exosqueleto bem como a sua personalização, adição de componentes como atuadores ou controladores. É importante referir que o modelo Exoskeleton tem algumas limitações, nomeadamente referentes ao design do mesmo que poderá ser melhorado. Partindo deste trabalho, novos desafios podem ser enfrentados na perspetiva de continuar a melhorar e abrir horizontes na Reabilitação Robótica, nomeadamente, seria importante fazer uma validação do ExoBody incluindo um estudo de forças de reação.Locomotion plays a very important role in a person’s life. Although healthy individuals show natural variability in gait patterns, it is possible to define an acceptable pattern for “normal gait”. However, some pathologies as Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS), Spinal Cord Injury (SCI), Stroke or others can induce abnormal gait patterns that can limit the life of a person, making him/her dependent of others and consequently reducing his/hers quality of life. Robotics rehabilitation therapies are a growing solution that intends to revert or diminish the impairments in gait. The use of robotic devices, such as exoskeletons, cover some limitations of the traditional therapeutic methods, which is a great benefit for both patients and therapists. Furthermore, the application of an adequate treatment in these patients can be improved with the understanding of how the pathology affects the individual and through the development of specific solutions for each patient. Nowadays, computational dynamic simulations have great potential and help researchers to find optimal and personalized solutions for each patient. Thus, the present work describes the development of an exoskeleton model in a neurorehabilitation perspective. First of all, a detailed description of gait patterns is presented, followed by the state of the art in robotics rehabilitation, considering that this field contains very powerful solutions for gait disorders. The model was developed in OpenSim, an open source software dedicated to model musculoskeletal systems and dynamic simulations of movement. In order to verify the accuracy of the model, experimental data were collected in static and motion trials performed with the wearable robot and afterwards compared with the simulated data resultant from Inverse Dynamics, a tool from OpenSim. The Exoskeleton model was successfully validated and then integrated in a new model, named ExoBody, within a musculoskeletal model. The ExoBody model was used to perform gait analysis comparing simulations with and without the exoskeleton, revealing some differences. Even though the built models present limitations, this work represents a step-forward in human-centered rehabilitation

Rehabilitation Engineering

Population ageing has major consequences and implications in all areas of our daily life as well as other important aspects, such as economic growth, savings, investment and consumption, labour markets, pensions, property and care from one generation to another. Additionally, health and related care, family composition and life-style, housing and migration are also affected. Given the rapid increase in the aging of the population and the further increase that is expected in the coming years, an important problem that has to be faced is the corresponding increase in chronic illness, disabilities, and loss of functional independence endemic to the elderly (WHO 2008). For this reason, novel methods of rehabilitation and care management are urgently needed. This book covers many rehabilitation support systems and robots developed for upper limbs, lower limbs as well as visually impaired condition. Other than upper limbs, the lower limb research works are also discussed like motorized foot rest for electric powered wheelchair and standing assistance device

International Conference on NeuroRehabilitation 2012

This volume 3, number 2 gathers a set of articles based on the most outstanding research on accessibility and disability issues that was presented in the International Conference on NeuroRehabilitation 2012 (ICNR).The articles’ research present in this number is centred on the analysis and/or rehabilitation of body impairment most due to brain injury and neurological disorders.JACCES thanks the collaboration of the ICNR members and the research authors and reviewers that have collaborated for making possible that issue

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

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

Virtual reality based upper extremity stroke rehabilitation system.

Some studies suggest that the use of Virtual Reality technologies as an assistive technology in combination with conventional therapies can achieve improved results in post stroke rehabilitation. Despite the wealth of ongoing research applied to trying to build a virtual reality based system for upper extremity rehabilitation, there still exists a strong need for a training platform that would provide whole arm rehabilitation. In order to be practical such a system should ideally be low cost (affordable or inexpensive for a common individual or household) and involve minimal therapist involvement. This research outlines some of the applications of virtual reality that have undergone clinical trials with patients suffering from upper extremity functional motor deficits. Furthermore, this thesis presents the design, development, implementation and feasibility testing of a Virtual Reality-based Upper Extremity Stroke Rehabilitation System. Motion sensing technology has been used to capture the real time movement data of the upper extremity and a virtual reality glove has been used to track the flexion/extension of the fingers. A virtual room has been designed with an avatar of the human arm to allow a variety of training tasks to be accomplished. An interface has been established to incorporate the real time data from the hardware to a virtual scene running on a PC. Three different training scenes depicting a real world scenario have been designed. These have been used to analyze the motion patterns of the users while executing the tasks in the virtual environment simulation. A usability study with the healthy volunteers performing the training tasks have been undertaken to study the ease of use, ease of learning and improved motivation in the virtual environment. Moreover this system costing approximately 2725 pounds would provide home based rehabilitation of the whole arm augmenting conventional therapy on a positive level. Statistical analysis of the data and the evaluation studies with the self report methodologies suggests the feasibility of the system for post stroke rehabilitation in home environment

A system to provide guidance to stroke patients during independent physiotherapy

Stroke is a serious disease that leaves many sufferers physically disabled. Treatment resources are limited, meaning stroke patients, are in many cases, discharged prior to reaching their full potential of physical recovery. The hypothesis of this research is that a system that enables regular guided and monitored therapeutic exercises in the home can provide a means for stroke patients to achieve a higher level of physical rehabilitation. This research is based on the design, build and testing of an experimental prototype system to allow this, with the aim of investigating the feasibility and potential value for such systems. Any system to assist rehabilitation in the home must clearly be low cost, safe and easy to use. The prototype system therefore aimed to achieve these features as well as focusing on the upper limb. Literature is reviewed in the fields of stroke, human anatomy and mechanisms, motor performance, feedback during motor learning, and existing systems and technology. Interviews are also conducted with stroke physiotherapists to gain input and feedback on concepts that were generated. Although systems exist with similar aims to those mentioned in the hypothesis, there are some areas where investigation is lacking. The prototype system measures movement using a novel combination of gyro sensors and flex sensors. The prototype system is designed with a focus on the method of interaction with patients and the provision of guidance and feedback that simulates that provided by a physiotherapist. The prototype system also provides a unique combination of quantitative information to patients of their personal improvements and graphical feedback of their movements and target movements. Finally, a novel categorisation of movement synergism (a form of movement coordination) is established and a novel method for detecting movement synergism is developed and tested. Performance of the prototype hardware is tested, and it is concluded that identified requirements have been met, although variability of recorded data is high. Tests also indicate that the prototype system is capable of detecting movement synergism. Finally, a controlled test involving healthy participants is performed to investigate the efficacy of the prototype as a whole. It was found that use of the prototype system resulted in a statistically significant improvement in conformance to target movements (ρ < 0.05). Findings are discussed in detail and the hypothesis is concluded as being supported overall. Recommendations for future research are made