A unilateral robotic knee exoskeleton to assess the role of natural gait assistance in hemiparetic patients.

Background: Hemiparetic gait is characterized by strong asymmetries that can severely affect the quality of life of stroke survivors. This type of asymmetry is due to motor deficits in the paretic leg and the resulting compensations in the nonparetic limb. In this study, we aimed to evaluate the effect of actively promoting gait symmetry in hemiparetic patients by assessing the behavior of both paretic and nonparetic lower limbs. This paper introduces the design and validation of the REFLEX prototype, a unilateral active knee–ankle–foot orthosis designed and developed to naturally assist the paretic limbs of hemiparetic patients during gait. Methods: REFLEX uses an adaptive frequency oscillator to estimate the continuous gait phase of the nonparetic limb. Based on this estimation, the device synchronically assists the paretic leg following two different control strategies: (1) replicating the movement of the nonparetic leg or (2) inducing a healthy gait pattern for the paretic leg. Technical validation of the system was implemented on three healthy subjects, while the effect of the generated assistance was assessed in three stroke patients. The effects of this assistance were evaluated in terms of interlimb symmetry with respect to spatiotemporal gait parameters such as step length or time, as well as the similarity between the joint’s motion in both legs. Results: Preliminary results proved the feasibility of the REFLEX prototype to assist gait by reinforcing symmetry. They also pointed out that the assistance of the paretic leg resulted in a decrease in the compensatory strategies developed by the nonparetic limb to achieve a functional gait. Notably, better results were attained when the assistance was provided according to a standard healthy pattern, which initially might suppose a lower symmetry but enabled a healthier evolution of the motion of the nonparetic limb. Conclusions: This work presents the preliminary validation of the REFLEX prototype, a unilateral knee exoskeleton for gait assistance in hemiparetic patients. The experimental results indicate that assisting the paretic leg of a hemiparetic patient based on the movement of their nonparetic leg is a valuable strategy for reducing the compensatory mechanisms developed by the nonparetic limb.post-print6406 K

Diseño de una plataforma para analizar el efecto de la estimulación mecánica aferente en el temblor de pacientes con temblor esencial

[Resumen] Este documento describe una plataforma para analizar los efectos de la estimulación mecánica aferente en pacientes con Temblor Esencial (TE). El temblor esencial es una enfermedad caracterizada por provocar temblor bilateral, cinético y postural en antebrazos y manos del paciente. El propósito de la plataforma descrita es esclarecer el papel que juegan determinadas estructuras cerebrales en la génesis del temblor. Para ello se utilizan estimuladores piezoeléctricos capaces de generar una vibración mecánica controlada que estimule los corpúsculos de Paccini del paciente, así como sensores inerciales encargados de monitorizar los efectos que tiene esta estimulación en el temblor de los pacientes. El protocolo propuesto para seguir en los ensayos experimentales, así como el análisis de datos posterior son descritos también en este documento.Ministerio de Economía y Competitividad; DPI2015-72638-EX

Control strategy of a pseudo-stationary gait rehabilitation robot

[Resumen] La recuperación de la marcha es una prioridad para las personas con enfermedades neurológicas o lesión medular espinal. Los exoesqueletos actuales de reentrenamiento de la marcha implementan estrategias de control por seguimiento de la trayectoria o por asistencia según la necesidad, sin embargo, éstas no han mostrado aún ser superiores a la rehabilitación convencional de manera concluyente. En este artículo se presenta de forma conceptual la estrategia de control de un nuevo sistema robótico ambulatorio para la rehabilitación de la marcha basado en un exoesqueleto comercial, integrando módulos robóticos adicionales para proporcionar mayor libertad de movimiento al usuario y fomentar el control voluntario y la participación activa. De esta forma se espera que el sistema permita desarrollar de forma satisfactoria la terapia y, a futuro, favorezca la plasticidad neuronal y el aprendizaje motor.[Abstract] The restoration of gait is a priority for people with neurological disease or spinal cord injury. Current gait training exoskeletons implement path-following or assist-as-needed control strategies. However, they have not shown to be conclusively superior to conventional rehabilitation yet. This paper conceptually presents the control strategy of a new ambulatory robotic gait rehabilitation system based on a commercial exoskeleton. The system integrates additional robotic modules to provide more freedom to the user during motion and encourage voluntary control and active participation in the therapy. In this way, the system is expected to provide a successful therapy development and, in the future, to promote neural plasticity and motor learning.Ministerio de Ciencia e Innovación; PID2021-123657OB-C3

Control strategies for robotic exoskeletons to assist post-stroke hemiparetic gait through technology embodiment

Stroke survivors present several motor deficits that affect their independence and hamper daily life activities. Hemiparetic gait is the most common post-stroke motor impairment, and it is characterized by an asymmetric gait pattern, poor motor control and muscular weakness in the paretic leg. To deal with it, stroke survivors develop compensatory strategies to promote a functional and stable gait. Despite conventional therapies, hemiparetic gait is persistent in a major part of stroke survivors, and compensatory mechanisms, although required, may be responsible for musculoskeletal pathologies in the non-paretic leg (due to their major involvement during gait) and higher metabolic cost of walking (due to the development of less efficient gait patterns). In this context, where a large proportion of community-dwelling stroke patients require assistive devices to walk safely, this doctoral thesis presents a new robotic assistive paradigm for hemiparetic subjects. Hemiparetic gait impairments are not only a direct consequence of brain damage but also due to compensation mechanisms arisen to deal with such direct effects. The hypothesis of this work lies in assisting the impaired function to reduce the necessity of these compensations. If the assistance is properly integrated by the Nervous System, i.e., it is embodied, it will lead to the decrease of such compensatory strategies. The state-of-the-art exposed in this document reveals that a especially suitable technological approach to deliver this assistance would be a partial robotic exoskeleton, since they are lighter and their action is focused on the affected joint. However, as a counterpart, these devices need to be synchronized with the user's current gait through their control algorithms. This synchronization is critical for the embodiment of the technology as it relies on a predictable timing that matches with the user's pre-estimations. This document presents the technological developments required to evaluate the proposed hypothesis. A sensory system based on an Extended Kalman Filter that uses gyroscope and accelerometer data was developed and validated to monitor gait features that could serve as input for robotic exoskeletons control algorithms. Afterward, a new control paradigm for partial robotic exoskeletons was developed to promote gait symmetry by assisting the affected limb of hemiparetic patients according to the movement of the non-paretic leg. This new paradigm relies on the gait phase estimation of the sound leg calculated using an Adaptive Frequency Oscillator. In order to validate the above-mentioned control paradigm, the REFLEX prototype was developed. REFLEX is an active knee exoskeleton to promote gait symmetry following the proposed control strategy. Results of its preliminary validation with three stroke survivors pointed out the proper embodiment of the device since gait symmetry was increased, beyond purely compensating the disturbances introduced by the exoskeleton, due to modifications in the gait kinematics of both legs (assisted and unassisted). A second experimental test was carried out to evaluate the integration of REFLEX assistance in a bigger cohort of stroke survivors. Robot assistance was assessed in eight hemiparetic patients regarding their gait features, kinematics, and muscular activity. Although significant differences at the subject level were detected, inconclusive results were obtained in the group analysis. Further experiments and analyses were described as future work lines to determine the origin and requirements for a proper exoskeleton embodiment. This doctoral work has been carried out with the financial support of the Spanish Ministry of Universities under the Training Program for Academic Staff (FPU16/01313). ----------RESUMEN---------- Los pacientes de ictus presentan varios déficits motores que reducen su independencia y dificultan las tareas de su vida diaria. La marcha hemiparética es la consecuencia motora más común después de un ictus y se caracteriza por patrones de marcha asimétricos y por debilidad muscular y control motor deficiente en la pierna afecta. Para compensarlo, los pacientes desarrollan estrategias que logren una marcha funcional y estable. A pesar de las terapias convencionales, la marcha hemiparética es persistente en la mayor parte de pacientes y sus mecanismos de compensación, aunque necesarios, pueden suponer afecciones musculoesqueléticas en la pierna no parética (debido a su mayor implicación) y un mayor coste metabólico de la marcha (por el desarrollo de patrones menos eficientes). En este contexto, en el que gran parte de los pacientes ambulatorios de ictus necesitan dispositivos para caminar con seguridad, esta tesis doctoral presenta un nuevo paradigma de asistencia robótica para estos pacientes. Las deficiencias de la marcha hemiparética no son sólo consecuencia directa del daño cerebral, sino también de los mecanismos de compensación que palian estos efectos directos. La hipótesis de este trabajo reside en asistir las funciones afectas, reduciendo así la necesidad de dichas compensaciones. Si la asistencia prestada es debidamente integrada por el Sistema Nervioso, deberían disminuir los citados mecanismos de compensación. La revisión del estado del arte expuesta en este documento sugiere que un enfoque especialmente adecuado para prestar esta asistencia sería un exoesqueleto robótico parcial, por su bajo peso y su acción centrada en la función afecta. Sin embargo, estos dispositivos requieren ser coordinados con la marcha del usuario mediante sus algoritmos de control. Esta coordinación resulta crítica para que el usuario integre la acción de la tecnología, ya que esta integración reside en una temporización predecible que coincida con la estimación del usuario. Este documento presenta, en primer lugar, los desarrollos tecnológicos necesarios para evaluar la hipótesis propuesta. Se ha desarrollado y validado un sistema de sensores basado en un Filtro de Kalman Extendido que utiliza giroscopios y acelerómetros para medir características de la marcha que puedan servir como entrada de algoritmos de control de exoesqueletos. Posteriormente, se desarrolló un nuevo paradigma de control para exoesqueletos parciales que favorezca la simetría de la marcha al asistir la pierna parética de pacientes con hemiparesia de acuerdo al movimiento de su pierna no afecta. Este nuevo paradigma se basa en la estimación de la fase de la marcha en la pierna no parética mediante un Oscilador de Frecuencia Adaptativo. El prototipo REFLEX se ha desarrollado para validar dicho paradigma de control, se trata de un exoesqueleto de rodilla en el que se han implementado las estrategias de control propuestas. Los resultados de la validación preliminar con tres supervivientes de ictus señalan la correcta integración del dispositivo, ya que, más allá de compensar las perturbaciones por vestir el exoesqueleto, la simetría de la marcha aumentó debido a modificaciones en el movimiento de ambas piernas (no sólo de la asistida). Posteriormente, se realizó un segundo experimento para evaluar la integración de la asistencia prestada por REFLEX en un grupo mayor de pacientes hemiparéticos. Se evaluó la el efecto en ocho pacientes, atendiendo a las características de su marcha, su cinemática y su actividad muscular. Aunque se encontraron diferencias significativas individualmente, los resultados del análisis de grupo no fueron concluyentes. Como futuras líneas de trabajo, se proponen experimentos y análisis adicionales para determinar el origen y los requisitos para una correcta integración de los exoesqueletos robóticos. Este trabajo doctoral se ha llevado acabo con la financiación del Ministerio de Universidades del Gobierno de España, dentro del programa de Formación de Profesorado Universitario (FPU16/01313)

Strategies for Hemiparetic Gait Assistance Through an Active Knee Orthesis

[Resumen] La hemiparesia es una de las consecuencias motoras más comunes del accidente cerebrovascular. La marcha hemiparética está caracterizada por una fuerte asimetría, y los pacientes que la sufren desarrollan mecanismos de compensación para lograr una marcha funcional; no obstante, estos pacientes siguen requiriendo de dispositivos que asistan su marcha. En este documento proponemos dos estrategias para generar patrones de asistencia que sean implementados por una órtesis activa de rodilla. Ambas estrategias están basadas en la cinemática de la extremidad no afecta del usuario y se coordinan con su movimiento gracias a la estimación en tiempo real de la fase de la marcha. La generación de estos patrones de asistencia ha sido validada con datos experimentales de tres sujetos sanos. Los resultados obtenidos demuestran que la asistencia generada es acorde al movimiento del lado no afecto y está sincronizada con el movimiento del usuario.[Abstract] Hemiparesis in one of the most common consequences of stroke. Hemiparetic gait is characterized by a strong asymmetry and patients usually develop compensation mechanism to achieve a functional gait; however, these patients still need devices that assist their gait. In this document, we propose two strategies to generate assistive gait patterns for an active knee orthosis. Both strategies are based on the kinematics of the unimpaired limb and use a real-time gait phase estimation to synchronize the generated pattern with the movement of the user. We have validated these pattern generation with experimental data from three healthy subjects. Results point out that generated assistance is in accordance with the motion of the sound limb and it is synchronized with the movement of the user.Este trabajo ha sido financiado por los Programas de Actividades I+D en la Comunidad de Madrid y los Fondos Estructurales de la Unión Europea (Robocity, S2018/NMT-4331). El autor Julio S. Lora Millán ha recibido financiación del programa de Formación de Profesorado Universitario del Ministerio de Universidades del Gobierno de España (ref. FPU16/01313)Comunidad de Madrid; S2018/NMT-4331https://doi.org/10.17979/spudc.978849749804

Design of an active knee orthosis to evaluate robotic Assistance algorithms for hemiparetic subjects

Comunicación presentada a las XXXIX Jornadas de Automática, celebradas en Badajoz del 5 al 7 de Septiembre de 2018 y organizada por la Universidad de Extremadura.Una de las principales consecuencias del Ictus es la hemiparesia, enfermedad en la cual los pacientes pierden movilidad en las extremidades de un lado del cuerpo. A pesar de que existen multitud de sistemas de rehabilitación para estos pacientes, muchos de ellos siguen necesitando de dispositivos asistenciales para realizar distintas tareas en su vida diaria. En este documento presentamos el diseño de una órtesis activa de rodilla para el desarrollo y evaluación de algoritmos de asistencia robótica en estos pacientes. Concretamente, el prototipo presentado está completamente definido en cuanto a sensores y actuadores, así como los controladores de bajo nivel. Los controladores que se han implementado varían en el nivel de asistencia que aportan al usuario y han sido testeados en una prueba de concepto con un sujeto sano. Los resultados obtenidos con los distintos controles señalan que el prototipo aquí presentado puede ser utilizado como base para el desarrollo y evaluación de algoritmos más complejos de coordinación y asistencia.Hemiparesis is one of the mayor consequences in stroke survivors; these patients have mobility impairments in one of their body sides. Despite there are a great deal of rehabilitation systems for these patients, some of them need gait assistant devices in their daily life. In this paper we present the design of an active knee orthosis to develop and evaluate robotic assistive algorithms for patients with hemiparesis. Actuators, sensors and low-level controllers of this exoskeleton are described in this paper. Low-level controllers vary in the assistive level that they provide to the user, and they have been tested in a proof-of-concept with a healthy user. Due to their good performance, we consider that our prototype can be used as the basis for developing and assessing more complex algorithm for coordination and assistance.Unión Europea, en el marco del programa de investigación e innovación Horizon 2020: Proyecto XoSoft, Grant agreement No. 688175peerReviewe

Mechanical vibration does not systematically reduce the tremor in essential tremor patients

Essential tremor (ET) is a major cause of disability and is not efectively managed in half of the patients. We investigated whether mechanical vibration could reduce tremor in ET by selectively recruiting aferent pathways. We used piezoelectric actuators to deliver vibratory stimuli to the hand and forearm during long trials (4min), while we monitored the tremor using inertial sensors. We analyzed the efect of four stimulation strategies, including diferent constant and variable vibration frequencies, in 18 ET patients. Although there was not a clear homogeneous response to vibration across patients and strategies, in most cases (50–72%) mechanical vibration was associated with an increase in the amplitude of their tremor. In contrast, the tremor was reduced in 5–22% of the patients, depending on the strategy. However, these results are hard to interpret given the intrinsic variability of the tremor: during equally long trials without vibration, the tremor changed signifcantly in 67% of the patients (increased in 45%; decreased in 22%). We conclude that mechanical vibration of the limb does not have a systematic efect on tremor in ET. Moreover, the observed intrinsic variability of the tremor should be taken into account when designing future experiments to assess tremor in ET and how it responds to any intervention.Tis work was funded by the projects ESSENTIAL (DPI2015-72638-EXP) and NeuroMOD (DPI2015-68664-C4-1-R), fnanced by the Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness, and by RoboCity2030- DIH-CM, Madrid Robotics Digital Innovation Hub, S2018/NMT-4331, funded by “Programas de Actividades I+D en la Comunidad de Madrid” and cofunded by Structural Funds of the EU. Julio S. Lora-Millan was in receipt of a Training Program for Academic Staf fellowship (FPU16/01313) by the Ministry of Science, Innovation and Universities of the Government of Spain. Juan A. Gallego received funding from the EU Commission (FP7- PEOPLE-2013-IOF-627384) and from the Community of Madrid (Atracción de Talento Grant 2017-T2/TIC5263).Peer reviewe

Jornadas Nacionales de Robótica y Bioingeniería 2023: Libro de actas

Las Jornadas de Robótica y Bioingeniería de 2023 tienen lugar en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de la Universidad Politécnica de IVIadrid, entre los días 14 y 16 de junio de 2023. En este evento propiciado por el Comité Español de Automática (CEA) tiene lugar la celebración conjunta de las XII Jornadas Nacionales de Robótica y el XIV Simposio CEA de Bioingeniería. Las Jornadas Nacionales de Robótica es un evento promovido por el Grupo Temático de Robótica (GTRob) de CEA para dar visibilidad y mostrar las actividades desarrolladas en el ámbito de la investigación y transferencia tecnológica en robótica. Asimismo, el propósito de Simposio de Bioingeniería, que cumple ahora su decimocuarta dicción, es el de proporcionar un espacio de encuentro entre investigadores, desabolladores, personal clínico, alumnos, industriales, profesionales en general e incluso usuarios que realicen su actividad en el ámbito de la bioingeniería. Estos eventos se han celebrado de forma conjunta en la anualidad 2023. Esto ha permitido aunar y congregar un elevado número de participantes tanto de la temática robótica como de bioingeniería (investigadores, profesores, desabolladores y profesionales en general), que ha posibilitado establecer puntos de encuentro, sinergias y colaboraciones entre ambos. El programa de las jornadas aúna comunicaciones científicas de los últimos resultados de investigación obtenidos, por los grupos a nivel español más representativos dentro de la temática de robótica y bioingeniería, así como mesas redondas y conferencias en las que se debatirán los temas de mayor interés en la actualidad. En relación con las comunicaciones científicas presentadas al evento, se ha recibido un total de 46 ponencias, lo que sin duda alguna refleja el alto interés de la comunidad científica en las Jornadas de Robótica y Bioingeniería. Estos trabajos serán expuestos y presentados a lo largo de un total de 10 sesiones, distribuidas durante los diferentes días de las Jornadas. Las temáticas de los trabajos cubren los principales retos científicos relacionados con la robótica y la bioingeniería: robótica aérea, submarina, terrestre, percepción del entorno, manipulación, robótica social, robótica médica, teleoperación, procesamiento de señales biológicos, neurorehabilitación etc. Confiamos, y estamos seguros de ello, que el desarrollo de las jornadas sea completamente productivo no solo para los participantes en las Jornadas que podrán establecer nuevos lazos y relaciones fructíferas entre los diferentes grupos, sino también aquellos investigadores que no hayan podido asistir. Este documento que integra y recoge todas las comunicaciones científicas permitirá un análisis más detallado de cada una de las mismas