Tesis:
Control strategies for robotic exoskeletons to assist post-stroke hemiparetic gait through technology embodiment
- Autor: LORA MILLÁN, Julio Salvador
- Título: Control strategies for robotic exoskeletons to assist post-stroke hemiparetic gait through technology embodiment
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/71809/
- Director/a 1º: ROCÓN DE LIMA, Eduardo
- Resumen: 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).