A robot-based evaluation of pathological synergies in 3D space with the ARMin IV exoskeleton

Patients who suffer for neurological disorders, such as stroke, often face deficits in motor function. A proper and continuous evaluation of the level of motor impairment is of fundamental importance for the delivery of the correct patient-specific therapy treatment. Rehabilitation robots are a powerful tool to measure quantitative and sensitive information about body functions. Abnormal synergistic muscles activation is one of the major causes of motor impairment. Chronic stroke survivors (n = 6) were recruited and tested on ARMin IV exoskeleton during a space exploration task, developed as a painting game. Subjects were asked to freely move the virtual paint-brush on the given surface, firstly inside a small rectangular region (0.2 × 0.6 m), defined as Reduced Workspace (RWS) phase, and then to explore as much area as possible, defined as Maximum Workspace (MWS) phase. The task was repeated under 4 increasing loading levels and in 3 different surface directions: horizontal, tilted-up and tilted-down. The same protocol was applied on healthy control subjects as a basis of comparison. Analysis of the kinematic end-effector data in the MWS phase revealed a reduction of the maximum explorable area at increasing limb loading in stroke population, correlated with a reduction of the maximum elbow extension and shoulder flexion peaks. This phenomenon is more evident in the upward direction, while no significant reduction was found in the downward direction, probably thanks to a compensatory appearance of extension synergy with increased activation of shoulder adductors. Polar histograms are used to model the shoulder-elbow joint velocity distributions in the RWS phase. Joint Velocity Complexity metric was defined as the number of components required to explain 95% of the distribution. Patient’s joint kinematic, when no weight is applied, can be explained by a reduced number of components (12.8 ± 3.7) compared to healthy control subjects (15.6 ± 1.5), revealing a simplification of the impaired arm movement distribution. This movement deficit seems to become worse for stroke subjects when a load is applied (10.2 ± 6.8). The preliminary found results suggest combining the proposed mathematical tool with a robot-aided therapy, for the modification of the muscle synergies, with an approach that cannot be replicated in a conventional therapy environment.

Persone che soffrono di disordini neurologici, come ictus, spesso riscontrano deficit nelle funzioni motorie. Una corretta e continua valutazione del livello di impedimento motorio è fondamentale per fornire un corretto trattamento terapeutico paziente-specifico. Dispositivi robotici per la riabilitazione sono uno strumento efficace per l’acquisizione di informazioni quantitative e precise sulle funzioni motorie. L’attivazione anormale di muscoli sinergici risulta una delle maggiori cause di impedimento motorio. Alcuni soggetti sani (n = 5) e pazienti affetti da ictus (n = 6) sono stati reclutati e testati con l’esoscheletro ARMin IV nell’esecuzione di un task di esplorazione spaziale, sviluppato come un gioco per dipingere. Al soggetto è richiesto di muovere liberamente il pennello virtuale sulla superficie presentata, prima all’interno di un’area rettangolare (0.2 × 0.6 m), definita come fase Reduced Workspace (RWS), poi il più possibile, nella fase Maximum Workspace (MWS). Il task motorio viene ripetuto sotto 4 condizioni di carico crescenti e lungo 3 direzioni differenti: orizzontale, verso l’alto e verso il basso. L’analisi dei dati cinematici dell’effettore finale nella fase MWS ha rivelato una riduzione consistente della massima area esplorabile all’aumentare del carico per la popolazione disabile, correlata ad una riduzione del valore angolare massimo di estensione del gomito e flessione della spalla. Questo fenomeno risulta più evidente nella direzione verso l’alto, mentre nella direzione verso il basso non è stata evidenziata nessuna riduzione significativa, probabilmente grazie all’utilizzo della sinergia di estensione come strategia compensatoria. Istogrammi polari sono stati tabulati sulle distribuzioni di velocità angolare spalla-gomito acquisite nella fase RWS. La metrica di Joint Velocity Complexity è stata definita come il numero di componenti richiesto per spiegare il 95% della distribuzione. La cinematica articolare dei pazienti, quando nessun carico viene applicato, può essere spiegata da un numero ridotto di componenti (12.8 ± 3.7) rispetto alla popolazione di controllo (15.6 ± 1.5), rivelando una semplificazione della distribuzione di movimento del braccio impedito. Questo deficit di movimento sembra peggiorare quando viene applicato un carico (10.2 ± 6.8). I risultati ottenuti, seppur preliminari, suggeriscono la possibilità di combinare il metodo matematico proposto con un metodo di assistenza robotica, di modifica delle sinergie muscolari, con un approccio che non può essere replicato all’interno di una terapia convenzionale.