Design of a biomechanical model for evaluating FES gait parameters

Exoskeletons and Functional Electrical Stimulation (FES) systems have been paired together to improve the rehabilitation process of patients affected by Spinal Cord Injuries (SCI). The electrical impulses provided by the FES, stimulate the muscular groups of the patient, allowing the restoration of functional movements. On the other hand, the exoskeleton’s motors produce a force system that supports the weight of the individual and provides the torque contribution needed to achieve the desired motion. The model designed in this work allows to study the influence of the FES system on the body movement. In this way, it will be possible to estimate the exoskeleton’s motors contribution needed to achieve a simplified walking motion and, as a consequence, to develop a FES/Exoskeleton collaborative system. Differently from previous studies, in this project the activation pattern of the muscular groups is not known a priori because it is modelled as a simplified gait cycle, which requires different muscle stimulations compared to the ones of a standard walking movement. The main goal of this work is to design a method that obtains the FES parameters of a subject affected by SCI that allows the replication of a simplified walk. This is achieved by modelling the kinematics of a mechanism that guides the motion of the individual, providing a stimulation of specific leg muscle groups. The task is accomplished by designing multiple dynamic models MATLAB/Simulink® (The MathWorks, Inc. USA) of: subject body, leg muscle model, and elliptical mechanism. The final result proved the reliability of the method, since the heel trajectory obtained is comparable to the one of a standard gait cycle. Furthermore, the muscle groups activated to achieve the simplified gait cycle movement are almost the same of those stimulated during the reference walking movement. All of the leg muscles are active for at least 2% of the gait cycle (with the ankle dorsal-extensor being the most stimulated muscle with an activation percentage of 73.5%), except for the mono-articular ankle plantar-flexor. Experimental trails could validate the implemented model. The first part of the work (Chapter 1: State of the art and objectives), focuses on the information know from literature that have been employed in this work. The following chapter (Chapter 2: Methods) describes the procedure adopted to design the new method to obtain the FES parameters. The next section (Chapter 3: Results) presents the results obtained, both numerically and graphically. Finally, the last part (Chapter 4: Conclusions) summarize and critically analyses the products of this study and suggests future development for the method.

Gli esoscheletri e i sistemi di stimolazione elettrica funzionale (FES) sono stati accoppiati per migliorare il processo di riabilitazione dei pazienti affetti da lesioni del midollo spinale (SCI). Gli impulsi elettrici forniti dalla FES stimolano i gruppi muscolari del paziente, permettendo il ripristino dei movimenti funzionali. D'altra parte, i motori dell'esoscheletro producono un sistema di forza che sostiene il peso dell'individuo e fornisce il contributo di coppia necessario per ottenere il movimento desiderato. Il modello progettato in questo lavoro permette di studiare l'influenza del sistema FES sul movimento del corpo. In questo modo, sarà possibile stimare il contributo di coppia dell'esoscheletro necessario per ottenere un movimento di camminata semplificato e, di conseguenza, sviluppare un sistema collaborativo FES/Esoscheletro. A differenza degli studi precedenti, in questo progetto il modello di attivazione dei gruppi muscolari non è noto a priori perché è modellato come un ciclo di camminata semplificato, che richiede stimolazioni muscolari diverse rispetto a quelle di un movimento di camminata standard. L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di progettare un metodo che ricavi i parametri FES di un soggetto affetto da SCI, permettendo la replica di una camminata semplificata. Questo si ottiene modellando la cinematica di un meccanismo che guida il movimento dell'individuo, fornendo una stimolazione di specifici gruppi muscolari della gamba. Il compito è stato realizzato progettando su MATLAB/Simulink® (The MathWorks, Inc. USA) i modelli dinamici di: corpo del soggetto, modello dei muscoli della gamba e meccanismo dell’ellittica. Il risultato finale ha dimostrato l'affidabilità del metodo, poiché la traiettoria del tallone ottenuta è paragonabile a quella di un ciclo di camminata standard. Inoltre, i gruppi muscolari attivati per ottenere il movimento del ciclo di andatura semplificato sono quasi gli stessi di quelli stimolati durante il movimento di camminata di riferimento. Tutti i muscoli della gamba sono attivi per almeno il 2% del ciclo del cammino (con il dorso-estensore della caviglia che è il muscolo più stimolato con una percentuale di attivazione del 73,5%), tranne il flessore plantare della caviglia mono articolare. I percorsi sperimentali hanno potuto convalidare il modello implementato. La prima parte del lavoro (Capitolo 1: Stato dell'arte e obiettivi), si concentra sulle informazioni note dalla letteratura che sono state utilizzate in questo lavoro. Il capitolo seguente (Capitolo 2: Metodi) descrive la procedura adottata per progettare il nuovo metodo per ottenere i parametri FES. La sezione successiva (Capitolo 3: Risultati) presenta i risultati ottenuti, sia numericamente che graficamente. Infine, l'ultima parte (Capitolo 4: Conclusioni) riassume e analizza criticamente i risultati di questo studio e suggerisce lo sviluppo futuro del metodo.