Development and validation of an upper extremity rehabilitation device for post-stroke population using a markerless system

Robot assistive devices and wearable exoskeletons are increasingly being employed as they showed to have great potential and are returning prominent results in post-stroke rehabilitation therapies. Among these, passive devices can support patients to initiate movements themselves and encourage active training at the same time. Here we investigate the abilities of an ExoNET robot composed of diagonal spring elements, configured to provide gravity compensation. We first present the development and testing of the device, and further test its ability to enhance therapy by providing anti-gravity torques to the patient's joints. The resulting device is safe, light-weight, non-intimidating, and inexpensive. In addition, the ExoNET incorporated a novel shoulder mechanism that allows for all three degrees of freedom of the shoulder joint. This was tested on healthy young individuals in our lab, and then tested on two individuals who previously had a stroke, in six therapy sessions where we collected kinematic and electromyography data. Here we present the preliminary analysis of range of motion across days of practice. In particular, we developed a coverage algorithm that uses statistical distributions to gauge a person's range of motion. We found that the coverage of healthy and paretic wrist positions decreased after donning the ExoNET, which might be caused by the encumbrance that the device introduce. The ExoNET tuned to gravity support also reduced the coverage of velocities. Interestingly, by the end of 45 minutes of therapy while wearing the loaded ExoNET, the coverage of velocity but not position increased. Instead, sham springs ExoNET produced different results (increased or decreased) in both position and velocity coverage after therapy. This result provides encouraging evidence of the efficacy of the ExoNET therapy, even when the range of motion gets restricted. In conclusion, this work shows the prominence of the ExoNET which includes an original shoulder mechanism and an innovative method for the range of motion estimation. From this initial point, the ExoNET can be tested on more patients and allow us to understand better the therapeutic effects that this novel device might introduce.

I dispositivi di assistenza robotica e gli esoscheletri indossabili sono sempre più utilizzati per terapie di riabilitazione post-ictus, in quanto hanno dimostrato di avere un grande potenziale e stanno dando risultati importanti in tale campo. Tra questi, i dispositivi passivi hanno dimostrato di supportare i pazienti durante il movimento, incentivandoli ad una terapia attiva. Partendo da questo concetto, il progetto si focalizza nella valutazione delle capacità di un robot, chiamato ExoNET, composto da elementi elastici passivi e configurati per fornire la compensazione della gravità. Vengono prima presentati lo sviluppo e il design del dispositivo, e successivamente testate le potenzialità con lo scopo di migliorare la terapia riabilitativa, mediante la generazione di un campo di momenti antigravitazionali al braccio durante il movimento. L'ExoNET realizzato risulta essere sicuro, leggero, fruibile e poco costoso. Inoltre, il dispositivo presenta un innovativo meccanismo per la spalla tale da permettere tutti e tre i gradi di libertà dell'articolazione. Al Robotics Lab sono stati svolti molteplici test. L'esoscheletro è stato inizialmente testato su individui giovani e sani, e successivamente su due individui affetti in precedenza da ictus. Per entrambi i soggetti sono stati raccolti dati cinematici ed elettromiografici; in particolare per lo sviluppo di questa tesi sono stati utilizzati dati cinematici per poter presentare l'analisi preliminare del range of motion durante diversi giorni di terapia. Inoltre date le distribuzioni altamente non-normali, è stato sviluppato un algoritmo in grado di calcolare la copertura che i punti occupano nello spazio, e di conseguenza valutare il range of motion in termini di volume. Da tali esperimenti è stato osservato che il volume ricoperto dal polso sia di una persona sana che paretica diminuisce dopo aver indossato l'ExoNET. Questo fenomeno potrebbe essere dato dall'ingombro che il dispositivo causa al soggetto. Inoltre, l'ExoNET quando impostato per assistere la gravità ha anche ridotto la copertura delle velocità. Tuttavia, è interessante notare che alla fine dei 45 minuti di terapia con ExoNET la copertura delle velocità, ma non della posizione, è aumentata. Invece, utilizzando un ExoNET non assemblato per compensare la gravità, i risultati prodotti risultano diversi (a volte aumentati e a volte diminuiti) sia nella copertura della posizione che della velocità dopo la terapia. Questo risultato fornisce una prova incoraggiante sull'efficacia della terapia con ExoNET, anche quando il range of motion viene limitato. In conclusione, questo lavoro mostra l'utilità che il dispositivo ExoNET può offrire, fornendo un nuovo design che permetta il movimento della spalla nei tre gradi di libertà e presentando un metodo innovativo per la stima del range of motion. Questo può essere un punto di partenza per sviluppi futuri, iniziando con il testare il dispositivo su più soggetti in modo tale da permettere una maggiore conoscenza sugli effetti terapeutici che questo dispositivo potrebbe introdurre.