Optimization and clinical testing of a robotic hand orthosis combined with electrical stimulation to improve grasp function in people with sensory-motor impairments

Neurological disorders or traumatic injuries can impair sensory and motor hand functionality. Among the consequences, affected people experience reduced quality of life and loss of independence in activities of daily living. Standard care for the pathology include rehabilitation and assistive devices. However, the current solutions focus only on motor restoration without addressing sensory loss. For this reason, SensibleExo has been developed; it is composed of the RELab tenoexo coupled with non-invasive electrical stimulation. The tenoexo is a soft hand exoskeleton that can assist the user by providing assistance in the most common grasp types. Tenoexo showed room for improvements: it only provides a limited force in fingers flexion and extension and, like all exoskeletons, does not address sensory loss. Non-invasive electrical stimulation increases the finger force in flexion and extension by stimulating the finger muscles through FES and provides tactile sensory feedback about the object-hand interaction through TENS. The device showed promising results, however technological limitations influenced performances during tests on impaired subjects. These mainly concerned the sensing system, delay in the exoskeleton control and portability. The sensing system detects object-hand interaction. In the original version of the device, it was composed of a glove donned together with the exoskeleton and provided with pressure sensors, whose signal was used to tune stimulation parameters; sensor glove issues interested donning and doffing time, sensor noise and touch detection capability. The device was also characterized by a delay between the user command and the actual movement of the hand module, making the exoskeleton unintuitive to use. In this project, the sensorized glove was replaced with finger sleeves provided with pressure sensors and a load concentrator. Moreover, a new control algorithm was developed to reduce the delay. The optimized device was tasted on impaired subjects. To assess the benefit of the device, a new testing protocol was defined with focus on functional tasks. Grasp and release test and virtual egg test were selected to demonstrate that artificial sensory feedback might positively impact activities of daily living and grip force control. Results showed that TENS can elicit somatotopic sensations, might improve body representation disorders and help in fine force regulation. At the same time, when the user is provided with FES, finger range of motion in extension movement improves.

Disturbi neurologici o lesioni traumatiche possono compromettere le funzionalità sensoriali e motorie della mano. Tra le conseguenze, le persone colpite soffrono di una riduzione della qualità della vita e di perdita di indipendenza nelle attività di vita quotidiana. Le cure per questa patologia includono sia riabilitazione che dispositivi assistivi. Le soluzioni attuali si concentrano però solo sul ripristino motorio senza tenere conto della perdita sensoriale. Per questo motivo è stato sviluppato SensibleExo; SensibleExo è composto dal RELab tenoexo combinato con stimolazione elettrica non invasiva. Tenoexo è un esoscheletro di tipo soft che può assistere l’utente fornendo assistenza nei tipi di presa più comuni. Tenoexo ha però mostrato margini di miglioramento: fornisce forza limitata in flessione ed estensione delle dita e, come tutti gli esoscheletri, non tiene conto della perdita sensoriale. La stimolazione elettrica non invasiva aumenta la forza delle dita in flessione ed estensione stimolando i muscoli delle dita attraverso la FES e fornendo un feedback sensoriale tattile sull’interazione oggetto-mano attraverso la TENS. Il dispositivo ha mostrato risultati promettenti, tuttavia i limiti tecnologici hanno influen- zato le prestazioni durante i test su soggetti patologici. I problemi riguardavano principalmente il sistema di rilevamento del tocco, il ritardo nel controllo dell’esoscheletro e la portabilità. Il sistema di rilevamento, capta l’interazione oggetto-mano. Nella versione originale del dispositivo, era composto da un guanto indossato insieme all’esoscheletro e dotato di sensori di pressione il cui segnale veniva utilizzato per calcolare i parametri di stimolazione. I problemi del guanto sensorizzato interessavano principalmente il tempo necessario per indossare il guanto, il rumore del segnale e la capacità di rilevamento del tocco. Il dispositivo era inoltre caratterizzato da un ritardo tra il comando e il movimento effettivo dell’esoscheletro, rendendone l’utilizzo poco intuitivo. Durante questo progetto, il guanto sensorizzato è stato sostituito con una guaina per le dita dotata di sensori e concentratori di carico. Al contempo, è stato sviluppato un nuovo algoritmo per ridurre il ritardo tra intenzione di movimento e movimento effettivo. La versione ottimizzata di SensibleExo è stata testata su soggetti con disabilità. Per valutare i benefici del dispositivo, è stato definito un nuovo protocollo con focus sulle attività funzionali. Il grasp and release test e il virtual egg test sono stati scelti per dimostrare che il feedback sensoriale artificiale potrebbe avere un impatto positivo sulle attività di vita quotidiana e sulla regolazione della forza di presa. I risultati hanno mostrato che il feedback sensoriale tattile tramite TENS può suscitare sensazioni somatotopiche, che potrebbe migliorare i disturbi di rappresentazione corporea ed aiutare nella regolazione della forza. Inoltre, quando l’utente viene assistito con la FES, il range di movimento delle dita durante movimenti di estensione aumenta.