Design and validation of a force-based symmetry controller for a mobile FES-cycling system

Neurological disorders such as stroke or Spinal Cord Injury (SCI) highly impact mobility, coordination and quality of life of people affected. The combination of FES with cycling activity, has shown significant results improving an overall physical and psychological well-being in neurological patients. Since iSCI and stroke patients are often characterized by lower limb strength and asymmetries, this work aim at the design and validation of a force-based symmetry controller for a mobile FES-cycling system. The experimental setup is composed by two 4-channel current-controlled stimulators, a recumbent trike which has been motorized and customized with an encoder and two pedals to measure tangential forces. This study consisted of two stages: first the forces analysis and the choice of the index and then the validation of the controller based on tangential forces measured in real time by the pedals. It uses a symmetry index (SI) calculated separately for minimum and the maximum peaks of the force profiles as input to control the amplitude of stimulation in order to nullify the imbalance. It has been validated through a protocol performed by healthy subjects. The SIs calculated in healthy subjects during voluntary cycling are considered as thresholds of normality. Results showed that in correspondence of imbalances the controller modify the amplitude of currents and reach symmetrical pedaling. It would be interesting in future also the testing of this control on motor impaired patients to understand the effective advantages in the correction of the asymmetry in movement and balance between limbs.

Disturbi neurologici come ictus o lesioni al midollo spinale impattano sulla mobilità, la coordinazione e la qualità di vita delle persone che ne sono affette. La stimolazione elettrica funzionale (SEF) applicata al ciclismo ha dimostrato miglioramenti sull'aspetto del benessere fisico e psicologico in pazienti neurologici. Dato che pazienti con lesioni midollari incomplete e pazienti affetti da ictus presentano spesso asimmetrie e poca forza negli arti inferiori, questo lavoro ha l'obbietivo di sviluppare e validare un controllo di simmetria basato sulle forze rilevate dai pedali in un sistema per la pedalata indotta tramite SEF. Il sistema è composto da 2 stimolatori a 4 canali per il controllo della stimolazione, una bici reclinata che è stata motorizzata e modificata con l'aggiunta di un encoder e due pedali per la misura delle forze tangenziali. Lo studio consiste in due fasi: la prima in cui le forze durante la pedalata sono state analizzate e la scelta di un indice di simmetria, e la seconda fase prevede invece la validazione del controllo basato sul rilevamento del forze in tempo reale. Il controllo utilizza l'indice di simmetria calcolato separatamente per i picchi miniimi e massimi del profilo di forza come dato iniziale sulla base del quale modifica le correnti di stimolazione per annullare lo sbilanciamento rilevato. Il controllo è stato validato tramite un protocollo svolto da soggetti sani. Il valore dell'indice calcolato su soggetti sani durante pedalata volontaria è stato considerato come soglia di normalità. I risultati hanno dimostrato che in presenza di uno squilibrio, il controllore modifica l'ampliezza delle correnti per ottenere una pedalata simmetrica. Sarà interessante in futuro testare questo controllo su soggetti con disturbi neurologici per valutare durante la riabilitazione gli effettivi benefici nella correzione dell'asimmetria e dell'equilibrio nei movimenti.