AbilityRoboCart: design, implementation and preliminary validation of overground robotic gait trainer for individuals post-stroke

This study aimed to design and develop the AbilityRoboCart, a robotic gait trainer, and assess its potential to enhance the use of the paretic leg while minimizing compensatory strategies in the nonparetic leg of post stroke individuals. The main focus was to investigate whether the application of constraint force, delivered either gradually or abruptly using an overground robotic gait trainer to the nonparetic limb in the posterior direction during overground walking, could improve the use of the paretic leg in individuals with chronic stroke. Four individuals after stroke participated in two experimental conditions, overground walking with a gradual constraint force applied to the nonparetic leg and overground walking with an abrupt constraint force applied to the nonparetic leg. The force application was carried out with a novel technology—an overground gait trainer named AbilityRoboCart—specifically designed for post-stroke individuals. The core idea behind the device is to apply a resistive force to the non-paretic leg during the early swing phase of gait, achieved through a mechanical system, particularly employing a cable and pulley system. The real-time application of this constraining force is regulated by the kinematics of the foot. To facilitate seamless communication with the AbilityRoboCart software throughout the experimental protocol, each participant is equipped with inertial sensors. These sensors enable the continuous monitoring and adjustment of the resistive force in real-time. Participants recruited were tested in the following procedures that consisted of overground walking with either constraint force, instrumented split-belt treadmill walking, and pressure sensitive walking on walkway GaitRite before and after the overground walking with the gait trainer. Practicing overground walking with the constraint force resulted in greater enhancement in the propulsion force of the paretic side for 2 out of 4 stroke subjects. Meanwhile, the remaining 2 participants showed a pronounced enhancement in the braking force. Those who showed improvement in the propulsion force of the paretic side (P< 0.01), muscular activity of hip abductor (P< 0.02) during early-mid stance and mid-late stance phase and increase in the muscular activity of ankle plantarflexors (P< 0.01) also showed an improvement in the propulsion asymmetry and in the self-selected walking speed in both application of the force conditions. Overground walking sessions with constraint force tended to induce a more substantial increase in self-selected overground walking speed (+0.08 m/s) than the no-constraint effect. Applying constraint force to the nonparetic leg during early swing phase of gait in overground walking may enhance use of the paretic leg, improve propulsion force of the paretic side and muscle activity in hip abductors and plantarflexors of the paretic leg, and consequently increase walking speed.

L'obiettivo di questo progetto era progettare e sviluppare un dispositivo dedicato alla riabilitazione dei pazienti post-ictus. Il dispositivo proposto doveva applicare una forza resistiva, graduale o improvvisa, alla gamba non colpita dal deficit motorio, orientata posteriormente alla caviglia durante la deambulazione su superficie piana. L'obiettivo dell'analisi era valutare se l'impiego di tale dispositivo potesse ottimizzare l'utilizzo della gamba affetta. Quattro individui dopo l'ictus hanno partecipato a due condizioni sperimentali: una sessione di cammino su una superficie piana con una forza vincolante graduale e una sessione con forza improvvisa costante applicata alla caviglia della gamba non paretica. L'applicazione della forza è stata eseguita utilizzando un dispositivo per camminare su superficie piana, chiamato AbilityRoboCart, appositamente progettato per individui post-ictus. In questo progetto è stato ideato e implementato AbilityRoboCart: un dispositivo portatile per terapia motoria riabilitativa. Il concetto principale del dispositivo è fornire una forza resistente alla gamba non paretica durante l'inizio della fase di volo del cammino mediante un sistema di cavi e carrucole. Il controllo in tempo reale della forza resistente è regolato dalla cinematica del piede. Infatti, ogni partecipante indossava sensori inerziali durante l'intera sessione riabilitativa, facilitando la comunicazione in tempo reale con il software dell' AbilityRoboCart. Ogni partecipante è stato sottoposto ad un protocollo sperimentale, che comprendeva la deambulazione su superficie piana con una forza vincolante, il cammino su un tapis roulant con pedane di forza per la misura della forza di reazione al terreno e la raccolta dati su una pedana del cammino sensibile alla pressione prima e dopo l'apprendimento motorio su superficie piana con AbilityRoboCart. Il cammino su superficie piana con il dispositivo che applica forza resistiva alla caviglia della gamba non paretica ha portato a un notevole miglioramento nella forza propulsiva del lato paretico per la metà dei partecipanti, mentre gli altri hanno mostrato un marcato miglioramento nella forza frenante. Coloro che hanno evidenziato un miglioramento nella forza propulsiva del lato paretico (P< 0.01), nell'attività muscolare degli abduttori dell'anca (P< 0.02) durante la fase di appoggio iniziale e nell'aumento dell'attività muscolare dei flessori plantari dell'articolazione della caviglia (P< 0.01) hanno anche mostrato un miglioramento dell'asimmetria propulsiva e della velocità di cammino in entrambe le condizioni di applicazione della forza. Le sessioni di cammino su superficie piana con forza vincolante hanno tendenzialmente indotto un aumento significativo della velocità di cammino (+0,08 m/s) rispetto all'effetto senza forza applicata. L'applicazione di una forza vincolante alla gamba non paretica durante la fase di early swing phase del cammino su superficie piana potrebbe migliorare l'utilizzo della gamba paretica, migliorare la forza propulsiva del lato paretico e l'attività muscolare degli abduttori dell'anca e dei flessori plantari dell'articolazione della caviglia della gamba paretica, e di conseguenza aumentare la velocità di cammino su superficie piana.