Feasibility tests of a hybrid FES-robotic lower limb exoskeleton to support locomotion in neurological patients

Spinal Cord Injuries (SCI) and strokes are debilitating conditions that cause irreversible damages to neurological tissues, resulting in partial or complete loss of sensory and/or motor functions. Such diseases significantly affect the patients' quality of life, impairing their functions and social participation. Various assistive technologies, such as Functional Electrical Stimulation (FES) and robotic exoskeletons, aim to rehabilitate and restore walking in these patients. However, when used alone, each system carries some disadvantages, mainly the high encumbrance for exoskeletons and the early muscle fatigue induction for FES. For this reason, in recent years, the combination of these two systems has emerged as a promising approach, able to provide safer, more robust and efficient neurological rehabilitation. These solutions are referred to as Hybrid Robotic Rehabilitation Systems and allow the realization of lighter exoskeletons, with limited induction of muscle fatigue. At the same time, they achieve the benefits of intense, task-oriented, repetitive training and maintenance of muscle tone, reduction of spasticity, and increased blood flow. The main difficulty remains the realization of an efficient integration of the two technologies, mainly because of the actuation redundancy. The FESleg project aims to overcome the existing limitations by developing a hybrid device with a cooperative control system, with both the motor and FES components actively contributing to knee swing movements during walking. The prototype is initially tested on healthy subjects and, later, on two SCI patients, one complete and one incomplete. Usability, acceptability, user experience and safety of the hybrid system are evaluated and compared to the condition in which the sole exoskeleton is used. Comparing the walking performances between the conditions with and without FES (in the first case with depowered motors), no statistically significant differences are retrieved, demonstrating the ability of FES to compensate for the reduced motors' participation. Additionally, the integration of stimulation offers relevant therapeutic benefits for patients. In conclusion, the obtained results pave the way for further developments in the production of hybrid systems employed as neurorehabilitation technologies.

Le lesioni del midollo spinale (SCI) e gli ictus sono condizioni debilitanti che causano danni irreversibili ai tessuti neurologici, con conseguente perdita parziale o completa delle funzioni sensoriali e/o motorie. Queste patologie incidono significativamente sulla qualità della vita dei pazienti, compromettendone le funzioni e la partecipazione sociale. Diverse tecnologie di assistenza, come la Stimolazione Elettrica Funzionale (FES) e gli esoscheletri robotici, mirano a riabilitare e ripristinare la deambulazione in questi soggetti. Tuttavia, se utilizzato da solo, ogni sistema comporta alcuni svantaggi, soprattutto l'elevato ingombro per gli esoscheletri e l'induzione precoce dell'affaticamento muscolare per la FES. Per questo motivo, negli ultimi anni, la combinazione di questi due sistemi è emersa come un approccio molto promettente, in grado di fornire una riabilitazione neurologica più sicura, robusta ed efficace. Queste soluzioni sono definite Sistemi Ibridi di Riabilitazione Robotica e permettono di realizzare esoscheletri più leggeri, con un limitato affaticamento muscolare indotto. Allo stesso tempo, permettono di ottenere i benefici di un allenamento intenso, ripetitivo e orientato al compito e del mantenimento del tono muscolare, della riduzione della spasticità e dell'aumento del flusso sanguigno. La difficoltà principale rimane la realizzazione di un'integrazione efficiente delle due tecnologie, soprattutto a causa della ridondanza di attuazione. Il progetto FESleg mira a superare le limitazioni esistenti sviluppando un dispositivo ibrido con un sistema di controllo cooperativo, in cui sia il motore che i componenti FES, contribuiscano attivamente ai movimenti di oscillazione del ginocchio durante la deambulazione. Il prototipo è stato inizialmente testato su soggetti sani e, successivamente, su due pazienti affetti da SCI, uno completo e uno incompleto. L'usabilità, l'accettabilità, l'esperienza dell'utente e la sicurezza del sistema ibrido sono state valutate e confrontate con la condizione in cui veniva utilizzato il solo esoscheletro. Paragonando le prestazioni di deambulazione tra le condizioni con e senza FES (nel primo caso con motori depotenziati), non sono state rilevate differenze statisticamente significative, dimostrando la capacità della stimolazione di compensare la ridotta partecipazione dei motori. Inoltre, l'integrazione della FES offre rilevanti benefici terapeutici ai pazienti. In conclusione, i risultati ottenuti aprono la strada ad ulteriori sviluppi nella realizzazione di sistemi ibridi impiegati come tecnologie di neuroriabilitazione.