Development of a platform for spinal cord patients based on the RETRAINER exoskeleton

Nowadays there are more than 15 million people around the globe living with Spinal Cord Injury and 400,000 new cases being registered every year. Spinal Cord Injury strongly limits quality of life and leads to problems with activities of daily living, depression, economic challenges, and social isolation. The upper limb functionality is among the most affected parts of the body. Conventional rehabilitation methods demonstrate limited effect, aimed at mostly reducing side effects and partly restore the upper limb functionality. In the recent years a rehabilitation platform – the RETRAINER System was developed for upper limb rehabilitation of the Stroke survivors. It combines different conventional and innovative methods applied to foster motor function recovery. The purpose of this Thesis is to develop a platform based on the RETRAINER System for Spinal Cord Injury rehabilitation. The main focus was to develop a dedicated hardware system that satisfy training objectives and capable to run in different testing modalities. Moreover, the second part of the Thesis is concentrated on the software design for the adapted RETRAINER System. The User Interface (UI) is effective in exoskeleton control, user-friendly for closer therapist-patient connection during the rehabilitation training. The final part is built around the practical application of the adapted RETRAINER System. The mock-up of a training session for spinal cord rehabilitation was conducted at the WECOBOT Laboratory of Politecnico di Milano in Lecco. The pilot subject was selected to perform initial experiments of the adapted RETRAINER System to ensure safety and functional requirements satisfaction. The specified objectives and goals of the adapted RETRAINER System for Spinal Cord Injury rehabilitation have been validated during the experiments.

Attualmente, ci sono più di 15 milioni di persone in tutto il mondo che vivono con lesioni del midollo spinale e ogni anno vengono registrati 400.000 nuovi casi. Le lesioni del midollo spinale limitano fortemente la qualità della vita e portano a difficoltà nell’esecuzione di attività di vita quotidiana, depressione, difficoltà economiche e isolamento sociale. La funzionalità degli arti superiori è una delle difficoltà maggiori in termini di dipendenza dal caregiver. I metodi di riabilitazione convenzionali mostrano effetti limitati, mirando principalmente a ridurre gli effetti collaterali e a ripristinare parzialmente la funzionalità degli arti superiori. Negli ultimi anni è stata sviluppata una piattaforma di riabilitazione – il Sistema RETRAINER – per la riabilitazione degli arti superiori nei sopravvissuti a ictus. Essa combina diversi metodi convenzionali e innovativi per favorire il recupero della funzione motoria. Lo scopo di questa Tesi è sviluppare una piattaforma basata sul Sistema RETRAINER per la riabilitazione delle lesioni del midollo spinale. L'attenzione principale è stata rivolta allo sviluppo di un sistema hardware dedicato che soddisfi gli obiettivi di terapia e sia in grado di operare in diverse modalità. Inoltre, la seconda parte della Tesi si concentra sul design del software per il Sistema RETRAINER. L'interfaccia utente (UI) è semplice da utilizzare, efficace nel controllo dell'esoscheletro e favorisce una connessione più stretta tra terapista e paziente durante l'allenamento riabilitativo. La parte finale del lavoro si concentra sui test pilota del Sistema RETRAINER. È stata condotta una simulazione di una sessione riabilitativa presso il Laboratorio WECOBOT del Politecnico di Milano a Lecco. Il soggetto pilota è stato selezionato per eseguire test preliminari del Sistema RETRAINER per garantire il soddisfacimento dei requisiti di sicurezza e funzionali. Gli obiettivi specifici per il Sistema RETRAINER utilizzato per la riabilitazione delle lesioni del midollo spinale sono stati validati durante gli esperimenti