Development of a hybrid FES-ArmeoSpring system for enhancing upper limb stroke rehabilitation

Introduction: Stroke is a major cause of severe upper-limb motor impairments, leading to long term disability. While FES and exoskeletons like Armeo®Spring aid recovery, their combined use is underexplored. This study introduces a “Hybrid FES-Armeo®Spring Rehabilitation System” to improve wrist functionality and grasp in severely affected stroke patients, which are among the most difficult areas to rehabilitate after a stroke. Methods: A Hybrid System combining FES and Armeo®Spring was developed to coordinate wrist activation and grasp during training. FES, delivered via the B-Stim device (Global Electronics Solutions, Serbia), facilitated wrist flexion and extension and grasp with adjustable parameters. In particular, for grasp a ccFES approach was pursued. Armeo®Spring provided task-oriented training while supporting the arm. An IMU (x-IMU3, x-io Technologies Ltd., United Kingdom) detected movement attempts, and MATLAB algorithms synchronized FES activation with the attempted movements. Results: Physiotherapists tested the System with healthy participants in a proof-of-concept evaluation. The Hybrid System successfully detected wrist movements or grasp intentions, triggered FES, and enabled task completion in a virtual game. Proper IMU calibration with Armeo®Spring was essential for synchronized FES activation. Discussion and Conclusion: The Hybrid FES-Armeo®Spring System was developed to improve wrist motion and grasp in severely affected stroke patients. Real-time sensory-driven FES synchronized with Armeo®Spring provided movement support. The System now requires testing with severely impaired patients.

Introduzione: L'ictus è una delle principali cause di gravi compromissioni motorie agli arti superiori, portando a disabilità a lungo termine. Sebbene la FES e gli esoscheletri come l’Armeo®Spring possano supportare il recupero, il loro utilizzo combinato rimane poco esplorato. Questo studio propone un “Sistema Riabilitativo Ibrido FES-Armeo®Spring” finalizzato a migliorare la funzionalità del polso e la presa della mano, alcune delle aree più difficili da riabilitare nei pazienti gravemente colpiti da ictus. Metodi: È stato progettato un Sistema Ibrido che integra FES e Armeo®Spring. La FES, erogata tramite il dispositivo B-Stim (Global Electronics Solutions, Serbia), ha supportato la flessione e l'estensione del polso e la chiusura della mano grazie a parametri regolabili. In particolare, per la chiusura della mano è stato seguito un approccio basato sulla ccFES. L’Armeo®Spring ha consentito un allenamento “task-oriented”, fornendo contemporaneamente supporto al peso del braccio. I tentativi di movimento sono stati rilevati da un IMU (x-IMU3, x-io Technologies Ltd., Regno Unito) fissato sulla mano, mentre algoritmi sviluppati in MATLAB hanno elaborato i dati del sensore per sincronizzare l'attivazione della FES con i movimenti desiderati. Risultati: Il Sistema è stato testato dai fisioterapisti su partecipanti sani ed esso ha rilevato con successo i movimenti del polso e l’intenzione di chiudere la mano, attivato la FES e consentito il completamento di obiettivi in un videogioco. Una corretta calibrazione dell'IMU con l’Armeo®Spring è risultata essenziale per una sincronizzazione efficace della FES. Discussione e Conclusione: Il Sistema Ibrido FES-Armeo®Spring è stato sviluppato per supportare il recupero del movimento del polso e la chiusura della mano nei pazienti gravemente colpiti da ictus. La FES in tempo reale, guidata dai sensori e sincronizzata con l’Armeo®Spring, ha fornito supporto al movimento. Il Sistema necessita ora di test su pazienti gravemente compromessi.