Sviluppo di un controllore per neuroprotesi : come massimizzare il coinvolgimento del paziente durante l'attività riabilitativa

The aim of this work is the design and validation of a neuroprosthesis control based on neuro muscular stimulation (NMES) for rehabilitative purposes. The design conditions required a controller with a simple tuning, able to join and maintain different degrees of elbow flexion, to compensate time-invariant disturbances, such as fatigue, and to maximise the involvement of the patient in the rehabilitative exercise. The muscular model was simplified by a feedback that linearize the relation between stimulation intensity and muscular activation state; this loop controls the number of recruited motor units activated by NMES. This closed loop receives the command signal (the desired activation state) from an external loop that regulates the flexion-extension of the elbow based on the error between the desired kinematics and the real one. Based on this error, the inner loop defines the amount of charge needed to reach a desired angle. This quantity of charge is then split in terms of current amplitude and pulse width that the stimulator sends to the biceps brachii. A solution that allows the integration of the voluntary effort of the patient was then integrated: the closed loop control allows reaching a smaller angle then the desired one; the missing part has to be executed by the patient. The level reached from the controller is based on the capability of the subject to reach the target; the level decreases if the subject can reach the target and increases in the opposite case. This means that the stimulation level sent to the muscle depends on the capability of the patient to execute the task. In a first step, the system has been tested in 10 healthy subjects in a relaxed condition (without voluntary effort). Each subject executed a test of about 3 minutes in which the desired angle changed between the 10% and the 90% of the range of motion. The controller enables a good tracking performance with RMSE (root mean square error) between the subjects of 7.699°±2.486°, with a minimum value of 4.39° and a maximum value of 12.5°. Then the controller with the integration of the voluntary effort has been tested. The 10 healthy subjects were asked to execute a tracking task in three different conditions: (1) only with voluntary effort; (2) integrating the stimulation and the voluntary effort (splitting the desired angle in 50% of stimulation and 50% of voluntary effort); (3) only with the stimulation support. The tree different conditions did not result to be significantly different from each other in terms of RMSE (p-value=0.0821). The system with the integration of voluntary effort and adaptive adjustment of the controller target was then tested on a neurological patient with hemiparesis to the left limb after stroke. The test demonstrated the importance of the support provided by the stimulation: without it, the patient was not able to reach the target position. The system developed in this work seems to be a good starting point for the design of systems that integrates the stimulation with the residual voluntary effort. Future developments could concern the application of the system to two or more muscles and the integration with a passive exoskeleton that support the weight of the arm.

Questo lavoro ha come obiettivo lo sviluppo e la validazione di un controllore per neuroprotesi che utilizza la stimolazione elettrica neuromuscolare (NMES) a scopo riabilitativo. I requisiti progettuali richiedevano lo sviluppo di un sistema di controllo semplice da tarare, in grado di raggiungere e mantenere diversi gradi di flessione del gomito, di compensare eventuali modifiche tempo-varianti (fatica) e di massimizzare il coinvolgimento del paziente nell’esercizio riabilitativo. Il modello muscolare è stato semplificato utilizzando un anello in retroazione che permette di linearizzare la relazione tra intensità di stimolazione e stato di attivazione muscolare; questo anello permette di controllare il numero di fibre muscolari eccitate dalla stimolazione. Il segnale di riferimento per questo anello (attivazione muscolare desiderata) è dato da un anello esterno che permette di regolare la flesso-estensione del gomito sulla base dell’errore tra la cinematica desiderata e quella vera. In base a questo errore, l’anello interno definisce la quantità di carica necessaria per raggiungere l’angolo desiderato. Tale quantità di carica viene poi suddivisa in valori di ampiezza e durata degli impulsi di corrente che lo stimolatore invia al bicipite brachiale. E’ stata successivamente sviluppata una soluzione per permettere di integrare l’attività volontaria del soggetto: il controllore ad anello chiuso non permette di raggiungere il valore di flessione desiderato, ma un valore inferiore; la parte mancante deve essere eseguita volontariamente dal soggetto. Il livello raggiunto dal controllore viene modulato in base alle capacità del soggetto di raggiungere il target: il livello viene abbassato se il soggetto è in grado di raggiungere il target, viceversa viene aumentato se il target non viene raggiunto. Questo implica che il livello di stimolazione inviato al muscolo dipende dalla capacità del paziente di eseguire l’esercizio; tanto più esso sarà in grado di eseguirlo da solo, tanto più l’intensità di stimolazione fornitagli sarà bassa. In una prima fase il sistema è stato testato su 10 soggetti sani in condizioni di muscolo rilassato (senza contributo volontario). Ciascun soggetto ha effettuato una prova di circa 3 minuti in cui l’angolo desiderato variava tra il 10% e il 90% del massimo range di movimento. Il controllore ha permesso di effettuare il tracking angolare con un valore medio di RMSE (errore quadratico medio) tra i soggetti pari a 7.69°±2.48°, con RMSE minimo pari a 4.39° e RMSE massimo pari a 12.5°. Successivamente si è valutato il funzionamento del controllore con integrazione dell’attività volontaria. A 10 soggetti sani è stato chiesto di effettuare un prova di tracking angolare in tre diverse condizioni: (1) volontariamente, senza stimolazione; (2) integrando stimolazione e attività volontaria (dividendo l’angolo target al 50% tra stimolazione e attività volontaria); (3) solo con il supporto della stimolazione, senza coinvolgimento volontario. Le tre condizioni di prova non sono risultate essere significativamente diverse in termini di RMSE (p-value=0.0821). Il sistema con integrazione dell’attività volontaria e riferimento adattivo è stato testato su un paziente neurologico con diagnosi di emiparesi sinistra conseguente a ictus ischemico cerebrale in sede cortico-sottocorticale precentrale e parietale destra. La prova ha evidenziato l’importanza del supporto fornito dalla stimolazione, senza la quale il soggetto non riusciva a raggiungere l’angolo target. Il sistema sviluppato in questo progetto risulta essere un buon punto di partenza per lo sviluppo di sistemi che integrino la stimolazione elettrica con l’attività volontaria residua. Possibili sviluppi futuri riguardano l’applicazione di questo sistema a più muscoli e l’uso combinato con un esoscheletro con compensazione di gravità che aiuti il paziente sostenendo l’arto in modo tale che esso non debba compiere un movimento antigravitario.