Clinical evaluation towards the development of a lower limb exoskeleton for people with spinal cord injury: from gait biomechanics to motor learning

Abstract

(English) People with spinal cord injury (SCI) may suffer lifelong sequels that influence every aspect of their lives, including motor and/or sensory impairment, difficulty breathing and/or swallowing, bladder/bowel weakness, and sexual dysfunction. In recent years, spinal cord medicine and research have advanced remarkably, thus, significantly extending the life expectancy of patients with SCI. Particular progress has been demonstrated in gait rehabilitation to reduce subjects' dependency since the majority of people with SCI have permanent paralysis of their lower limbs and are unable to stand or walk. Gait rehabilitation using robotic technology has grown quickly in the last twenty years due to its advantages over conventional therapy. Robot-assisted gait training allows for longer and more intense sessions while performing more accurate and continuous physiological movements, as well as reducing therapists' physical loads. Since their first clinical appearance 25 years ago, different rehabilitation robots for gait training have been developed. However, wearable exoskeletons for overground walking have recently gained popularity, primarily because they promote the user's active participation and allow ambulation at home and in the community setting. The ABLE Exoskeleton is a wearable lower limb exoskeleton developed over the last four years for gait rehabilitation and gait training of people with SCI in the clinical setting. Currently, the robotic device is ready for CE certification, before entering the market. The collection of scientific publications in this thesis shows, on the one hand, some of the main studies that provided the insights that allowed the ABLE Exoskeleton to evolve from a first prototype with two independent knee-actuated braces to a bilateral hip-knee-actuated exoskeleton for clinical intended use. On the other hand, this thesis presents initial research into integrating feedback systems to be used in conjunction with the wearable exoskeleton to facilitate the use and learning of the device. A systematic review of wearable exoskeletons for gait rehabilitation in people with neuromuscular impairments laid the foundations for the goal of developing the clinical exoskeleton. Next, we run a first experiment showing that including a passive lumbar module on a former prototype configuration, consisting of two independent knee-actuated braces, improved gait kinematics. This finding led to a new prototype which was compared in a randomized, crossover clinical trial against conventional knee-ankle-foot orthoses (KAFOs), the current standard of care for verticalization and gait ambulation in people with SCI. The robotic device proved to be safe and feasible for gait training in a clinical setting and allowed for a more physiological gait pattern than the orthoses. Yet, the energy cost of walking with the robotic device was as high as with the KAFOs. This result caused the addition of hip actuation and a new lumbar module with increased support to reduce the metabolic cost of walking. These new features resulted in the market version of the ABLE Exoskeleton, which is currently being tested in a clinical trial and is beyond the scope of this thesis. Simultaneously with the evolution of the exoskeleton, we investigated the role that feedback systems could have on the learning process of using the ABLE Exoskeleton. First, a vibrotactile feedback system for replacing the lack of somatosensation in people with SCI was developed based on a questionnaire of sensory feedback preferences in people with SCI. Second, we took a first step toward learning to control lower limb exoskeletons using immersive virtual reality (IVR) to explore which visual feedback elements and from which perspective can better support the motor learning of triggering steps in a virtual exoskeleton. These studies have laid the basis for the future application of feedback systems to improve motor learning and gait performance of ABLE Exoskeleton users.

(Español) Las personas con lesión medular (LM) pueden sufrir secuelas de por vida que afectan a todos los aspectos de su vida, como discapacidad motora y/o sensorial, dificultad para respirar y/o tragar e incontinencia urinaria/intestinal. En los últimos años, la investigación sobre la médula espinal ha avanzado notablemente y ha ampliado la esperanza de vida de los pacientes con LM. Particularmente en la rehabilitación de la marcha se han logrado avances especiales, reduciendo la dependencia que la mayoría de las personas con LM sufren debido a la parálisis de las extremidades inferiores. La rehabilitación de la marcha mediante tecnología robótica ha crecido rápidamente en los últimos veinte años debido a sus ventajas sobre la terapia convencional. El entrenamiento de la marcha asistido por robots permite realizar sesiones más largas e intensas, con movimientos fisiológicos más precisos y continuos, además de reducir la carga física de los terapeutas. Desde su primera aparición clínica se han desarrollado diferentes robots para el entrenamiento de la marcha. Sin embargo, los exoesqueletos vestibles han ganado popularidad recientemente porque promueven la participación activa del usuario y permiten la deambulación en casa y en el entorno comunitario. El exoesqueleto ABLE es un exoesqueleto vestible de extremidades inferiores desarrollado en los últimos cuatro años para la rehabilitación y entrenamiento de la marcha de personas con LM. La colección de artículos de esta tesis muestra, por un lado, algunos de los principales estudios que permitieron que el exoesqueleto ABLE progresara desde un primer prototipo con dos ortesis independientes accionadas por la rodilla hasta un exoesqueleto bilateral accionado en cadera y rodilla para uso clínico. Por otro lado, esta tesis presenta una investigación inicial sobre la integración de sistemas de retroalimentación utilizados junto al exoesqueleto para facilitar su uso y aprendizaje. Una revisión sistemática de los exoesqueletos vestibles para la rehabilitación de la marcha en personas con deficiencias neuromusculares sentó las bases para desarrollar el exoesqueleto ABLE. A continuación, realizamos un primer experimento que demostró que añadir un módulo lumbar pasivo a un prototipo basado en dos ortesis independientes accionadas por la rodilla mejoraba la cinemática de la marcha. Este hallazgo dio lugar a un nuevo prototipo que se comparó en un ensayo clínico aleatorizado y cruzado con ortesis convencionales de rodilla-tobillo-pie (KAFOs), actualmente el estándar de cuidado para la verticalización y la deambulación de la marcha en personas con LM. El exoesqueleto ABLE demostró ser seguro y viable para el entrenamiento de la marcha en un entorno clínico y permitió un patrón de marcha más fisiológico que las órtesis. Sin embargo, el coste energético al caminar fue tan alto como con las KAFOs. Este resultado motivó la adición de motores en la cadera, además de un nuevo módulo lumbar con mayor soporte, en la siguiente y definitiva versión del exoesqueleto para reducir el coste metabólico de la marcha. Estas nuevas características dieron lugar a la versión de mercado del Exoesqueleto ABLE, que actualmente se está probando en ensayos clínicos y queda fuera del alcance de esta tesis. Simultáneamente, investigamos el papel que los sistemas de retroalimentación podrían tener en el aprendizaje de uso del Exoesqueleto ABLE. En primer lugar, desarrollamos un sistema de retroalimentación vibrotáctil para suplir la falta de somatosensación de las personas con LM. En segundo lugar, dimos un primer paso hacia el aprendizaje del control de exoesqueletos de extremidades inferiores mediante realidad virtual inmersiva (RVI) y explorar qué elementos visuales y desde qué perspectiva pueden apoyar mejor al aprendizaje. Estos estudios han sentado las bases para la futura aplicación de sistemas de retroalimentación en el exoesqueleto ABLE, con el fin de facilitar el aprendizaje y mejorar el rendimiento de la marcha.