Improving rehabilitation through exoskeletons pipeline for biomechanical analysis and user experience

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Brites, Joana Carolina Lança
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/58951
Resumo: Tese de mestrado, Engenharia Biomédica e Biofísica, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
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spelling Improving rehabilitation through exoskeletons pipeline for biomechanical analysis and user experienceAcidente Vascular CerebralDispositivos Médicos para ReabilitaçãoEletromiografiaParâmetros EspaciotemporaisTeses de mestrado - 2022Departamento de FísicaTese de mestrado, Engenharia Biomédica e Biofísica, 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasStroke is the leading cause of severe disability in adults, often resulting in mobility, balance, and coordination deficits. For this reason, walking recovery techniques significantly impact stroke patients’ quality of life. To improve rehabilitation, robotic exoskeletons are increasingly used during physiotherapy sessions. Robotic exoskeletons enhance conventional poststroke rehabilitation via intense and task-oriented training. To restore the gait function, it is essential to restore the correct activation timing of the lower limb muscles. Designed by Ekso Bionics, EksoNR is the first exoskeleton device that received Food and Drug Administration (FDA) clearance for rehabilitation use with patients with acquired brain injury, multiple sclerosis, and stroke patients. EksoNR has several settings that can be adapted to provide individualspecific training and the best user experience possible. This study is being proposed to understand better the impact of each setting on stroke recovery and user experience. There are two key outcomes: 1) to decipher the relationship between EksoNR robotic control settings and the biomechanics of walking; and 2) to uncover the psychological experiences during EksoNR use. To achieve these outcomes, the effects of Swing Assist EKSONR settings on gait kinematics, spatiotemporal parameters; muscle activity; and user experience were measured. The study registration is discussed in the first section of this thesis, focusing on the protocol, user experience questionnaire and ethical committee approval. This thesis’s second section consists of a gait analysis pipeline, focusing on muscular activity and spatiotemporal parameters. This pipeline starts by processing and filtering the data for each trial, then analysing the differences between settings for specific parameters and ending with statistical analysis for all the subjects. For pipeline testing and validation, a new protocol was created. Five participants were evaluated to test the pipeline, and a single analysis was done on one subject. The results showed that maximum trajectory control (MTC) was the setting with the lowest amplitude values, and neutral swing assistance (NSA) was the setting with a higher value in most muscles. On the contrary, MTC was also the setting with the highest median frequency value. Regarding spatiotemporal parameters, stance and swing time did not present any significant difference between the settings, and the other parameters presented significant differences between some pairs of settings. Since the results are based on just one participant, data of more participants need to be evaluated to have a global overview and global results. The experiments were conducted at the Brubotics Rehabilitation Research Center at the Vrije Universiteit Brussel (VUB) ’s Brussels health campus, led by Prof. Eva Swinnen and Prof. Nina Lefeber.O acidente vascular cerebral (AVC) é a principal causa de incapacidade grave em adultos, muitas vezes resultando em défices de mobilidade, equilíbrio e coordenação. Por esse motivo, as técnicas de recuperação da marcha têm um impacto significativo na qualidade de vida dos pacientes com AVC. Para melhorar a reabilitação, os exoesqueletos robóticos estão a ser cada vez mais utilizados durante as sessões de fisioterapia. O uso de exoesqueletos melhora a reabilitação convencional devido ao treino com maior intensidade e orientado a tarefas. Para restaurar a marcha, é também essencial restaurar o tempo correto de ativação muscular dos membros inferiores. Projetado pela Ekso Bionics, o EksoNR é o primeiro exoesqueleto a receber autorização da Food and Drug Administration (FDA) para ser usado em reabilitação com pacientes com lesão cerebral, esclerose múltipla e com acidente vascular cerebral. O EksoNR possui várias configurações que podem ser adaptadas para fornecer treino específico individual, de forma a fornecer a melhor experiência possível ao paciente. Este estudo foi proposto para entender o impacto de cada configuração na recuperação do AVC e na experiência do utilizador. Existem dois resultados principais: 1) decifrar a relação entre as configurações de controlo do EksoNR e a biomecânica da marcha; e 2) desvendar as experiências psicológicas durante o uso do EksoNR. Para alcançar esses resultados, os efeitos das configurações “Swing Assist” nos parâmetros espácio-temporais; atividade muscular; e a experiência do usuário foram medidos. Na primeira seção desta tese, é discutido o registo do estudo, com foco no protocolo, questionário de experiência do usuário e aprovação da comissão de ética. A segunda seção desta tese consiste numa pipeline para análise da marcha, com foco na atividade muscular e parâmetros espáciotemporais. Esta pipeline começa com o processamento e filtro dos dados adquiridos, seguido pela análise das diferenças entre as configurações e termina com a análise estatística de todos os sujeitos. Para teste e validação de pipeline, um novo protocolo foi criado. Cinco participantes foram avaliados para testar a pipeline e uma análise individual foi feita para um sujeito. Os resultados mostraram que a “maximum trajectory control” (MTC) foi a configuração que apresentou menores valores de amplitude e a “neutral swing assistance” (NSA) foi a configuração com valores mais elevados na maioria dos músculos. Pelo contrário, a MTC foi também a configuração com maior valor de frequência mediana. Em relação aos parâmetros espácio-temporais, o tempo da fase de apoio e de balanço não apresentou diferença significativa entre as configurações. Os demais parâmetros apresentaram diferenças significativas entre alguns pares de configurações. Como os resultados são baseados em apenas um participante, dados de mais participantes precisam ser avaliados para se ter uma visão mais abrangente. A aquisição de dados foi realizada no Brubotics Rehabilitation Research Center no campus de saúde de Bruxelas da Vrije Universiteit Brussel (VUB), liderados pela Prof. Eva Swinnen e Prof. Nina Lefeber.Ferreira, Hugo AlexandreSwinnen, EvaRepositório da Universidade de LisboaBrites, Joana Carolina Lança2023-08-22T10:26:51Z202220222022-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/58951enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T17:07:56Zoai:repositorio.ul.pt:10451/58951Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:09:01.286217Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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