Design of an active orthosis for improved rehabilitation of stroke patients

Abstract

To regain mobility in an affected limb after a stroke it is important to be consistent with rehabilitation exercises. The purpose of this project was to create an active orthosis for the elbow joint. The intended use of the orthosis is to help stroke patients during rehabilitation and to enable the possibility to use the orthosis at home without the assistance of a physiotherapist or other help. The active orthosis that was developed in the project is a further development of a passive orthosis developed at the Center for Bionics and Pain Research (CBPR) in Gothenburg.

To make the orthosis active a servo motor was added to the elbow joint. To control the orthosis EMG-signals were collected from the participants bicep brachii and tricep brachii. The EMG-signals were thereafter interpreted by a machine learning algorithm in the open source program BioPatRec. The machine learning algorithm constructed a movement classifier based on data from a training set. The program thereafter sent a motor command with the intended direction to an Arduino. Lastly the Arduino sent a pulse width modulation (PWM) signal to the motor to move it a predetermined amount of degrees.

Two different ways to obtain the data for the training set were designed. An evaluation test was performed to evaluate the methods. Seven participants made flexion and extension movements from endpoint to endpoint in the range of motion. The two training methods were considered to be equally good. It was possible to control the orthosis in both directions but it was easier to do the flexion movement than the extension movement. The participants did not feel that the orthosis movements were scary but they experienced a delay in the movement.

With the end product it is possible to test the concept of an active orthosis but much development is still needed for it to be a rehabilitation tool for stroke patients.

Popular Abstract (Swedish)

Är exoskelett framtiden för stroke rehabilitering?

Strokepatienter får ofta minskad rörlighet vilken i viss mån går att återfå genom rehabilitering. Exoskelett öppnar dörrar för nya möjligheter inom detta .

Tänkt dig att du sitter i soffan med ditt morgonkaffe och gör dig redo för att återigen göra dina arm-övningar. Varför var det just du som skulle få den där stroken i somras? Hela ditt liv vändes upp och ner när du helt plötsligt inte kunde utföra enkla vardagssysslor som att knyta skorna eller äta med både kniv och gaffel. Allt för att din vänstra arm inte längre kan göra det den är skapt för. Så nu sitter du här igen dag 201 och försöker få din arm att lyftas från bordet utan något resultat. Du tänker för dig själv “Om jag inte kan göra detta en gång, varför ska jag försöka 100 gånger till?”[1]. Stroke är den tredje största dödsorsaken internationellt sett, samt den största orsaken till invaliditet [2]. Det är ett samlingsnamn på alla symptom som uppkommer när delar av hjärnan skadas på grund av syrebrist. En vanlig bieffekt av stroke är att man får nedsatt rörlighet i ena sidan av kroppen. Den nedsatta rörligheten orsakas alltså inte av att det är något fel på musklerna i sig, utan det beror på att delar i hjärnan som ansvarar för att skicka ut nervsignaler till de kroppsdelarna har dött. Men detta betyder inte att man aldrig kan få tillbaka den kopplingen. Hjärnan har en finurlig funktion som gör att ifall en del av hjärnan skadas så kan andra delar ta över dess ansvar. Allt som krävs för detta ska ske är upprepade övningar av den förlorade rörelsen. Därför innebär konventionell rehabilitering vid stroke att man utför rörelser av den drabbade kroppsdelen, flera gånger per övningstillfälle.

I ett tidigare examensarbete utformade man en aktiv ortos, eller med andra ord ett exoskelett, vars syfte är att utmana konventionella rehabiliteringsmetoder. En ortos är ett hjälpmedel som man har utanpå en kroppsdel för att ge stöd och ortosen i detta projekt är till för vänster arm. Ortosen gjordes rörlig genom att man fäste en motor på armbågsleden. När en strokepatient försöker röra armen kan man ibland ha svårt att se en faktiskt rörelse men man kan ofta fortfarande mäta upp att muskelsignaler uppkommer. Dessa signaler kan då samlas in och med hjälp av signalbehandling användas för att styra motorn på den aktiva ortosen.

Då kanske du som läsare undrar varför denna rehabilitering skulle vara bättre än den konventionella? Vi kan börja med att återgå till citatet i början av artikeln som faktiskt är ett riktigt citat av en stroke patient. Genom att visa patienten att ansträngningar faktiskt ger resultat hoppas man på att göra rehabiliteringen roligare och användaren mer motiverad. En annan fördel med denna teknik är att rehabiliteringen kan förläggas hemma och utan hjälp av sjukvårdspersonal. Förhoppningen är att detta kan minska trycket på sjukvården samt leda till att rehabilitering kan göras mer effektiv tack vare ökad tillgänglighet.

[1] Marchal-Crespo L, Reinkensmeyer DJ. Review of control strategies for robotic movement training after neurologic injury. J Neuroeng Rehabil}. 2009;6:20. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19531254/. Accessed February 28, 2022.
[2] Strokeförbundet. Vad är stroke?. strokeforbundet.se. https://strokeforbundet.se/vad-ar-stroke/. Accessed May 4, 2022.

• author: Vestergren Kilborn, Ragnhild and Lövgren, Rebecka
• supervisor: Christian Antfolk
• organization: Department of Biomedical Engineering
• alternative title: Design av en aktiv ortos för förbättrad rehabilitering av strokepatienter
• course: BMEM01 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: active orthosis, stroke rehabilitation, exoskeleton, EMG
• language: English
• additional info: 2022-10
• id: 9089836
• date added to LUP: 2022-06-30 12:55:29
• date last changed: 2022-06-30 12:55:29