Influence of the robotic exoskeleton Lokomat on the control of human gait: an electromyographic and kinematic analysis

Abstract

Nowadays there is an increasing percentage of elderly people and it is expected that this percentage will continue increasing. This aging of the population carries huge costs to the government, especially in the provision of health care. Among those health care, there is the motor rehabilitation after a stroke. The recent robotic devices for gait training are pointed out as an excellent solution to solve this problem, because besides the cost savings they can provide longer and more innovative trainings. All the advantages presented by such devices can trigger more research in this area as well as more government investments. There are already some control strategies implemented in these devices, which should be improved to create new motor rehabilitation interventions. One strategy that can be used in the future is to provide the amount of motor assistance as the patient really needs to achieve certain goals. Lokomat is one of these rehabilitation devices, which allows changing the percentage of assistance provided to the user. However, it is necessary to study the effects of such strategy in the physiological response of the users. There is more and more consensus about the need to obtain muscular activation patterns and kinematic patterns during walking in devices as Lokomat very similar to those obtained by healthy subjects during non-assisted walking. Recent scientific investigations make us to believe that the nervous system controls human gait via a simple modular structure. It is important to understand how this structure works when the walking is assisted by robotic devices. Thus, this work had three main objectives: to study the muscular electric activity during walking in Lokomat, by varying the total assistance provided by the device, as well as the walking speed; to analyze kinematic changes obtained during Lokomat-assisted walking, as well as the interaction forces between each user and the robotic device; to understand how this modular organization of the nervous system involved in synchronization of the muscular activity works during walking assisted by robotic devices. Only healthy subjects participated in our study. Therefore, our work generated a basis of comparison for future control strategies to be implemented in motor rehabilitation. We obtained quite encouraging results, which allow us to formulate new strategies for motor rehabilitation. In the future, these strategies will be implemented and it expected that post-stroke people can restore their normal gait more quickly.

Actualmente verifica-se um aumento crescente da percentagem de pessoas idosas e prevê-se que essa percentagem continue a aumentar. Este envelhecimento da população acarreta enormes custos para o estado, sobretudo na prestação dos cuidados de saúde. Entre esses cuidados, está a reabilitação motora após um AVC (acidente vascular cerebral). Os novos dispositivos robóticos de treino da marcha são apontados como uma excelente solução para este problema, pois além da poupança de custos poderão proporcionar treinos de maior duração e mais inovadores. Todas as vantagens apresentadas por este tipo de dispositivos podem servir para o despoletar de cada vez mais investigação nesta área e investimentos governamentais. Existem já algumas estratégias de controlo implementadas nestes dispositivos, que devem ser melhoradas para se criarem novas intervenções de reabilitação motora. Uma estratégia que se poderá utilizar futuramente nesses dispositivos consiste em providenciar somente a ajuda motora necessária para que o paciente atinja determinados objectivos. O Lokomat é um destes dispositivos, que permite variar a percentagem de ajuda providenciada. É no entanto necessário estudar os efeitos de tal estratégia na resposta fisiológica dos utilizadores. Cada vez se verifica maior consenso acerca da necessidade de se obterem padrões de activação muscular e padrões cinemáticos durante a marcha em dispositivos como o Lokomat muito similares aos obtidos por indivíduos saudáveis em marcha não assistida. Recentes investigações científicas levam-nos a crer que o sistema nervoso controla a marcha humana através de uma estrutura modular simples. É importante saber como actua essa estrutura quando a marcha é assistida por dispositivos robóticos. Assim, este trabalho teve três objectivos principais: estudar a actividade eléctrica muscular durante a marcha em Lokomat, variando a ajuda total providenciada pelo dispositivo, bem como a velocidade da marcha; analisar as diferenças cinemáticas obtidas durante a marcha em Lokomat, bem como as forças de interacção entre cada usuário e o dispositivo robótico; perceber como actua a organização modular do sistema nervoso envolvida na sincronização da actividade muscular durante a marcha em dispositivos robóticos. Apenas indivíduos saudáveis participaram neste estudo. Assim, este estudo gerou uma base de comparação para futuras estratégias de controlo utilizadas em reabilitação motora. Os resultados foram bastante animadores e permitam-nos formular novas estratégias de reabilitação motora. No futuro, estas estratégias serão levadas a cabo de modo a que pessoas afectadas por AVCs possam restabelecer mais rapidamente a sua marcha normal.