La riabilitazione assistita da robot

Transcript

1 La riabilitazione assistita da robot Gli ESOSCHELETRI sono le tecnologie robotiche più utilizzate Il sistema L-Exos (Light Exoskeleton) è un esoscheletro a retroazione di forza per il braccio destro 13 Novembre 2007

2 Un esempio applicativo Terapista 13 Novembre 2007

3 Esercizio n. 1 Task di reaching Al paziente viene richiesto di seguire attivamente il movimento di un indicatore che si muove lungo una traiettoria retta verso un bersaglio Il terapista sceglie la posizione dei bersagli e la velocità dell esercizio Se il paziente non è in grado di eseguire correttamente l esercizio, il robot esercita un azione correttiva Il movimento dell indicatore è generato applicando un profilo di velocità a campana Obiettivi: aumento ROM, aumento controllo motorio e fluidità di movimento 13 Novembre

4 Esercizio n. 2 Traiettoria vincolata Al paziente viene richiesto di muoversi liberamente lungo una traiettoria circolare, su cui può essere vincolato grazie ad un controllore di impedenza In assenza del vincolo, è possibile regolare la compensazione del peso del braccio del paziante La posizione, l orientamento e la scala della traiettoria possono essere modificati durante l esercizio Obiettivo: aumentare la fluidità del movimento e, in seconda istanza, rendere il paziente in grado di disegnare una traiettoria circolare autonomamente 13 Novembre

5 Esercizio n. 3 Manipolazione di oggetti Al paziente viene richiesto di riordinare alcuni cubi al fine di ricomporre la figura che appare sullo sfondo Il paziente riceve un feedback in forza coerente di inerzie ed urti Rimane possibile regolare la compensazione del peso del braccio del paziente La scala tra mondo reale e mondo virtuale è variabile Obiettivo: aumento controllo fine del movimento, aumento livello di concentrazione durante la terapia 13 Novembre

6 Esercizio n. 2 e n. 3 Controllo Applicazione di controllo: o Compensazione in gravità dell interfaccia o Compensazione variabile del peso del braccio del paziente Motore della fisica: o Realizzazione del vincolo cinematico (esercizio 2) o Gestione collisioni (esercizio 3) o Rendering aptico di attriti ed inerzie (esercizio 3) 13 Novembre

7 Protocollo clinico Validazione del sistema all Ospedale Santa Chiara di Pisa o Selezione dei pazienti da parte del personale del reparto di Neuroriabilitazione o Coinvolgimento di 9 pazienti cronici post-ictus Sessioni terapeutiche o Durata di ciascuna sessione: 60 minuti (esercizi)+10 (vestizione esoscheletro e pause) o Frequenza delle sessioni: 3 volte/settimana o Durata totale terapia: 6 settimane Analisi qualitativa o Feedback costante da pazienti e personale ospedaliero Analisi quantitativa o Definizione di metriche per valutare i progressi dei pazienti o Analisi clinica con scale di valutazione standard 13 Novembre

8 Criteri di inclusione Selezione pazienti Criteri di esclusione Soggetti emiparetici destri Limitazioni croniche: >12 mesi dall episodio neurologico Stabilità funzionale: funzioni motorie inalterate nell ultimo mese, nonostante terapia tradizionale costante Parziale controllo motorio volontario residuo del braccio destro Deficit motorio bilaterale Deficit sensoriale significativo per il braccio destro Deficit cognitivi significativi (afasia) che compromettano la corretta comprensione degli esercizi terapeutici Spasticità significativa 13 Novembre

9 Risultati qualitativi I pazienti manifestano entusiasmo verso la terapia proposta Non sono state riscontrate difficoltà significative in fase di vestizione I livelli di comfort percepiti per il device sono elevati L utilizzo del sistema è non ha causato scomodità o dolore Alcune difficoltà cognitive nella comprensione degli esercizi sono state facilmente superate Il livello di concentrazione deipazientièstatocostanteed elevato I pazienti riferiscono di una aumentata mobilità del braccio nelle attività quotidiane 13 Novembre

10 Performance comparison in reaching Healthy subject vs. patient performance in the reaching scheme 13 Novembre 2007

11 Patient 1 (PS) Quantitative results - reaching Week 1 Week 3 Week 5 13 Novembre 2007

12 Patient 1 (PS) Quantitative results - reaching 13 Novembre 2007

13 Risultati quantitativi Task di reaching Metrica: errore cumulato per ciascun bersaglio Dati interpolati tramite curva a sigmoide raggruppati per sessione terapeutica Miglioramenti per 4 su 9 pazienti 13 Novembre

14 Quantitative results Reaching task Metric: cumulative error for each target Data fitted by means of a sigmoid-like curve, averaged and grouped on a therapy session basis y= a 1+e x-b - c 13 Novembre

15 Quantitative results Reaching task Significant improvements on 4 out of 9 patients (pure red = first session, pure green = last session) Patient 2 Patient 3 Patient 5 Patient 6 13 Novembre

16 We observed a significant improvement in the reaching performance in 6 patients out of 9 patients (67% of the group) enrolled in the protocol (single tailed paired t test). For the whole group, a single tailed paired t- test showed a significant reduction of the performance error (p < 0.05) in the two conditions after (12:03±3:56) vs. before (14.97±6.13) therapy. Results on improving reaching 13 Novembre 2007

17 Exercise n. 2 Path following Patients are asked to move freely along a circular trajectory where they are constrained by an impedance controller (3D spring + damper) Position, orientation and scale of the circular trajectory can be changed online, thus allowing the patient to move within different effective workspaces Final goal: increase motion smoothness and make patients able to draw the circular trajectory autonomously 13 Novembre

18 13 Novembre 2007 Patient 2

19 Quantitative results Path following Metric: total time to complete a circle Data projected on a best fitting plane Improvements: ~70% for 3 patients, ~50% for 3 patients, not significant for 3 patients 13 Novembre

20 Metric: total time to complete a circle Data projected on a best fitting plane 13 Novembre 2007 Risultati quantitativi Path following

21 Quantitative results Path following Metric: total time to complete a circle Data projected on a best fitting plane 13 Novembre

22 Constrained motion task From the analysis of data reported in table II, we observe a significant improvement in 6 patients out of 9 patients (67% of the group) enrolled in the protocol (single tailed paired t-test). A single tailed paired t-test on the whole group showed a significant reduction of the lap time (p < 0.001) in the two conditions after (2.82 ±1.45 s) vs. before (4:83 ±1:77 s) therapy. 13 Novembre 2007

23 Risultati quantitativi Traiettoria vincolata Metrica: tempo totale per il completamento di un giro Miglioramenti: ~70% per 3 pazienti, ~50% per 3 pazienti, non significativi per 3 pazienti 13 Novembre

24 Correlazione incerta tra esercizi Paziente 2 Paziente 9 13 Novembre

25 Exercise n. 3 Object manipulation The patient is asked to move cubes represented in the virtual environment, to compose a tridimensional puzzle Patients receive a haptic feedback when they hit other cubes or the floor The device provides a tunable active compensation of the arm weight Scale of the mapping from endeffector displacement to displacement in the VE may be varied to adapt with the patient s ROMs High attention level required in order not to displace previously positioned cubes 13 Novembre

26 Fugl-Meyer The table outlines the results obtained by a Fugl-Meyer assessment carried out before and after robotic therapy. Every patient reported an increment ranging from 1 to 8 points, 5 ± 3.4 points (out of 66) being the average increment. Such results is absolutely comparable with the results which may be found in the scientific literature. A single tailed paired t-test showed a significant increment in the Fugl-Meyer scale (p < 0:001) in the two conditions after (39.7 ±18.3) vs. before (34.7 ± 19.7) therapy. 13 Novembre 2007

27 Clinical data Fugl-Meyer scale Increments (max 66pts): o Min: +1 o Max: +8 o Average: +4. Comparable with the results in the scientific literature Statistical significance: o p=0.003 in a paired t- Student test ID Post Pre Diff Novembre

28 Overall Preliminary Clinical Assessment Overall increase in active ROM execution for shoulder and elbow joints Increment of Fugl-Meyer reduced score for the upper limb No increment of spasticity assessed through ASHWORTH scale 13 Novembre 2007

29 Analisi scale cliniche Scala Fugl-Meyer Incrementi (max 66pts): o Min: +1 o Max: +8 o Media: +4. Tale risultato risulta confrontabile con analoghi risultati presenti nella letteratura scientifica. Significatività statistica: o p=0.003 in un test t- Student accoppiato Scala Ashworth Incrementi di opportuno indice di miglioramento: 6.2±4.2 pts La terapia robotica proposta porta quindi ad una riduzione del livello di spasticità per i pazienti coinvolti 13 Novembre

30 Analisi Range Of Motion Miglioramenti statisticamente significativi Polso flessione/estensione attiva (p = 0.004) Gomito flessione/estensione attiva (p = 0.005) Spalla rotazione interna/esterna attiva (p = 0.008) Spalla flessione/estensione passiva (p = 0.013) Polso rotazione ulnare/radiale passiva (p = 0.017) Avambraccio pronazione/supinazione attiva (p = 0.021) Spalla abduzione attiva (p = 0.021) Polso flessione/estensione passiva (p = 0.030) Polso rotazione ulnare/radiale attiva (p = 0.038) Spalla flessione/estensione attiva (p = 0.043) 13 Novembre

31 Clinical data ROMs 13 Novembre

32 Conclusioni e sviluppi futuri Il sistema L-Exos è stato integrato e validato con successo in un contesto ospedaliero. Il protocollo clinico sviluppato ha avuto come obiettivo la riabilitazione di soggetti con lesioni neurologiche mediante tecnologie innovative basate su Ambienti Virtuali. Sviluppi possibili Esercizi terapeutici Aumento del contenuto funzionale degli esercizi Miglioramento di alcuni aspetti del rendering 3D Introduzione di biofeedback visivo e acustico Sviluppi possibili Hardware e software di controllo Miglioramento del comfort e dell indossabilità della struttura Implementazione di algoritmi di controllo diretto in forza Implementazione di algoritmi di controllo in posizione diretto ai giunti 13 Novembre