Rehabilitation through Daily Activities: An Assistive Soft Elbow Exoskeleton for Post-Stroke Patients

Abstract

Introduktion: Blodpropper er en af de førende årsage til langvarig handikap, hvilket nedsætter en persons evne til at udføre daglige aktiviteter på grund af hemiparese, som forårsager svaghed i den ene side af kroppen. Noget kontrol kan genvindes med rehabili- tering, som foregår i en klinik med en fysioterapeut eller en stationær rehabiliteringsmask- ine. Metoder som opgaveorienterede øvelser og constraint-induced movement therapy er ressourcekrævende og ikke egnede til hjemmebrug. Metoder: Denne rapport udvikler et blødt exoskelet til albueleddet med fokus på brugernes komfort i form af at være diskret og ikke tung. Enheden integrerer elektromyografi (EMG) og accelerometerdata fra en inertial measurement unit (IMU) for at finde brugerens inten- tion med en support vector machine (SVM) model, der prøver at forudsige den ønskede bevægelse. Både fleksion og ekstension aktiveres aktivt ved hjælp af et kabel, der kon- trolleres på brugerens ryg og føres til punkter på underarmen. Resultater: Exoskelettet demonstrerede potentiale til at assistere med daglige aktiviteter, især med at løfte en indkøbspose. SVM-modellen viste forskellige nøjagtigheder for de to deltagere, der testede systemet, med henholdsvis 82% og 69%. Den effektive bevægelse ved brug af exoskelettet var også begrænset hos begge deltagere. Den gennemsnitlige responstid fra ønsket bevægelse til faktisk bevægelse var 0,94 sekunder. Disse er alle områder, der kan forbedres. Diskussion: Resultaterne indikerer, at det bløde exoskelet effektivt kan støtte armen, bøje og strække armen inden for de begrænsninger, der er forårsaget af exoskelettet, og hjælpe med daglige aktiviteter såsom at løfte en indkøbspose. Der er flere områder, der har be- hov for forbedring, specifikt pasformen og stramheden af stropperne, som kan glide og reducere den effektive bevægelse. Fremtidigt arbejde bør fokusere på at forbedre enhedens responsivitet og pasform samt udvide dens kapaciteter til at inkludere håndleds- og finger- bevægelser for mere omfattende og nyttig assistance. Test med patienter, der har haft en blodprop anbefales for at evaluere enheden på dens egentlige målgruppe.

Introduction: Stroke is a leading cause of long-term disability, significantly impairing a person’s ability to perform daily activities due to hemiparesis, which causes weakness in one side of the body. Some control can be regained with rehabilitation, with typical rehabil- itation happening in a clinical setting with a physical therapist or a stationary rehabilitation device. Methods like task-oriented exercises and constraint induced movement therapy are resource intensive and not suitable for home use. Methods: This thesis develops a soft exoskeleton for the elbow joint, with a focus on user comfort in the form of being lightweight and discrete. The device integrates electromyog- raphy (EMG) and accelerometer data from an inertial measurement unit (IMU) to detect user intent with a support vector machine (SVM) model predicting the intended movement. Both flexion and extension are actively actuated using a cable that is controlled on the back of the user and routed to the insertion points on the forearm. Results: The exoskeleton demonstrated potential in assisting with daily activities, par- ticularly lifting a grocery bag. The SVM model showed different accuracies for the two participants who tested the system, with 82% and 69%. The effective range of motion while using the exoskeleton was also limited in both participants. The average response time from intended motion to actual movement was 0.94 seconds. These are all areas for improvement, in addition to the fit of the straps. Discussion: The findings indicate that the soft exoskeleton can effectively support the arm, flex and extend the arm within the limitations caused by the exoskeleton, and help with daily activities such as lifting a grocery bag. There are multiple areas in need of improve- ment, specifically the fit and tightness of the straps which can slip and reduce the effective range of motion. Future work should focus on improving the device’s responsiveness and fit, and expand on its capabilities to include wrist and finger movements for more comprehensive and useful assistance. Testing with post-stroke patients is recommended to evaluate the device on its target user group.

A master thesis from Aalborg University

Rehabilitation through Daily Activities: An Assistive Soft Elbow Exoskeleton for Post-Stroke Patients