A haptic-interface based system for the upper-limb rehabilitation of people with multiple sclerosis

Abstract

Για να παρέχει πλήρη και εξειδικευμένη θεραπεία για τα άτομα με πολύπλοκες νευρολογικές βλάβες, όπως είναι τα άτομα με ΣΚΠ, ένα σύστημα αποκατάστασης θα μπορούσε να εκμεταλλεύεται την ικανότητα των ρομποτικών συστημάτων να παρέχουν ανάδραση δύναμης και ικανότητα μέτρησης, σε περίπλοκες τρισδιάστατες κινήσεις. Η εργασία αυτή επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός ρομποτικού-απτικού συστήματος για άτομα με ΣΚΠ το οποίο μπορεί να παρέχει θεραπεία και αξιολόγηση σε περίπλοκες κινήσεις στον τρισδιάστατο χώρο. Συγκεκριμένα η NHPT (Nine–Hole–Pegboard-Test) εξομοιώθηκε σε ένα εικονικό περιβάλλον στο οποίο οι δυνάμεις αποκατάστασης επιτυγχάνονται τη χρήση ενός ρομποτικού βραχίονα τύπου απτικής διεπαφής, έξι βαθμών ελευθερίας, ο οποίος μπορεί επίσης να παρέχει κιναισθητικές και απτικές πληροφορίες. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν δοκιμές με υγιή άτομα όπως και με άτομα με ΣΚΠ οι οποίες επέτρεψαν την αναγνώριση και σύγκριση κινηματικών χαρακτηριστικών των δύο ομάδων. Περαιτέρω δοκιμές έγιναν με τη συμμετοχή τριών ατόμων με ΣΚΠ. Οι δύο χρήστες έδειξαν σημαντική βελτίωση στις χρονικές επιδόσεις τους, και ένας χρήστης στις χωρικές επιδόσεις. Σε γενικές τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η προτεινόμενη μέθοδος είναι αποτελεσματική για την αποκατάσταση ατόμων με ΣΚΠ σε σύνθετες κινήσεις. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητα της κίνησης πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω με πιο εκτεταμένες κλινικές μελέτες.

In order to provide complete and task-specific therapy for people with complex neurological impairments, such as those with Multiple Sclerosis (MS), it could be more beneficial to take advantage of a robots’ ability to provide force feedback and measurements in generic three dimensional motions. This work focuses on the development of haptic interface based robotic rehabilitation for the upper limbs’ functional abilities of people with MS, in complex three dimensional motions; the main interest is in reaching tasks. More specifically, the virtual NHPT is simulated within a Virtual Reality environment, where the forces are provided with the use of a haptic interface. With the virtual NHPT, tests are carried out, and kinematic traits of healthy people and people with MS are identified, analyzed and compared. Based on these results, and with the use of a modified three-dimensional Minimum Jerk Model constrained by initial and final velocities and positions, a force-control algorithm for upper limb robotic training of people with MS in 3D reaching tasks has been developed and implemented in the haptic-VR environment. Following the development of the system, tests were carried out with the participation of three persons with Multiple Sclerosis. Two of the users showed significant improvement in their temporal performance, and one of them in the spatial performance. In overall the results suggest that the proposed method can be effectively employed for rehabilitation in complex movements; nevertheless the effectiveness must be better grounded with extensive clinical trials, especially when it comes to spatial performance.