Advancing Exoskeleton Use Post Stroke: Developing and Optimizing a Soft Biplanar Ankle Exoskeleton

QC 250508

Abstract

Stroke är en ledande orsak till långvarig funktionsnedsättning globalt. Droppfot vid gång, eller nedsatt förmåga att lyfta, flytta fram och placera den påverkade foten på ett adekvat sätt är vanligt efter stroke. Droppfot vid gång är ofta förknippad med nedsatt förflyttningsförmåga och ökad fallrisk, samt minskad självständighet och livskvalitet. Potentialen hos bärbar robotik och exoskelett inom rehabilitering och assistans för personer med motoriska funktionsnedsättningar har undersökts brett. Få befintliga system har dock visat övertygande bevis för sin praktiska användning. Denna avhandling fokuserar på två specifika utmaningar i utformningen av ett exoskelettet för assistans vid droppfot under gång: 1) att kontrollera fotens position i både sagittala och frontala plan samtidigt, och 2) att individualisera exoskelettets  assistans för att förbättra både objektiva mått och subjektiv upplevelse.

Syften med avhandlingen är således att utveckla ett exoskelett som kan ge biplanär assistans runt fotleden som uppfyller både biomekaniska och genomförbarhetskrav, att utveckla ett skräddarsytt kontrollramverk som optimerar flera prestationsmått, och att identifiera individuellt anpassad assistans som förbättrar gång och uppfyller subjektiva kriterier.

De två första studierna fokuserar på utvecklingen och genomförbarhet av ett mjukt fotledsexoskelett utformat för att ge assistans vid både dorsalflektion och eversion, via kabeldriven mekanik och följsamma material. Experiment i den första studien bekräftar exoskelettets förmåga att kontrollera fotledsrörelser i båda planen med minimalt motstånd. I den andra studien utvärderades genomförbarheten av exoskelettet i en pilotgrupp av personer med droppfot vid gång i kronisk fas efter stroke. Vi fann förbättringar av viktiga gångparametrar, tillsammans med en positiv användarbedömning av komfort, användbarhet och upplevd effektivitet, vilket ytterligare uppmuntrar tillämpningen för personer i en kronisk fas efter stroke.

Den tredje och fjärde studien fokuserar på att utveckla personliga strategier för exoskelettkontroll, specifikt en multi-objektiv human-in-the-loop optimeringsramverk som utvärderar individuella svar på olika assistansprofiler, och sedan identifierar assistansprofiler skräddarsydda för varje individs gångavvikelse. Ramverket konstruerades för att samtidigt optimera två aspekter av gångkvalitet. Detta tillvägagångssätt gav inte bara en, utan en grupp av bra lösningar vilka förbättrar båda gångparametrarna i varierande grad vilka kan väljas baserat på sammanhang och preferenser. Ramverket utvecklades och testades i den tredje studien på en grupp försökspersoner utan gångavvikelser med en simulerad droppfotsnedsättning och  i den fjärde studien på en pilotgrupp av personer med droppfot efter stroke. I den fjärde studien utvecklades individualiseringsramverket ytterligare genom att ta hänsyn till användarpreferenser, och därigenom identifiera den optimala assistansen utifrån både objektiva gångkvalitetsmått och subjektiva preferenser.

Denna avhandling främjar tillämpningen av exoskelett för individer efter stroke genom både hårdvarudesign och individualiserade kontrollstrategier. Våra resultat stöder utvecklingen av exoskelett för att förbättra förflyttningsförmågan i denna population och belyser vikten av individualiserad assistans för att möta olika användarbehov. Våra resultat och utvecklingen ger en värdefull grund för framtida forskning och praktisk implementering av assisterande hjälpmedel vid gång. 

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-363232