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Abstract and Figures

Robots are excellent tools for providing motion. Their motion is precise, stiff and as repeatable as needed. This led the Swiss Foundation for Cyberthosis (SFC) to exploit robotics jointly with the muscle electrostimulation as intelligent rehabilitation devices. A three step rehabilitation process was developed; each step has its dedicated reeducation device. The very encouraging clinical results obtained with the first system prove the rightness of the concept (Robotic system + Electrostimulation Rehabilitation process). --- Les robots sont d'excellents outils pour la génération de mouvements précis, rigides et répétables. Ceci incita la Fondation suisse pour les cyberthèses (FSC) à exploiter conjointement la robotique et la stimulation musculaire pour la réalisation de systèmes de rééducation intelligents. Un processus de réhabilitation en trois étapes fut développé, chaque étape ayant son système robotique dédié. Les résultats très encourageants du premier système prouvent la qualité du concept (robotique + électrostimulation processus de rééducation).
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RS - JESA – 41/2007. Robotique et handicap, pages 261 à 278
Cyberthèses
Mise en œuvre d’un nouveau concept de rééducation
pour paraplégiques
Yves Stauffer* Mohamed Bouri* Carl Schmitt*
Yves Allemand* Stany Gnemmi* Jacques Fournier*
Reymond Clavel* Patrick Métrailler** Roland Brodard**
* LSRO, EPFL
ME B3 464, Station 9
1015 Lausanne, Suisse
yves.stauffer@epfl.ch
** Fondation Suisse pour les Cyberthèses
Rue du Commerce 2
1870 Monthey 2, Suisse
patrick.metrailler@fsc-sfc.org
RÉSUMÉ. Les robots sont d’excellents outils pour la génération de mouvements précis, rigides
et répétables. Ceci incita la Fondation Suisse pour les Cyberthèses (FSC) à exploiter
conjointement la robotique et la stimulation musculaire pour la réalisation de systèmes de
rééducation intelligents. Un processus de réhabilitation en trois étapes fut développé, chaque
étape ayant son système robotique dédié. Les résultats très encourageants du premier
système prouvent la qualité du concept (Robotique + Electrostimulation
Processus de
rééducation).
ABSTRACT. Robots are excellent tools for providing motion. Their motion is precise, stiff and
as repeatable as needed. This led the Swiss Foundation for Cyberthosis (SFC) to exploit
robotics jointly with the muscle electrostimulation as intelligent rehabilitation devices. A
three step rehabilitation process was developed; each step has its dedicated reeducation
device. The very encouraging clinical results obtained with the first system prove the
rightness of the concept (Robotic system + Electrostimulation
Rehabilitation process).
MOTS-CLÉS : rééducation, robotique médicale, électrostimulation, paraplégie, plasticité
neuronale.
KEYWORDS: rehabilitation robotics, electrostimulation, paraplegics, neural plasticity.
DOI:10.3166/JESA.41.261-278© 2007 Lavoisier, Paris
262 RS - JESA – 41/2007. Robotique et handicap
1. Introduction
Chaque année, plus de 200 nouveaux cas de paraplégie, suite à un accident ou à
une maladie, sont à déplorer en Suisse et 1 000 en France. Ce qui porte à environ
7 000, respectivement 40 000 la population de personnes para-tétraplégiques dans
ces pays. Depuis la Seconde Guerre mondiale, les moyens à disposition pour la prise
en charge du traumatisé médullaire lors de la lésion et de la réadaptation ont
considérablement évolués. Actuellement, ces moyens permettent chez 80 % des
blessés médullaires de limiter l’atteinte à une lésion partielle de la moelle épinière.
Malheureusement uniquement 10 % de ces personnes retrouvent une marche
autonome (Zäch, 2000).
De nos jours les paraplégiques bénéficient souvent de programmes de
rééducation sur tapis roulant. Deux, voire trois physiothérapeutes sont requis afin de
mobiliser les jambes et le bassin du sujet. Malheureusement ce travail est
extrêmement pénible pour les praticiens, de plus les mouvements ne sont que
difficilement répétables et bien évidemment non quantifiables. Dans certains cas cet
entrainement est robotisé (Reikensmeyer, 2004). Cependant en cas d’absence de
capacités volontaires résiduelles du sujet, le travail fourni est purement passif.
1.1. Cyberthèses
Une orthèse est un appareil visant à corriger une fonction déficiente, à
compenser une incapacité ou à accroître le rendement physiologique d’un organe ou
d’un membre. Une orthèse fonctionnelle est une orthèse additionnée d’un ou
plusieurs moteurs et de capteurs. Elle sert d’interface mécanique avec le sujet et
permet la mesure de la position d’un membre ainsi que les forces générées par le
sujet dans l’optique du contrôle du mouvement et de la stimulation CLEMS
1
,
2
™.
Les moteurs assistent ou empêchent le mouvement en fonction de la thérapie
appliquée. La combinaison CLEMS et orthèse fonctionnelle donna naissance aux
Cyberthèses, contraction de cybernétique et orthèses.
Initié par Roland Brodard (fondateur de la Fondation Suisse pour les
Cyberthèses), le projet Cyberthèses vise à combiner la stimulation musculaire en
boucle fermée à des orthèses motorisées. Ce concept novateur permet non seulement
une automatisation du traitement, mais également une participation active des
muscles du sujet. De ce concept émanent de nouveaux appareils s’inscrivant dans un
processus global de réadaptation ne se focalisant pas uniquement sur le but du
recouvrement de la marche. Ils intègrent les bénéfices d’une activité physique
1. MotionMaker™, WalkTrainer™, WalkMaker™, StimMaker™ et CLEMS™ sont des
marques déposées par la FSC.
2. « Closed Loop Electrical Muscle Stimulation » ou « Stimulation Musculaire Electrique en
Boucle Fermée ».
Concept de rééducation cyberthèse 263
électrostimulée dans l’augmentation de la qualité de vie des traumatisés médullaires
et des hémiplégiques (Takahashi, 2003) par diminution des complications dues à
l’immobilisation des membres inférieurs.
Les bénéfices d’un tel traitement sont évidents pour le patient, mais également
pour les physiothérapeutes en les libérant des pénibles mobilisations.
La philosophie Cyberthèse repose sur un traitement en trois phases. A chaque
phase correspond un appareil de rééducation dédié. Ils sont décrits au point 2.
1.2. Lésion médullaire
La lésion médullaire résulte d’une atteinte de la moelle épinière. Son origine est
le plus souvent traumatique, mais elle peut aussi découler d’une maladie, par
exemple, hernie discale, tumeur et spina-bifida. Le terme paraplégique englobe aussi
bien les paraplégies au sens strict avec paralysie des membres inférieurs (lésions
dorsales, lombaires ou sacrées), que les tétraplégies avec paralysie des quatre
membres (lésions cervicales). La plupart des personnes atteintes de para- ou
tétraplégie se déplacent en fauteuil roulant mais ceci n’est que la conséquence la
plus visible. Des déficiences, souvent cachées, découlent de la paralysie. Au niveau
de l’appareil moteur, ces complications sont d’ordre cardiovasculaire (adaptation à
l’effort), musculaire (atrophie), articulaire (mouvements limités), osseux
(ostéoporose) et sensitif. Il en résulte chez ces personnes une condition physique
insuffisante pour l’apprentissage de la marche. La participation musculaire active du
sujet (Fitzwater, 2002) ainsi que sa verticalisation, principes fondateurs du concept
Cyberthèses, permettront la diminution de ces effets secondaires et dans certains cas
de lésions incomplètes, de retrouver une mobilité volontaire.
1.3. CLEMS
La CLEMS (« Closed Loop Electrical Muscle Stimulation » ou « stimulation
musculaire électrique en boucle fermée ») est un des principes de base du concept
Cyberthèse.
Les bénéfices de l’ajout de la stimulation électrique fonctionnelle (SEF) à la
mobilisation ont été montrés durant les 10 dernières années (Frischknecht et al.,
1989, Belanger et al., 2000). La SEF est utilisée pour stimuler la récupération d’une
certaine activité volontaire, spécialement dans les cas de paraplégie incomplète,
ainsi que pour limiter l’atrophie musculaire. Pour maximiser les chances de
récupération, les stimulations électroinduites doivent s’approcher le plus possible de
la séquence de contractions musculaires physiologique observées lors d’un
mouvement. Ceci non seulement pour une meilleure utilisation des ressources
musculaires disponibles, mais aussi pour respecter les activations réflexes des
264 RS - JESA – 41/2007. Robotique et handicap
agonistes/antagonistes et les influx proprioceptifs générés par les membres et
envoyés au système nerveux central.
La SEF classique, en boucle ouverte, est capable de suivre les séquences
d’activation des muscles impliqués dans un mouvement. En revanche elle est
incapable d’adapter son intensité durant l’exécution du mouvement. Un contrôle en
boucle fermée de la SEF est nécessaire pour accomplir des mouvements complexes
et répétitifs comme le leg-press, le pédalage ou la marche de manière similaire à ce
qui se produit naturellement. La technologie CLEMS permet de reproduire la
cinématique et la dynamique des mouvements naturels aussi étroitement que
possible. Ceci peut avoir un impact non négligeable sur la plasticité du système
nerveux au niveau spinal et cérébral.
1.4. La gamme des projets Cyberthèse
Le but des projets Cyberthèses est la rééducation de personnes paraplégiques ;
idéalement le plus rapidement possible après la stabilisation de la phase aigüe afin
d’éviter l’atrophie musculaire, mais également en phase chronique. Pour ceci un
processus en trois étapes fut élaboré.
1.4.1. Le MotionMaker
Le MotionMaker™ est le premier élément du processus de réhabilitation
(Schmitt et al., 2004). Les membres du patient peuvent être mobilisés passivement
ou travailler activement de manière électrostimulée et/ou volontaire contre des
résistances de charge créées par les moteurs. Il est possible de mobiliser les trois
articulations principales des jambes, à savoir la hanche, le genou et la cheville dans
le plan sagittal. Des capteurs de force et de position permettent le contrôle de toutes
les informations nécessaires à la rééducation.
Le but du MotionMaker est la prise en charge dès que possible des patients afin
de minimiser les effets de l’absence de mouvements. Il s’agit donc de maintenir,
voire augmenter le volume musculaire pour les sujets de longue durée, rendre la
mobilité aux articulations, entraîner la capacité cardiaque et prévenir l’ostéoporose
neurologique.
1.4.2. Le WalkTrainer
Une fois que le sujet aura complété avec succès l’entraînement sur le
MotionMaker et atteint une condition physique suffisante, le réapprentissage des
schémas moteurs de la marche pourra débuter au moyen du dispositif mobile
WalkTrainer™. Equipé d’orthèses des jambes et du bassin, d’une reprise de poids et
évidemment de la CLEMS, ce système permettra un mimétisme parfait des
mouvements de la marche en vue de stimuler la plasticité du système nerveux. Il est
à noter qu’une grande importance est accordée à la marche sur le sol. En effet, la
Concept de rééducation cyberthèse 265
cinématique et la dynamique du mouvement de la marche étant différentes
(modifications des longueurs des pas (Dingwell, 2001) et des EMG (Arsenault,
2001) sur le tapis roulant, les informations proprioceptives diffèrent. Les schémas
moteurs ainsi entraînés s’en retrouvent perturbés pour la marche sur le sol. La
déambulation réelle du sujet dans son environnement, stimulera de façon optimale le
réapprentissage du schéma moteur fonctionnel de la marche sur le sol, mais aussi sa
motivation, qui constitue un apport indispensable à l’efficacité de sa rééducation.
1.4.3. Le WalkMaker
Le WalkMaker™ est une cyberthèse d’assistance de la marche au moyen d’une
électrostimulation de type CLEMS. Elle s’adresse aux sujets, qui n’auront pas
récupéré une autonomie de marche suffisante après entraînement sur le
WalkTrainer. Ces dernières pourront alors bénéficier du WalkMaker afin d’aboutir
à une marche orthétique fonctionnelle autonome (Goldfarb, 2003). Le détail du
cahier des charges de ce dispositif sera défini une fois les tests cliniques du
WalkTrainer effectués.
2. MotionMaker
Il se compose d’un lit et de deux orthèses permettant un mouvement contrôlé des
articulations de la hanche, du genou et de la cheville. Les pieds se déplacent dans
des plans parallèles au plan sagittal.
Figure 1. MotionMaker avec un sujet valide
Liaison
plantaire
Electrodes
Liaisons
orthopédiques
266 RS - JESA – 41/2007. Robotique et handicap
2.1. Concept novateur
La nouveauté du MotionMaker réside dans le couplage entre l’orthèse motorisée
et l’électrostimulation contrôlée. Chaque articulation est motorisée et possède des
capteurs de position et de moment articulaire. Les capteurs fournissent à l’organe de
commande les informations nécessaires à l’ajustement en temps réel de la
stimulation électrique (CLEMS) durant l’exécution du mouvement. Cet ajustement
prend en compte les forces développées par l’électrostimulation ainsi que les efforts
volontaires fournis par la personne elle-même. Le but de ce contrôle est d’atteindre
les performances de force prescrites par le praticien au début de l’exercice. En
fonction de la participation musculaire de la personne, les moteurs agissent en aide
ou résistance au mouvement. Ceci permet un entraînement actif sur toute la plage
articulaire même en cas de grosse déficience physique.
La modularité des 6 axes indépendants permet diverses trajectoires d’exercice.
Le travail en chaîne ouverte aussi bien qu’en chaîne fermée avec reprise des forces
au niveau des pieds uniquement est possible.
2.2. Architecture
2.2.1. Mécanique
Les articulations de l’orthèse sont basées sur le principe bielle coulissante et
manivelle comme présenté dans la figure 2.
Figure 2. Détail d’une articulation du MotionMaker
Ce type d’articulation orthétique permet de suivre la courbe physiologique non-
linaire du moment en fonction de l’angle articulaire et ainsi d’optimiser la taille des
actionneurs. Le calcul des moments articulaires se fait via des capteurs de force
mesurant les forces axiales dans les vis d’actionnement.
Moteur et
encodeur
Capteur
angulaire absolu
Capteur de force
Vis d’actionnemen
t
Réglage de
longueur
Concept de rééducation cyberthèse 267
La correspondance géométrique entre le robot et les jambes de la personne est
assurée par des réglages des longueurs des segments de l’orthèse.
2.2.2. Electronique de stimulation
Un électrostimulateur dédié a été développé pour atteindre les performances
requises par le réglage CLEMS. Le StimMaker™ possède 20 canaux de stimulation
et permet la modification des paramètres de l’électrostimulation sur les 20 muscles
avec un temps de réaction de 0.5 ms par canal.
2.2.3. Contrôle
Sur le MotionMaker, deux systèmes sont à contrôler : l’orthèse et la jambe. Les
deux étant liés rigidement, leurs boucles de réglages respectives doivent être
découplées. Le choix s’est fait sur un contrôle en position du robot et en force des
jambes. Ainsi, chaque système possède sa propre grandeur physique à régler.
L’algorithme de contrôle CLEMS calcule les moments articulaires correspondant à
la force prescrite au niveau du pied ou les récupère de la consigne pour un
mouvement articulaire pur.
L’algorithme CLEMS utilise ces moments pour définir quels muscles seront
stimulés puis ajuste durant tout le mouvement l’amplitude du courant de stimulation
fourni à ces muscles. La technique de stimulation s’effectue par électrodes de
surface, les muscles stimulés sont les grands fessiers, les quadriceps, les ischios-
jambiers, les jumeaux et le muscle jambier.
La comparaison entre les moments désirés et ceux mesurés sur l’orthèse permet
l’ajustement de l’électrostimulation mais permet aussi la détection d’événements
perturbateurs comme les spasmes et les clonus. En effet, l’électrostimulation et la
mobilisation peuvent engendrer chez certaines personnes des contractions réflexes
involontaires pouvant être importantes. Afin d’assurer la sécurité de la personne
durant un exercice, le système procède de manière ciblée suite à la détection d’un
spasme. Le MotionMaker réagit de manière à interrompre ce spasme par diminution
des courants de stimulation et à diminuer les contraintes ostéo-tendineuses
engendrées par un réglage compliant
3
de l’orthèse.
Après avoir validé la CLEMS sur des personnes paraplégiques avec une simple
orthèse du genou (Schmitt et al., 2004), l’algorithme a été testé avec le
MotionMaker sur des personnes valides (Metrailler et al., 2006a) avec un
mouvement d’extension-flexion de type leg-press. Les résultats étant satisfaisants,
une étude clinique pilote a été entreprise (Metrailler et al., 2006b).
3. Plus tolérant par rapport aux erreurs de position, ceci se traduit par une déviation contrôlée
de la trajectoire de référence.
268 RS - JESA – 41/2007. Robotique et handicap
Figure 3. Schéma de contrôle de l’électrostimulation
2.3. Etude clinique pilote
5 personnes paraplégiques (lésion > 4 ans) – 4 avec lésion incomplète et 1 avec
lésion complète – ont effectué des séances d’entraînement de 60 minutes sur le
MotionMaker, 2 à 3 fois par semaine pendant 2 mois. Les mouvements étaient de
type leg-press avec stimulation alternée des muscles extenseurs (grand fessier,
quadriceps et jumeaux) et fléchisseurs (ischio-jambiers et jambier antérieur). Les
buts principaux de ces tests étaient :
1. de valider la possibilité de l’exécution de mouvements contrôlés avec des
sujets paraplégiques,
2. de confirmer la possibilité d’augmenter la force volontaire des sujets avec
lésions médullaires incomplètes,
3. d’étudier l’effet des mouvements avec CLEMS sur la spasticité,
4. confirmer l’innocuité du dispositif.
2.4. Résultats
2.4.1. Contrôle de la force
La figure suivante montre la position du patient durant les exercices de leg-
press.
Force de consigne au pied
Biomécanique,
longueurs,
Modèles
musculaire
Régulateur
Muscle
Orthèse
Courants de
s
timulation
Moments
Forces et positions mesurées
Concept de rééducation cyberthèse 269
(Xp,Yp)
FY
FX
Xo
Ag
Yo
Mg
Le résultat du contrôle de la force électroinduite durant une extension et une
flexion d’un exercice leg-press avec une personne paraplégique complète est
présenté dans les figures suivantes. La figure 5 montre la position en X du pied
(Xp), les forces horizontales de consigne (FXs) et mesurées (FXm), les forces
verticales mesures (FYm). La force verticale de consigne est constante à 0N. La
figure 6 présente les effets des forces au pied au niveau du genou. On y retrouve les
moments de consigne (Mgd) et mesurés (Mgm), l’angle (Ag) et le courant de
stimulation du quadriceps (Sq). Il est à noter que les grandes erreurs de suivi sont
dues à la saturation du courant de stimulation à 70mA pour des raisons de sécurité.
Figure 5. Extension et flexion, avec la
position du pied (Xp), la force de
consigne (FXs) et les forces mesurées
(FXm) horizontale et (FYm) verticale
Figure 6. Moments de consigne (Mgd) et
mesurés au genou (Mgm)
correspondants. Angle du genou (Ag) et
courant de stimulation du quadriceps
(Sq)
Par ces mesures, il a été démontré que la force résultante de plusieurs
contractions musculaires peut être contrôlée en amplitude et en direction.
Figure 4. Position du pied (Xp, Yp), angle du genou (Ag) et moment au genou (Mg)
270 RS - JESA – 41/2007. Robotique et handicap
2.4.2. Spasticité
Figure 7. Moyenne et écarts types des mesures de spasticité avant et après chaque
séance d’exercice
La mobilisation des jambes avec électrostimulation a eu des effets bénéfiques
pour la diminution de la rigidité des membres due à l’hypertonie. 3 des 5 sujets
étaient connus pour une importante spasticité. La figure 7 montre l’évolution des
moyennes des mesures de spasticité avant et après chaque séance d’exercice. Les
thérapeutes effectuaient des mobilisations manuelles et graduaient la résistance au
mouvement selon l’Echelle modifiée d’Ashworth (Bohannon et al., 1987). La
réduction de spasticité durait 2 à 3 heures après la séance.
2.4.3. Force volontaire
Lors des exercices de mobilisation avec stimulation CLEMS et force volontaire,
les sujets avec lésion incomplète jouissaient d’une plus grande conscience de leurs
membres que lors des exercices purement volontaires. Cette augmentation de
perception semble être due à la meilleure stimulation des senseurs proprioceptifs
avec la stimulation CLEMS. Ainsi, ils pouvaient développer de plus grandes forces
volontaires avec stimulation électrique. L’amélioration de la perception de leurs
membres leur a permis au fil des exercices d’augmenter aussi leur force volontaire
pure.
Après les deux mois d’entraînement, tous les sujets avec lésion incomplète (p1,
p2, p4 et p5) ont plus que doublé leur force volontaire, sans électrostimulation, sur
au moins une jambe. La figure 8 montre l’évolution de leur force volontaire
moyenne par série d’exercice, en % entre la première séance et la dernière. Cette
augmentation de performance peut être expliquée par une amélioration de la
fonction musculaire, par une fonction améliorée du système moteur spinal lié à la
plasticité neuronale ou à un contrôle moteur central amélioré par la réactivation des
schémas moteurs dormant.
Concept de rééducation cyberthèse 271
Figure 8. Evolution, en %, de la puissance moyenne développée volontairement
pour les jambes droite et gauche, sans stimulation électrique, p3 est un
paraplégique complet et par conséquent sa force volontaire n’est pas mesurable
3. WalkTrainer
3.1. Concept
Les résultats prometteurs fournis par les tests cliniques du MotionMaker ont
amené au développement de la seconde phase du projet Cyberthèse : le
WalkTrainer.
Figure 9. Vue d’ensemble du WalkTrainer (gauche), réalisation avec sujet valide et
sans orthèse des jambes (droite)
272 RS - JESA – 41/2007. Robotique et handicap
Le principe de base, à savoir la stimulation musculaire en boucle fermée
CLEMS ainsi qu’une assistance robotisée sont communs à ces deux projets. Le
réapprentissage des schémas moteurs de la marche nécessite un mimétisme parfait
de la déambulation naturelle. Ceci est uniquement possible lors de la marche sur le
sol. Lors de la marche sur tapis roulant une altération de la dynamique de la marche
ainsi que des informations proprioceptives sont à relever. Une description complète
du WalkTrainer et de ses composants fonctionnels est donnée à la section 3.2.
3.2. Composants
Le WalkTrainer est composé de cinq sous-ensembles mécatroniques qui
interagissent avec le sujet de deux manières :
– mécaniquement : le déambulateur, l’orthèse des jambes, l’orthèse du bassin et
la suspension active,
– électriquement : la CLEMS.
3.2.1. Le déambulateur
La fonction principale du déambulateur est le suivi de la personne pendant la
marche. Il sert de support mobile à tous les autres composants. Equipé de deux
roues montées en différentiel il peut se mouvoir dans le plan et de ce fait accomplir
parfaitement sa tâche de suivi. Les versions futures embarqueront également des
batteries afin de permettre plus de liberté lors des entraînements.
3.2.2. La suspension active
La condition musculaire des paraplégiques, à savoir une atrophie parfois
importante des muscles des jambes ainsi qu’un mauvais contrôle des muscles
posturaux, doit être prise en compte. Un harnais permet une décharge contrôlée des
jambes ainsi qu’un maintien du tronc de la personne. Cette suspension est dite active
car un moteur permet de compenser les irrégularités, dues principalement au ressort
de précontrainte ainsi qu’aux différentes inerties en jeu. Un contrôle en boucle
fermée est possible grâce aux capteurs de force et position.
3.2.3. L’orthèse du bassin
Les mouvements du bassin sont capitaux pour garantir une marche naturelle.
Une campagne de mesures biomécanique est en cours afin de quantifier la
cinématique et la dynamique de la ceinture pelvienne dans des cas particuliers de
pathologie de la marche pour ensuite optimiser la prochaine version de l’orthèse du
bassin. La cinématique choisie est celle d’un robot parallèle à six degrés de liberté.
Concept de rééducation cyberthèse 273
Il nous est donc possible d’accompagner le sujet selon les trois rotations et les trois
translations de l’espace. Son but est d’initier les mouvements du patient et de le
guider d’une façon similaire au travail d’un physiothérapeute. Des capteurs de force
permettent un monitoring précis des forces exercées sur le sujet. Le travail fourni
par l’orthèse du bassin est donc parfaitement quantifiable et utilisable également
dans un but de diagnostic.
3.2.4. L’orthèse des jambes
L’orthèse des jambes remplit deux fonctions d’une importance capitale.
Premièrement, la mesure de la position des membres du sujet est fournie en temps
réel par cette dernière au moyen de capteurs de position embarqués. La force que le
sujet exerce sur l’orthèse est également mesurée au moyen de capteurs de force. Ces
deux informations sont indispensables pour la régulation en boucle fermée de la
stimulation musculaire. Deuxièmement, munie de moteurs l’orthèse des jambes
permet une assistance aux mouvements du patient.
3.2.5. L’électrostimulateur
Un stimulateur musculaire temps réel, le StimMaker, fut développé
spécifiquement pour les projets Cyberthèses. Il est possible de stimuler avec
précision jusqu’à vingt muscles. Dans cette application les muscles suivants sont
ciblés : grand fessier, vaste interne, vaste externe, droit antérieur, ischios, tibia
antérieur et jumeaux.
3.3. Stratégie de synchronisation globale
Tous les composants décrits dans la section 3.2 devront être coordonnés afin de
permettre une marche interactive, avec participation active du sujet sans que ce
dernier ne soit brusqué par la machine.
Différentes stratégies de coordination sont envisagées. Celle en cours
d’implémentation consiste en une relation maître-esclave entre les différents
composants. Le composant maître servira d’élément guide aux autres éléments. Un
choix tout à fait logique est l’orthèse des jambes. En effet cette dernière est la clé de
voûte de la CLEMS, donc de la rééducation active. De plus elle comporte tous les
capteurs nécessaires à la mesure de l’activité de la personne (forces et positions). La
relation maître-esclave pourrait donc ressembler à celle décrite à la figure 10.
274 RS - JESA – 41/2007. Robotique et handicap
3.3.1. Synchronisation de l’orthèse du bassin
A l’heure où ce texte a été écrit l’orthèse des jambes n’était pas encore
disponible. Cependant une première implémentation de la stratégie de coordination
fut faite. A défaut d’orthèse des jambes un footswitch placé sous le pied droit du
sujet servait de capteur proprioceptif pour l’obtention de la « position » de la jambe.
Connaissant cette dernière il était possible de coordonner le mouvement de l’orthèse
du bassin avec la marche du sujet. La prise de contact du talon droit était utilisée
pour extraire deux informations vitales : la fréquence des pas et le déphasage entre
les jambes et l’orthèse du bassin. La connaissance de ces deux valeurs permet
ensuite une génération de trajectoire de l’orthèse du bassin garantissant la
synchronisation, avec pour condition de ne pas brusquer le sujet. Cela implique que
la synchronisation s’effectue sur un cycle entier et non pas instantanément, ce qui
induirait des accélérations extrêmement désagréables pour l’utilisateur.
3.3.2. Compliance sélective 6 axes
L’orthèse du bassin est capable de guider le sujet selon les six degrés de liberté
de l’espace. Ces mouvements peuvent être atteints avec une précision millimétrique.
Cependant imposer de tels mouvements pourrait engendrer de grandes forces sur le
sujet, donc être perçu comme négatif, voire contreproductif. Il peut donc être
intéressant de rendre la structure compliante
4
de façon contrôlée. Il faut cependant
gérer ces déviations avec exactitude, pour cette raison un algorithme permettant de
rendre compliant indépendamment et de façon contrôlée chaque degré de liberté de
l’orthèse fut implémenté.
Un tel contrôleur peut être utilisé pour maîtriser l’interaction entre l’orthèse et le
sujet de façon à ne pas le brusquer. De plus un tel algorithme peut être rendu
progressif. Il permettra également de vérifier la progression du sujet. En effet il est
possible d’adapter la compliance à l’évolution du sujet. Si un sujet suit de bonnes
trajectoires avec un contrôleur compliant, cela signifie qu’il est capable de générer
ces trajectoires par lui-même.
4. Baisse de la rigidité.
Figure 10. Stratégie de coordination des différents composants du WalkTrainer
Concept de rééducation cyberthèse 275
3.3.2.1. Théorie
Le principe de base de cet algorithme est le calcul des forces de rappel dans
l’espace opérationnel (OP), puis leur projection dans l’espace articulaire (ART).
Dans cette section nous assumons que ce processus se déroule autour d’un point
fixe, mais le même raisonnement tient pour une trajectoire quelconque.
L’erreur OP de l’orthèse du bassin est calculée, puis convertie en une force OP
(dans le cas d’un ressort : Force = kerreur). Cette force est projetée dans l’espace
ART au moyen de la matrice Jacobienne de la structure cinématique (Sciavicco et
al., 2001). Finalement les forces ART sont appliquées à l’orthèse du bassin, ceci est
illustré à la figure 11. Il suffit alors de mesurer la position ART afin de calculer une
nouvelle erreur OP et ainsi de suite.
3.3.2.2. Résultats
Dans un premier temps des tests en statique furent effectués. Une force
transverse (figure 12) fut appliquée à l’orthèse est les déplacements dans l’espace
opérationnel mesurés.
Figure 11. Principe de la compliance sélective
Force appliquée Force appliquée
2
5
6
Z
X
Y
1
3
4
Figure 12. Illustration du fonctionnement de la compliance sélective. Application
d’une force transverse avec algorithme non sélectif (gauche), sélectif (milieu),
actionneurs responsables de l’avance (X) et rotation (Y) (droite)
276 RS - JESA – 41/2007. Robotique et handicap
Dans un cas l’axe d’avance (X) fut rendu compliant de façon non sélective (i.e.
en baissant la rigidité des moteurs responsables de cette translation). Dans l’autre
cas avec l’utilisation de la compliance sélective. Où il apparaît clairement que dans
le cas d’une compliance non sélective une translation en X est observée mais
également une rotation autour de l’axe vertical (Y), ceci provient du couplage de la
translation X et la rotation Y. Alors que le régulateur sélectif garantit une pure
translation.
3.4. WalkTrainer et analyse des mouvements du bassin
Le WalkTrainer peut être utilisé comme appareil de mesures des mouvements du
bassin. Pour ce faire l’adjonction de trois capteurs est nécessaire :
– capteur 6 axes easyTrack, qui permet l’obtention en « temps réel » des six
degrés de liberté du bassin ;
– footswitch, ce dernier est placé sous le talon droit du sujet. Son signal permet
le découpage temporel du signal, afin d’obtenir le cycle de marche ;
– deux capteurs potentiométriques, qui relient le sujet au WalkTrainer et
permettent l’asservissement de ce dernier par rapport à la vitesse/position du sujet.
3.4.1. Protocole de mesure
Une ceinture pelvienne souple, développée spécialement par un orthopédiste, est
fixée sur le sujet. Cette dernière permet le maintien du marqueur actif de
l’easyTrack ainsi que la fixation des deux potentiomètres (voir figure 13).
Marqueur actif
easyTrack
Potentiomètre gauche
Figure 13. Sujet équipé pour une série de mesures des mouvements du bassin
Concept de rééducation cyberthèse 277
Le sujet effectue ensuite deux ou trois essais de marche afin de se familiariser
avec le système. Puis il effectue trois séries de mesures (1.4, 0.8 et 0.4m/s
5
). Chaque
série se déroule sur une distance d’une vingtaine de mètres et permet l’acquisition
de 15 cycles de marche. La position relative du marqueur par rapport au bassin est
obtenue au moyen d’une procédure de calibration.
3.4.2. Résultats
Les six degrés de liberté du bassin sont ainsi mesurés, puis traités sous Matlab©
au moyen d’une interface graphique. Ce traitement nécessite moins d’une seconde
sur un PC standard. L’obtention des résultats est donc extrêmement rapide. Vingt
personnes ont participé à la campagne de mesure. Un mouvement vertical typique
est présenté à la figure 14. La ligne verticale représente le décollement du talon droit
(~60 % du cycle de marche). Tous les degrés de liberté sont ainsi rapidement
disponibles sous forme graphique et fichier de type Excel© afin d’en faciliter
l’analyse et l’échange.
Afin de permettre la mesure de tels mouvements il est indispensable d’asservir la
position/vitesse du WalkTrainer à celle du sujet. Un algorithme spécial fut
développé dans ce but. Il permet une grande réactivité quand cela est nécessaire tout
en évitant que la structure entière suive les petites oscillations du bassin selon l’axe
de l’avance.
4. Conclusion
Les Cyberthèses apportent une nouvelle approche de la rééducation physique et
de la neurorééducation. Le patient retrouve son rôle d’acteur du mouvement, même
si sa mobilité volontaire est réduite à néant. Ce principe permet un meilleur
mimétisme des mouvements volontaires naturels et par là, place le patient dans une
situation idéale pour le réapprentissage de ses schémas moteurs.
5. Un physiothérapeute marche à côté du sujet afin de le familiariser avec la vitesse désirée.
Et en parallèle le WalkTrainer est utilisé pour mesurer la vitesse effective. Plusieurs essais
peuvent s’avérer nécessaires avant d’obtenir la vitesse de marche désirée.
Cycle de marche [%]
Décollement
talon droit
Déplacement
vertical du
basin (mm)
Figure 14. Résultats des mesures du bassin, déplacement vertical
278 RS - JESA – 41/2007. Robotique et handicap
La première étape MotionMaker a clairement montré l’intérêt du couplage de la
robotique et de l’électrostimulation contrôlée pour l’amélioration du contrôle
volontaire. L’entraînement avec le WalkTrainer devrait permettre d’aller encore
plus loin dans le réapprentissage des schémas de mouvements locomoteurs.
5. Bibliographie
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Concept de rééducation cyberthèse 279
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Zäch G.A., « Espoir ou illusion », Paraplégie N0 87. Bulletin officiel de la Fondation Suisse
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Chapter
Full-text available
Robotic based lower limbs rehabilitation is addressed in this chapter. Different existing devices are presented to point out the context of mobilization of the limbs. The mechanical constructions of the systems ‘‘Lambda’’ and the ‘‘MotionMaker’’ developed at the Laboratoire de Systèmes Robotiques (LSROEPFL) are reviewed. The MotionMaker allows the mobilization of both legs with a twice 3 degrees of freedom orthosis (hip, knee and ankle of each leg). It has been developed for paraplegics and is the main concern in this chapter. The therapy, combining the mobilization of the legs through flexion/extension and the closed loop muscle electrostimulation is explained and clearly detailed. The results of three clinical studies are presented. In the first one, a simple knee orthosis is used to prove the possibility to follow an isotonic torque during an isokinetic knee extension by closed loop electrical stimulation. In the second clinical study, the academic MotionMaker has been used with 5 paraplegic subjects to evaluate the voluntary force progress and the reduction of the spastic behavior. Finally, the last clinical study describes the use of the commercial MotionMaker provided by the Swiss company Swortec during the last 5 years. More than 24 subjects have been considered and the increase of the voluntary force is clearly observed.
Conference Paper
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This paper presents the development of a new haptic device for hand rehabilitation for hemiplegic children. “Hanreha” has been developed at the EPFL thanks to the interest of the “Neurology and Pediatric NeuroRehabilitation” Service of the CHUV (Centre Hospitalier Universitaire du Canton de Vaud). The novelty of this device is that it is a 3 degrees of freedom desktop system, supporting pronation/supination, flexion/extension and grasping hand movements and it is totally dedicated, in its current state, to children. The kinematics and the construction aspects of this desktop device are presented. Its different advantages are discussed to point out the benefits of this structure. Control and force feedback aspects combined with virtual reality are also presented. A prototype of the “Handreha” is realized and presented and the performances discussed. The first evaluations with hemiplegic children really show that the mechanical design of the device fits the targeted specifications
Article
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The effect of motor training using closed loop controlled Functional Electrical Stimulation (FES) on motor performance was studied in 5 spinal cord injured (SCI) volunteers. The subjects trained 2 to 3 times a week during 2 months on a newly developed rehabilitation robot (MotionMaker™). The FES induced muscle force could be adequately adjusted throughout the programmed exercises by the way of a closed loop control of the stimulation currents. The software of the MotionMaker™ allowed spasms to be detected accurately and managed in a way to prevent any harm to the SCI persons. Subjects with incomplete SCI reported an increased proprioceptive awareness for motion and were able to achieve a better voluntary activation of their leg muscles during controlled FES. At the end of the training, the voluntary force of the 4 incomplete SCI patients was found increased by 388% on their most affected leg and by 193% on the other leg. Active mobilisation with controlled FES seems to be effective in improving motor function in SCI persons by increasing the sensory input to neuronal circuits involved in motor control as well as by increasing muscle strength.
Article
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The purpose of this study was to evaluate the feasibility to develop a new hybrid orthosis called "cyberthosis" using selectively closed loop electrical muscle stimulation. The knee joint was taken as the basis for the study and a knee orthosis including motor and sensors was specially designed to perform the closed loop functional electrical stimulation control. A four-channel electrical stimulator was used as well as a feedforward controller including a pro-portional, integral, derivative algorithm, both developed at the Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Eight subjects with incomplete spinal cord lesion were recruited for this study. The data collected have shown that it is possible to follow an isotonic torque command during an isokinetic knee extension by closed loop electrical stimulation of the rectus femoris, vastus lateralis and vastus medialis separately. Following these encouraging results, a first stationary cyberthosis, the "MotionMaker™", was developed and tested on healthy individuals.
Article
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We undertook this investigation to determine the interrater reliability of manual tests of elbow flexor muscle spasticity graded on a modified Ashworth scale. We each independently graded the elbow flexor muscle spasticity of 30 patients with intracranial lesions. We agreed on 86.7% of our ratings. The Kendall's tau correlation between our grades was .847 (p less than .001). Thus, the relationship between the raters' judgments was significant and the reliability was good. Although the results were limited to the elbow flexor muscle group, we believe them to be positive enough to encourage further trials of the modified Ashworth scale for grading spasticity.
Article
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To study the extent to which atrophy of muscle and progressive weakening of the long bones after spinal cord injury (SCI) can be reversed by functional electrical stimulation (FES) and resistance training. A within-subject, contralateral limb, and matching design. Research laboratories in university settings. Fourteen patients with SCI (C5 to T5) and 14 control subjects volunteered for this study. The left quadriceps were stimulated to contract against an isokinetic load (resisted) while the right quadriceps contracted against gravity (unresisted) for 1 hour a day, 5 days a week, for 24 weeks. Bone mineral density (BMD) of the distal femur, proximal tibia, and mid-tibia obtained by dual energy x-ray absorptiometry, and torque (strength). Initially, the BMD of SCI subjects was lower than that of controls. After training, the distal femur and proximal tibia had recovered nearly 30% of the bone lost, compared with the controls. There was no difference in the mid-tibia or between the sides at any level. There was a large strength gain, with the rate of increase being substantially greater on the resisted side. Osteopenia of the distal femur and proximal tibia and the loss of strength of the quadriceps can be partly reversed by regular FES-assisted training.
Article
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This study quantified the relationships between local dynamic stabiliht and variabilitr during continuous overground and treadmill walking. Stride-to-stride standard deviations were computed from temporal and kinematic data. Marimum finite-time Lyapunov exponents were estimated to quantify local dynamic stability. Local stability of gait kinematics was shown to be achieved over multiple consecutive strides. Traditional measures of variability poorly predicted local stability. Treadmill walking was associated with significant changes in both variability and local stability. Thus, motorized treadmills may produce misleading or erroneous results in situations where changes in neuromuscular control are likely to affect the variability and/or stability of locomotion.
Article
This book is the second edition of a textbook published in 1996 by McGraw Hill and originates from a graduate level course given by the authors at the University of Naples. The topics include kinematics, statics and dynamics of robot manipulators together with trajectory planning and active control. There are only minor additions the first edition, which are mainly the use of quaternion to describe the orientation of the end effector and a short description of a closed chain architecture for a manipulator (parallelogram arm). The book is largely devoted to serial manipulators, with special developments about active control including adaptative control, robust controls and stability analysis. Another strength of this book is the great number of problems proposed at the end of each chapter, together with a list of references related to it. The fundamental features covered by the text are illustrated on simple examples of serial manipulators (two-link planar arm, parallelogram arm) including analytical results and numerical tests. The book has nine chapters followed by three appendices. The first appendix is devoted to linear algebra, the second recalls some fundamental aspects of rigid body mechanics and the third gives some basic principles of feedback control of linear systems. Chapter one is an introduction to the study of robot manipulators, giving an interesting classification of their architectures, the corresponding workspace and describes the tasks for which they are used. After some standard examples of industrial manipulators, bibliographical reference texts are proposed, including textbooks on modelling and control of robots, general books on robotics, specialized texts, scientific robotic reviews and some international conferences on robotics. Chapters two, three and four are devoted to mechanical modelling of robot manipulators. The fundamental basics of kinematics are given in chapter two, including the representation of finite rotations by Euler angles or unit quaternions, homogeneous transformations, Denavit-Hartenberg parameters and workspace. The direct and inverse kinematical problems are solved in analytical form for some typical manipulator structures. The differential kinematics of robots are presented in chapter three, with an introduction to the geometric and analytic Jacobian matrices, kinematic singularities and redundancy. The inverse kinematic problem is presented, with special attention to the case of redundant robots where the solution is obtained by a linear optimization problem leading to the introduction of the pseudo-inverse Jacobian matrix and to the solution of several objectives such as avoidance of collision with an obstacle or moving away from singularities. Several inverse kinematics algorithms are given wih an interesting application to a three-link planar arm. Finally, a property of kineto-statics duality is deduced from the principle of virtual work applied to an equilibrium configuration of the robot. Chapter four is a standard presentation of the derivation of the dynamical model by Lagrange formulation and then by the Newton-Euler method. In the Lagrange formulation method, the linearity with respect to inertial parameters is shown and a detailed formulation of the dynamical model is obtained for a two-link Cartesian arm, a two-link planar arm and a parallelogram arm. The problem of dynamic parameter identification is also briefly presented from a numerical point of view. The recursive algorithm constructed from the Newton-Euler formulation is presented and illustrated by considering a two-link planar arm. Finally, the operational space dynamic model is introduced. In chapter five, paths and trajectory planning in joints and in operational spaces are presented; several classical methods of interpolation are described. Chapter six is an extensive study of active control of manipulators. Several methods are presented, involving classical independent joint control, non-linear centralized control, robust control and adaptative control. Both joint-space control and operational-space control are studied together with stability analysis by using Liapounoff functions. An interesting application to the two-link planar arm already used shows the comparison between various control schemes. Chapter seven deals with interaction control of serial manipulators with the working environment. Several strategies involving compliance control, impedance control, force control and hybrid control are presented. Chapter eight describes the actuators and the sensors used in robotics. Several types of servomotors (electric and hydraulic) are presented, together with the model giving their input/output relationship. Several kinds of sensors are also described including encoders, tachometers, force and vision sensors. The last chapter gives a short presentation of the functional architecture of a robot's control system, including characteristics of the programing environment and the hardware architecture. In conclusion, the book provides a good insight about simulation and control of robot manipulators, with a detailed study of the various control strategies and several interesting and pedagogical applications. This book is an excellent review of the standard knowledge needed not only for graduate students but also for researchers interested in robot manipulators. M Pascal
Article
A descriptive comparative study was done to validate the use of the treadmill as an experimental device to investigate the electromyographic (EMG) signal during human locomotion. Eight subjects walked on a walkway and on a treadmill and EMG recordings of several consecutive strides were made during each procedure. These recordings were made from the soleus, rectus femoris, biceps femoris, vastus medialis and tibialis anterior muscles. By using the correlation coefficient and the value of the slope of the regression line resulting from correlating the linear envelopes (digitized at 50 Hz) of EMG activity from the two walk modes, it was shown that similar profiles of EMG activity exist between the walkway and treadmill. This was so for most muscles investigated with one exception, the biceps femoris. Furthermore, there was a tendency for the treadmill data to indicate slightly larger EMG amplitudes, but lower variation, than did the walkway data. However, in view of the overall similarity of the profiles obtained from both conditions, it is concluded that the treadmill is a valid laboratory instrument to study gait.
Article
Functional electrical stimulation (FES) is a means of restoring gait to individuals with spinal cord injury, but the performance of most FES-aided gait systems is hampered by the rapid muscle fatigue which results from stimulated muscle contraction and the inadequate control of joint torques necessary to produce desired limb trajectories. The controlled-brake orthosis (CBO) addresses these limitations by utilizing FES in combination with a long-leg brace that contains controllable friction brakes at the knees and hips. A laboratory version of the CBO utilizing computer-controlled magnetic particle brakes at the joints was designed and constructed, and preliminary results with a single spinal cord injury (SCI) subject have demonstrated reduced fatigue and more repeatable gait trajectories when compared to FES-aided gait without the brace. Significant work remains to demonstrate the efficacy of the concept across a wide range of SCI subjects and to design a system which meets appropriate user requirements of size, weight, cosmesis, ease of use and cost. The primary purpose of the paper is to detail the design of the CBO.