Development and Verification of Kinesthetic and Tactile Haptic Devices for Gait Rehabilitation of Stroke Survivors

Abstract

Worldwide, stroke is one of the major diseases that lead to disability, and the number of stroke patients is increasing every year. Gait rehabilitation is required to improve post-stroke gait performance. Gait adaptations that occur during rehabilitation extend into unassisted walking behaviors. The continuation of these gait adaptations is believed to be caused by the retention of adapted motor patterns by the central nervous system after training has ceased. However, they still continue to exhibit significant gait deficits, although individuals suffering from stroke typically regain some locomotor function. Therefore, chronic stroke survivors experience a loss of independence in terms of daily activities and restricted community ambulation, which limit their ability to engage in work, leisure, and social activities. Restoring the ability to walk independently is an important factor in the reintegration of stroke survivors into community life. Once a patient is discharged from the hospital, they can use assistive devices such as canes to help them to maintain or improve their walking ability. However, the conventional cane causes intermittent loading of the non-paretic side, and it can damage the nerves and the musculoskeletal systems and cause ailments such as carpal tunnel syndrome. Therefore, there is need for a gait training assistance device for chronic stroke patients that can provide continuous support and haptic feedback to help the user to adapt to community life after discharge. Biofeedback in the form of visual, auditory and haptic cues can be flexibly used to assist different types of users under different gait scenarios. Among these modalities, haptic feedback generates only minimal interference during the user’s activities of daily life. Moreover, haptic feedback systems can be manufactured at low cost and can be made highly portable so that they can be used in the overground walking scenario. A number of contemporary works have explored the use of haptic biofeedback based systems for improving standing balance and gait symmetry of subjects suffering from stroke and Parkinson’s disease. However, these systems have been applied at limited regions of the body and have utilized extremely simple feedback schemes, thus leaving great room for further development in both design and usage methodology of such devices. Therefore, the objectives of this research are development of haptic feedback devices that can be used for training of chronic stroke patients in a non-hospital environment, formulation of their usage methodologies, and verifications of the efficacy of the developed devices and methodologies through experimental studies with healthy and stroke subjects. The devices developed in this study are divided into two categories based on the feedback modality utilized by them: Kinesthetic haptic feedback: A robotic haptic cane to provide continuous support and kinesthetic haptic feedback during walking, a companion robot capable of continuous and discontinuous controlled force interaction with the user, and an active knee orthosis that provides bodyweight support during the stance phase and assistive knee torque during the swing phase of overground gait of chronic stroke patients. Tactile haptic feedback: A vibrotactile biofeedback delivery device for the lower limbs to reduce gait asymmetry and haptic bracelets for vibration feedback of arm swings during walking. The effects of using these devices are verified through experiments with healthy and stroke subjects, and the implications of using these devices with different usage methodologies are also explored. Through these studies, it was confirmed that the developed haptic devices contribute to the improvement of various gait and balance parameters. Furthermore, the developed kinesthetic and assistive devices are highly portable, while the tactile and orthotic devices have high wearability. Therefore, it is expected that these novel devices will be useful for the gait rehabilitation of stroke survivors.|뇌졸중은 전 세계적으로 장애를 유발하는 주요 질병 중 하나이며, 뇌졸중 환자의 수는 매년 증가하고 있다. 재활훈련 효과로 인한 보행 적응 (Gait adaptation)은 보조 장치의 도움을 받지 않는 독립적인 보행으로 향상될 수 있다. 이러한 보행 적응의 지속은 훈련이 중단된 후 중추 신경계 (CNS)에 의해 적응된 운동 패턴이 유지되기 때문에 발생하는 것으로 사료된다. 그러나 뇌졸중으로 고통받는 개인은 일반적으로 일부 운동 기능을 회복하지만 상당한 보행 장애를 계속 나타낸다. 따라서 만성 뇌졸중 생존자는 일상 활동의 독립성 상실과 제한된 지역 사회 보행으로 인해 일, 여가 및 사회 활동에 참여하는 능력이 제한된다. 독립적으로 걸을 수 있는 능력을 회복하는 것은 뇌졸중 생존자의 재통합에 중요한 요소이나, 환자가 퇴원한 후에는 보행 능력을 유지하거나 추후 개선하도록 도와줄 수 있는 보조 장치가 지팡이나 워커 (walker)를 제외하고 없다. 지팡이 같은 경우, 정상 측을 지속적으로 사용하도록 유도하기 때문에 손목 터널증후군과 같은 신경 또는 근골격계에 손상을 입힐 수 있고, 워커 같은 경우 보행 시 몸통이나 팔의 자연스러운 움직임을 제한한다. 따라서 만성 뇌졸중 환자가 퇴원 후 지역사회 생활에 적응을 위한 지속적인 보행 훈련 보조 장치가 필요한 실정이다. 시각, 청각 및 촉각 (Haptics) 신호와 같은 바이오피드백은 다양한 보행 시나리오에서 여러 유형의 사용자가 사용할 수 있도록 적용될 수 있다. 그 중 햅틱 피드백 (Haptic feedback)은 사용자의 일상 활동에 최소한의 간섭만 요구할 뿐만 아니라, 저렴한 비용과 높은 휴대성을 가지는 장치로 개발될 수 있다. 따라서 본 연구의 목적은 병원이 아닌 환경에서 만성 뇌졸중 환자의 훈련에 사용할 수 있는 햅틱 피드백 장치를 개발하고, 건강한 뇌졸중 환자와 실험적 연구를 통해 개발된 장치 및 방법론의 효능을 검증하는 것이다. 본 연구에서는 개발된 장치는 다음과 같다: 역감 (Kinesthetic) 피드백 기반 햅틱 케인, 햅틱 케인 기반 사용자와의 힘 상호작용이 가능한 동행 로봇, 능동형 무릎 보장구, 비대칭 보행을 위한 하지용 촉각 (Tactile) 피드백 장치, 보행 시 팔에 진동 촉각 (Vibrotactile) 피드백을 줄 수 있는 햅틱 팔찌이다. 또한, 이렇게 개발된 장치를 기반으로 건강한 사람 또는 뇌졸중 환자를 대상으로 실험을 통해 그 효과를 검증하였으며, 개발된 장치를 이용한 방법론도 탐구하였다. 여러 실험 결과, 개발된 햅틱 장치가 보행 파라미터 및 균형 개선에 유의미하게 기여함을 확인하였으며, 개발된 운동감각 장치는 휴대성이 우수하고 촉각 장치는 높은 착용성을 갖는다. 따라서 개발된 장치는 뇌졸중 환자의 보행 재활에 도움이 될 것으로 기대된다.