Miranda, Pedro Cavaleiro, 1959-Tagliamonte, Nevio LuigiMendonça, António Duarte Robalo Gonçalves2018-06-152018-06-1520182018http://hdl.handle.net/10451/33931Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica)Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018The occurrence of a spinal cord injury due to a motor vehicle accident, a fall, a shallow diving, an act of violence, or a sport injury can drastically change anyone’s life. The autonomy to perform daily life tasks, like walking, which most people take for granted, is drastically reduced, as well as one’s quality of life. Fortunately, the use of robotic assisted rehabilitation devices can help in overcoming, faster and more efficiently, the problems a spinal cord injury patient must face every day during the gait performance. However, there is still a lack of clinical evidence proving that the use of such devices provides better results than the ones provided by conventional physiotherapy, since there aren’t standardized protocols and specific medical guidelines for using this kind of robotic systems. This dissertation aims to enhance the human understanding about the analysis of the features of EMG curves during the use of different robotic devices in single-shot tests. To achieve such purpose, the gait performance of both healthy subjects and patients was tracked and analyzed, while they were using one of the two robotic assisted rehabilitation devices: Lokomat exoskeleton or Gait Trainer GT1. To evaluate the impact that these devices can have on the muscular activation, the electrical activity of the tibialis anterior, soleus, gastrocnemius, biceps femoris, rectus femoris and semitendinosus, of both right and left legs, was recorded using surface electromyography. The experimental procedure adopted for healthy subjects was different from the one adopted for patients. Ten healthy subjects performed five walking conditions, two of which were performed freely over-ground and three using a robotic assisted rehabilitation device. In the context of this dissertation, a self-paced over-ground walking condition was used as control. Ten patients performed three walking conditions, using a robotic assisted rehabilitation device. In a first instance, EMG data referring to both healthy subjects and patients were time-normalized and filtered. Next, all EMG data were amplitude-normalized to the maximum value of a specific walking condition, with the purpose of preparing the comparison of EMG data referring to all walking conditions with one specific walking condition. This first stage was concluded with the calculation of the root-mean-square value of each normalized curve, as an indication of the activation level. In a second stage, each filtered and time-normalized EMG curve referring to each healthy subject/patient was, firstly, normalized to its maximum value, meaning that each EMG value is presented in this case interpreted as a fraction of the respective maximum value. This second stage was concluded with the study of the symmetry existing between the muscles of the left leg and the corresponding muscles of the right leg. The mathematical tool chosen to quantitatively study the symmetry was the Linear Fit Method. The final purpose of this dissertation consisted in studying, simultaneously, the symmetry and the activation levels displayed by the above-mentioned muscles, in order to provide information that might prove useful to guide the definition and implementation of future standardized protocols and medical guidelines aimed at making the robotic training more effective. Overall, the results obtained for patients with spinal cord injury suggest that, in the context of this dissertation, the training parameters chosen for the two robotic assisted rehabilitation devices used were not effective in eliciting symmetrical patterns of muscle activity. The main conclusion drawn is that, considering patients with spinal cord injuries, both robotic assisted rehabilitation devices used in the context of this dissertation can be effective in eliciting symmetrical patterns of muscle activity, but only under restrict settings of its training parameters. Another conclusion drawn from the results presented is that, in a clinical environment the over or under-activation of muscles under specific walking conditions may not represent a favourable factor for locomotor re-training, limiting the long-term effects on the rehabilitation outcome.A ocorrência de uma lesão da medula espinal devido, por exemplo, a um acidente rodoviário, uma queda, um mergulho mal calculado, um ato de violência ou uma lesão desportiva pode condicionar de forma severa e drástica a vida de qualquer pessoa. A autonomia para realizar tarefas essenciais da vida diária, como a caminhada, que a maior parte das pessoas toma como garantida, é drasticamente reduzida. Para além da dificuldade acrescida neste tipo de tarefas, muitas das vezes o próprio o estado anímico e a autoconfiança do individuo sofrem também um duro golpe, podendo inclusive originar situações de depressão. Por todas estas razões, a qualidade de vida de uma pessoa com uma lesão da medula espinal é severamente afetada de forma negativa. Felizmente, atualmente existem já ferramentas motorizadas que pretendem acelerar o processo de reabilitação e tornar as terapias envolventes mais eficientes. De entre estas ferramentas destacam-se os dispositivos robóticos de reabilitação. Este tipo de dispositivos tem como finalidade promover a plasticidade motora (alcançada pelo recrutamento muscular dependente da ativação de vias neurais específicas), com vista a re-treinar a marcha de pessoas que exibam problemas na locomoção. Muitos destes dispositivos têm ainda algoritmos que têm como intuito incentivar as pessoas a participarem ativamente no processo de reaprendizagem. No entanto, não há ainda evidências clínicas claras que comprovem que a utilização de tais dispositivos produza melhores resultados do que os proporcionados pela fisioterapia convencional, visto não existirem ainda protocolos estandardizados e diretrizes médicas vocacionadas para a utilização de tais sistemas. Isto é, muitas das vezes a avaliação dos efeitos decorrentes da utilização de sistemas robóticos é formulada, com base em parâmetros estatísticos que não reúnem um consenso universal por parte da comunidade médica, na qual estão incluídos os fisioterapeutas. Um dos propósitos desta dissertação consiste em proporcionar, numa primeira instância, um estudo que vise aumentar o conhecimento humano acerca da análise das características de padrões EMG obtidos durante a utilização de diferentes dispositivos robóticos em testes de uma única tentativa. No sentido de alcançar tal objetivo, o desempenho da marcha de dez sujeitos saudáveis e de dez pacientes com lesões na medula espinal foi rastreado e analisado, enquanto cada um deles caminhava com o auxílio de um dos dois dispositivos robóticos de reabilitação, utilizados no contexto desta dissertação: o exoesqueleto Lokomat e o sistema Gait Trainer GT1. O exosqueleto Lokomat é composto por duas ortóteses que são vinculadas aos membros inferiores do utilizador por meio de alças e punhos. Para propósitos de reabilitação, este exoesqueleto é usualmente acoplado com um sistema de suporte de peso corporal e uma esteira ergométrica (passadeira rolante). O exoesqueleto Lokomat possui a particularidade de fornecer ao utilizador, por meio de um controlador de impedância, um nível de “orientação”. O nível de “orientação”, que é oferecido, determina o quanto é permitido aos movimentos das pernas desviar de um certo padrão predefinido. Enquanto o utilizador se mover dentro dos limites estabelecidos, de acordo com a trajetória predefinida, o controlador não toma nenhuma ação, porém de cada vez que os limites são excedidos, são aplicados torques no sentido de reposicionar a perna de acordo com a trajetória predefinida. O sistema Gait Trainer GT1 é um dispositivo robótico de reabilitação do tipo efector-final, que faz uso de duas placas para os pés para gerar um movimento, do tipo elipsoidal, semelhante à marcha. No que respeita à interface física do dispositivo, o utilizador é preso a um arnês, que controla, verticalmente e horizontalmente, o seu centro de massa durante o ciclo de marcha, e os seus pés são colocados sobre duas placas, cuja movimentação pretende simular as fases de apoio (stance) e de balanço (swing). No sentido de avaliar o impacto que o Lokomat e o Gait Trainer GT1 podem ter sobre a ativação muscular, foi registada, à superfície da pele, a atividade elétrica de seis músculos, das pernas direita e esquerda. Para o efeito foram utilizados elétrodos não-invasivos, colocados sobre a superfície da pele. Os músculos estudados, no contexto desta dissertação, são: tibialis anterior, soleus, gastrocnemius, bíceps femoris, rectus femoris e semitendinosus. No seguimento deste estudo, o protocolo experimental definido para indivíduos saudáveis foi diferente do estabelecido para pacientes com lesões na medula espinal. Todos os caminhantes saudáveis executaram cinco condições de caminhada, em que duas foram realizadas diretamente sobre o solo, sem qualquer apoio concedido por sistemas robóticos de reabilitação. No contexto desta dissertação, uma destas condições foi utilizada como controlo. A condição de marcha em questão consiste numa caminhada auto ritmada concretizada diretamente sobre o solo. As três restantes condições de marcha foram executadas com o apoio de dispositivos robóticos de reabilitação. Uma destas três condições de marcha foi concretizada com o sistema Gait Trainer GT1, sendo as outras duas realizadas com o apoio do exoesqueleto Lokomat. As duas condições de marcha realizadas com o exoesqueleto Lokomat foram cumpridas com o nível de “orientação” ajustado, respetivamente, em 50 e 100 %. No que toca aos pacientes, todos eles realizaram, apenas, as três condições de marcha executadas com o auxílio de dispositivos robóticos de reabilitação. Os protocolos experimentais previamente descritos não foram realizados na presença do aluno responsável pela escrita desta dissertação. Do mesmo modo, também os processos de inspeção, de validação e de pré-processamento dos dados de EMG não foram realizados pelo aluno em questão. Adicionalmente, o aluno também não foi responsável pela segmentação dos dados de EMG em ciclos de marcha. O primeiro passo tomado pelo aluno, responsável pela escrita desta dissertação, consistiu em normalizar, face ao tempo (de um ciclo de marcha), todos os dados de EMG, referentes a indivíduos saudáveis e pacientes, de modo a obter padrões EMG normalizados no tempo. O passo seguinte constou em filtrar/eliminar, de uma análise posterior, todos os padrões EMG normalizados no tempo que exibissem uma razão sinal-ruído anormalmente baixa. Em seguida, todos os padrões EMG foram normalizados em amplitude face ao valor máximo apresentado por uma condição de marcha específica. Neste caso, a condição de marcha escolhida, especificamente, como referência, unanimemente para pacientes e sujeitos saudáveis, foi a condição de marcha realizada com o apoio do exoesqueleto Lokomat, com o nível de “orientação” ajustado em 100 %. Este tipo de normalização teve como intuito preparar a comparação de dados de EMG referentes a todas as condições de marcha com uma condição de marcha específica. A primeira etapa desta dissertação foi concluída com o cálculo da raiz do valor quadrático médio (root-mean-square) de cada curva normalizada em amplitude e face ao tempo, como indicação do respetivo nível de ativação. Numa segunda fase desta dissertação, cada padrão (curva) EMG normalizado face ao tempo, referente a cada paciente/sujeito saudável, foi, em primeiro lugar, normalizado face ao seu respetivo valor máximo, o que significa que cada valor EMG exibido no padrão é interpretado como uma fração desse mesmo valor máximo. Esta segunda etapa da dissertação foi concluída com o estudo, para cada condição de marcha, da simetria existente entre os músculos da perna esquerda e os músculos correspondentes da perna direita. A ferramenta matemática escolhida para qualificar quantitativamente a simetria foi o Método de Ajuste Linear (Linear Fit Method), que basicamente consiste na regressão linear de dois conjuntos de dados. O propósito final desta dissertação consistiu em analisar, simultaneamente, quer a simetria quer os níveis de ativação exibidos pelos músculos estudados (tibialis anterior, soleus, gastrocnemius, bíceps femoris, rectus femoris e semitendinosus), a fim de obter indicações que possam revelar-se úteis no processo de definição e implementação de futuros protocolos standard e diretrizes médicas, que visem tornar mais efetiva a reabilitação auxiliada por sistemas robóticos. Em geral, os resultados obtidos para pacientes com lesão da medula espinal sugerem que, no contexto desta dissertação, os parâmetros de treino definidos para ambos os dispositivos robóticos de reabilitação utilizados (Lokomat e Gait Trainer GT1) não foram eficazes na obtenção de padrões simétricos de atividade muscular. A principal conclusão extraída desta dissertação, considerando pacientes com lesões na medula espinal, é que os sistemas robóticos de reabilitação utilizados no contexto desta dissertação podem, de facto, ser eficientes na obtenção de padrões simétricos de actividade muscular, mas apenas sob configurações bastante restritas dos seus parâmetros de treino. Outra importante conclusão que se pode retirar dos resultados apresentados consiste no facto de, num ambiente clínico, a sobre ou sub-estimulação que alguns músculos possam exibir no desempenho de condições de marcha específicas possa não representar um fator favorável para a reaprendizagem locomotora e possa condicionar a longo prazo os efeitos positivos sobre o resultado da reabilitação.engLesão da medula espinalTreino locomotorDispositivos robóticos de reabilitaçãoSimetriaNíveis de ativaçãoTeses de mestrado - 2018master thesis201989115