Introduction: People who suffer from a spinal cord injury (SCI) experience a profound change in physical, mental and social ability and perceptions. Therefore, SCI subjects with severe gait and standing impairment rely on wheelchairs. If, on the one hand, the use of a wheelchair returns a little autonomy, on the other hand, it brings further complications due to the sedentary lifestyle it implies. Powered-Lower Limb Exoskeletons are a promising solution in the rehabilitation of gait training, providing a novel way to increase training intake. Aim: This thesis aims to quantify lower limb muscle fatigue induced by three different motor tasks performed by healthy subjects using a Powered Lower-Limb Exoskeleton to provide valuable data in the development of future rehabilitation protocols based on such a technology. Material and Methods: 30 healthy subjects were enrolled in performing three different motor tasks, namely sit to stand (STS), walking overground (WO), and walking on a treadmill (WT) in three separate sessions. Before and after performing the motor task, a maximal voluntary isometric contraction (MVIC) test was performed in four lower limb muscles to assess their maximal force output (Kg). In addition, superficial electromyographical sEMG data were collected during the pre and post MVIC tests to analyse muscular fatigue via the changes in the power spectrum's mean frequency (MNF). Results: MVIC data analysis showed a statistically significant decrease in the force output of the biceps femoris muscle (BF) for WO pre vs post motor task (p = <0.001, 95% C.I. = [1.415, 5.791]). sEMG data analysis indicated a statistically significant reduction of the MNF of the tibialis anterior (TA) muscle for the STS motor task (p < 0.001, 95% C.I. = [2.507, 7.799]). Conclusions: The decrease in the force output of the BF for the WO task and the shift toward lower frequencies of the TA MNF provided indications on the fatigued muscles depending on the used motor task. Future studies executed on a clinical population will provide additional relevant data to guide clinical professionals in the use of lower-limb powered exoskeleton for gait rehabilitation.
Introduzione: Le persone che soffrono di una lesione del midollo spinale (SCI) sperimentano un profondo cambiamento nelle capacità fisiche, mentali e sociali e le relative percezioni. Pertanto, i soggetti con SCI con gravi compromissioni dell'incapacità di deambulare e di tenere una postura eretta, si affidano alle sedie a rotelle. Se, da un lato, l'uso di una sedia a rotelle restituisce un po' di autonomia, dall'altro, porta ulteriori complicazioni dovute allo stile di vita sedentario che implica. Gli esoscheletri robotici per gli arti inferiori sono una soluzione promettente nella riabilitazione alla deambulazione, fornendo un nuovo modo per allenarsi. Obiettivi: Questa tesi mira a rilevare e quantificare l'affaticamento muscolare degli arti inferiori indotto da tre diverse attività motorie svolte da soggetti sani utilizzando un esoscheletro robotico per gli arti inferiori al fine di fornire dati preziosi nello sviluppo di futuri protocolli di riabilitazione basati su tale tecnologia. Materiali e metodi: 30 soggetti sani sono stati reclutati per compiere tre diversi compiti motori, vale a dire, alzarsi e sedersi (STS), cammino sul suolo (WO), e cammino su un tapis roulant (WT) in tre sessioni separate. Prima e dopo l'esecuzione del compito motorio, è stata eseguita una prova di contrazione isometrica volontaria massimale (MVIC) su quattro muscoli degli arti inferiori al fine di valutare loro forza massima (Kg). Inoltre, i dati elettromiografici superficiali (sEMG) sono stati raccolti durante le prove MVIC per analizzare l'affaticamento muscolare attraverso le variazioni della frequenza media dello spettro di potenza (MNF). Risultati: l'analisi dei dati MVIC ha mostrato una diminuzione statisticamente significativa della forza esercitata dal muscolo bicipite femorale (BF) per tra prima e dopo l'esecuzione del WO (p = <0.001, 95% C.I. = [1.415, 5.791]). L'analisi dei dati sEMG ha indicato una riduzione statisticamente significativa dell'MNF del muscolo tibiale anteriore (TA) per l'attività motoria STS (p < 0.001, 95% C.I. = [2.507, 7.799]). Conclusioni: La diminuzione della forza massima del BF per il WO e lo spostamento verso le frequenze più basse del TA MNF hanno fornito indicazioni sui muscoli affaticati a seconda del compito motorio eseguito. Studi futuri eseguiti su una popolazione clinica forniranno dati ancora più rilevanti per guidare i professionisti nell'uso degli esoscheletri robotici per arti inferiori nella riabilitazione della deambulazione.
Valutazione della fatica muscolare indotta dall’uso di un esoscheletro attivo
SALVAGGIO, FRANCESCO
2020/2021
Abstract
Introduction: People who suffer from a spinal cord injury (SCI) experience a profound change in physical, mental and social ability and perceptions. Therefore, SCI subjects with severe gait and standing impairment rely on wheelchairs. If, on the one hand, the use of a wheelchair returns a little autonomy, on the other hand, it brings further complications due to the sedentary lifestyle it implies. Powered-Lower Limb Exoskeletons are a promising solution in the rehabilitation of gait training, providing a novel way to increase training intake. Aim: This thesis aims to quantify lower limb muscle fatigue induced by three different motor tasks performed by healthy subjects using a Powered Lower-Limb Exoskeleton to provide valuable data in the development of future rehabilitation protocols based on such a technology. Material and Methods: 30 healthy subjects were enrolled in performing three different motor tasks, namely sit to stand (STS), walking overground (WO), and walking on a treadmill (WT) in three separate sessions. Before and after performing the motor task, a maximal voluntary isometric contraction (MVIC) test was performed in four lower limb muscles to assess their maximal force output (Kg). In addition, superficial electromyographical sEMG data were collected during the pre and post MVIC tests to analyse muscular fatigue via the changes in the power spectrum's mean frequency (MNF). Results: MVIC data analysis showed a statistically significant decrease in the force output of the biceps femoris muscle (BF) for WO pre vs post motor task (p = <0.001, 95% C.I. = [1.415, 5.791]). sEMG data analysis indicated a statistically significant reduction of the MNF of the tibialis anterior (TA) muscle for the STS motor task (p < 0.001, 95% C.I. = [2.507, 7.799]). Conclusions: The decrease in the force output of the BF for the WO task and the shift toward lower frequencies of the TA MNF provided indications on the fatigued muscles depending on the used motor task. Future studies executed on a clinical population will provide additional relevant data to guide clinical professionals in the use of lower-limb powered exoskeleton for gait rehabilitation.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/13650