An approach to muscular fatigue assessment during exoskeleton assisted gait

Patients with multiple sclerosis (PwMS) experiment a series of unpredictable symptoms that lead them to a sedentary lifestyle, e.g., numbness, tingling, and weakness. Exercising is an effective symptomatic treatment that slows down disease development and progressive loss of mobility. Recent studies show that exoskeleton-based training can help PwMS to improve the benefits of a rehabilitation program. During training, evidence of muscular fatigue should be monitored because it can increase muscle spasticity negatively impacting the overall disability of the PwMS. Superficial electromyography (sEMG) is the only method to detect muscular fatigue as these patients cannot sustain strong contractions. The aim of this thesis was to investigate the presence of muscular fatigue during exoskeleton-assisted walking overground. In this regard, reduction of the force production capabilities and changes in muscular activity were assessed. Thirty healthy subjects performed a 1-hour walking overground motor task with the exoskeleton. 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. In addition, sEMG data were acquired during the MVIC tests (static), as well as, during motor task (dynamic). Collected MVIC and sEMG data were then processed to analyse muscular fatigue phenomenon via the changes in expressed force or features derived in time, frequency, and time-frequency domains. MVIC data analysis indicated a statistically significant decrease in the force output when testing Vastus Lateralis (VL) and Biceps Femoris (BF) muscles (p < 0.001 in both cases). On the contrary, all the sEMG features showed no statistical differences in both static and dynamic conditions with the exception of the Area Under sEMG Envelope for Tibialis Anterior (TA) (p = 0.002), VL (p < 0.001) and BF (p < 0.001) for dynamic condition. In conclusion, in young healthy subjects, the acquired forces indicated the presence of fatigue at the knee level (VL and BF muscles action), whereas the EMG results did not support such an outcome. Although the exoskeleton does not fatigue the single specific muscles analysed, it shows signs of fatigue when the force of the muscle complex is evaluated. Future studies executed on a larger population of healthy and pathological subjects will provide additional relevant data to improve fatigue monitoring approaches during lower-limb powered exoskeleton gait rehabilitation.

Un approccio alla valutazione della fatica muscolare durante il cammino assistito da esoscheletro. I pazienti con sclerosi multipla (PwMS) sperimentano una serie di sintomi inaspettati che li inducono ad uno stile di vita sedentario, ad esempio intorpidimento, formicolio e debolezza. L'esercizio fisico è un efficace trattamento sintomatico che rallenta lo sviluppo della malattia e la progressiva perdita di mobilità. Studi recenti dimostrano che l'allenamento con esoscheletro può aiutare le persone con questa disabilità ad avere maggiori benefici da un programma di riabilitazione. Durante l'allenamento è necessario monitorare l’insorgere dell'affaticamento muscolare, poiché esso può aumentare la comparsa di spasticità muscolare con un impatto negativo sulla disabilità complessiva dei PwMS. L'elettromiografia di superficie (sEMG) è l'unico metodo per rilevare l'affaticamento muscolare, poiché questi pazienti non possono sostenere contrazioni massimali. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di indagare la presenza di affaticamento muscolare durante il cammino assistito da esoscheletro. A questo proposito, sono state valutate la riduzione delle capacità di produzione di forza e le variazioni dell'attività muscolare. Trenta soggetti sani hanno eseguito il task motorio per la durata di 1 ora indossando l'esoscheletro. Prima e dopo l'esecuzione del task è stato eseguito un test di contrazione isometrica massimale volontaria (MVIC) in quattro muscoli degli arti inferiori per valutarne la massima forza erogata. Inoltre, sono stati acquisiti dati sEMG durante i test MVIC (statica) e durante il task (dinamica). I dati MVIC e sEMG raccolti sono stati poi elaborati per analizzare il fenomeno dell'affaticamento muscolare attraverso variazioni della forza espressa o features derivate nei domini di tempo, frequenza e tempo-frequenza. L'analisi dei dati MVIC ha indicato una diminuzione statisticamente significativa della forza erogata testando i muscoli Vasto Laterale (VL) e Bicipite Femorale (BF) (p < 0,001 in entrambi i casi). Al contrario, tutte le features sEMG non hanno mostrato differenze statisticamente significative sia in condizioni di statica che di dinamica, ad eccezione dell'area sotto l’inviluppo sEMG del Tibiale Anteriore (TA) (p = 0,002), VL (p < 0,001) e BF (p < 0,001), in condizioni dinamiche. In conclusione, in soggetti giovani e sani, le forze acquisite indicano la presenza di affaticamento a livello del ginocchio (azione dei muscoli VL e BF), mentre i risultati dell'EMG non supportano tale risultato. Sebbene l'esoscheletro non affatichi specificatamente i singoli muscoli analizzati, emergono segni di affaticamento quando si va a valutare la forza del complesso muscolare. Studi futuri eseguiti su una popolazione più ampia di soggetti sani o patologici potranno fornire ulteriori dati rilevanti per migliorare gli approcci di monitoraggio della fatica durante la riabilitazione del cammino assistito da esoscheletro per arti inferiori.