Vakgroep Menselijke fysiologie (MFYS)

Recente technologische ontwikkelingen in de robotica hebben ertoe geleid dat geautomatiseerde orthosen en prothesen hun ingang hebben gemaakt in de revalidatie en assistentie van stappen. Robot-geassisteerde gangrevalidatie heeft een groot potentieel om het motorisch leren en daaropvolgend motorisch herstel te faciliteren. Terwijl er ook het vermoeden is dat geautomatiseerde orthesen en prothesen de kwaliteit van het stappatroon tijdens dagelijkse activiteiten aanzienlijk zullen kunnen verbeteren. Tot op heden is het echter niet helemaal duidelijk hoe mensen interageren met robotica voor gangrevalidatie en assistentie, en hoe we, op basis van deze interactie, de effectiviteit van deze apparaten kunnen optimaliseren. Dit proefschrift behandelt de evaluatie en effecten van mens-robot interactie (HRI) in robot-geassisteerde gangrevalidatie en assistentie. HRI werd onderzocht in termen van biomechanische en (elektro)fysiologische parameters. De verschillende studies werden uitgevoerd in het kader van het ALTACRO (Automated Locomotor Training using an Actuated Compliant Robotic Orthosis, http://altacro.vub.ac.be/) en CYBERLEGs project (The Cybernetic Lower Limb Cognitive Ortho-Prosthesis, http://www.cyberlegs.eu/ ).

Een literatuuroverzicht  gaf een stand van zake omtrent de evaluatie en effecten van HRI op het menselijk lichaam tijdens robot-geassisteerde gangrevalidatie en assistentie. Deze literatuurstudie wees enerzijds uit dat de evaluatie van HRI in gangrevalidatie voornamelijk gericht moet zijn op het beoordelen van de mate van actieve deelname. Dit aspect is van uiterst belang om motorisch leren en herstel te optimaliseren. Terwijl, anderzijds, de evaluatie van HRI in de assistentie van het stappen tijdens dagelijkse activiteiten, er op moet gericht zijn om in de eerste plaats de gangprestatie te verbeteren. Dit laatste om de mobiliteit en zelfstandigheid van de patiënt te optimaliseren. Daarnaast werd vastgesteld dat HRI kan worden onderverdeeld in fysieke (dwz effecten op het hart, spieren, hersenen, ...) en cognitieve (dwz effecten op emotie, aandacht, ...) aspecten. Tot nu toe werden voornamelijk biomechanische (dwz, kinematica, gangparameters, kinetica) en fysiologische (dwz, spieractiviteit, hartslag, ...) parameters gebruikt om HRI te beoordelen. Onlangs werden echter ook metingen in het centraal zenuwstelsel naar voor geschoven voor het beoordelen van de mate van actieve deelname tijdens het stappen, namelijk elektro-encefalografie (EEG).
Uit biomechanische parameters en spieractiviteit vooral blijkt dat geautomatiseerde gangrevalidatie orthesen en prothesen in staat zijn om een natuurlijk gangpatroon te produceren. Bovendien zijn de effecten van dergelijke apparaten op het menselijk lichaam grotendeels afhankelijk van hun mechanisch ontwerp en aansturingssysteem. De weinige studies die zijn uitgevoerd tijdens robot-geassisteerd stappen tonen aan dat er in de hersenen neurale componenten aanwezig zijn die typerend zijn voor het stappen. Deze neurale componenten kunnen erg nuttig zijn in de ontwikkeling van brein-computer interfaces voor neurofeedback of voor gedeelde controle tussen mens en machine. Ondanks de bevindingen uit deze literatuurstudie, blijven er nog een aantal vragen onbeantwoord met betrekking tot de evaluatie en effecten van HRI in robot-geassisteerde gangrevalidatie en assistentie. Zo is er bijvoorbeeld nog maar weinig geweten over de effecten van verschillende gradaties van assistentie op het menselijk lichaam of over wat de neurale hersencomponenten die gemeten worden tijdens het stappen exact weerspiegelen. 

In een eerste experimentele studie werd de HRI tussen gezonde proefpersonen en een unilateraal aangedreven knie orthese (KNEXO) onderzocht in termen van spieractiviteit, kinematica en gangparameters. Bijkomend werden ook de effecten van verschillende gradaties van soepele assistentie bestudeerd. De studie toonde aan dat stappen geassisteerd door KNEXO zeer gelijkaardig is aan niet-geassisteerd stappen. Er werden slechts enkele kleine verschillen in kinematica en spieractiviteit gevonden die in de eerste plaats te wijten zijn aan de inertie van het apparaat. Er werden geen significante verschillen gevonden in biomechanische parameters of spieractiviteit tussen verschillende niveaus van soepele assistentie. Dit is in tegenspraak met onze hypothese waarin vooropgesteld werd dat spieractiviteit zou afnemen naarmate de assistentie toenam. Het lijkt erop dat de verschillen tussen de parameterinstellingen voor een soepele aansturing van KNEXO onvoldoende groot waren om bij gezonde proefpersonen duidelijke effecten waar te nemen. Bovendien dient er rekening mee gehouden te worden dat KNEXO een unilaterale aangedreven knie orthese is met slechts 1 vrijheidsgraad.

Een tweede experimentele studie onderzocht de haalbaarheid van EEG metingen tijdens complexe bewegingen zoals stappen. De studie toonde een kenmerkend patroon van afwisselend positieve en negatieve potentialen aan, vergelijkbaar met bewegings-gerelateerde corticale potentialen (MRCPs) die vaak worden gezien bij de intentie tot en het inzetten van een beweging. De MRCPs vertoonden bovendien een sterke temporele relatie met de verschillende fasen van de gangcyclus. Aan de hand van bronlokalisatie door middel van eLORETA (dwz, exacte lage resolutie hersen-elektromagnetische tomografie) werd vastgesteld dat voornamelijk de primaire somatosensorische cortex, de sensorische associatie gebieden, de primaire motorische cortex en de cingulate cortex actief zijn tijdens het stappen. We kunnen besluiten dat deze studie de haalbaarheid om EEG te meten tijdens het stappen aantoont. Bovendien blijkt ook dat er een zekere mate van corticale betrokkenheid in de motorische controle van het stappen.

Op basis van de positieve resultaten uit de voorgaande studie, werd in een derde studie opnieuw gebruikt gemaakt van EEG ditmaal om HRI, te beoordelen tijdens robot-geassisteerd stappen op een loopband met behulp het Lokomat-systeem. Bijkomend werden ook de effecten van verschillende gradaties van assistentie bestudeerd. De studie toonde aan dat er bij gezonde proefpersonen drie actieve clusters van hersenactiviteit in de sensorimotorische cortex zijn tijdens het stappen met en zonder robot-assistentie op een loopband. Deze clusters vertoonden modulaties in de mu, beta en lage gamma frequentie banden (dwz, event-gerelateerde spectrale perturbaties (ERSP)) over de sensorimotorische cortex.  De ERSPs vertoonden bovendien een sterke temporele relatie met de verschillende fasen van de gangcyclus. Daarnaast werden mu en beta ritmes onderdrukt (dwz, event-gerelateerde desynchronisaties (ERDS)) in de primaire sensorische cortex tijdens het stappen zonder robot-assistentie in vergelijking met het stappen met 100% robot-assistentie. Dit wijst op een grotere betrokkenheid van de sensorimotorische gebieden tijdens stappen zonder robot-assistentie. Er werden geen significante verschillen in de spectrale power van mu, beta en lage gamma banden vastgesteld tussen stappen met verschillende gradaties van assistentie. Op basis van deze resultaten is het aan te raden om met lage gradaties van assistentie te werken tijdens robot-geassisteerde gangrevalidatie zodat actieve deelname wordt bevorderd. Op deze manier wordt de betrokkenheid van de sensorimotorische gebieden tijdens de revalidatietraining geoptimaliseerd wat het motorisch herstel in de hand werkt.

In de laatste studie werd gekeken naar de haalbaarheid van het gebruik van fysiologische parameters voor het bepalen van de mate van cognitieve belasting tijdens het stappen. De resultaten toonden aan dat  ademhalingsfrequentie en hartslag aanzienlijk stegen, en hartslagvariabiliteit aanzienlijk daalde met toenemende cognitieve belasting tijdens het stappen. Gangparameters zoals cadans werden enkel beïnvloed door een hoge cognitieve belasting tijdens het stappen. De fysiologische  parameters blijken dus het meest sensitief te zijn om veranderingen in cognitieve belasting te identificeren tijdens het stappen. Deze parameters weerspiegelen de cognitieve inspanning die nodig is om het gangpatroon optimaal te houden in complexe situaties. Bovendien zijn deze parameters vrij gemakkelijk op te meten. Dit maakt ze uitstekende kandidaten om te incorporeren in het besturingssysteem van geautomatiseerde prothesen.  Deze informatie kan vervolgens gebruikt worden om de gradatie van robot-assistentie af te stemmen  op de cognitieve mogelijkheden van de patiënt op elk ogenblik.

Uit dit proefschrift kunnen we besluiten dat fysiologische parameters in combinatie met gang parameters geschikt zijn om de cognitieve belasting te evalueren tijdens het stappen. Dit kan de deur openen om deze parameters te incorporeren in het besturingssysteem van geautomatiseerde prothesen om zodoende de gangprestatie van de drager te verbeteren. Daarnaast zijn biomechanische en fysiologische parameters ook toereikend om verschillende aspecten van HRI te beoordelen, zowel de gangprestatie als de mate van actieve deelname. Ook door middel van EEG kon de mate van actieve deelname vastgesteld worden. Verschillende neurale componenten, waaronder GRCP, ERDS en ERSPs, gerelateerd aan stappen werden waargenomen. Bij gezonde proefpersonen hadden verschillende gradaties van assistentie tijdens robot-geassisteerd stappen geen invloed op de mate van actieve deelname (uitgedrukt in spier- en hersenactiviteit). Toch kan stappen zonder robot-assistentie onderscheiden worden van stappen met robot-assistentie bij gezonde proefpersonen op basis van veranderingen in ERDs. De aanwezigheid van de verschillende neurale componenten in nauw verband met de gangcyclus wijst erop dat de motorische controle van het stappen een bepaalde mate van corticale betrokkenheid vereist.