Wearable soft robotic device for post-stroke shoulder rehabilitation: identifying misalignments

Stroke is the leading cause of long-term disability in the United States, affecting over 795,000 people annually. In order to regain motor function of the upper body, patients are usually treated by regular sessions with a dedicated physical therapist. A cost-effective wearable upper body orthotics system that can be used at home to empower both the patients and physical therapists is described. The system is composed of a thin, compliant, lightweight, cost-effective soft orthotic device with an integrated cable actuation system that is worn over the upper body, an embedded limb position sensing system, an electric actuator package and controller. The proposed device is robust to misalignments that may occur during actuation of the compliant brace or when putting on the system. Through simulations and experimental evaluation, it was demonstrated i) that the soft orthotic cable-driven shoulder brace can be successfully actuated without the production of off-axis torques in the presence of misalignments and ii) that the proposed model can identify linear and angular misalignments online.

Modifications in Early Rehabilitation Protocol after Rotator Cuff Repair : EMG Studies

La déchirure de la coiffe des rotateurs est une des causes les plus fréquentes de douleur et de dysfonctionnement de l'épaule. La réparation chirurgicale est couramment réalisée chez les patients symptomatiques et de nombreux efforts ont été faits pour améliorer les techniques chirurgicales. Cependant, le taux de re-déchirure est encore élevé ce qui affecte les stratégies de réhabilitation post-opératoire. Les recommandations post-chirurgicales doivent trouver un équilibre optimal entre le repos total afin de protéger le tendon réparé et les activités préconisées afin de restaurer l'amplitude articulaire et la force musculaire. Après une réparation de la coiffe, l'épaule est le plus souvent immobilisée grâce à une écharpe ou une orthèse. Cependant, cette immobilisation limite aussi la mobilité du coude et du poignet. Cette période qui peut durer de 4 à 6 semaines où seuls des mouvements passifs peuvent être réalisés. Ensuite, les patients sont incités à réaliser les exercices actifs assistés et des exercices actifs dans toute la mobilité articulaire pour récupérer respectivement l’amplitude complète de mouvement actif et se préparer aux exercices de résistance réalisés dans la phase suivante de la réadaptation. L’analyse électromyographique des muscles de l'épaule a fourni des évidences scientifiques pour la recommandation de beaucoup d'exercices de réadaptation au cours de cette période. Les activités sollicitant les muscles de la coiffe des rotateurs à moins de 20% de leur activation maximale volontaire sont considérés sécuritaires pour les premières phases de la réhabilitation. À partir de ce concept, l'objectif de cette thèse a été d'évaluer des activités musculaires de l'épaule pendant des mouvements et exercices qui peuvent théoriquement être effectués au cours des premières phases de la réhabilitation. Les trois questions principales de cette thèse sont : 1) Est-ce que la mobilisation du coude et du poignet produisent une grande activité des muscles de la coiffe? 2) Est-ce que les exercices de renforcement musculaire du bras, de l’avant-bras et du torse produisent une grande activité dans les muscles de la coiffe? 3) Au cours d'élévations actives du bras, est-ce que le plan d'élévation affecte l'activité de la coiffe des rotateurs? Dans notre première étude, nous avons évalué 15 muscles de l'épaule chez 14 sujets sains par électromyographie de surface et intramusculaire. Nos résultats ont montré qu’avec une orthèse d’épaule, les mouvements du coude et du poignet et même quelques exercices de renforcement impliquant ces deux articulations, activent de manière sécuritaire les muscles de ii la coiffe. Nous avons également introduit des tâches de la vie quotidienne qui peuvent être effectuées en toute sécurité pendant la période d'immobilisation. Ces résultats peuvent aider à modifier la conception d'orthèses de l’épaule. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que l'adduction du bras réalisée contre une mousse à faible densité, positionnée pour remplacer le triangle d’une orthèse, produit des activations des muscles de la coiffe sécuritaires. Dans notre troisième étude, nous avons évalué l'électromyographie des muscles de l’épaule pendant les tâches d'élévation du bras chez 8 patients symptomatiques avec la déchirure de coiffe des rotateurs. Nous avons constaté que l'activité du supra-épineux était significativement plus élevée pendant l’abduction que pendant la scaption et la flexion. Ce résultat suggère une séquence de plan d’élévation active pendant la rééducation. Les résultats présentés dans cette thèse, suggèrent quelques modifications dans les protocoles de réadaptation de l’épaule pendant les 12 premières semaines après la réparation de la coiffe. Ces suggestions fournissent également des évidences scientifiques pour la production d'orthèses plus dynamiques et fonctionnelles à l’articulation de l’épaule.

Modifications in Early Rehabilitation Protocol after Rotator Cuff Repair : EMG Studies

La déchirure de la coiffe des rotateurs est une des causes les plus fréquentes de douleur et de dysfonctionnement de l'épaule. La réparation chirurgicale est couramment réalisée chez les patients symptomatiques et de nombreux efforts ont été faits pour améliorer les techniques chirurgicales. Cependant, le taux de re-déchirure est encore élevé ce qui affecte les stratégies de réhabilitation post-opératoire. Les recommandations post-chirurgicales doivent trouver un équilibre optimal entre le repos total afin de protéger le tendon réparé et les activités préconisées afin de restaurer l'amplitude articulaire et la force musculaire. Après une réparation de la coiffe, l'épaule est le plus souvent immobilisée grâce à une écharpe ou une orthèse. Cependant, cette immobilisation limite aussi la mobilité du coude et du poignet. Cette période qui peut durer de 4 à 6 semaines où seuls des mouvements passifs peuvent être réalisés. Ensuite, les patients sont incités à réaliser les exercices actifs assistés et des exercices actifs dans toute la mobilité articulaire pour récupérer respectivement l’amplitude complète de mouvement actif et se préparer aux exercices de résistance réalisés dans la phase suivante de la réadaptation. L’analyse électromyographique des muscles de l'épaule a fourni des évidences scientifiques pour la recommandation de beaucoup d'exercices de réadaptation au cours de cette période. Les activités sollicitant les muscles de la coiffe des rotateurs à moins de 20% de leur activation maximale volontaire sont considérés sécuritaires pour les premières phases de la réhabilitation. À partir de ce concept, l'objectif de cette thèse a été d'évaluer des activités musculaires de l'épaule pendant des mouvements et exercices qui peuvent théoriquement être effectués au cours des premières phases de la réhabilitation. Les trois questions principales de cette thèse sont : 1) Est-ce que la mobilisation du coude et du poignet produisent une grande activité des muscles de la coiffe? 2) Est-ce que les exercices de renforcement musculaire du bras, de l’avant-bras et du torse produisent une grande activité dans les muscles de la coiffe? 3) Au cours d'élévations actives du bras, est-ce que le plan d'élévation affecte l'activité de la coiffe des rotateurs? Dans notre première étude, nous avons évalué 15 muscles de l'épaule chez 14 sujets sains par électromyographie de surface et intramusculaire. Nos résultats ont montré qu’avec une orthèse d’épaule, les mouvements du coude et du poignet et même quelques exercices de renforcement impliquant ces deux articulations, activent de manière sécuritaire les muscles de ii la coiffe. Nous avons également introduit des tâches de la vie quotidienne qui peuvent être effectuées en toute sécurité pendant la période d'immobilisation. Ces résultats peuvent aider à modifier la conception d'orthèses de l’épaule. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que l'adduction du bras réalisée contre une mousse à faible densité, positionnée pour remplacer le triangle d’une orthèse, produit des activations des muscles de la coiffe sécuritaires. Dans notre troisième étude, nous avons évalué l'électromyographie des muscles de l’épaule pendant les tâches d'élévation du bras chez 8 patients symptomatiques avec la déchirure de coiffe des rotateurs. Nous avons constaté que l'activité du supra-épineux était significativement plus élevée pendant l’abduction que pendant la scaption et la flexion. Ce résultat suggère une séquence de plan d’élévation active pendant la rééducation. Les résultats présentés dans cette thèse, suggèrent quelques modifications dans les protocoles de réadaptation de l’épaule pendant les 12 premières semaines après la réparation de la coiffe. Ces suggestions fournissent également des évidences scientifiques pour la production d'orthèses plus dynamiques et fonctionnelles à l’articulation de l’épaule.

Razão eletromiográfica de músculos estabilizadores do ombro durante a execução de exercícios com haste oscilatória

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Muscle activation patterns in shoulder impingement patients

Introduction: Shoulder impingement is one of the most common presentations of shoulder joint problems 1. It appears to be caused by a reduction in the sub-acromial space as the humerus abducts between 60o -120o – the 'painful arc'. Structures between the humeral head and the acromion are thus pinched causing pain and further pathology 2. Shoulder muscle activity can influence this joint space but it is unclear whether this is a cause or effect in impingement patients. This study aimed to observe muscle activation patterns in normal and impingement shoulder patients and determine if there were any significant differences. Method: 19 adult subjects were asked to perform shoulder abduction in their symptomatic arm and non-symptomatic. 10 of these subjects (age 47.9 ± 11.2) were screened for shoulder impingement, and 9 subjects (age 38.9 ± 14.3) had no history of shoulder pathology. Surface EMG was used to collect data for 6 shoulder muscles (Upper, middle and lower trapezius, serratus anterior, infraspinatus, middle deltoids) which was then filtered and fully rectified. Subjects performed 3 smooth unilateral abduction movements at a cadence of 16 beats of a metronome set at 60bpm, and the mean of their results was recorded. T-tests were used to indicate any statistical significance in the data sets. Significance was set at P<0.05. Results: There was a significant difference in muscle activation with serratus anterior in particular showing a very low level of activation throughout the range when compared to normal shoulder activation patterns (<30%). Middle deltoid recruitment was significantly reduced between 60-90o in the impingement group (30:58%).Trends were noted in other muscles with upper trapezius and infraspinatus activating more rapidly and erratically (63:25%; 60:27% respectively), and lower trapezius with less recruitment (13:30%) in the patient group, although these did not quite reach significance. Conclusion: There appears to be some interesting alterations in muscle recruitment patterns in impingement shoulder patients when compared against their own unaffected shoulders and the control group. In particular changes in scapula control (serratus anterior and trapezius) and lateral rotation (infraspinatus), which have direct influence on the sub-acromial space, should be noted. It is still not clear whether these alterations are causative or reactionary, but this finding gives a clear indication to the importance of addressing muscle reeducation as part of a rehabilitation programme in shoulder impingement patients.

Neck treatment and shoulder morbidity: Still a challenge

Shoulder complaints and functional impairment are common sequelae of neck dissection. This is often attributed to injury of the spinal accessory nerve by dissection or direct trauma. Nevertheless, shoulder morbidity may also occur in cases in which the spinal accessory nerve has been preserved. In this article, the physiology and pathophysiology of the shoulder are discussed, followed by a consideration of the impact of neck dissection on shoulder complaints, functional impairment, and quality of life. Finally, rehabilitation will be considered. © 2010 Wiley Periodicals, Inc. Head Neck, 2010.

ARMin III – arm therapy exoskeleton with an ergonomic shoulder actuation

Rehabilitation robots have become important tools in stroke rehabilitation. Compared to manual arm training, robot-supported training can be more intensive, of longer duration and more repetitive. Therefore, robots have the potential to improve the rehabilitation process in stroke patients. Whereas a majority of previous work in upper limb rehabilitation robotics has focused on end-effector-based robots, a shift towards exoskeleton robots is taking place because they offer a better guidance of the human arm, especially for movements with a large range of motion. However, the implementation of an exoskeleton device introduces the challenge of reproducing the motion of the human shoulder, which is one of the most complex joints of the body. Thus, this paper starts with describing a simplified model of the human shoulder. On the basis of that model, a new ergonomic shoulder actuation principle that provides motion of the humerus head is proposed, and its implementation in the ARMin III arm therapy robot is described. The focus lies on the mechanics and actuation principle. The ARMin III robot provides three actuated degrees of freedom for the shoulder and one for the elbow joint. An additional module provides actuated lower arm pro/supination and wrist flexion/extension. Five ARMin III devices have been manufactured and they are currently undergoing clinical evaluation in hospitals in Switzerland and in the United States.

Effects of intensive arm training with the rehabilitation robot ARMin II in chronic stroke patients: four single-cases

BACKGROUND: Robot-assisted therapy offers a promising approach to neurorehabilitation, particularly for severely to moderately impaired stroke patients. The objective of this study was to investigate the effects of intensive arm training on motor performance in four chronic stroke patients using the robot ARMin II. METHODS: ARMin II is an exoskeleton robot with six degrees of freedom (DOF) moving shoulder, elbow and wrist joints. Four volunteers with chronic (>or= 12 months post-stroke) left side hemi-paresis and different levels of motor severity were enrolled in the study. They received robot-assisted therapy over a period of eight weeks, three to four therapy sessions per week, each session of one hour.Patients 1 and 4 had four one-hour training sessions per week and patients 2 and 3 had three one-hour training sessions per week. Primary outcome variable was the Fugl-Meyer Score of the upper extremity Assessment (FMA), secondary outcomes were the Wolf Motor Function Test (WMFT), the Catherine Bergego Scale (CBS), the Maximal Voluntary Torques (MVTs) and a questionnaire about ADL-tasks, progress, changes, motivation etc. RESULTS: Three out of four patients showed significant improvements (p < 0.05) in the main outcome. The improvements in the FMA scores were aligned with the objective results of MVTs. Most improvements were maintained or even increased from discharge to the six-month follow-up. CONCLUSION: Data clearly indicate that intensive arm therapy with the robot ARMin II can significantly improve motor function of the paretic arm in some stroke patients, even those in a chronic state. The findings of the study provide a basis for a subsequent controlled randomized clinical trial.

Infrared thermography and shoulder pain in wheelchair users = Termografía infrarroja y dolor de hombro en usuarios de sillas de ruedas

Las personas que usan la silla de ruedas como su forma de movilidad prioritaria presentan una elevada incidencia (73%) de dolor de hombro debido al sobreuso y al movimiento repetitivo de la propulsión. Existen numerosos métodos de diagnóstico para la detección de las patologías del hombro, sin embargo la literatura reclama la necesidad de un test no invasivo y fiable, y sugiere la termografía como una técnica adecuada para evaluar el dolor articular. La termografía infrarroja (IRT) proporciona información acerca de los procesos fisiológicos a través del estudio de las distribuciones de la temperatura de la piel. Debido a la alta correlación entre ambos lados corporales, las asimetrías térmicas entre flancos contralaterales son una buena indicación de patologías o disfunciones físicas subyacentes. La fiabilidad de la IRT ha sido estudiada con anterioridad en sujetos sanos, pero nunca en usuarios de sillas de ruedas. Las características especiales de la población con discapacidad (problemas de sudoración y termorregulación, distribución sanguínea o medicación), hacen necesario estudiar los factores que afectan a la aplicación de la IRT en usuarios de sillas de ruedas. La bibliografía discrepa en cuanto a los beneficios o daños resultantes de la práctica de la actividad física en las lesiones de hombro por sobreuso en usuarios de sillas de ruedas. Recientes resultados apuntan a un aumento del riesgo de rotura del manguito rotador en personas con paraplejia que practican deportes con elevación del brazo por encima de la cabeza. Debido a esta falta de acuerdo en la literatura, surge la necesidad de analizar el perfil termográfico en usuarios de sillas de ruedas sedentarios y deportistas y su relación con el dolor de hombro. Hasta la fecha sólo se han publicado estudios termográficos durante el ejercicio en sujetos sanos. Un mayor entendimiento de la respuesta termográfica al ejercicio en silla de ruedas en relación al dolor de hombro clarificará su aparición y desarrollo y permitirá una apropiada intervención. El primer estudio demuestra que la fiabilidad de la IRT en usuarios de sillas de ruedas varía dependiendo de las zonas analizadas, y corrobora que la IRT es una técnica no invasiva, de no contacto, que permite medir la temperatura de la piel, y con la cual avanzar en la investigación en usuarios de sillas de ruedas. El segundo estudio proporciona un perfil de temperatura para usuarios de sillas de ruedas. Los sujetos no deportistas presentaron mayores asimetrías entre lados corporales que los sedentarios, y ambos obtuvieron superiores asimetrías que los sujetos sin discapacidad reportados en la literatura. Los no deportistas también presentaron resultados más elevados en el cuestionario de dolor de hombro. El área con mayores asimetrías térmicas fue hombro. En deportistas, algunas regiones de interés (ROIs) se relacionaron con el dolor de hombro. Estos resultados ayudan a entender el mapa térmico en usuarios de sillas de ruedas. El último estudio referente a la evaluación de la temperatura de la piel en usuarios de sillas de ruedas en ejercicio, reportó diferencias significativas entre la temperatura de la piel antes del test y 10 minutos después del test de propulsión de silla de ruedas, en 12 ROIs; y entre el post-test y 10 minutos después del test en la mayoría de las ROIs. Estas diferencias se vieron atenuadas cuando se compararon las asimetrías antes y después del test. La temperatura de la piel tendió a disminuir inmediatamente después completar el ejercicio, e incrementar significativamente 10 minutos después. El análisis de las asimetrías vs dolor de hombro reveló relaciones significativas negativas en 5 de las 26 ROIs. No se encontraron correlaciones significativas entre las variables de propulsión y el cuestionario de dolor de hombro. Todas las variables cinemáticas correlacionaron significativamente con las asimetrías en múltiples ROIs. Estos resultados indican que los deportistas en sillas de ruedas exhiben una capacidad similar de producir calor que los deportistas sin discapacidad; no obstante, su patrón térmico es más característico de ejercicios prolongados que de esfuerzos breves. Este trabajo contribuye al conocimiento de la termorregulación en usuarios de sillas de ruedas durante el ejercicio, y aporta información relevante para programas deportivos y de rehabilitación. ABSTRACT Individuals who use wheelchairs as their main means of mobility have a high incidence (73%) of shoulder pain (SP) owing to overuse and repetitive propulsion movement. There are numerous diagnostic methods for the detection of shoulder pathologies, however the literature claims that a noninvasive accurate test to properly assess shoulder pain would be necessary, and suggests thermography as a suitable technique for joint pain evaluation. Infrared thermography (IRT) provides information about physiological processes by studying the skin temperature (Tsk) distributions. Due to the high correlation of skin temperature between both sides of the body, thermal asymmetries between contralateral flanks are an indicator of underlying pathologies or physical dysfunctions. The reliability of infrared thermography has been studied in healthy subjects but there are no studies that have analyzed the reliability of IRT in wheelchair users (WCUs). The special characteristics of people with disabilities (sweating and thermoregulation problems, or blood distribution) make it necessary to study the factors affecting the application of IRT in WCUs. Discrepant reports exist on the benefits of, or damage resulting from, physical exercise and the relationship to shoulder overuse injuries in WCUs. Recent findings have found that overhead sports increase the risk of rotator cuff tears in wheelchair patients with paraplegia. Since there is no agreement in the literature, the thermographic profile of wheelchair athletes and nonathletes and its relation with shoulder pain should also be analysed. Infrared thermographic studies during exercise have been carried out only with able-bodied population at present. The understanding of the thermographic response to wheelchair exercise in relation to shoulder pain will offer an insight into the development of shoulder pain, which is necessary for appropriate interventions. The first study presented in this thesis demonstrates that the reliability of IRT in WCUs varies depending on the areas of the body that are analyzed. Moreover, it corroborates that IRT is a noninvasive and noncontact technique that allows the measurement of Tsk, which will allow for advances to be made in research concerned with WCUs. The second study provides a thermal profile of WCUs. Nonathletic subjects presented higher side-to-side skin temperature differences (ΔTsk) than athletes, and both had greater ΔTsk than the able-bodied results that have been published in the literature. Nonathletes also revealed larger Wheelchair Users Shoulder Pain Index (WUSPI) score than athletes. The shoulder region of interest (ROI) was the area with the highest ΔTsk of the regions measured. The analysis of the athletes’ Tsk showed that some ROIs are related to shoulder pain. These findings help to understand the thermal map in WCUs. Finally, the third study evaluated the thermal response of WCUs in exercise. There were significant differences in Tsk between the pre-test and the post-10 min in 12 ROIs, and between the post-test and the post-10 in most of the ROIs. These differences were attenuated when the ΔTsk was compared before and after exercise. Skin temperature tended to initially decrease immediately after the test, followed by a significant increase at 10 minutes after completing the exercise. The ΔTsk versus shoulder pain analysis yielded significant inverse relationships in 5 of the 26 ROIs. No significant correlations between propulsion variables and the results of the WUSPI questionnaire were found. All kinematic variables were significantly correlated with the temperature asymmetries in multiple ROIs. These results present indications that high performance wheelchair athletes exhibit similar capacity of heat production to able-bodied population; however, they presented a thermal pattern more characteristic of a prolonged exercise rather than brief exercise. This work contributes to improve the understanding about temperature changes in wheelchair athletes during exercise and provides implications to the sports and rehabilitation programs.

A programme of static positional stretches does not reduce hemiplegic shoulder pain or maintain shoulder range of motion - a randomized controlled trial

Objective: To evaluate the effectiveness of a programme of static positional stretches and positioning of the stroke-affected shoulder for maintaining shoulder external rotation and decreasing hemiplegic shoulder pain. Design: Randomized controlled trial with pretest and posttest design. Setting: Inpatient rehabilitation unit. Subjects: Thirty-two participants ( 17 treatment, 15 comparison) with a first time stroke who were admitted for rehabilitation. Interventions: Treatment participants completed a programme of static positional stretches of the stroke-affected shoulder twice daily and positioned the stroke-affected upper limb in an armrest support at all other times when seated. Main measures: The main outcome measures were pain-free range of motion into external rotation, pain in the stroke-affected shoulder at rest and with movement, motor recovery and functional independence. Results: All participants demonstrated a significant loss of external rotation ( P = 0.005) with no significant group differences. All participants demonstrated a significant improvement in motor recovery ( P < 0.01) and functional independence ( P < 0.01) with no significant group differences. There were no significant effects for pain. The comparison group recorded a decrease in mean pain reported with movement from admission to discharge, and the treatment group recorded an increase. Conclusions: Participation in the management programme did not result in improved outcomes. The results of this study do not support the application of the programme of static positional stretches to maintain range of motion in the shoulder. The effect of increasing pain for the treatment group requires further investigation.