The use of haptic forces in the control of gait and posture in chronic stroke and elderly individuals

The high prevalence of stroke among the elder population is of particular concern and poses serious challenges to daily functions such as locomotion. In light of these challenges, the use of haptic stimuli has been developed as a strategy to help stabilize gait and posture. These stimuli come in difference forms - from earth-fixed surfaces to elaborate wearable devices promoting stability. Many methods involve some form of contact or weight bearing to bring on a somatosensory stimulus, while much fewer investigate external forces brought on to the body. The present study offered a novel approach by applying haptic tensile forces on the hand, in the direction of locomotion, to study changes in gait outcomes. Changes in these gait parameters would support the hypothesis that haptic tensile forces bring on locomotor adaptation and post-adaptation effects in chronic stroke and healthy non-stroke individuals. These adaptation and post-adaptation effects could eventually develop into an effective rehabilitation strategy for clinicians. To investigate this prospect, a proof-of-concept study was first designed involving 13 healthy young adults who walked on a self-paced treadmill in a virtual environment with a robotic-powered leash in hand to investigate haptic tensile effects of the leash on steady-state walking outcomes, during and after a 10 or 20N force application, relative to baseline walking. The main findings were significant increases in gait velocity with accompanying stride length and double limb support time changes. These findings suggested that the application of force was enough to bring on transient changes in spatiotemporal gait parameters of healthy individuals during and after force exposure. In light of the evidence found in the first study, the question remained if an older chronic stroke population also had the ability to change gait parameters in a similar way and if these changes promote dynamic stability from a kinematic perspective. To address this question, 14 older chronic stroke and healthy age-matched control subjects were recruited. Similar to the pilot study, both chronic stroke and control groups increased gait velocity by over 0.1 m/s when 10 or 15N forces were introduced for one minute. Changes in gait velocity remained above baseline for an additional minute after force removal. Also, stride lengths increased as stride times decreased for both groups. In terms of dynamic stability, double limb support time was significantly decreased for both groups during and after force exposure, while step width did not seem to be significantly altered by tensile forces. In terms of postural control, most subjects also tended to shift their center of mass towards the paretic side for stroke subjects and non-dominant side for controls. In order to develop a rehabilitation strategy that may prove beneficial to the stroke population, it would be necessary to compare how the leash strategy changes gait spatiotemporal, postural and coordination parameters compared to a very common walking aid such as the cane. Hence, for the third study, both stroke and control groups completed walking trials with the leash and with an instrumented cane. The stroke group was stratified into lower functioning stroke and higher functioning stroke. As in the previous two studies, gait velocity was then maintained above baseline after force removal to an extent comparable to walking with a cane, suggesting a post-adaptation effect. The lower limb coordination of the paretic leg (stroke) revealed increases of both hip and foot flexion and greater angular velocity of the limb during leash walking relative to baseline levels. In light of all findings, future work is warranted to maximize the efficacy of the haptic leash strategy for possible use in the clinical setting.L'importante prévalence d'accidents vasculaires cérébraux (AVC) chez les personnes âgées est préoccupante et pose de grands défis à la fonction, notamment la locomotion. L'utilisation de stimuli haptiques a été développée comme stratégie pour stabiliser la démarche et la posture. Ces stimuli peuvent être présentés sous plusieurs formes, comme par exemple, des surfaces fixes. De nombreuses méthodes ont utilisés un point de contact physique ou de soutien afin de créer un stimulus somatosensoriel. Cependant, on connait moins les effets des forces extérieures apportées au corps. Par conséquent, ce projet propose une nouvelle approche, impliquant des forces de traction haptiques au niveau de la main, en direction de la locomotion, pour mesurer les changements dans les paramètres de la démarche. Ces changements soutiennent l'hypothèse selon laquelle les forces de traction haptique provoquent des effets d'adaptation et de post-adaptation locomotrice chez les personnes qui ont subi un AVC et les individus sains (sans AVC). Ces effets d'adaptation et de post-adaptation pourraient mener à une stratégie de réadaptation efficace utilisée dans le milieu clinique. Un projet pilote, impliquant 13 adultes jeunes et en bonne santé qui ont marché sur un tapis roulant, dans un environnement virtuel et avec une laisse robotique à la main. On a mesuré les effets haptiques de la laisse pendant la marche à rythme constant, pendant et après une application de force (10 ou 20N), par rapport à la marche de base. Les résultats ont dévoilé une vitesse de la démarche significativement élevée. La longueur de la foulée a aussi été élevée par rapport à la marche de bas, alors que le temps en double appui a été diminué. Ces résultats suggèrent que l'application de force a été suffisante pour causer un changement transitoire des paramètres spatiotemportaux de la marche chez les personnes en bonne santé, pendant et après l'application de la force. Il restait à savoir si une population plus âgée, qui a subi un AVC, pourrait également modifier ses paramètres de démarche d'une manière similaire. Pour aborder cette question, 14 sujets âgées atteints d'AVC et des sujets témoins de même âge ont été recrutés. Les deux groupes ont augmenté la vitesse de la démarche de plus de 0.1 m/s lorsque des forces de 10 ou 15N ont été activées pendant une minute. Les changements de la vitesse de la démarche sont demeurés au-dessus du niveau de base, même une minute après le retrait de la force. Les longueurs des foulées ont augmenté alors que les temps des foulées ont diminué pour les deux groupes. Quant à la stabilité dynamique, le temps en double-appuie des membres inférieurs a significativement diminué chez les deux groupes, pendant et après l'exposition à la force, alors que la largeur de pas n'a pas été réduite significativement. En ce qui concerne le contrôle postural, la plupart des sujets expérimentaux (AVC) et témoins ont également eu tendance à déplacer leur centre de masse vers le côté parétique ou non dominant. Afin d'élaborer une stratégie de réhabilitation qui pourrait être avantageuse pour la population qui a subi un AVC, il faudrait comparer comment cette stratégie de laisse robotisée modifie les paramètres de démarche par rapport à un aide à la marche comme la canne. Pour la troisième étude, le groupe expérimental (AVC) a été stratifié selon leur niveau fonctionnel (faible ou élevé). La vitesse de la démarche a été maintenue au-dessus du niveau de base après l'élimination de la force au niveau comparable à la marche avec une canne, ce qui suggère un effet de post-adaptation. La coordination de membre inférieur parétique (AVC) et non dominant (témoin) a montré une augmentation de flexion au niveau de la hanche et du pied, ainsi qu'une augmentation de la vitesse angulaire du membre parétique pendant la marche avec la laisse, par rapport au niveau de base. Ces résultats justifient une poursuite de la recherche afin de maximiser l'efficacité des stimuli haptiques