Robot-assisted therapy for upper limb rehabilitation in individuals with stroke: effectiveness, role of environment, and evaluation of a novel "Assist-As-Asked" protocol

In order to determine the effectiveness of robot-assisted therapy (RT) in upper limb (UL) rehabilitation of stroke patients, we first systematically reviewed and analyzed the literature. We found that when the duration/intensity of conventional therapy (CT) is matched with that of the RT, no difference exists between the intensive CT and RT groups in terms of motor recovery, activities of daily living, strength, and motor control. However, depending on the stage of recovery, extra sessions of RT in addition to regular CT are more beneficial than regular CT alone in motor recovery of the hemiparetic shoulder and elbow of patients with stroke; the gains are similar to those that have been observed in intensive CT. It has been shown that stroke patients with mild-to-moderate UL motor impairment benefit from training with a virtual reality rehabilitation system. However, during robot-assisted movements, it remains to be determined whether movements made in a virtual environment are similar to those made in a physical environment. Thus, we examined the role of training environment, whether virtual or physical, on robot-assisted reaching movements in chronic stroke and healthy individuals, within a single session. Fifteen subjects participated in this study divided into three groups: 5 chronic stroke individuals able to perform a reaching task with no need for the robot assistance, 5 chronic stroke individuals who needed the robot assistance to complete the reaching task, and 5 healthy individuals. The task was to reach for six target buttons in two identical physical and virtual environments. The outcomes consisted of kinematic measures and a custom questionnaire to assess how participants perceived and experienced the reaching task in both environments. We found no differences between the two environments in terms of the outcome measures in any of the groups. We concluded that the choice of environment, whether physical or virtual, is not a key factor in designing a robot-assisted reaching protocol for stroke survivors. Finally, we conducted a proof-of-concept study to identify clinical benefits and potential adverse effects of a novel, custom-developed RT protocol, named "Assist-As-Asked", aiming at improving arm function of chronic stroke subjects with moderate-to-severe UL motor impairment and to investigate whether practicing in a physical or virtual environment would make any difference in the outcomes of interest. Four chronic stroke subjects participated in 10 half-hour sessions to practice reaching six targets in both virtual and physical environments. The robotic arm provided gravity support, and with the "Assist-As-Asked" paradigm, helped subjects to complete movements when they requested it. Kinematics of the reaching movements and the subjects' perception about the reaching practice in both environments were the primary outcome measures of interest. Change in scores of FMA-UE was the secondary outcome measure. Following the RT sessions, all the subjects noticeably improved their reaching performance, which was accompanied by 3-5 points improvement in FMA-UE score. There were no differences between the two environments in terms of kinematic measures even though subjects had different opinions about environment preference. We concluded that moderate-to-severe chronic stroke survivors may benefit from RT using the "Assist-As-Asked" paradigm. In designing an RT platform for moderate-to-severe chronic stroke survivors, the choice of environment, either physical or virtual, does not necessarily influence the outcome of therapy sessions.Afin de déterminer l'efficacité de la thérapie assistée par un robot (RT) dans la réadaptation du membre supérieur (MS) chez les patients ayant subi accident vasculaire cérébral (AVC), nous avons d'abord systématiquement analysé la littérature pour identifier des essais contrôlés randomisés portant sur l'utilisation d'appareils de robotique pour la réadaptation du MS des personnes ayant subi un AVC. Nous avons trouvé que lorsque la durée / intensité de la thérapie conventionnelle (TC) est comparée avec la RT, aucune différence n'existe en terme de récupération motrice, de performance dans les activités de la vie quotidienne, de force, et de contrôle moteur. Cependant, dépendamment de la phase de récupération, des séances supplémentaires de la RT en plus de la TC sont plus bénéfiques que la TC seule pour la récupération motrice de l'épaule et du coude des patients ayant subi un AVC; les bénéfices sont similaires à ceux observés en TC intensive. Il a été démontré que les patients ayant subi AVC avec un déficit moteur léger à modéré du MS bénéficient d'un entraînement avec un système de réadaptation en réalité virtuelle. Cependant, lors des mouvements assistés par robot, il reste à déterminer si les mouvements effectués dans un environnement virtuel sont similaires à ceux réalisés dans un environnement physique. Nous avons donc examiné le rôle de l'environnement, virtuel ou physique, sur les mouvements assistés par un robot. Quinze sujets ont participé à cette étude divisée en trois groupes: 5 individus atteints d'AVC chronique capables d'accomplir une tâche sans avoir besoin du robot, 5 individus atteints d'AVC chronique ayant besoin d'une assistance robotique pour accomplir la tâche et 5 individus en bonne santé. La tâche était d'atteindre six cibles dans deux environnements physiques et virtuels identiques. Les résultats comprenaient des mesures cinématiques et un questionnaire pour évaluer comment les sujets ont perçu et vécu la tâche d'atteinte dans les deux environnements. Nous n'avons trouvé aucune différence pour les résultats entre les deux environnements et entre les groupes. Nous avons conclu que le choix de l'environnement, qu'il soit physique ou virtuel, n'est pas un facteur important dans la conception d'un protocole d'assistance avec un robot pour les personnes ayant subi un AVC. Enfin, nous avons mené une étude pour identifier les avantages cliniques d'un nouveau protocole RT personnalisé, appelé «Assist-As-Asked». Ce protocole vise l'amélioration la fonction du MS chez des sujets ayant subi un AVC et une déficience motrice modérée à sévère du MS. De plus, nous avons examiné si la pratique dans un environnement physique ou virtuel avait un impact au niveau des mesures ciblées. Quatre sujets ayant subi un AVC ont participé à 10 séances d'une demi-heure. La tâche était de pratiquer l'atteinte de six cibles dans des environnements virtuels et physiques. Le bras robotisé aidait les sujets au moyen du paradigme «Assist-As-Asked» (assistance à effectuer des mouvements lorsqu'ils le demandaient). Les principales mesures étaient la cinématique des mouvements du bras et la perception des sujets de la pratique dans les deux environnements. Le changement dans les scores du FMA-UE était la mesure secondaire. Après les séances de RT, tous les sujets ont nettement amélioré leur performance au niveau des mouvements du bras, accompagné d'une amélioration de 3-5 points du score FMA-UE. Il n'y avait aucune différence entre les deux environnements pour les mesures cinématiques, même si les sujets avaient diverses préférence sur l'environnement. Nous pouvons conclure que les personnes ayant subi un AVC modéré à sévère pourraient bénéficier de la RT en utilisant le paradigme «Assist-As-Asked». En concevant un protocole de RT pour les individus avec un AVC chronique modéré à sévère, le choix de l'environnement, soit physique ou virtuel, n'influence pas le résultat des séances de thérapies