Bioinspired robotic rehabilitation tool for lower limb motor learning after stroke
Memoria de Tesis doctoral presentada por Guillermo Asín Prieto, para obtener el doctorado (Mención en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Automatización) por la Universidad Carlos III de Madrid (UC3M), realizada bajo la dirección de Juan Camilo Moreno Sastoche y José Luis Pons Rovira .-- 186 páginas. ; This doctoral thesis presents, after reviewing human gait, the main pathologies and conditions that affect it, and the different rehabilitation approaches with the corresponding neurophysiological implications, the research journey that leads to the development of the rehabilitation robotic tool, and the therapies that have been designed, within the framework of the European projects BioMot: Smart Wearable Robots with Bioinspired Sensory-Motor Skills and HANK: European advanced exoskeleton for rehabilitation of Acquired Brain Damage (ABD) and/or spinal cord injury's patients, and tested under the umbrella of the European project ASTONISH: Advancing Smart Optical Imaging and Sensing for Health and the national project ASSOCIATE: A comprehensive and wearable robotics based approach to the rehabilitation and assistance to people with stroke and spinal cord injury. Initially human gait is presented, characterizing it according to its stance and swing phases, and the spatiotemporal, kinetic and kinematic parameters, without neglecting the physiological parameters; followed by a review of the main pathologies or conditions that affect human gait: spinal cord injury, cerebral palsy, traumatic brain injury, neuromuscular impairments, osteoarticular diseases, aging, and stroke or cerebrovascular accident. Next, the robotic tool that is developed in this thesis is framed in the context of rehabilitation for stroke, based on its use in this widespread pathology, as it affects 13.7 million people every year, since there are about 80 million survivors, affecting all age ranges. In addition, 80 % of people affected by a stroke find also compromised their motor abilities, motivating the need to develop tools focused on the rehabilitation and recovery, as far as possible, of the independence lost due to the disease, with gait as a fundamental component of that independence. After reviewing gait and the characteristics of the pathology, an explanatory review is given for the three phases of therapy for gait rehabilitation: T1) preparatory training based on mobilization of the lower limb joints; T2) gait recovery; and T3) improvement of gait with the aim of recovering mobility for activities of daily living. This classification of the therapy phases is presented to frame the work of this thesis in phases T1 and T2. Motor recovery is based on motor learning, and thus, I provide a brief introduction to it, exposing its relationship with neuroplasticity, and establishing that, in order to enhance all types of learning, it is essential to establish a challenge, i.e., an acceptable difficulty, not only making the training less monotonous, but also enhancing retention. Motor learning, like all kinds of learning, requires the occurrence of neural plasticity. Neural plasticity can be described by these four factors: 1) evolution of neuronal representation for movements that require skill, which were latent before the injury; and recruitment of healthy areas that were used before the injury occurred, when the difficulty of the task was greater; 2) greater excitability of neurons and more efficiency of synaptic connections; 3) morphological changes associated with long-term potentiation and depression (LTP and LTD) phenomena; and 4) adaptation of cortical, subcortical and spinal networks that still function to the learned movement. There are different non-invasive methods that allow the evaluation of neuroplastic changes (Hoffman reflex, F-wave, motor evoked potentials, etc.), and since in this thesis the motor evoked potentials (MEPs) have been assessed, transcranial magnetic stimulation (TMS) is presented as the technique used to evoke potentials in the motor cortex associated with the muscle or muscles whose excitability is being evaluated, collected by means of superficial electromyography. The TMS technique allows to observe changes in corticospinal excitability before and after a treatment that potentially induces motor learning, being able also to evaluate if these changes are related to the treatment, as well as allowing to observe if they are long-lasting. In the literature review chapter, the differences between traditional rehabilitation approaches, and those robotic technology-aided are also introduced, showing that there is no clear winner in such a battle, but showing the advantage of robot-aided approaches, as they allow objectively measuring and help characterizing the recovery process. Once the robotic technology has been introduced as a rehabilitation technology, exoskeletons are presented as the most appropriate robotic technology involved in rehabilitative approaches for gait, and a review of the relevant existing devices, with their characteristics and limitations, is given to show the motivation of this work. The limitations presented by current devices are: they use pre-recorded patterns; they do not have visual feedback systems, or their feedback systems are too simple, not presenting the potential of a video game: entertainment and adherence to the treatment, allowing the difficulty to be modified. Some, on the other hand, are so complex that they demand a high cognitive effort for patients, or are even complex to configure and command, leading to the abandonment of the technology by both patients and therapists. In addition, most of them lack the ability to introduce randomness in the treatment, potentially leading to boredom of the patient, and ultimately abandonment of the therapy. Last but not least, the tasks are not adapted along the treatment to the capacities and the recovery of the subject. Therefore, the tool proposed in this thesis consists of the integration of a robotic ankle fixed to a platform, with a visual feedback comprised of a video game designed to train movements in the sagittal plane of the ankle: dorsiflexion and plantarflexion; with the subject sitting. The tool is capable of generating controlled torque patterns that disturb the trajectory followed by the subject, increasing the difficulty to collect the items on the screen. In addition, the magnitude of these disturbances depends on the performance during the task, increasing the difficulty when the performance is rising, managing to impose a continuous challenge, enhancing the adherence to the treatment as well as its effectiveness to promote the retention of what has been learned. After presenting the review of the literature, I present the development of the rehabilitation tool, describing the journey from the test of the control algorithms, to the development of the video game and design of the experimental protocol, through the adaptation of the control to the compliant actuator on which the tool is based, or tests first on a test bench and then with healthy subjects wearing the device. The first study presents the application of a bioinspired algorithm for autonomous learning, used in bipeds (providing them with the ability to learn to walk without prior knowledge of the task nor the environment, only knowing some points of the angular trajectory), to a six degrees of freedom actuated exoskeleton, with rigid actuators, in the sagittal plane, corresponding to the three main joints of the lower limb, i.e., hip, knee and ankle. This adaptation of the algorithm allows to modulate the rigidity of a rigid actuator with a simple implementation. The term tacit adaptability (TAd) was coined to refer to this control strategy. The third study extends the results to subjects on a treadmill, showing that the algorithm allows to absorb the deviations that the subject may have on the trajectory imposed by the controller of the robot. These studies have demonstrated the use of TAd with a position controller. For the development of the tool, its use is also tested with a torque controller, in order to modulate the amplitude of the applied torque. Then, the following chapter shows two protocols applicable to the T2 phase, just before starting free overground gait rehabilitation. The same robotic tool is used, varying the angle at which the subject's leg rests, to be used standing up. This study aims to explore the application of torque controllers to the rehabilitation robotic tool. In the first training, the robot applies a torque downwards, during the time equivalent to the swing phase, to force the subject to make a higher dorsiflexion torque to be able to follow a natural ankle angular trajectory profile. At the end of the training, during the final 15-20 % of time, the torque is removed. It is observed that the subjects have a greater dorsiflexion when the effect is removed, as well as a minor activation of the dorsiflexor muscles (in the absence of the force to be compensated), and tend to normalize the patterns over time. We also observe that when the torque downwards is removed, there is a trend to anticipate the maximum dorsiflexion peak angle in the swing phase, a trend that tends to disappear over time. In the second training, the robot exerts a torque upwards, similar to that exerted by the ground in the stance phase (ground reaction force), but at a lower magnitude, throughout the training. A lower activation is observed in the gastrocnemius medialis (plantarflexor muscle) than during a free walking over ground. This indicates that the reduced force made by the robot is similar to that experienced when wearing a body weight support. Next, the development of the visual feedback based on a video game is presented. The game consists of a gyrocopter whose position on the vertical axis can be modified by means of the dorsi and plantarflexion of the instrumented ankle (the horizontal axis advances automatically). The aim of the game is to collect the gas bottles that appear on the screen, following the optimal trajectory between bottles. The following study, whose objective is to demonstrate the feasibility of using the tool integrated by the robotic ankle fixed to the platform and the rehabilitation video game, prior to applying the TAd, exposes that applying a training without modulating, and modulating progressively and with a simple rule, the maximum torque applied by the robot, learning is promoted in healthy subjects, being greater the learning with the modulated approaches. Once the viability of the tool to promote motor learning in healthy subjects has been proven, the adaptation of TAd to MACCEPA, with a torque controller, is presented, giving rise to what we have dubbed as haptic adaptive feedback (HAF). This paradigm makes use of the performance in the task to modulate the maximum amplitude of the torque exerted by the robot, depending on the capabilities of the subject. In this way, the concept of challenge is maintained, without excessively exceeding the subject's capabilities, and adapting to the improvements in the execution of the task. The last study I present, corresponding to the development phase, presents the results when testing the feasibility of the final protocol with a healthy individual. For five consecutive days, the subject received a training with the robotic ankle consisting of playing the video game designed to encourage motor learning. We observed that the subject learned throughout the days, showing a significant reduction in the error when following the best trajectory between bottles, as well as a significant increase in the score, understood as the number of collected bottles. The study shows that the protocol is capable of generating learning in a healthy subject. The following chapter shows an extension of the previous study to a sample of ten healthy subjects, applicable to the T1 therapy phase. The subjects trained for three consecutive days. In addition, corticospinal excitability was recorded by means of TMS, focused on the tibialis anterior muscle, before starting the training on the first day, just after the training on the third (and last) day, 30 minutes later to see if the effects were maintained along time (LTP-like), and 24 hours after, to see long-lasting effects. An increase in both score and error was observed throughout the days. Likewise, a significant increase in the corticospinal excitability of the tibialis anterior was obtained, but not in the other two registered muscles: soleus (as a muscle involved in the task) and rectus femoris (as a proximal muscle, and, therefore, not involved in the task of dorsi/plantarflexion). The lack of significant changes in the soleus may be due to the fact that being a muscle whose action is in favor of gravity, it has been less potentiated. Another possible reason is that, because the tibialis anterior receives a higher density of corticospinal projections than the rest of the lower limb muscles, it needs a lower intensity to be recruited compared to the soleus. We extended this study in a case study with a pathological subject to test the feasibility of applying the protocol with patients. To do this, we modified the torque profile exerted by the robot so that it only forced dorsiflexion, preventing the patient from having to compensate for a movement of the robot downwards, focusing on training the dorsiflexor muscles. We observed a significant increase in the score in the task of the video game, as well as a significant decrease in the error, throughout the five days of the experiment. In the case of the patient, clinical scales were also recorded, observing improvements in resistance, speed, distance and transition time to standing position. Finally, the range of motion and speed of dorsi/plantarflexion were also recorded by means of an ad-hoc designed test, in which the subject was asked to move the foot up and down as quickly as possible to vertically move an onscreen ball to the limits of the screen. These metrics also shown improvements throughout the treatment. Nonetheless, these positive results cannot be extrapolated to the population of pathological subjects, as the effects of our training cannot be isolated from the rest of the patient's daily therapy; but it is concluded that it is a viable training for use in clinical scenarios. ; Esta tesis doctoral presenta, tras repasar la marcha humana, las principales patologías y condiciones que la afectan, y los distintos enfoques de rehabilitación con la correspondiente implicación neurofisiológica, el camino de investigación que desemboca en la herramienta robótica de rehabilitación y las terapias que se han desarrollado en el marco de los proyectos europeos BioMot: Smart Wearable Robots with Bioinspired Sensory-Motor Skills y HANK: European advanced exoskeleton for rehabilitation of Acquired Brain Damage (ABD) and/or spinal cord injury's patients, y probado bajo el paraguas del proyecto europeo ASTONISH: Advancing Smart Optical Imaging and Sensing for Health y el proyecto nacional ASSOCIATE: A comprehensive and wearable robotics based approach to the rehabilitation and assistance to people with stroke and spinal cord injury. Inicialmente se presenta la marcha humana, caracterizándola en arreglo a sus fases de apoyo y balanceo, y a los parámetros espaciotemporales, cinéticos y cinemáticos, sin dejar de lado los parámetros fisiológicos; para pasar a mostrar un repaso por las principales patologías o condiciones que afectan la marcha humana: lesión medular, parálisis cerebral, lesión cerebral traumática, deficiencias neuromusculares, enfermedades osteoarticulares, envejecimiento, e ictus o accidente cerebrovascular. A continuación, se enmarca la herramienta robótica que se desarrolla en esta tesis, en la rehabilitación para el ictus, fundamentando su uso en esta extendida patología debido a que afecta a 13,7 millones de personas cada a˜no, y a que hay unos 80 millones de supervivientes, afectando a todos los rangos de edad. Además, el 80 % de las personas afectadas por un accidente cerebrovascular ven asimismo comprometida su capacidad motora, motivando la necesidad de desarrollar herramientas enfocadas en la rehabilitación y recuperación, hasta donde sea posible, de la independencia perdida por motivo de la enfermedad, con la marcha como componente fundamental de esa independencia. Después de dar un repaso por la marcha y las características de la patología, se da un repaso explicativo por las tres fases de la terapia para rehabilitación de la marcha: T1) entrenamiento preparatorio basado en movilización de las articulaciones del miembro inferior; T2) recuperación de la marcha; y T3) mejora de la marcha con el objetivo de recuperar la movilidad para las actividades de la vida diaria. Se presenta esta clasificación de las fases para enmarcar el trabajo de esta tesis en las fases T1 y T2. Debido a que la recuperación motora se basa en el aprendizaje motor, se da una breve introducción al mismo exponiendo su relación con la neuroplasticidad, y estableciendo que, para potenciar todo tipo de aprendizaje, es capital establecer un reto, esto es, una dificultad asumible, y que no sólo hace que la tarea de entrenamiento sea menos monótona, sino que además potencia el proceso de retención del aprendizaje. El aprendizaje motor, como todo aprendizaje, para poder tener lugar, requiere que haya plasticidad neuronal. La plasticidad neuronal se puede describir por medio de estos cuatro factores: 1) evolución de la representación neuronal para movimientos que requieren habilidad, que estaban latentes antes de la lesión; y reclutamiento de áreas sanas y que se usaban antes de que la lesión ocurriera, cuando la dificultad de la tarea era mayor; 2) mayor excitabilidad de las neuronas y m´as eficacia de la conexión sináptica; 3) cambios morfológicos asociados a los fenómenos de potenciación y depresión a largo plazo (LTP y LTD de sus siglas en inglés, long term potentiation y long term depression respectivamente); y 4) adaptación de las redes corticales, subcorticales y espinales que aún funcionan al movimiento aprendido. Hay distintos métodos no invasivos que permiten evaluar los cambios neuroplásticos (reflejo de Hoffman, onda F, potenciales motores evocados, etc), y dado que en esta tesis se han usado los potenciales motores evocados(MEPs, de sus siglas en inglés, motor evoked potentials), se presenta la estimulación magnética transcraneal (TMS, de sus siglas en inglés, transcranial magnetic stimulation), como la técnica utilizada para evocar en la corteza motora asociada al músculo o a los músculos, cuya excitabilidad corticoespinal se desea evaluar, un potencial motor, recogido por medio de electromiografía superficial. La técnica de TMS permite observar cambios en la excitabilidad corticoespinal antes y después de un tratamiento que potencialmente induzca un aprendizaje motor, para poder evaluar si estos cambios están relacionados con el tratamiento, as´ı como permitiendo observar si son duraderos en el tiempo. En el capítulo de la revisión de la literatura se introducen también las diferencias entre los enfoques clásicos de rehabilitación, y los ayudados por las tecnologías robóticas, mostrando que no hay un claro ganador en tal batalla, pero manifestando la ventaja de la tecnología al permitir medir de manera objetiva y ayudar a caracterizar el proceso de recuperación. Una vez introducida la tecnología robótica como tecnología para la rehabilitación, se presentan los exoesqueletos como la tecnología robótica más adecuada implicada en los enfoques rehabilitadores para la marcha, y se da un repaso por los dispositivos existentes, con sus características y limitaciones, para mostrar la motivación de este trabajo. Las limitaciones que presentan los dispositivos actuales relevantes son que: utilizan patrones pre-grabados; no tienen sistemas de retroalimentación visual, o sus sistemas de retroalimentación son demasiados simples, no presentando el potencial de un video juego: entretenimiento y adherencia al tratamiento, permitiendo modificar la dificultad. Algunos, por otro lado, son tan complejos que demandan un esfuerzo cognitivo difícil para los pacientes, o incluso son complejos de configurar y comandar, llevando al abandono de la tecnología tanto por parte de pacientes como por parte de terapeutas. Además, la mayoría de ellos carecen de la capacidad de introducir aleatoriedad en el tratamiento, potencialmente desembocando en el aburrimiento del paciente, y en el abandono de la terapia en última instancia. Por último, pero no por ello menos importante, las tareas que proponen no se adaptan a lo largo del entrenamiento a las capacidades y recuperación del sujeto. Por ello, la herramienta que se propone en esta tesis consta de la integración de un tobillo robótico fijado a una plataforma, con una retroalimentación visual por medio de un video juego diseñado para entrenar los movimientos en el plano sagital del tobillo: dorsiflexión y plantarflexión; con el sujeto sentado. La herramienta es capaz de generar patrones de par controlados que perturban las trayectorias seguidas por el sujeto, dificultando la tarea de recoger los ítems en pantalla. Además, la magnitud de estas perturbaciones depende del rendimiento durante la tarea, incrementando la dificultad cuando el rendimiento va mejorando, consiguiendo imponer un reto continuo, potenciando la adherencia al tratamiento así como su eficacia para fomentar la retención de lo aprendido. Tras exponer la revisión de la literatura, se presenta el desarrollo de la herramienta de rehabilitación, recorriendo el camino desde la prueba de los algoritmos de control, hasta el desarrollo del video juego y diseño del protocolo experimental, pasando por la adecuación del control al actuador compliant en que se basa la herramienta, o las pruebas primero en banco de pruebas y después con sujetos sanos vistiendo el dispositivo. El primer estudio que se presenta consiste en aplicar un algoritmo, bioinspirado, de aprendizaje autónomo, utilizado en b´ıpedos (los cuales presentan la capacidad de aprender a caminar sin conocimiento previo de la tarea ni del entorno, únicamente conociendo algunos puntos de la trayectoria angular a realizar por las articulaciones), a un exoesqueleto con seis grados de libertad actuados, con actuadores rígidos, en el plano sagital, correspondiendo con las tres principales articulaciones del miembro inferior, esto es, cadera, rodilla y tobillo. Esta adaptación del algoritmo permite modular la rigidez de un actuador rígido con una implementación sencilla. Se acuñó el término adaptabilidad tácita (TAd, de sus siglas en inglés, tacit adaptability) para referirse a esta estrategia de control. El segundo estudio que se presenta tiene como objetivo aplicar el TAd a un actuador compliant: el MACCEPA (de sus siglas en inglés, mechanically adjustable compliance and controllable equilibrium position actuator). El MACCEPA es un actuador basado en un elemento elástico en serie, cuya pre-compresión puede variarse, ofreciendo distintos grados de rigidez. La ventaja de este actuador es que permite aplicar un control de par sin necesidad de un complejo sensor de par, conociendo la constante del elemento elástico y las posiciones del motor y del ángulo articular del sujeto. En el estudio, se presenta adaptación del TAd al MACCEPA, en el banco de pruebas, mostrando que, mediante este algoritmo, y sin modificar la pre-compresión del elemento elástico, se puede modular la rigidez del actuador tanto en condiciones estáticas como dinámicas, demostrando que el control puede adaptarse a las capacidades del sujeto, de manera automática y autónoma. El tercer estudio extiende los resultados a sujetos sobre la cinta de marcha, mostrando que el algoritmo permite absorber las desviaciones que pueda tener el sujeto sobre la trayectoria impuesta por el control del robot. Estos estudios han demostrado el uso del TAd con un control de posición. Para el desarrollo de la herramienta, se prueba también su uso con un control de par, para poder modular la magnitud del par aplicado. El siguiente capítulo muestra dos protocolos aplicables a la fase T2, justo antes de empezar un entrenamiento de marcha libre. Se utiliza la misma herramienta robótica, variando el ángulo en que reposa la pierna del sujeto, para poder ser utilizado en bipedestación. Este estudio tiene como objetivo explorar los controladores de par con la herramienta de rehabilitación robótica propuesta. El primero de los entrenamientos consiste en que el robot aplica un par negativo (hacia el suelo), durante el tiempo equivalente a la fase de balanceo, para forzar a que el sujeto haga un par de dorsiflexion superior al habitual para poder seguir una trayectoria angular de tobillo natural en caminata. Al final del entrenamiento, durante el 15 - 20 % final del tiempo, se quita el par negativo. Se observa que los sujetos tienen una dorsiflexión mayor al quitar el efecto, así como una activación menor de los músculos dorsiflexores (en ausencia de la fuerza a compensar), y tienden a normalizar los patrones a lo largo del tiempo. Observamos también que cuando se deja de aplicar el par, hay una tendencia a anticiparse al efectuar el pico máximo de dorsiflexión en la fase de balanceo, tendencia que va desapareciendo con el tiempo. En el segundo entrenamiento, el robot ejerce un par positivo, similar al ejercido por el suelo en la fase de apoyo, pero de una magnitud inferior, durante todo el entrenamiento. Se observa una activación inferior en el gastrocnemio medial (músculo plantarflexor) que durante una caminata normal sobre suelo. Esto indica que la fuerza reducida efectuada por el robot es similar a una caminata con un sistema de suspensión del peso. A continuación, se presenta el desarrollo de la realimentación visual a modo de videojuego. El juego consiste en un autogiro cuya posición en el eje vertical puede modificarse por medio de la dorsi y plantarflexión del tobillo instrumentado (el eje horizontal avanza de manera automática). El objetivo es recoger las botellas de gasolina que aparecen en la pantalla, siguiendo la trayectoria óptima entre botellas. El siguiente estudio, cuyo objetivo es demostrar la viabilidad de uso de la herramienta integrada por tobillo robótico fijado a la plataforma y el videojuego de rehabilitación, previo a aplicar el TAd, expone que aplicando un entrenamiento sin modular de ninguna manera, y modulando de manera progresiva y con una regla simple, el máximo par aplicado por el robot, se promueve aprendizaje en sujetos sanos, siendo mayor con los enfoques modulados. Una vez probada la viabilidad de la herramienta para fomentar el aprendizaje motor en sujetos sanos, se presenta la adaptación del TAd al MACCEPA, esta vez controlado en par, dando lugar a lo que hemos bautizado como retroalimentación adaptativa háptica (HAF, de sus siglas en inglés, haptic adaptive feedback). Este paradigma hace uso del rendimiento en la tarea para modular la máxima amplitud del par efectuado por el robot en cada momento en función de las capacidades del sujeto. De esta manera, se mantiene el concepto de reto, sin sobrepasar en exceso las capacidades del sujeto, y adecuándose según se producen mejoras en la ejecución de la tarea. El último estudio presentado, correspondiente a la fase de desarrollo, presenta los resultados a la hora de probar la viabilidad del protocolo final con un sujeto sano. A lo largo de cinco d´ıas consecutivos, el sujeto recibío el entrenamiento con el tobillo robótico consistente en jugar al videojuego diseñado para fomentar el aprendizaje motor. Se observó que el sujeto aprendía a lo largo de los días, mostrando reducción significativa en el error a la hora de seguir la mejor trayectoria entre botellas, así como aumento significativo en la puntuación, entendida como número de botellas recogidas. El estudio demuestra que el protocolo es capaz de generar aprendizaje en un sujeto sano. El siguiente capítulo muestra una ampliación del estudio previo a una muestra de diez sujetos sanos, aplicable a la fase de terapia T1. Los sujetos entrenaron a lo largo de tres días consecutivos. Además, se registró la excitabilidad corticoespinal por medio de TMS, enfocado en el tibial anterior, antes de empezar el entrenamiento el primer día, justo después del entrenamiento del tercer (y ´ultimo) día, media hora después para ver si los efectos se mantenían con el tiempo, y 24 horas después, para ver efectos a largo plazo. Se observó, a lo largo de los días, un incremento tanto en puntuación como en error. Así mismo, se obtuvo un incremento significativo en la excitabilidad corticoespinal del tibial anterior, pero no así de los otros dos músculos registrados: sóleo (como músculo involucrado en la tarea) y recto femoral (como músculo proximal, y, por tanto, no involucrado en la tarea de dorsi/plantarflexión). La falta de cambios significativos en el sóleo puede deberse a que al ser un músculo cuya acción es a favor de la gravedad, se haya visto menos potenciado. Otra posible razón es que, debido a que el tibial anterior recibe una mayor densidad de proyecciones corticoespinales que el resto de músculos del miembro inferior, necesite una intensidad inferior para ser reclutado en comparación con el sóleo. Se extendió este estudio con un caso de estudio con un sujeto patológico para probar la viabilidad de aplicación del protocolo con pacientes. Para ello, se modificó el par realizado por el robot para que sólo forzase dorsiflexión, evitando que el paciente tuviera que compensar un movimiento del robot hacia abajo, centrado en entrenar los músculos dorsiflexores. Se observó un incremento significativo en la puntuación en la tarea del videojuego, así como un decremento significativo del error, a lo largo de los cinco días de experimento. En el caso del paciente se registraron también escalas clínicas, observando mejoras en resistencia, velocidad, distancia recorrida y tiempo de transición a bipedestación. Por ´ultimo, también se registró el rango de movimiento y velocidad de dorsi/plantarflexión por medio de un test dise˜nado ad-hoc, en el que se pidío al sujeto que moviera el pie arriba y abajo lo más rápido posible para tocar con una bolita los extremos verticales de la pantalla. Se observó una mejora en esta métrica a lo largo del tratamiento. Aunque se ven mejoras, no puede extrapolarse este resultado a la población de sujetos patológicos, así como no se pueden aislar los efectos del juego del resto de la terapia diaria del paciente; pero se concluye que es un entrenamiento viable para su uso en entornos clínicos. ; The research presented in this thesis has been funded by the Commission of the European Union under the BioMot project - Smart Wearable Robots with Bioinspired Sensory-Motor Skills (Grant Agreement number IFP7-ICT - 611695); under HANK Project - European advanced exoskeleton for rehabilitation of Acquired Brain Damage (ABD) and/or spinal cord injury's patients (Grant Agreements number H2020-EU.2. - PRIORITY 'Industrial leadership' and H2020-EU.3. - PRIORITY 'Societal challenges' - 699796); also under the ASTONISH Project - Advancing Smart Optical Imaging and Sensing for Health (Grant Agreement number H2020-EU.2.1.1.7. - ECSEL - 692470); with financial support of Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) under the ASSOCIATE project - A comprehensive and wearable robotics based approach to the rehabilitation and assistance to people with stroke and spinal cord injury (Grant Agreement number 799158449-58449-45-514); and with grant RYC-2014-16613, also by Spanish Ministry of Economy and Competitiveness.