Mens en robot in beweging

ORATIE 20 september 2012

Mens en robot in beweging

EEN KWESTIE VAN CONTINU LEREN, AANPASSEN EN OPTIMALISEREN PROF.DR.IR. HERMAN VAN DER KOOIJ

PROF.DR.IR. HERMAN VAN DER KOOIJ

MENS EN ROBOT IN BEWEGING EEN KWESTIE VAN CONTINU LEREN, AANPASSEN EN OPTIMALISEREN REDE UITGESPROKEN BIJ DE AANVAARDING VAN HET AMBT VAN HOOGLERAAR

Biomechatronics and Rehabilitation Technology aan de faculteit Construerende Technische Wetenschappen te Enschede en de faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Technische Materiaalwetenschappen te Delft OP DONDERDAG 20 september 2012 DOOR PROF.DR.IR. HERMAN VAN DER KOOIJ

20 september 2012

3

4

Mens en robot in beweging

Een kwestie van continu leren, aanpassen en optimaliseren WELKOM Mijnheer de rector magnificus, dames en heren, Van harte welkom bij mijn oratie. Het komende uur wil ik graag mijn fascinatie voor beweging met u delen. Diegenen die van sport houden zijn deze zomer goed aan hun trekken gekomen. Ik verwonder mij vaak waartoe deze sporters in staat zijn. Dat is waar ik in geïnteresseerd ben: begrijpen hoe mensen bewegen. We gaan eerst kijken hoe u en ik bewegen: wat maakt de mens speciaal, hoe slim is ons lichaam, hoe verloopt de optimale aansturing van bewegingen? Een ongeluk of ziekte kan tot gevolg hebben dat we beperkt worden in onze bewegingen. We kunnen niet meer onze handen gebruiken of lopen. Robots kunnen ons helpen om weer te leren bewegen of blijvende ondersteuning bieden bij het maken van bewegingen. Graag vertel ik u op welke wijze dit kan: welke aanpak heeft het beste effect op het herstel, welke robots zijn er, hoe weten we eigenlijk wat de oorzaken van bewegingsbeperkingen zijn?

5

begrijpen wat de Mens beweegt Mens is onovertroffen in aanpassen en leren Een robot die elke morgen de koeien melkt, die onderdelen van een auto nauwkeurig in elkaar last of die met grote snelheid producten inpakt. Robots overtreffen mensen als het gaat om het nauwkeurig en zeer snel uitvoeren van bewegingen. Bij deze succesvolle toepassingen is de omgeving waarin de robot opereert goed afgebakend en gedefinieerd. De robots zijn geprogrammeerd om een specifieke taak in een bekende omgeving uit te voeren. Zij zijn dan ook vaak hulpeloos in situaties waarmee zij onbekend zijn. De mens heeft daarentegen wel het vermogen om zich continu aan te passen aan veranderingen in situaties door ‘trial’ en ‘error’. Hij is hierdoor uitstekend in staat om nieuwe bewegingen te leren. Het zal dus nog wel even duren voordat een robot de vaatwasser in- en uitruimt, of dat je met een robot een uitdagend partijtje voetbal kunt spelen.

zENuWsTElsEl EN sPIEREN MAKEN HET VERscHIl Wonderlijke hersenen Waarom kan een computer inmiddels beter schaken dan de mens, maar maakt een robot geen schijn van kans in een tenniswedstrijd tegen Roger Federer? Is dat alleen te danken aan ons brein of spelen er ook andere factoren een rol? Het is zeker zo dat onze hersenen vergeleken met een computer een wonder van efficiëntie zijn. Een supercomputer wint inmiddels van de wereldkampioen schaken, omdat deze beter is in het snel en exact uitrekenen van alle mogelijke combinaties op basis van beschikbare informatie. Hij gebruikt hiervoor echter wel 60.000 keer zoveel energie als de mensi. Ons brein blijft i

De supercomputer Blue Gene gebruikt 6 megawatt aan energie. De hersenen van mens 30-60 watt gebruiken, waarvoor je drie bananen per dag moet eten.

6

echter onovertroffen als het gaat om het coördineren van bewegingen op basis van zintuigelijke informatie in een snel veranderende omgeving, zoals bij het spelen van een partijtje tennis het geval is. Het zijn echter niet alleen onze hersenen die het verschil maken. Er zit namelijk ook een zekere intelligentie in onze spieren en ruggenmerg. Aansturing vanuit het ruggenmerg Het centrale zenuwstelsel bestaat uit de hersenen en het ruggenmerg. Het ruggenmerg ligt in het kanaal van onze wervelkolom. Het geeft signalen door van onze zintuigen naar de hersenen en van onze hersenen naar onze spieren. De zenuwcellen in het ruggenmerg zijn echter ook in staat om zonder directe tussenkomst van de hersenen een beweging te activeren. Als we een te hete pan vastpakken of met onze blote voet in glas trappen dan trekken we razendsnel onze ledematen terug. Hiermee voorkomen we (verder) lichamelijk letsel. Dit is een voorbeeld van een reflex. In het algemeen passen de reflexen zich aan de taak en de omgeving aan [1]. Een groot voordeel van een reflex is dat deze veel sneller verloopt dan een reactie via de hersenen. De hersenen controleren bij een reflex dus niet direct de beweging. Zij zijn echter wel in staat om deze reflexen te veranderen, door beïnvloeding van de zenuwcellen in het ruggenmerg. Denk bijvoorbeeld aan het lopen op hete kolen als Emiel Ratelband hier om vraagt. Hierbij onderdrukken de hersenen de normale terugtrek reflex. Naast reflexen kunnen netwerken van zenuwcellen in het ruggenmerg ook complexe bewegingspatronen genereren, de centrale patroon generatoren. Bij katten, vissen, amfibieën en vogels is het bijvoorbeeld bekend dat deze centrale patroon generatoren de bewegingen van de ledematen tijdens het lopen, zwemmen en vliegen regelen. Over de exacte rol van deze patroon generatoren bij mensen bestaat nog veel onduidelijkheid. Slimme spieren Spierkracht is nodig om te bewegen. Spieren leveren echter niet al-

7

Figuur 1:

Het spier-skelet systeem bestaat uit spieren verbonden aan het skelet. De relatie tussen spieractiviteit en bewegingen wordt beïnvloed door de biomechanische eigenschappen van spieren en ledematen. Het centrale zenuwstelsel is hiërarchisch georganiseerd en bestaat uit het ruggenmerg, de hersenstam, en de cortex. Het ruggenmerg (laagste niveau) bestaat uit tienduizenden zenuwcellen, waaronder motor neuronen die de spieren activeren en inter neuronen die sensorisch informatie van huidsensoren, spieren en gewrichten integreren met informatie uit de hersenstam en cortex. Het ruggenmerg is verantwoordelijk voor reflexen en basale bewegingspatronen. Op het tweede niveau zijn er gebieden in de hersenstam zoals de vestibulair kernen (VN) die het gedrag van ruggenmerg kunnen beïnvloeden en een rol spelen in de balanshandhaving. Het hoogste niveau bestaat uit de cerebrale cortex. Verschillende motorische (rode lijnen) en sensorische zenuwbanen (blauwe lijnen) verbinden de spieren, het ruggenmerg en verschillende gebieden in de hersenstam en cortex (plaatje uit [2]) .

8

leen een kracht. Ze hebben ook een aantal andere eigenschappen, die ons voordelen bieden bij het bewegen. Zo zijn spieren en pezen elastisch. Ze werken als een soort schokbreker. Wel eens per ongeluk tegen een glazen deur op gelopen? Onze spieren vangen de klap grotendeels op. De veerwerking van de spieren maakt het ook mogelijk om een gewricht te stabiliseren. Een schok wordt dan opgevangen en gecorrigeerd zonder tussenkomst van ons zenuwstelsel. Mensen kunnen hun spieren en daarmee het gewricht stijver maken, door de buigende en strekkende spieren rond een gewricht, zoals de knie, tegelijkertijd aan te spannen.ii De elastische eigenschappen van de spier maken het ook mogelijk om er energie in op te slaan. Deze kan dan zeer snel vrij komen bij het maken van explosieve bewegingen, zoals het trekken van een sprintje. De werking is vergelijkbaar met die van een katapult, waarbij in korte tijd veel energie geleverd wordt om het steentje weg te schieten. De elasticiteit van de spieren maakt ook dat wij minder snel en nauwkeurig kunnen bewegen dan voor een robot mogelijk is. De motoren van een robot zijn immers stijf. De krachten die robots uitoefenen kunnen heel hoog worden. Door de stijfheid van de motoren kunnen zij hun omgeving of zichzelf dan flink beschadigen. Een andere eigenschap van spieren is dat zij dikwijls meer dan één gewricht kruisen. Hierdoor resulteert de kracht van één spier in de beweging van meerdere gewrichten. Een mooi voorbeeld is de hand, waarbij spieren meerdere vingerkootjes overspannen. Het is dus niet mogelijk om elk kootje afzonderlijk aan te sturen. Voor het pakken van een voorwerp, zoals een beker, is dit ook helemaal niet nodig. De hand vormt zich vanzelf rond de beker. De aanspanning van de spier resulteert in een kracht rond alle vingerkootjes, waardoor een sluitende beweging van de vingers rond het voorwerp gemaakt wordtiii. ii iii

Het tegelijkertijd aanspannen van de buigende en strekkende spieren wordt antagonistische co-activatie genoemd. Dit principe van onderactuatie is ook toegepast in de robot hand ontwikkelt door dr.ir. Gert Kragten (TUD). Deze biologisch geïnspireerde robothand kan verschillende voorwerpen pakken en vasthouden door gebruik te maken van slechts één motor. In vergelijking met andere robothanden is de Delftse robot hand veel eenvoudiger, goedkoper, en robuuster.

9

Bovengenoemde eigenschappen van de spier zorgen ervoor dat niet alle bewegingen van de verschillende gewrichten en ledematen afzonderlijk en direct aangestuurd hoeven te worden door ons zenuwstelsel.

zINTuIgEN geven informatie over ons lichaam en de omgeving Onze zintuigen geven ons informatie over wat er in onze omgeving en in ons lichaam gebeurt. De informatie wordt via de sensorische zenuwcellen doorgegeven aan ons centrale zenuwstelsel. De zintuigen die vooral van belang zijn bij het maken van bewegingen zijn het gezichtsvermogen, de proprioceptie, de evenwichtszin en de tastzin. Van het bestaan en belang van onze ogen zijn we ons bewust. De andere zintuigen zijn vaak een stuk onbekender voor ons. Gezichtsvermogen Onze ogen gebruiken we continu tijdens het plannen en uitvoeren van bewegingen. We pakken een boek of ontwijken een rijdende auto. Door te kijken bepalen we de plaats van de objecten. Vervolgens gebruiken we ons gezichtsvermogen voor de uitvoering van de beweging en de eventuele correctie bij afwijkingen van de geplande uitvoering van de beweging. Ook zetten we onze ogen in om de oriëntatie en beweging van ons lichaam te bepalen. Dit is belangrijk voor onze evenwichtshandhaving. Proprioceptie Wat is de positie van ons lichaam, waar bevinden de verschillende lichaamsdelen zich en hoe bewegen ze ten opzichte van elkaar? De spierspoeltjes in de skeletspieren meten de lengte en uitrek snelheid van de spier. Door middel van de Golgi tendon organen in de pezen weten we hoeveel spierkracht geleverd wordt. We zien het belang van dit zintuig als we kijken naar mensen die hun proprioceptie verloren hebben. Zij weten alleen door te kijken naar hun lichaamsde-

10

len waar deze zich bevinden. Onze visuele waarneming werkt echter met twee tot drie maal grotere tijdsvertragingen dan onze proprioceptie. Hierdoor kan men zonder proprioceptie meestali alleen nog maar langzaam bewegen en is staan en lopen niet meer mogelijk. Evenwichtszin In het binnenoor ligt het evenwichtsorgaan. De halfcirkelvormige kanalen detecteren de snelheid van het hoofd en otolieten zijn gevoelig voor de versnellingen van het hoofd en voor de zwaartekracht. Het evenwichtsorgaan is, zoals de naam al suggereert, belangrijk bij het handhaven van het evenwicht. Toch kunnen mensen zonder dit orgaan nog prima staan en lopen. Als zij tenminste hun ogen open hebben of de ondergrond vlak is. Dit komt omdat niet alleen het evenwichtsorgaan maar ook visuele en proprioceptieve informatie gebruikt wordt om het evenwicht te bewaren. De evenwichtsorganen spelen ook een belangrijke rol in de aansturing van de ogen. Zij zorgen ervoor dat wanneer het hoofd beweegt, de ogen niet meebewegen waardoor we scherp kunnen blijven zien. Tastzin Onze huid zit vol met druk- en tast receptoren. Voor het aansturen van bewegingen is de tastzin belangrijk, omdat deze het zenuwstelstel informeert wanneer we iets aanraken of iets uit onze handen glipt. Vergeleken met de proprioceptie en evenwichtszin is de tastzin wel trager in het doorgeven van deze informatie. Er worden tal van beslissingen genomen bij bewegen. Een aantal voorbeelden: beweeg je langzaam of snel, leg je de weg recht of gebogen af,

i

Een uitzondering hierop is Ian Waterman. Hij kan door jaren lang oefenen wel weer redelijk bewegen. Bij het uitvoeren van elke beweging moet hij bedenken wat er zal gebeuren. Hierbij moet hij ontinue zijn ogen goed gebruiken. Terwijl dit normaal gesproken ‘automatisch’ en onbewust gaat omdat hiervoor propriopceptieve informatie wordt gebruikt. De BBC heeft een indrukwekkende documentaire over Ian gemaakt, over de gevolgen van zijn zeldzame ziekte en hoe hij deze overwonnen heeft. Deze documentaire “The man who lost his body” is te vinden op internet.

11

welke spieren activeer je. Bewegen is een proces met veel onzekerheden waarbij je op basis van informatie van je zintuigen de beweging voortdurend bijstuurt. Helaas is deze informatie van de zintuigen niet perfect en zijn er aanzienlijke tijdsvertragingen in de sensorische informatie die het zenuwstelsel ontvangt en in de signalen die de hersenen naar de spieren sturen. Tijdsvertragingen in robots zijn vele malen kleiner. Ook kunnen de sensoren, zoals hoekopnemers, gyroscopen en versnellingsmeters in robots preciezer zijn dan de menselijke zintuigen. Robots kunnen hierdoor veel nauwkeuriger en sneller bewegingen maken dan mensen.

OPTIMAlE AANsTuRINg VAN bEWEgINg Onze hersenen kunnen kiezen uit tal van mogelijkheden om een beweging uit te voeren. Toch zien we vaak dat verschillende mensen een beweging op dezelfde manier uitvoeren. Hoe komt dat? Het blijkt dat onze hersenen in staat zijn om een optimale aansturing te vinden voor de uitvoering van een beweging en dat deze optimale aansturing resulteert in een optimale stereotype beweging [2-7]. Maar wat bepaalt optimaal is? Type taak De taak bepaalt wat de optimale aansturing is, zoals uit het volgende voorbeeld blijkt. Een wandelaar van de Nijmeegse Vierdaagse wil zo weinig mogelijk energie gebruiken om zo lang mogelijk te kunnen lopen. Een sprinter op de Olympische Spelen wil daarentegen een maximale hoeveelheid energie leveren in korte tijd om z’n afstand zo snel mogelijk af te leggen. In het algemeen zoeken de hersenen naar een oplossing die de taak zo goed mogelijk uitvoert en die tegelijkertijd zo weinig mogelijk energie kost. Externe verstoringen Naast de soort taak bepalen ook andere factoren de optimale aanstu-

12

ring, zoals de aanwezigheid van onverwachte externe verstoringen. Als je bijvoorbeeld loopt op een boot of in een rijdende trein, pas je je lopen aan. Je zet je benen wat wijder neer waardoor je stabieler wordt en je zult je antagonistische spiergroepen wat meer co-activeren, waardoor je gewrichten stijver en daarmee stabieler worden. Beide strategieën kosten echter wel meer energie. Soms kun je ook oplossingen kiezen die geen extra energie kosten om de verstoring te compenseren. Als je bijvoorbeeld rechtop wilt blijven staan in een zware storm, is het beter om een beetje naar voren te leunen. Normaal gesproken zou je dan vallen, maar de kracht van de wind voorkomt dat. Door slim de zwaartekracht uit te spelen tegen de krachten van de storm word je niet omver geblazen, terwijl dit geen extra spierkracht en dus energie kost. Betrouwbaarheid zintuigen De betrouwbaarheid van zintuigelijke informatie heeft eveneens invloed op de optimale aansturing. Meestal gebruik je de informatie van zowel je ogen, proprioceptie als het evenwichtsorgaan om je balans te bewaren. Het is namelijk optimaal om de informatie van de verschillende zintuigen te middelen. Tijdens het stil staan heeft dit als voordeel dat je minder heen en weer beweegt en minder energie verbruikt [8]. Maar wat gebeurt er als de visuele omgeving gaat bewegen? Stel je bijvoorbeeld voor dat je naar een wegrijdende trein kijkt. Je ogen geven dan minder informatie over de bewegingen van je eigen lichaam en meer over de bewegingen van de trein. In deze situatie is het optimaal om met name je proprioceptie en evenwichtsorgaan te gebruiken. Je ogen geven immers minder informatie over de bewegingen van je lichaam. In dit geval kan de informatie van de drie genoemde zintuigen dus niet gemiddeld worden. Het heeft tot gevolg dat je minder precies weet waar je staat en je minder goed stil kunt staan. Ook zal dit meer energie kosten. Variatie in spierkracht Een ander element van belang bij de optimale aansturing is de variatie van de spierkracht die je levert. Bij het leveren van een grote

13

krachtsinspanning is er een toename van de variabiliteit in spierkracht [9]. Dit zie je aan het beven van je spieren als je een grote kracht uitoefent. Als je een precieze beweging wilt maken is het dus belangrijk dat de spierkrachten klein zijn. Dit kan door langzamer te bewegen. Hoe sneller je immers beweegt hoe meer kracht je nodig hebt om de bewegingen te versnellen en af te remmen. Dynamiek van lichaam en voorwerp Tot slot spelen de dynamische eigenschappen van je lichaam en het voorwerp dat je manipuleert een rol bij de optimale aansturing. Hierbij gaat het dan bijvoorbeeld om het gewicht en de lengte van je spieren en de zwaarte van het voorwerp dat je hanteert. De optimale beweging om een kogel zo ver mogelijk weg te stoten is bijvoorbeeld heel anders dan die om een speer zo ver mogelijk weg te werpen. Alhoewel we op gedragsniveau veel aspecten van bewegingen kunnen voorspellen vanuit de aanname dat de hersenen een optimale oplossing vinden en gebruiken, is er nog relatief weinig bekend over hoe de hersenen dit exact doen. Duidelijk is dat er verschillende hersengebieden bij betrokken zijn (zie figuur 1). Veel onderzoek is echter nog nodig om de onderliggende processen te doorgronden. Aanpassen en leren Veranderingen in bijvoorbeeld de betrouwbaarheid van zintuigelijke informatie, externe verstoringen of dynamische eigenschappen van het lichaam en voorwerpen beïnvloeden dus de optimale aansturing. Hoe snel kunnen mensen schakelen van de ene optimale oplossing naar de andere? Hoe snel passen we onze aansturing aan? In het algemeen geldt dat aanpassingen die nodig zijn om de taak foutloos uit te voeren sneller gaan dan de aanpassingen die nodig zijn om de benodigde energie te minimaliseren. In sommige gevallen passen we ons zeer snel aan, binnen (enkele) seconden. Dit kan echter ook uren tot dagen tot weken vergen.

14

beperkt in beweging Uit je bed stappen, je tas inpakken, de trap aflopen……. Dit zijn voor velen van ons vanzelfsprekende bewegingen. We vergeten vaak dat hier vele jaren oefening aan vooraf zijn gegaan. In onze vroege kinderjaren proberen we eindeloos voorwerpen te pakken en te verplaatsen, vallen en op te staan, onze eerste stappen te zetten. Door te oefenen leer je te bewegen. Zonder te bewegen verleer je te bewegen. Voor de fijne motoriek, nodig voor bijvoorbeeld sporten, dansen en musiceren is continue oefening een vereiste. Beperkingen Voor mensen met een bewegingsbeperking zijn veel bewegingen niet vanzelfsprekend. Een dwarslaesie, beroerte, aangeboren afwijkingen als Cerebrale Parese en Duchenne en ziektes als Parkinson en Multiple Sclerose kunnen verstrekkende gevolgen hebben voor de bewegingsmogelijkheden. De primaire oorzaak van een bewegingsbeperking kan in de hersenen, het ruggenmerg, de zenuwen of in de spieren liggen. Veranderingen in het ene onderdeel van het lichaam zullen doorwerken in de andere lichaamsonderdelen. Deze zijn immers onlosmakelijk met elkaar verbonden en passen zich continu aan de omstandigheden aan. In veel gevallen zullen de niet of minder aangedane gebieden functies overnemen van de aangedane gebieden. We spreken dan van compensatie strategieën. Kun je je rechterhand niet meer gebruiken? Dan ga je zo veel mogelijk bewegingen met je linkerhand doen. Het kan ook voorkomen dat de aanpassingen ongewenst zijn, de zogenaamde maladaptatie. Als je bijvoorbeeld door inactiviteit je spieren minder gebruikt, worden je spiervezels snel kleiner. Hierdoor kun je steeds minder kracht leveren, waardoor je nog minder kunt doen. Behandeling Mensen met een bewegingsbeperking kunnen daarvoor behandeld worden. Er wordt altijd gestart met een diagnose om de behandeling

15

af te stemmen op de specifieke situatie van het individu. Vervolgens zal de behandeling bestaan uit een combinatie van revalidatie, bestrijding van symptomen indien mogelijk, en vervanging of ondersteuning van uitgevallen functies. De biomedische technologie speelt hierbij een grote rol. Voorbeelden waaraan de Universiteit Twente en de Universiteit Delft werken zijn: diepe hersenstimulatie die tremors onderdrukken en stijfheid verminderen bij mensen met Parkinsoni, neurostimulatie van het ruggenmerg om chronische pijn te verminderenii, vervangen van een geamputeerde ledemaat door een (neuro)protheseiii, het vervangen van versleten kraakbeen door kunstmatig gekweekt kraakbeeniv , door telemedicine mensen thuis te laten revalideren in plaats van in een instellingv.

i ii iii iv v

Prof.dr.ir. Peter Veltink (UT, Biomedische Signalen en Systemen groep): verbeteren van de techniek van diepe hersenstimulatie bij mensen met Parkinson. Dr. Jan Holsheimer (UT, Biomedische Signalen en Systemen groep): ontwikkelen van de techniek van neurostimulatie van het ruggenmerg om chronische pijn te verminderen. Prof.dr.ir. Bart Koopman en prof.dr. Hans Rietman (UT, Biomedische Werktuigbouwkunde) en prof.dr.ir. Stefano Stramigioli (UT, Regeltechniek) ontwikkelen geactueerde intelligente been prothesen; TUD, dr.ir. Dick Plettenburg: ontwikkelen van prothesen die lichaam bekrachtigd zijn. Prof.dr. Clemens van Blitterswijk (UT, Regeneratieve geneeskunde): ontwikkelen nieuwe technologieën voor herstel van weefsel. Prof.dr.ir. Hermie Hermens en prof.dr. Mirjam Vollenbroek-Hutten (UT, Biomedische Signalen en Systemen groep): onderzoek naar telemedecine.

16

OORZAKEN VAN BEWEGINGSBEPERKINGEN cerebrALe pArese (cp)

Mensen met cerebrale parese hebben een beschadiging van de hersenen tijdens hun ontwikkeling in en voor het eerste levensjaar opgelopen. Cerebrale parese komt in 0,2% van de levend geborenen voor. De bewegingsbeperkingen zijn van dien aard, dat er permanente revalidatie nodig is. Er is bijvoorbeeld sprake van een verminderd vermogen om de spieren vrijwillig aan te sturen, ongecontroleerde spiersamentrekkingen en abnormale reflexen.

berOerte (cVA)

In Nederland krijgen 35.000 mensen per jaar een beroerte. De meest voorkomende zijn het herseninfarct en de hersenbloeding. De motorische stoornissen zijn vergelijkbaar met mensen met cerebrale parese, met het verschil dat de verschijnselen aan èèn zijde van het lichaam optreden.

DUcHeNNe spIerDystrOFIe (DmD)

Duchenne spierdystrofie is een aangeboren en langzaam verlopende progressieve spierziekte die alleen bij jongens en mannen voorkomt. 1 op de 3.500 mannen heeft deze ziekte. Door de afwezigheid van het eiwit dystrofine in de spiercel functioneert de spier niet naar behoren en is sprake van een verminderde spierkracht. De spieren in de benen verzwakken het eerst, waardoor rond de leeftijd van 13 jaar een rolstoel nodig is. De armen verzwakken tussen het 10e en 16e jaar, alhoewel de handfunctie redelijk in tact blijft.

DWArsLeAsIe

Mensen met een dwarslaesie kunnen bepaalde lichaamsdelen niet meer bewegen en voelen. Door een beschadiging van het ruggenmerg is de verbinding tussen de hersenen en spieren onderbroken. Dit leidt altijd tot een blijvende handicap. De ernst hangt af van de mate en de hoogte van de beschadiging. De spieren verliezen aan massa en kracht omdat zij niet meer of minder geactiveerd worden. Er kan ook spasticiteit optreden door reflexen die via het ruggenmerg lopen. In Nederland zijn er jaarlijks 400 mensen die een dwarslaesie krijgen.

mULtIpLe sceLerOse (MS)

Elk jaar zijn er 1.800 mensen die MS krijgen. De aantasting van de impulsgeleidende laag rond de zenuwen (myelineschede) leidt tot een verstoring in de signaalgeleiding. Het gevolg is dat spieren minder goed kunnen worden aangespannen, hetgeen resulteert in krachtverlies. Ook kunnen tremors en spasticiteit optreden.

pArKINsON

Jaarlijks krijgen 4.500 mensen de ziekte van Parkinson. Het is een progressieve ziekte die verband houdt met de versnelde veroudering van het zenuwstelsel. Het afsterven van cellen in de hersenen die dopamine produceren veroorzaakt beven in rust en stijfheid en traagheid in het bewegen.

17

LeerstoeL bioMechatronica en revaLidatietechnoLogie ‘Biomechatronica en Revalidatietechnologie’ is de naam van mijn leerstoel. Wat betekent dat nu eigenlijk? Biomechatronica is een toegepaste en interdisciplinaire wetenschap, die de verbinding legt tussen mechanicai, elektronica en het menselijk lichaam. Deze wetenschap gebruiken we om technologische innovaties te ontwikkelen voor gebruik bij de revalidatie. Revalidatie richt zich op het voorkomen, terugbrengen of genezen van de gevolgen van blijvend lichamelijk letsel of een functionele beperking. Deze leerstoel richt zich vooralsnog met name op technologische innovaties bij de diagnose, therapie en ondersteuning van mensen met een bewegingsbeperking. Ook geven wij aandacht aan de preventie van bewegingsbeperkingen. Op deze wijze willen wij indirect een bijdrage leveren aan de kwaliteit van leven van mensen. De technologische innovaties die wij ontwikkelen zijn verbonden en werken samen met onderdelen van het menselijk lichaam zoals het zenuwstelsel, de spieren en het skelet. Hiervoor combineren we de kennis en kunde van technische disciplines als de werktuigbouwkunde, informatica, en elektrotechniek met die van de geneeskunde, bewegingswetenschappen en neurowetenschappen. Een ingenieur wil graag, voordat hij een apparaat ontwerpt en bouwt, uit kunnen rekenen of iets werkt en sterk genoeg is. Dit gebeurt door middel van wiskundige modellen en computersimulaties. Vervolgens kan hij dan het ontwerp ook verder optimaliseren door bijvoorbeeld uit te rekenen hoe het energieverbruik geminimaliseerd kan worden. In het kader van deze leerstoel hebben we modellen nodig waarin ook onderdelen van het menselijk lichaam opgenomen zijn. Er is echter nog veel onbekend over de werking van het zenuwstelsel in interactie met het

i

De mechanica is het onderdeel van de natuurkunde dat zich bezighoudt met evenwicht en beweging van voorwerpen onder invloed van de krachten die erop werken (wikipedia).

18

spier-skeletsysteem bij het maken van bewegingen en de wijze waarop ze zich aan passen aan elkaar en aan externe factoren. Om die reden doen we hier zelf veel onderzoek naar. Aan de hand van de verkregen informatie maken wij neuro-mechanische modellen. Deze modellen gebruiken wij vervolgens om te voorspellen welke aansturing van de beweging in een gegeven omstandigheid optimaal is, om oorzaken van bewegingsbeperkingen op te sporen en om nieuwe apparaten te ontwikkelen die goed zijn afgestemd op het lichaam van de mens. Hierna zal ik u meer vertellen over de gebieden waarop wij ons in deze leerstoel richten, namelijk therapie robots, het meten van bewegingsbeperkingen en ondersteuning van bewegingen.

19

therapierobots Door therapie leren mensen met een bewegingsbeperking weer (beter) bewegen. De afgelopen 20 jaar zijn therapierobots ontwikkeld om de hand-, arm en beenfunctie te ondersteunen. Ik ga u nu een aantal voorbeelden geven van robots die wij ontwikkelen.

RObOT ONDERsTEuNT FysIOTHERAPEuT Sinds jaar en dag zijn er goed geschoolde fysiotherapeuten die mensen helpen om te revalideren. Waarom zijn er dan robots nodig om mensen weer te laten bewegen? Sommige therapievormen zijn lichamelijk zeer belastend voor de fysiotherapeut, met name looptherapie. De inzet van de therapierobot betekent een fysieke ontlasting voor de therapeut. Therapeuten kunnen dan ook meerdere mensen tegelijk behandelen, omdat de robot een gedeelte van de therapie over kan nemen. Deze verlaging van de arbeidsintensiviteit van de therapie is belangrijk met het oog op de vergrijzing, waardoor er steeds minder mensen zijn om zorg te leveren aan de groeiende groep ouderen. Robots worden niet moe. Zij zijn dan ook bij uitstek geschikt voor ondersteuning bij intensieve therapievormen. Verhoging van de intensiviteit van de therapie is namelijk een bepalende factor voor de snelheid van herstel [10]. Het herstel van de revalidant kan eenvoudig gevolgd worden omdat de robot continu alle bewegingen en krachten registreert. In de huidige praktijk bestaan er grote verschillen in therapie die mensen krijgen. De keuze is met name gebaseerd op de scholing en ervaring van de fysiotherapeut. Als de optimale therapie vastgesteld kan worden voor een individu, biedt een therapierobot het voordeel dat deze behandeling gestandaardiseerd kan worden. Het is de verwachting dat de robots ook zelfstandig thuis gebruikt kunnen gaan worden. Intensieve therapie

20

kan dan thuis plaats vinden en op afstand gevolgd en bijgestuurd worden door de therapeut. Dit is kostenbesparend en vaak ook gewenst door de revalidant die het liefst zo snel mogelijk weer thuis wil zijn. lOPEs WAAR HET AllEMAAl MEE bEgON In Nederland en voor ons begon het onderzoek naar therapierobots met de toekenning van de NWO-vernieuwingsimpuls in 2001 voor de ontwikkeling van LOPESi. LOPES is een exoskelet voor de benen dat ingezet kan worden om mensen weer te leren lopen. Het uitgangspunt bij het ontwerpen was dat de revalidant aangemoedigd wordt om zelf zo actief mogelijk te zijn tijdens het lopen. Net zoals de fy-

Figuur 2:

i

De LOPES, een robot ontwikkelt door de Universiteit Twente die de looptherapie ondersteunt

Ontwikkeling LOPES: uitgevoerd door de toenmalige promovendi dr. ir. Jan Veneman (UT), ir. Ralf Ekkelenkamp (UT), dr. Edwin van Asseldonk (UT) en dr. ir. Heike Vallery (TUM) met betrokkenheid van (para-)medici en onderzoekers van Het Roessingh in Enschede, de Sint Maartenskliniek in Nijmegen, De Hoogstraat in Utrecht, en VUMC in Amsterdam. LOPES staat voor LOower extremity Powered ExoSkeleton.

21

siotherapeut dit doet. Als de betreffende persoon bijvoorbeeld zelf zijn voet niet voldoende op kan tillen, bestaat het gevaar van struikelen. We helpen dan bij het omhoog tillen van de voet. We ondersteunen alleen de loopbeweging wanneer het nodig is. Deze benadering vraagt om een selectieve en nauwkeurige aansturing door LOPES. LOPES heeft dan ook geen stijve en zware motoren, die in industriële robots gebruikt worden. Net zoals onze spieren zijn de motoren in LOPES elastisch [11]. Hierdoor is het gemakkelijker om de krachten nauwkeuriger te regelen. Bovendien voelen deze elastische motoren voor de gebruiker ook een stuk zachter en prettiger aan. Als een robot het lopen ondersteunt zal een mens zelf steeds minder gaan doen om zo minder energie te verbruiken. Aanpassingen in bewegingssturing om het energieverbruik te minimaliseren gaan in het algemeen echter vrij langzaam. LOPES is dan ook zo geprogrammeerd dat zijn inspanningen zo minimaal mogelijk gehouden worden. Op dit punt past hij zich sneller aan dan de mens. Op deze wijze voorkomen we dat de revalidant zich door LOPES ‘laat lopen’ en zelf niet meer actief is.

lOPEs EN ANDERE TRAINERs Er zijn sinds 2001 verschillende looptrainers op de markt zoals de Lokomat van Hocoma (Zwitserland), Reoambulator van Motorika (Israel), Gait Trainer van Reha-Stim (Duitsland) en G-EO van Reha Technologies (Zwitserland). Wat maakt LOPES nu anders dan bovengenoemde robots? Deze looptrainers zijn positie in plaats van kracht gestuurd. Dit betekent dat de loopbeweging door het apparaat wordt opgelegd in plaats van dat de revalidant zelf de beweging maakt. Daarnaast kunnen de heup en het bekken in de looptrainers niet bewegen. In LOPES zijn deze bewegingen wel mogelijk: de heup kan naar binnen en buiten draaien en het bekken voor- en zijwaarts bewegen. Op basis van onze kennis van de mechanica van het lopen menen wij dat de extra vrijheid om te bewegen in LOPES van belang is. Wij zien het lopen als

22

een gecontroleerde manier van voorwaarts vallen. Door onder andere een gecoördineerde plaatsing van je voeten controleer je de stabiliteit van het lopen. Je verandert de aard van het lopen als je het mensen onmogelijk maakt om te vallen, zoals bij de andere looptrainers gebeurt. Hiermee ontneem je de revalidant de mogelijkheid om essentiële vaardigheid als balanshandhaving bij het lopen te verbeteren.

AcTIEVE REVALIDANT DIE VAN FOuTEN lEERT lOPEN Bij de ontwikkeling van LOPES zijn we uitgegaan van de volgende drie uitgangspunten: de aard van het lopen wordt zo weinig mogelijk beïnvloed, de mens is zelf zo actief mogelijk en de mens mag fouten maken om te leren. Verschillende wetenschappelijke onderzoeken naar de effecten van ondersteuning op het leren van motorische vaardigheden onderstrepen het belang van deze uitgangspunten. De helpende hand van de robot Je bestuurt met de muis de cursor op je scherm, de kraanmachinist bestuurt met de joystick de grijper die in het zand graaft. Door de beweging van onze handen sturen we een voorwerp, zoals de muis of de kraan aan, waarvan we vervolgens de bewegingen kunnen zien. De cursor beweegt over ons computerscherm en de kraan zwaait door de lucht. De relatie tussen de bewegingen van je hand en de bewegingen van het voorwerp dat je aanstuurt zijn echter niet altijd één op één. Als je de muis bijvoorbeeld 1 cm naar rechts beweegt, gaat de cursor op het scherm bijvoorbeeld 10 cm naar rechts. Vaak leren we zeer snel deze nieuwe relatie te leggen tussen het maken van onze handbewegingen en aansturing van het object. Dit wordt ook wel visueel-motorische adaptatie genoemd. In hoeverre levert ondersteuning van een robot bij dit type beweging nu een positieve bijdrage aan het aanleren van zo’n nieuwe taak? Hier hebben wij onderzoek naar gedaan door een robot te bevestigen aan de hand van proefpersonen tijdens een veel

23

gebruikt visueel- adaptatie experiment.i En de conclusie? Hoe meer mensen geholpen worden bij het uitvoeren van een visueel-motorische taak, hoe minder ze uiteindelijk zelf leerden om deze taak uit te voeren [12]. Latere vergelijkbare studies bevestigden onze bevindingen [13]. Balanceren op een smalle richel Onderzoekers uit de groep van Daniel Ferris (USA) hebben laten zien dat het leren lopen op een smalle richel langzamer gaat als je de proefpersonen helpt door ze gedeeltelijk stabieler te maken [14]. De conclusie uit deze studie is dat het maken van fouten, zoals van het richeltje vallen, essentieel is voor het leren van een nieuwe taak. Ratten leren lopen Een recente publicatie in Science van de EPFL in Lausanne [15] heeft aangetoond welke aspecten belangrijk zijn bij het herstel van motorische functies bij ratten met een dwarslaesie. Een groep ratten kreeg therapie op een lopende band aangeboden, waarbij de romp was ingeklemd. Hierdoor konden ratten niet naar voor en achter en zijwaarts bewegen. De andere groep kreeg een meer actieve therapie, waarin de romp bewegingen niet beperkt waren en de ratten zich daardoor vrij konden bewegen. Ook kreeg deze groep een beloning voor het (proberen te) lopen. In beide groepen werd tijdens de therapie het lichaamsgewicht gedeeltelijk ondersteund, het ruggenmerg elektrisch gestimuleerd en medicijnen toegediend. De uitkomsten van het onderzoek toonden aan dat het verschil in herstel bijzonder groot was. De groep ratten die loopbandtherapie had gekregen, vertoonde geen controle over hun spieren en kon niet zelfstandig lopen. De andere groep kon wel zelfstandig lopen, zelfs over obstakels. Overigens wel met medicatie en stimulatie van het ruggenmerg. Ook bleek dat bij deze ratten veel meer connecties tussen de hersenen en het ruggenmerg ontstaan

i

Onderzoek effect robotondersteuning tijdens visueel-motorische adaptatie: uitgevoerd door onderzoeker dr. Martijn Wessels (UT).

24

waren tijdens de training. De conclusie was dat het niet goed is om de normale loopbeweging te beperken en dat actieve participatie en functionele doelgerichte training noodzakelijk voor herstel zijn. Alhoewel de overtuigende resultaten van deze studie bij dieren niet zomaar van toepassing zijn op mensen, liggen ze in lijn met de experimenten die wij hebben uitgevoerd en de uitgangspunten van ons LOPES-ontwerp.

EFFEcTEN lOPEs THERAPIE POsITIEF In samenwerking met Roessingh Research & Development hebben we in 2008 onderzocht in hoeverre LOPES gebruikt kan worden bij de therapie voor mensen die een CVA hebben gehad.i Een veelvoorkomende klacht bij deze groep is, dat zij de knie van hun aangedane been niet meer goed kunnen buigen. Aan het onderzoek hebben 8 mensen met chronische CVA deelgenomen, die problemen met het buigen van de knie hadden. De resultaten van de studie laten zien dat de loopsnelheid vooruit is gegaan, de buiging van de knie toenam en er geen negatieve bijverschijnselen waren. De betrokken revalidanten en therapeuten accepteerden LOPES en zagen de meerwaarde van deze vorm van therapie. In 2010 zijn we in samenwerking met wederom Roessingh Research & Development gestart met onderzoek naar de effecten van het gebruik van LOPES bij de revalidatie van mensen met een dwarslaesie. Inmiddels hebben 12 deelnemers de training met goed gevolg afgerond. Een training duurt 8 weken met drie-wekelijkse sessies van maximaal 45 minuten. Dit resulteerde bij deze groep mensen in een toename in uithoudingsvermogen, loopsnelheid, balans, en spiersterkte. De therapie had geen negatieve bij-effecten. Na afloop van de therapie vielen de deelnemers weer enigszins terug. Dit onderstreept het belang van permanente (LOPES) therapie voor deze groep mensen. i

Onderzoek effect LOPES: uitgevoerd door toenmalig promovendus dr. Edwin van Asseldonk, financiering door het Koninklijk Nederlands Genootschap voor Fysiotherapie. dr.ir. Gijs van Oort (UT) voor verbeteren aansturing, promovenda Bertine Fleerkotte (RRD) voor onderzoek klinische effecten.

25

lOPEs NAAR DE KlINIEK Alhoewel de eerste studies naar de effecten van LOPES een positief effect laten zien, is het aantal onderzochte personen veel te klein om een gefundeerde vergelijking te kunnen maken met de effecten van andere looptrainingsrobots en conventionele therapie. In 2010 zijn we dan ook in samenwerking met de bedrijven Demcon (Oldenzaal) en MOOG (Nieuw Vennep) begonnen met de ontwikkeling van een vernieuwde LOPES voor gebruik in revalidatiecentra en ziekenhuizen.ii Alle ervaringen met de huidige LOPES nemen we mee bij het herontwerp.iii Er wordt bijvoorbeeld gewerkt aan een verbeterde aansturing van het principe ‘ondersteun de gebruiker alleen daar waar nodig tijdens

Figuur 3:

ii iii

Gebruikers Interface van LOPES. De therapeut kan bepalen welk aspect van het lopen ondersteund moet worden door het apparaat en wanneer gedurende de loopcyclus. Door middel van projecties op de lopende band en een computer scherm weet de revalidant wat hij moet doen en hoe goed hij het doet. Het gaat bijvoorbeeld om het optillen van de voet tijdens de zwaai, of het plaatsen van de voeten op een bepaalde plek.

De ontwikkeling van de vernieuwde LOPES wordt financieel gesteund door het voormalig Ministerie van Economische Zaken, De Provincie Overijssel en De Provincie Gelderland. Vernieuwing van LOPES: uitvoering door promovendus en medewerker MOOG ir. Jos Meuleman (UT) i.s.m. ingenieurs (Demcon, MOOG) voor mechanisch ontwerp, promovendus ir. Bram Koopman (UT) en onderzoeker Dr.ir. Gijs van Oort.

26

het lopen’. Ook heeft de vernieuwde LOPES meer mogelijkheden om het lopen te ondersteunen. Daarnaast kan de gebruiker sneller in het apparaat bevestigd worden en is er een verbeterde gebruikersinterface voor de revalidant en therapeut beschikbaar. In het najaar van 2012 zal deze LOPES in revalidatiecentra Het Roessingh (Enschede) en de Sint Maartenskliniek (Nijmegen) komen te staan. LOPES wordt dan ingezet bij de revalidatie van mensen met zowel chronische als acute problemen. De verwachting is dat LOPES daarna gekocht zal worden door instellingen over de hele wereld. Wanneer LOPES in meerdere klinieken staat kunnen ook grootschalige klinische effectstudies worden gestart.

RONDjE lOPEN MET MObIElE lOPEs De meeste robotische looptrainers, waaronder ook LOPES, ondersteunen het lopen op een lopende band. Volgens sommige onderzoekers

Figuur 4:

Impressie van het ontwerp van de mobiele Lopes. Deze robot ondersteunt het lopen zonder gebruik te maken van een lopende band.

27

kleven hier nadelen aan [16]. Lopen op een lopende band beperkt zich tot rechtuit lopen, hetgeen de functionele mogelijkheden beperkt. Je kan bijvoorbeeld niet iets ophalen of wegbrengen, zoals je in het dagelijks leven telkens doet. Ook is de visuele informatie anders op een lopende band omdat je zelf niet door de ruimte beweegt. Om de werkelijkheid dichter te benaderen zijn we in samenwerking met King Abdullah City for Science and Technology (Saoedi Arabië) gestart met het ontwikkelen van een mobiele LOPES.i Het grote voordeel is dat deze mobiele LOPES niet gebonden is aan een plek waar een loopband aanwezig is. Hij kan overal gebruikt worden, zoals in de huiskamer of op straat. Het lopen hoeft zich niet te beperken tot het lopen in een rechte lijn. Hierdoor kan het lopen geïntegreerd worden in dagelijkse handelingen.

FREEbAl MAAKT ARM lIcHTER Sinds 2003 zijn we actief in het ontwikkelen van robots voor de training van de armen. Het gaat dan met name om de therapie voor mensen die na een CVA een beperkte armfunctie hebben. Meer dan de helft van de mensen die een CVA heeft gehad, heeft deze beperking. Bij dit gebrek aan arm-hand coördinatie speelt het optreden van abnormale en onvrijwillige koppelingen tussen bewegingen een rol. In de dagelijkse praktijk vertaalt dit zich naar een beperking van het strekken van de ellenboog tijdens het reiken, wat de uitvoering van activiteiten waarvoor je je arm nodig hebt ernstig belemmert. Om iets aan dit probleem te doen hebben we in samenwerking met Baat Medical (Hengelo) en Roessingh Research en Development (Enschede) de Freebal ontwikkeld.ii

i ii

Mobiele LOPES: uitvoering door de onderzoekers ir. Carsten Voort en ir. Bas Behrens (UT) in samenwerking met Ibrahim Imam, Bader Al Shammary en Abdulh Alburaidi (KACST), volledige financiering van het project door KACST (Saoedi Arabië). Freebal: ontwikkeld door toenmalig promovendus dr.ir. Arno Stienen (UT) en technicus Theo Kronen (UT), financiering door het voormalig Ministerie van Economische Zaken.

28

De Freebal is een apparaat dat door gebruik te maken van veren het gewicht van de arm gedeeltelijk kan compenseren. Hierdoor manifesteren de onvrijwillige koppelingen tussen de activatie van verschillende spiergroepen zich niet of minder. We zien dat het bewegingsbereik toeneemt na training met de Freebal. De gewichtscompensatie van de arm maakt dat de revalidanten verder kunnen reiken en minder snel vermoeid raken. Hierdoor kan men langer oefenen. In een eerste studie naar de effecten van de therapie bleek dat de verbeteringen in de armfunctie vergelijkbaar waren met de verbeteringen gehaald met meer geavanceerdere robots [17]iii. Inmiddels wordt de Freebal verkocht door de marktleider op het gebied van revalidatierobotica, Hocoma (Zwitserland), onder de naam Armeo-Boom. Er vindt nu een studie naar de implementatie van de Armeo-Boom plaats in zeven revalidatiecentra in Nederland: het

Figuur 5:

iii

De Armeo-Boom wordt door het Zwitserse bedrijf Hocoma over de hele wereld verkocht. Het ontwerp is gebaseerd op de Freebal van de Universiteit Twente. Het apparaat compenseert het gewicht van de arm waardoor de revalidant de arm verder uit kan strekken. Hierdoor kan de revalidant langer oefenen hetgeen een positief effect heeft op het herstel.

De studie naar de effecten van trainen met de Freebal is uitgevoerd door RRD.

29

ROBAR-onderzoek.iv Inmiddels hebben 70 mensen, die een CVA hebben gehad, deelgenomen aan de studie. De reacties van de therapeuten die deelnemen aan het onderzoek zijn erg enthousiast. In het merendeel van de centra wordt de Armeo-Boom nu ook al ingezet bij de reguliere behandeling, buiten het ROBAR-onderzoek om. Soms zelfs ook bij groepen met andere aandoeningen. METEN MET lIMPAcT Een eenvoudig apparaat als de Freebal, zonder motoren, laat goede resultaten bij de therapie zien, zoals een toename in het armbereik. We zijn echter ook gestart met de ontwikkeling van een

Figuur 6:

iv

De Limpact is een exoskelet voor de armen waarmee veranderde eigenschappen van spieren, reflexen, en vrijwillige aansturing nauwkeurig gemeten kunnen worden.

Dr. Gerdienke Prange (RDD) leidt het onderzoek ROBAR (ROBot ondersteunende Arm Revalidatie in vroege fase na een CVA). Het onderzoek wordt gefinancierd door het Innovatie Programma van Revalidatie Nederland.

30

door motoren aangedreven exoskelet voor de arm.i De reden is dat je met zo’n exoskelet heel nauwkeurig kunt meten wat de gevolgen van een CVA zijn voor de armfunctie en wat de veranderingen zijn tijdens het herstel. Met een exoskelet kun je krachten en verstoringen aanbieden. Door de reactie van de deelnemers te meten kunnen we nauwkeurig abnormale koppelingen van bewegingen, spasticiteit en de spierfunctie in kaart brengen en volgen in de tijd.

REVAlIDATIE THuIs De Freebal, Limpact en veel andere therapierobots voor de armen beperken zich bij de revalidatie tot de schouder, ellenboog en het polsgewricht. Vanuit technologisch oogpunt is dit begrijpelijk omdat de hand complex is met veel kleine gewrichten dicht op elkaar. Het is moeilijk om een apparaat te ontwerpen dat de handfunctie ondersteunt en tegelijkertijd de hand niet in de weg zit. Voor mensen met een beperking in het bewegen van de armen is het echter essentieel dat ook de functie van de hand meegenomen wordt in het herstel. Sinds 2009 nemen we deel aan twee Europese projecten, het MIAS-ATD project en SCRIPT project om apparaten te ontwikkelen die de revalidatie van de handfunctie ondersteunen.ii Het MIAS-ATD project heeft als doel om te onderzoeken wat de mogelijkheden van kunstmatige, elektrische stimulatie van de handspieren zijn.iii We hebben aangetoond dat het mogelijk is om met kleine, goed gepositioneerde elektrodes de vingers aan te sturen [18]. Ook kunnen hiermee mogelijk kleine en grote voorwerpen vastgepakt worden. De vervolgstap is om deze elektrische aansturing van de hand te combinei ii iii

Limpact; uitvoering door toenmalig promovendus dr.ir Arno Stienen (UT) en promovendus ir. Alexander Otten (UT), financiering door het voormalig Ministerie van Economische Zaken, de provincie Overijssel en de provincie Gelderland. MIAS-ATD project (platform for Medical technology Innovation for an Aging Society-Active Therapeutic Device); SCRIPT project (Supervised Care and Rehabilitation Involving Personal Tele-Robotics). MIAS-ATD: uitvoering door promovendus ir. Ard Westerveld (UT) in samenwerking met prof.dr.ir. Peter Veltink (UT).

31

ren met die van de ondersteuning van de arm. Dit wordt geïntegreerd in functionele, doelgerichte oefeningen als het oppakken en verplaatsen van voorwerpen. Binnen het SCRIPT project gaan we handorthesen ontwikkelen en testen voor de ondersteuning van de handfunctie.iv Bij beide Europese projecten is het doel te komen tot apparaten die geschikt zijn voor thuisgebruik. Hierbij gebruikt de revalidant het apparaat zonder directe tussenkomst van een therapeut of technicus.

WERKT RObOT THERAPIE? Het onderzoek naar therapeutische robots is begonnen in 1993 met de ontwikkeling van de MIT-MANUS [19]. Sindsdien zijn er veel therapeutische robots ontwikkeld voor zowel de armen als benen. Enkele van deze apparaten zijn commercieel verkrijgbaar. Inmiddels zijn ook de grootschalige klinische onderzoeken naar het effect afgerond en kunnen we de balans, of beter de tussenbalans, opmaken. Voor wat betreft de armen laten twee systematische reviews [20, 21] van gepubliceerde studies zien dat het effect van de robottherapie positief is. Er is een verbetering van de motorische functie van de arm te zien. Een kanttekening is dat er geen verbetering is waar te nemen bij de meer functionele testen.i Bij deze testen gaat het om de handelingen die we in ons dagelijkse leven verrichten, zoals het oppakken van voorwerpen. Een verklaring hiervoor is dat de therapierobots die in de studies meegenomen waren de schouder en de ellenboog ondersteunden maar niet de hand.

iv i

FP7-Script:uitvoering door promovendus ir. Serdar Ates (UT) in samenwerking met de afdeling van ir. Piet Lammers (MOOG). Op de veel gebruikte Fugl Mayer score die de motorische functie van de arm weergeeft, resulteert robottherapie in een verbetering van 3-5 punten. Een kanttekening hierbij is dat een verbetering in functionele maten niet evident is.

32

Het effect van therapierobots voor ondersteuning van het lopen is niet eenduidig. Sommige studies laten een therapeutisch effect van ondersteuning zien dat vergelijkbaar is met conventionele therapie [22] . Andere studies geven aan dat conventionele therapie een veel beter effect heeft dan een door een robot ondersteunde looptraining [23, 24]. Een mogelijk verklaring voor de minder goede prestaties bij looptherapie met robots in sommige studies is dat alleen de op de markt verkrijgbare robots geëvalueerd zijn. Zoals we eerder zagen beperken deze de bewegingsmogelijkheden van het lopen, waardoor het niet mogelijk is fouten te maken en waardoor de persoon niet uitgedaagd wordt zelf actief te participeren. Mijn conclusie is dat de tussenbalans voor therapierobots redelijk positief is, maar dat er nog veel ruimte voor verbetering is. Bij de therapie voor de armen is de meeste winst te behalen in het meenemen van de handfunctie. Voor wat betreft de benen is verbetering mogelijk door de inzet van robots die de loopbeweging minder beperken en opleggen en de actieve participatie van de mens meer stimuleren. Een voorbeeld van zo’n robot is LOPES.

33

Meten Therapie met robots heeft een positief effect op de verbetering van bewegingsmogelijkheden. Wat is de oorzaak van dit effect? We weten niet of de positieve effecten van (robot) therapie komen door een verandering in de hersenen, het ruggenmerg of in de spieren. Het is belangrijk om te weten op welke niveaus er in welke mate veranderingen optreden om het herstel beter te begrijpen. Op deze wijze kunnen therapieën worden geoptimaliseerd en afgestemd op het individu. Geen enkele mens is gelijk. Ook bij de evaluaties van het gebruik van LOPES en de Freebal zien we dat bij sommige deelnemers de effecten van de robottherapie zeer groot waren en bij andere klein. Wanneer we dit van te voren kunnen voorspellen en begrijpen zijn we in staat om de robottherapie beter toe te snijden op de mogelijkheden van de revalidant. Het is een algemene uitdaging in de geneeskunde om vóór de behandeling te herkennen bij wie een behandeling effect zal hebben in plaats van dit erna te constateren. Dit levert gigantische kostenbesparingen op en belast de te behandelen persoon niet onnodig.

KRAcHT VAN sysTEEM-IDENTIFIcATIE Om de oorzaken van bewegingsbeperkingen te onderzoeken gebruiken we de methode van systeem-identificatie. Het uitgangspunt is dat we op het systeem waarover we iets willen weten een verstoring aanbrengen en meten welke veranderingen dit te weeg brengt. Dit doen we door bijvoorbeeld met een apparaat de pols heen en weer te bewegen om vervolgens de activiteit in spieren- en hersenen te meten. Met deze gegevens maken we modellen die een wiskundige beschrijving geven van de relatie tussen de verstoring en de gemeten reactie. De kracht van de systeem identificatie ligt op verschillende vlakken. Een grote hoeveelheid data wordt teruggebracht tot een model met een beperkt aantal parameters. Parameters kunnen bijvoorbeeld zijn de stijfheid van het

34

gewricht of de sterkte van reflexen. Systeem-identificatie is ook goed toepasbaar in gesloten-lus systemen waarin de relatie tussen oorzaak en gevolg ambivalent is. We kunnen bijvoorbeeld stellen dat de spieractiviteit in de benen leidt tot een loopbeweging. Met evenveel geldigheid kunnen we beweren dat bewegingen resulteren in spieractiviteit in de benen, omdat ons zenuwstelsel de beweging continu bijstuurt. De systeem-identificatie methoden maken het mogelijk om in een gesloten-lus systeem oorzaak en gevolg van elkaar te onderscheiden [25].

TMs RObOT MEET HERsEN-sPIER cONNEcTIE Het is belangrijk om te weten in hoeverre bij iemand met een bewegingsbeperking de zenuwbanen intact zijn. Deze verbinden namelijk de hersenen met de spieren en zijn dus onmisbaar bij het aansturen van beweging. We (de-)activeren het specifieke deel in de hersenen dat de motoriek aanstuurt, de motorische cortex, om in kaart te brengen welke reactie dit in de spieren van de betreffende persoon geeft. Dit doen we door Transcraniële Magnetische Stimulatie (TMS) [26]. Een op het hoofd bevestigde spoel geeft een korte magnetische puls af die een elektrisch stroompje in de hersenen opwekt. De positie en oriëntatie van de spoel is hierbij van belang omdat dit de mate van stimulatie en dus ook de spierrespons bepaalt. Wij hebben een robot ontwikkeld die dit nauwkeurig kan doen.i Deze is gekoppeld aan een systeem dat de bewegingen van het hoofd kan meten. Hierdoor is het ook mogelijk om nauwkeurig de hersenen te stimuleren als het hoofd beweegt, bijvoorbeeld tijdens het lopen. In de toekomst willen we deze robot gestuurde TMS integreren in LOPES. Dit betekent dat we tijdens de looptherapie de sterkte van i

TMS-robot: uitvoering door universitair docent dr.ir. Arno Stienen (UT) en dr. Martijn Wessels (UT) en ir. Jan de Jongh (UT) in samenwerking met prof.dr. ir. Michiel van der Putten (UT); financiering door voormalig ministerie van economische zaken en de provincie Overijssel.

35

de connecties tussen de hersenen en beenspieren kunnen vaststellen en volgen. Op deze wijze bepalen we het effect van de therapie op functionele connecties tussen hersenen en spieren [27]. Ook kan TMS gecombineerd worden met robotondersteuning om veranderingen in de hersenen teweeg te brengen [28] die een positief effect hebben op motorisch leren. Deze ontwikkeling maakt onderdeel uit van een project dat is opgezet door het bedrijf Advanced Neuro Technology (Enschede). Zij willen de TMS robot inzetten bij de behandeling van epilepsie, Parkinson, de spierziekte ALS en depressie.ii

REgIsTRATIE VAN OPgEWEKTE HERsENgOlVEN Bij het bijsturen en aanleren van bewegen is het van belang dat de proprioceptieve informatie vanuit de spieren wordt doorgegeven aan de hersenen. Dit gebeurt ook via de zenuwbanen die door het ruggenmerg lopen. We onderzoeken de mogelijkheid om de werkzaamheid, de zogenaamde functionele integriteit, van deze opgaande banen vast te stellen door de registratie van hersengolven (EEG).ii Deze worden opgewekt door met een apparaat de pols van een proefpersoon te bewegen, terwijl deze met zijn pols een constante kracht uitoefent. Wanneer deze methode betrouwbaar en gevoelig blijkt, kan zij ook geïntegreerd worden in therapierobots voor diagnostische en prognostische doeleinden.

bENEN IN bAlANs Bij bewegingsbeperkingen zoals CVA en de ziekte van Parkinson is één kant van het lichaam meer aangedaan bij het uitvoeren van bewegingen dan de andere kant van het lichaam. Dit komt omdat één kant van

ii

Onderzoek EEG: uitvoering door promovendus ir. Floor Campfens (UT) in samenwerking met prof.dr.ir Michel van Putten (UT) en dr. Carel Meskers (LUMC).

36

de hersenen is beschadigd en de andere kant niet of veel minder. Het gevolg is dat de symptomen het sterkst zijn aan de andere zijde van het lichaam.iii

Figuur 7:

iii

Opstelling op de Universiteit Twente waarmee we hersengolven (EEG) meten die opgewekt worden door mechanische verstoringen van de pols. Hiermee proberen we te bepalen hoe goed de sensorische informatie van de spieren naar de cortex overgedragen wordt via de sensorische zenuwbanen die door het ruggenmerg lopen (zie figuur 1).

Het gegeven dat bewegingsbeperkingen aan de andere zijde van het lichaam optreden als waar de hersenen zijn beschadigd bij mensen met CVA en Parkinson wordt veroorzaakt door kruising van de motorische en sensorische cortico-spinale banen (van links naar rechts en visa versa).

37

Veel dagelijkse taken voeren we uit met zowel de rechter als linker zijde van het lichaam. Vaak zal bij iemand met een bewegingsbeperking, de kant van het lichaam welke nog het beste kan bewegen de minder goede kant compenseren. Bij het gebruik van de armen en bij het lopen is dit vaak goed met het blote oog te zien. Tijdens het staan is dat echter niet het geval. We hebben dan ook een methode ontwikkeld om nauwkeurig te bepalen hoeveel elk been bijdraagt aan het bewaren van het evenwicht tijdens het staan.iv Dit is gedaan door mensen uit balans te brengen. Met behulp van systeem identificatie technieken is vervolgens bepaald wat de bijdrage van elke been is aan de balanshandhaving. Voorheen dacht men dat de gewichtsverdeling over beide benen een goede afspiegeling was van in hoeverre je elk been

Figuur 8:

iv

We ontwikkelen modellen van hoe mensen hun evenwicht bepalen en hoe de balanshandhaving is verstoord door verschillende aandoeningen. Dit doen we door mensen op een bewegend platform te laten staan en te meten hoe ze hierop reageren.

Balanshandhaving na CVA: uitvoering door toenmalig promovendus dr. Edwin van Asseldonk (UT).

38

gebruikt om je evenwicht te bewaren tijdens het staan. Uit ons onderzoek is echter het volgende naar voren gekomen. Voor mensen die een CVA hebben gehad en mensen met een amputatie [29, 30] is er geen relatie tussen de hoeveelheid gewicht dat je op een been zet, en in de mate waarin dat been gebruikt voor de handhaving van de balans. Met de ontwikkelde methode is het mogelijk om na te gaan wat het effect van een therapie op de balanshandhaving is. Zijn veranderingen toe te schrijven aan het herstel van het aangedane been of aan het feit dat het niet aangedane been meer is gaan doen? Deze kennis is van belang voor het bepalen van de therapie. Als er geen herstel in het aangedane been optreedt, dan kan de therapie bijvoorbeeld gericht worden op het aanleren van effectieve compensatiestrategieën.

bAlANs bIJ PARKINsON In het kader van het nationale BrainGain programma is de methode om de bijdrage van elk been aan balanshandhaving te bepalen verder ontwikkeld en toegepast op mensen met de ziekte van Parkinson.v De resultaten laten zien dat in deze groep de meerderheid een asymmetrische balanshandhaving heeft. Het ene been levert dus een grotere bijdrage aan de balans dan het andere. Dit is niet verrassend omdat bij de ziekte van Parkinson de ene kant van het lichaam vaak meer is aangedaan dan de andere. Wat we echter ook zagen is dat het minder aangedane been perfect compenseert voor de verminderde controle in het andere been. Als we beide benen samen namen was er namelijk geen verschil te meten tussen balanshandhaving bij mensen met Par-

v

BrainGain: uitvoering door promovenda drs. Tjitske Boonstra (UT) in samenwerking met prof.dr. Bas Bloem (UMC St Radboud) en dr. Jeroen van Vugt (MST); financiering door het voormalig Ministerie van Economische Zaken.

39

kinson en een controle groep zonder deze ziekte. De hersenen en het lichaam passen zich in dit geval dus aan de gevolgen van Parkinson aan.

VAllEN bIJ OuDEREN Allemaal vallen we wel eens. Het gezegde luidt niet voor niks: leren doe je met vallen en opstaan. Kijk eens naar kinderen en sporters. Vallen is niet uitzonderlijk. Meestal staat men weer op en gaat verder. Vallen bij ouderen is echter wel problematisch. De botten zijn bij ouderen brozer, waardoor men dus sneller iets kan breken. De oorzaak van vallen bij ouderen ligt vaak in een balansstoornis. De valproblematiek bij ouderen is immens. Zo valt een derde van de ouderen boven de 65 jaar minstens één maal per jaar [31]. Hiervan resulteert 10% van de vallen in een letsel, zoals een breuk of andere fracturenvi. Overlijden aan de gevolgen van een val is de belangrijkste doodsoorzaak bij mensen boven de 65 jaar [32]. Helaas is het nog niet goed mogelijk om van te voren ouderen te herkennen die een verhoogd valrisico hebben. Als we dit kunnen voorspellen kunnen passende maatregelen genomen worden. Dit zal een grote impact hebben op de gezondheidszorg en de kwaliteit van leven van ouderen. Onze ambitie in het Balroom-project is om te proberen te voorspellen wanneer er sprake is van een verhoogd valrisico bij ouderen.vii Daarnaast willen we ook de onderliggende oorzaken beter vast kunnen stellen. Redenen waarom ouderen vaker vallen kunnen bijvoorbeeld zijn: minder spierkracht, tragere reacties of minder betrouwbare informatie van de zintuigen. In een korte meettijd gaan we in ons onderzoek zo-

vi vii

Bron: Centraal Begeleidings Orgaan (CBO) dat richtlijnen opstelt als ondersteuning voor artsen. Balroom: uitvoering door de promovendi ir. Denise Engelhart (UT) en ir. Jantsje Pasma (LUMC);onderdeel van het STW perspectief programma Neurosipe geleid door prof.dr. Frans van der Helm (TUD); samenwerking met prof.dr Andrea Maier en dr. Carel Mesker (LUMC), prof. dr. Bas Bloem en dr. Vivian Weerdesteyn (UMC St Radboud), Dr. Ronald Aarts (UT) en de bedrijven ForceLink, Motek, en CHDR.

40

veel mogelijk informatie vergaren over de verschillende aspecten die van invloed zijn op de balanshandhaving bij ouderen. Dit doen we wederom door gebruik te maken van de systeem identificatie technieken. Als ouderen staan, brengen we kleine mechanische storingen aan, zoals het heen en weer bewegen van de ondergrond en het duwen en trekken aan de rug. Tegelijkertijd stimuleren we de zintuigen, door het vlak waarnaar de oudere kijkt te laten bewegen en de evenwichtsorganen te prikkelen. Een hypothese die we onderzoeken binnen dit project is in hoeverre ouderen zich minder snel en adequaat kunnen aanpassen aan veranderingen in de omgeving, waardoor zij sneller vallen.

41

ondersteuning van beweging Mensen die ten gevolge van een ongeluk of ziekte blijvende problemen hebben met bewegen kunnen hulpmiddelen gebruiken als ondersteuning. Deze maken verschillende bewegingen gemakkelijker of weer mogelijk. Bekende voorbeelden zijn de kruk en rolstoel. Recentelijk worden draagbare exoskeletten, ook wel robotpakken genoemd, als een alternatief hiervoor gezien. Onze ervaring en kennis die wij hebben opgedaan met de ontwikkeling van exoskeletten voor therapeutische doeleinden, zoals LOPES en de Limpact gebruiken wij nu voor de ontwikkeling van draagbare exoskeletten.

MINDWAlKER Mensen met een (gedeeltelijke) dwarslaesie zijn meestal rolstoel gebonden. Een draagbaar exoskelet dat de benen beweegt zou een uitkomst kunnen zijn. Er zijn een aantal exoskeletten op de markt waarin mensen die verlamd zijn weer kunnen lopen. Voor de Rewalk van Argo Medical Technologies (Israel) en eLEGS van Ekso Bionics (Verenigde Staten) zijn echter nog wel krukken nodig. Voor de Rex van Rex Bionics (Nieuw Zeeland) zijn geen krukken nodig. Dit joystick gestuurde apparaat heeft echter als nadeel dat je er alleen heel langzaam mee kunt lopen, namelijk 3 meter per minuut. De Universiteit Twente en Universiteit Delft werken nauw samen in het Europese project de Mindwalker. Het streven is om een exoskelet te ontwikkelen waarmee mensen met verlamde benen weer kunnen lopen met een normale snelheid zonder krukken. Het uitgangspunt is dat de balans aan de ene kant bewaard wordt door de plaatsing van de voeten door het exoskelet en aan de andere kant door de coördinatie van de romp door de persoon met de dwarslaesie zelf. Hiervoor is het nodig dat we begrijpen hoe mensen hun voeten plaatsen tijdens het lopen om hun evenwicht te bewaren. Als we in staat zijn om dit te voor-

42

spellen, kunnen we de robot zo programmeren dat hij de voeten van de gebruiker op de juiste plek neerzet. Met een computersimulatie hebben we aangetoond dat bovenstaande aanpak werkt.viii Ook is het benodigde exoskelet in het eindstadium van ontwikkeling. In 2013 wordt het exoskelet getest door mensen met een dwarslaesie en evalueren we de effecten. Onze projectpartners uit België, Italië en Duitsland doen onderzoek of het mogelijk is de Mindwalker aan te sturen door middel van gemeten activiteit van de hersenen (EEG) en armspieren (EMG).

OPTIMAlE MENs-RObOT INTERAcTIE Exoskeletten zouden ook gebruikt kunnen worden om het lopen lichter te maken van mensen die wel kunnen lopen, maar snel vermoeid raken. Denk hierbij bijvoorbeeld aan ouderen. Ook hierin werken de Universiteit Twente en Technische Universiteit Delft met elkaar samen. Binnen het Europese Evryon projectix ontwikkelen wij computersimulaties waarmee we kunnen voorspellen wat de beste manier is om het lopen te ondersteunen. Uitgangspunt hierbij is de aanname dat mensen proberen hun spieren en reflexen zo aan te sturen dat zij hun energieverbruik minimaliseren. Het doel is om een exoskelet met de optimale mens-machine interactie te vinden. Hierbij houdt de mens de controle over zijn bewegingen, maar helpt het apparaat bij de uitvoering ervan. Op basis van bovengenoemde computersimulaties hebben wij de Xpedx ontwikkeld. Dit is een lichtgewicht exoskelet, omdat deze geen motoren en batterijen nodig heeft. In plaats daarvan werkt het met slimme veerconstructies. We onderzoeken nu hoe mensen hun bewegingen aanpassen als zij dit exoskelet dragen en of het lopen minder energie kost.

viii ix x

Mindwalker: uitvoering door promovendi ir. Letian Wang (UT) en ir. Shiqian Wang (TUD) en onderzoek technicus ing. Cor Meijneke (TUD). Eyvron: uitvoering door de promovendi ir. Bram Koopman (UT) en ir. Wietse van Dijk (TUD). Xped: uitvoering door promovendus ir. Wietse van Dijk (TUD) en onderzoekstechnicus ing. Cor Meijneke (TUD); evaluaties vinden plaats op UT; volledige financiering door Toyota.

43

Figuur 9:

Een eerste versie van de XPED. De Universiteit Twente en Technische Universiteit Delft zijn een exoskelet aan het ontwikkelen dat het lopen makkelijker maakt.

PREVENTIE VAN bEWEgINgsPROblEMEN Onze kennis en ervaring op het gebied van therapierobots en draagbare exoskeletten gebruiken we recentelijk ook voor preventie. Fysieke overbelasting van het bewegingsapparaat in zware beroepen is dikwijls de oorzaak van arbeid gerelateerde gezondheidsklachten en ziekteverzuim. Zeker met het oog op de tendens om tot op hogere leeftijd door te werken is het noodzakelijk om de fysieke belasting van arbeiders in traditioneel zware beroepen te verminderen. Het gaat hierbij bijvoorbeeld om medewerkers in de metaalindustrie en auto-industrie, maar ook in de zorg waarin de rug en schouders vaak worden overbelast.

44

Figuur 10:

Een exoskelet ontwikkeld door SARCOS (VS). Het maakt mensen sterker en ontlast het spier-skelet systeem bij het tillen en manipuleren van zware objecten. De Universiteit Twente en Technische Universiteit Delft werken samen aan een generatie van exoskeletten die menselijke handelingen ondersteund zonder daarbij de mens te beperken en de mens volledig in controle laat.

Ons onderzoek richt zich erop om hulpmiddelen voor medewerkers in de fabriek te ontwikkelen.xi De bedoeling is dat wij de mens extra robot handen en armen geven, waarmee zij hun werk net zo intuïtief en snel kunnen doen als zouden zij hun eigen handen gebruiken. Dit echter zonder dat het bewegingsapparaat de volle last hoeft te dragen.

ONDERsTEuNINg VAN DE ARTs Robots kunnen ook ingezet worden voor de ondersteuning van medici. De bekendste operatierobot die artsen ondersteunt is de Da Vinci robot. Deze wordt met name gebruikt voor prostaat operaties. De chirurg bedient de grijpers en tangetjes van de robot door middel van zijn voeten

xi

Exoskelet preventie overbelasting: uitvoering door promovendus ir. Arvid Keemink (UT); onderdeel van het STW perspectief programma Human Haptics geleid door prof.dr. Frans van der Helm.

45

en handen, waardoor de robot de operatie uit kan voeren. De arts ziet op een beeldscherm precies wat er in het lichaam gebeurt.xii Binnen het MIRIAM-project dragen wij bij aan de ontwikkeling van een robot die gebruikt kan worden voor prostaat biopsiesxiii binnen een MRI-scanner xiv De robot stuurt dan een naald naar de prostaat die een biopsie neemt.

xii xiii xiv

Binnen de UT werken de groepen van prof.dr.ir Stefano Stramigioli en prof.dr. Ivo Broeders aan vergelijkbare chirurgische robots. Een biopsie is een medische handeling waarbij een stukje weefsel uit het lichaam verwijderd wordt om onderzocht te worden met de bedoeling een diagnose te sellen. (Wikipedia) MIRIAM: uitvoering door promovendus ir. Youri van Veen (UT) ism UMC St Radboud, Xivent Medical, Siemens en Demcon; projectleiding door dr. ir. Sarthak Misra (UT).

46

tensLotte Menselijke bewegingen onderscheiden zich positief van die van robots wanneer het gaat om het zich aanpassen aan nieuwe omstandigheden en het leren van nieuwe taken. Verschillen tussen robot en mens zijn niet alleen toe te schrijven aan de menselijke hersenen, maar ook aan intelligentie in het ruggenmerg en in de spieren. De mens kan de robotica inspireren in de ontwikkeling van een nieuwe generatie robots die zich beter kan aanpassen en op basis van ervaringen leert. Robots zijn zeer nuttig bij de revalidatie van mensen met bewegingsbeperkingen en om bewegingen van mensen te ondersteunen. In dit type robot moet je de krachten die de robot uitoefent nauwkeurig kunnen regelen. In deze toepassingen waarin mens en robot samen bewegen is het ook belangrijk dat het apparaat zich aanpast aan de mens. Voor revalidatie betekent dit dat de robot alleen ondersteunt wanneer dit nodig is en voor de rest de beweging zo weinig mogelijk beïnvloedt. De therapierobot moet zo min mogelijk doen, omdat anders de mens op het apparaat gaat vertrouwen in plaats van zelf te (leren) bewegen. Voor de ondersteuning van bewegingen van mensen is het belangrijk dat de robot ‘weet’ wat de mens wil, zodat hij de mens helpt en niet tegenwerkt. Veel van het onderzoek dat in deze oratie besproken is loopt nog en veel vragen zijn niet volledig beantwoord. Zo weten we bijvoorbeeld nog steeds niet wat voor een individuele persoon de beste therapie is en wat de effecten van een therapie zijn op de hersenen, het ruggenmerg en de spieren. Ook al lijken exoskeletten veelbelovend, meer onderzoek naar de optimale mens-machine interactie is nog nodig voordat deze technologie breed toepasbaar zal zijn. Tot op heden hebben we veelal (electro)mechanische oplossingen en methoden gebruikt om mensen te ondersteunen in het leren en uitvoeren van bewegingen. Er zijn echter ook hoopgevende ontwik-

47

kelingen op het gebied van elektrische stimulatie van hersenen, ruggenmerg en spieren en toepassingen van medicijnen om eigenschappen van zenuwcellen te beïnvloeden. Ik denk dat een combinatie van robotondersteuning, elektrische stimulatie, en medicatie de toekomst heeft. De eerder aangehaalde studie, waarbij ratten met een dwarslaesie leren lopen, zijn bijzonder veelbelovend [15]. De toepassing op mensen is nog ver weg, maar onderzoek toont aan dat het wellicht voor de mens ook zou kunnen werken. In Amerika heeft een groep laten zien dat de combinatie van elektrische stimulatie van het ruggenmerg en intensieve therapie de vrijwillige controle over de beenspieren terug heeft gebracht bij iemand die al heel lang verlamd was [33]. De noodzakelijke combinatie van expertise voor dit onderzoek is aanwezig binnen MIRA (het instituut voor biomedische technologie en technische geneeskunde) van de Universiteit Twente. Ook het platform NEUROCONTROL binnen IMDIxv biedt nieuwe mogelijkheden om de plasticiteitxvi van ons zenuwstelsel beter te begrijpen en te benutten zodat bewegingsbeperkingen beter behandeld kunnen worden. Wij zijn reeds begonnen om de mogelijkheden te onderzoeken van elektrische stimulatie van de hersenen.xvii Hiermee blijkt het mogelijk om het leren van nieuwe motorische taken te beïnvloeden. In de toekomst willen we ook nauwer samenwerken met neurowetenschappers. Op deze wijze kunnen we de resultaten van dierstudies sneller vertalen naar meer toegepast onderzoek dat de behandeling van mensen met bewegingsbeperkingen ten goede komt.

xv Innovative Medical Devices Initiative NL (IMDI.nl), voorheen bekend als Nieuwe Instrumenten voor de Gezondheidszorg, heeft als doel de Nederlandse kennisinfrastructuur op het gebied van medical devices blijvend te versterken. xvi Plasticiteit duidt op veranderingen in de organisatie van de hersenen van individuen als gevolg van ont wikkeling, leren of ervaring. (Wikipedia) xvii Onderzoek naar elektrische stimulatie van hersendelen op het motorisch leren en de toepassing hiervan bij de revalidatie van mensen met CVA: uitvoering door universitair docent dr. Edwin van Asseldonk (UT) in het kader van zijn VENI onderzoek.

48

onderwijs We hebben gezien dat voor het leren van nieuwe bewegingen de mens zelf zo actief mogelijk moet blijven, dat je door fouten leert en dat leren afhankelijk van de context is. Maar hoe zit het eigenlijk met het leren van academische vaardigheden? Welke onderwijsmethode leidt tot de beste leerprestaties? De zwier van Walter Lewin Walter Lewin was mijn grote onderwijsheld. Hij is een geniale natuurkundige die al sinds jaar en dag verbonden is aan de beste technische Universiteit van de wereld, het Massachusetts Institute of Technology. Zijn inspirerende colleges heb ik via de Itunes University op internet gevolgd. U kent hem wellicht uit De Wereld Draait Door, waar hij te gast is geweest. Walter Lewin combineert in zijn colleges de uitleg van een ingewikkelde formule met een praktisch experiment op de collegevloer, om aan te tonen dat de formule precies klopt. Hij verbeeldt bijvoorbeeld dat de slingertijd niet afhankelijk is van de massa die eraan hangt door zelf op een gigantisch grote slinger door de collegezaal te zwieren. De filosofie van Walter Lewin is dat je door een experiment de theorie moet laten zien. Zijn colleges vind ik levendig en vele malen interessanter dan ik ze als student ooit zelf gehad heb. En ik dacht er veel van op te steken totdat…….. De bekentenis van Eric Mazur ….ik het gastcollege van Eric Mazur in Delft op internet bekeek: ‘ Confessions of a converted teacher’.xviii Deze briljante natuurkundige van de Universiteit van Harvard heeft bekeken van welke vorm van onderwijs studenten het meeste leren. Zijn conclusie is dat door drie kwartier te luisteren naar een hoorcollege studenten veel minder leren dan

xviii Het gastcollege ‘ Confessions of a converted teacher’ is op 22 september 2011 door Eric Mazur in Delft gegeven. Bedankt Martijn Wisse voor je tip!

49

wanneer zij zelf actief betrokken worden bij het lesgeven [34]. Bij een hoorcollege in de vorm van een monoloog ben je passief informatie aan het absorberen en kun je ook geen fouten maken om daar iets uit te leren.xix Hierbij maakt het voor het relatieve leereffect niet uit of je wel of geen begenadigde leraar hebt of dat je wel of niet op een top universiteit als Harvard zit. Een hoorcollege is als een oratie, u zit en luistert en hoeft verder niks te doen. Laten we daar wat aan veranderen. Tijd voor een quizvraag. De quizvraag Graag wil ik u de volgende quizvraag voorleggen. Een basketballer werpt ballen in verschillende baskets. De eerste basket staat dichter bij. De tweede basket staat verder weg, maar de speler gooit de bal nu wel minder hoog. De vraag is wanneer de bal het langst onderweg is: A) in het geval de basket dichter bij staat, maar de bal wel hoger gegooid wordt. B) in het geval de basket verder weg staat, maar minder hoog wordt gegooid. C) de tijd is in beide gevallen hetzelfde.

Figuur 11

Schematische weergave van een basketbalspeler die ballen in twee baskets gooit. De ene staat dicht bij (A), de ander verder weg (B) maar de basketbalspeler gooit nu wel minder hoog. In welke situatie doet de bal er het langst over?

xix Volgens Eric Mazur is het geven van een hoorcollege in de vorm van een monoloog te beschrijven als een proces waarin informatie vanuit de aantekeningen van de docent, naar het notitieblok van de studenten gaat, zonder daarbij de hersenen van beiden te passeren.

50

Aan u de vraag wat het goede antwoord is. U ziet we zijn het niet allemaal eens. Ik zal u niet het antwoord geven. Wellicht dat u tijdens de receptie elkaar kunt overtuigen van het juiste antwoord. Ik kan u ook vragen de volgende som op te lossen: Een bal wordt vanaf een hoogte van 1 meter van de grond omhoog geschoten. De beginsnelheid van de bal is dan 2 meter per seconde. Hoeveel seconden duurt het voordat de bal de grond bereikt? Dit is een voorbeeld van een sommetje dat we in mijn tijd op het VWO maakten. Een groot aantal van u kan dit wellicht oplossen. Misschien dat sommigen van u ook herkennen dat beide problemen met elkaar te maken hebben. Verrassend genoeg heeft Eric Mazur ontdekt dat er geen enkele relatie bestond tussen het goed beantwoorden van een conceptuele vraag, (in dit geval de basketballer die de ballen werpt) en het goed oplossen van een gerelateerde som (in dit geval de som over het omhoog gooien van een bal). Bij de conceptuele vraag gingen de studenten veel meer af op hun intuïtie en persoonlijke ervaringen dan de verbinding te leggen met de onderliggende theorie en bijbehorende formules. Men ging bijvoorbeeld af op de ervaring dat een bal die gegooid wordt naar iemand die verder weg staat er langer over doet dan een bal die gegooid wordt naar iemand die dichter bij staat. De juiste theoretische redenatie om het conceptuele probleem op te lossen ontbrak. Peer instruction Eric Mazur heeft een methode ontwikkeld, ‘peer instruction’, om studenten actiever te laten deelnemen aan de les en ze de onderliggende, theorie bij een conceptueel vraagstuk te laten door-

51

gronden.xx Hij gaat er van uit dat studenten voorafgaand aan een college de opgegeven literatuur hebben gelezen. Dit stimuleert hij bijvoorbeeld door deelnemers via internet een verplichte test over de stof te laten maken. Aan de hand hiervan bepaalt Eric Mazur ook welke thema’s in het collega aandacht behoeven, omdat deze nog niet voldoende begrepen zijn. In het college geeft hij eerst een korte introductie over het thema om vervolgens een quizvraag over een conceptueel probleem te stellen, zoals de vraag over de basketballer. Studenten geven een antwoord op de vraag door de hand op te steken of door op een elektronische clicker te drukken. In de meeste gevallen zullen er studenten zijn die het antwoord goed hebben, maar ook studenten die het antwoord fout hebben. In plaats verder dat de alwetende leraar meteen uitlegt wat het goede antwoord is, laat Eric Mazur zijn studenten hierover discussiëren en elkaar overtuigen van het goede antwoord. Als hij daarna nog een keer dezelfde vraag stelt, blijkt dat veel meer studenten het goede antwoord zullen geven. Studenten kunnen elkaar dus prima iets leren zonder directe tussenkomst van de leraar. Vervolgens legt hij uit of toont hij met behulp van experimenten of proefjes, zoals die van Walter Lewin, aan wat het goede antwoord op de quizvraag is. De principes van leren We zien dat bij het leren van academische vaardigheden eigenlijk precies dezelfde principes opgaan als bij het leren van (nieuwe) bewegingen tijdens een revalidatie. Centraal in de aanpak van Eric Mazur staat dat studenten uitgedaagd worden om actief mee te denken en doen. Een fout quizantwoord tijdens het college is niet erg, omdat het de student helpt om de juiste redenatie achter het goede quizantwoord te ontdekken. De nadruk in de colleges ligt op het doorgronden van een conceptueel probleem. Het kunnen oplossen van een som zegt immers niets over de mate waarin de student het principe

xx Het Engelse woord ‘peer’ staat voor een persoon van dezelfde leeftijd, status of met dezelfde vaardigheden als een ander persoon.

52

kan toepassen in een andere context.xxi Onafhankelijk onder-zoek heeft laten zien dat bij deze vorm van interactief leren de resultaten twee keer zo goed zijn als bij de traditionele hoorcolleges [35]. Leren aanpassen voor optimaal onderwijs In de gezondheidszorg is het ondenkbaar als we mensen een behandeling geven, terwijl we weten dat een andere behandeling twee keer zo effectief is. Hoe komt het dat we op universiteiten toch nog vaak hoorcolleges in de vorm van een monoloog geven, terwijl andere onderwijsmethoden betere resultaten opleveren? Misschien omdat we lesgeven zoals we zelf zijn onderwezen, het spannend of tijdrovend vinden om onze lesstof aan te passen aan de behoeften van de studenten, of omdat we niet weten dat andere methoden tot betere leerprestaties bij studenten leiden? Welnu, dit laatste argument gaat niet meer op voor u en mij. Ik heb in ieder geval het voornemen om ‘peer instruction’ bij het geven van onderwijs te gaan gebruiken.

xxi De studenten worden bij examens getoetst op zowel conceptuele vraagstukken als het afleiden van formules en maken van sommen. Het afleiden van formules en oplossen van sommen leert de student uit boeken en van internet. Deze stof wordt niet herhaald tijdens het college door Eric Mazur.

53

woorden van dank Mijnheer de rector, geachte aanwezigen, Aan het slot van deze oratie wil ik graag iedereen bedanken die bijgedragen heeft aan wat we de afgelopen jaren bereikt hebben en die mij persoonlijk en wetenschappelijk geadviseerd en ondersteund hebben. Allereerst wil ik het College van Bestuur van de Universiteit Twente, het College van Bestuur van de Technische Universiteit Delft en de benoemingsadviescommissie bedanken voor het in mij gestelde vertrouwen door mij te benoemen tot hoogleraar. Henk Grootenboer en Frans van der Helm Mijn opleiders en promotoren wil ik ook graag bedanken. Van Henk Grootenboer, die destijds ook decaan van de faculteit Werktuigbouwkunde was, heb ik tijdens mijn promotie reeds veel geleerd over het reilen en zeilen van een universiteit en gevoel gekregen voor de complexe besluitvormingsprocessen in de universitaire organisatie. Henk, ik mis nog steeds je vrolijke lach die de gangen van de faculteit vulde. Frans van der Helm wil ik in het bijzonder bedanken. Samen hebben we in mijn beginperiode een aantal promovendi begeleid, hiervan heb ik bijzonder veel geleerd. Ook bewaar ik goede herinneringen aan onze gezamenlijke treinreizen van Utrecht naar Hengelo toen je nog aan de Universiteit van Twente als deeltijdhoogleraar verbonden was. Door onze intensieve discussies vlogen deze treinreizen altijd voorbij. Je hebt ook altijd mijn ambitie om op eigen benen te staan ondersteund in woord en in daad. Je passie, humor en scherpe blik is een goede mix die mij en vele anderen inspireren. Je bent één van de grootste aanjagers van het biomedisch technologisch onderzoek in Nederland door de vele initiatieven die je ontplooit. Ik ben dan ook blij dat ik een dag in de week in ‘jouw’ groep in Delft werk,

54

zodat we onze plezierige samenwerking en die tussen de Universiteit Twente en Technische Universiteit Delft verder kunnen uitbouwen. Roessingh Research and Development Het meeste onderzoek dat we doen en gedaan hebben rond revalidatietechnologie doen we in zeer nauwe samenwerking met het revalidatiecentrum Het Roessingh in Enschede, en met name Roessingh Research en Development. De wetenschappelijk directeur van Roessingh Research en Development, Hans Rietman, is revalidatiearts en als hoogleraar Revalidatiegeneeskunde en Technologie verbonden aan dezelfde vakgroep als ik. Beste Hans, ik kijk terug op een plezierige samenwerking en kijk uit naar nieuwe projecten die we samen kunnen opzetten. Maarten IJzerman, de voormalige directeur van Roessingh Research en Development wil ik ook bedanken. Ik weet nog goed dat ik tijdens mijn zomervakantie ergens in Italië rondreisde en Maarten mij belde om me te feliciteren met het binnenhalen van de vernieuwingsimpuls voor LOPES. Ik was erg blij met het nieuws dat mijn voorstel goedgekeurd was en dat hij naar aanleiding van deze toekenning besloten had om binnen Roessingh Research en Development iemand aan te stellen die zich zou specialiseren op revalidatierobotica. Deze persoon was Michiel Jannink, en met hem hebben we revalidatierobotica in Twente op de rails gezet. Michiel, ik bewaar goede herinneringen aan onze samenwerking. Ik hoop dat we deze in je nieuwe functie bij het bedrijf Demcon kunnen voortzetten. Ook wil ik de Roessingh Research en Development medewerkers Jaap Buurke, Gerdienke Prange, en Hermie Hermens bedanken voor de vruchtbare samenwerking. Het smaakt naar meer. Partners Een van de meest stimulerende aspecten aan het werken binnen het vakgebied van de biomedische technologie is dat je samenwerkt met zoveel diverse partners. Artsen uit verschillende disciplines, fysiotherapeuten, wetenschappers van binnen- en buitenlandse universitaire

55

onderzoeksgroepen en medewerkers van bedrijven. Het zijn de personen in deze organisaties die de samenwerking bijzonder maken en die ik hiervoor hartelijk bedank. Ondersteunende afdelingen De dagen dat de universiteit een ivoren toren was, waarin we in rustige afzondering de wereld probeerden te doorgronden, ligt ver achter ons. Universitair onderzoek doen we in nauwe samenwerking met externe partners in binnen- en buiten-land. Naast alle positieve kanten, brengt dit echter ook extra overhead met zich mee. Het onderzoek dat we doen kan niet zonder een goede ondersteuning van afdelingen zoals financiën, personeelszaken, communicatie en valorisatie. In het bijzonder wil ik Coby van Houten en haar collega’s bedanken voor alle financiële begrotingen en verantwoordingen, Frank Groot voor de juridische adviezen en ondersteuning bij verschillende contracten die we afgesloten hebben, en de (voormalig) zakelijk directeuren Ido Bante, Wilbert Pontenagel en Martijn Kuit van BMTI/MIRA voor alle raad en steun. Technische Universiteit Delft De vakgroep Biomedische Werktuigbouwkunde in Delft is groot en groeiend. Deze staat nu onder leiding van Jenny Dankelman. Het is een bruisende groep, waar elke week als ik er kom een nieuwe onderzoeker lijkt te zijn aangesteld. Ondanks de grootte van de groep voel ik me er thuis en ga er met plezier heen. Dat komt door de collegiale sfeer waar bij iedereen de deur open staat en mensen geïnteresseerd zijn in wat anderen doen. In het bijzonder wil ik Cor bedanken voor de technische ondersteuning van de promovendi en de hulp bij de uitvoering en organisatie van de projecten in Delft. En natuurlijk ook Dineke, Diones en Anouk voor alle hulp en advies bij allerlei zaken in Delft, waar het allemaal net iets anders geregeld is dan in Twente.

56

Universiteit Twente In Twente is de vakgroep Biomedische Werktuigbouwkunde wat kleiner dan in Delft, maar deze groep groeit ook als kool. Bart Koopman is de vakgroep voorzitter. Beste Bart, als jij niet na mijn afstuderen had gevraagd “is promoveren niet iets voor je” had ik hier waarschijnlijk niet gestaan. Voor mij ben je op de Universiteit Twente de ‘Mr. Wolf’ uit de film ‘Pulp Fiction’, diegene die dingen regelt en problemen, gelukkig van andere aard dan in de film, oplost. Ik hoop samen met jou en alle andere vakgroep leden de groep beter en beter te maken. Iemand die er voor zorgt dat er überhaupt geen problemen ontstaan en zorgt dat alles netjes en op tijd is geregeld, is de secretaresse van de vakgroep, Lianne. Lianne, ik ben erg blij dat je er bent; zonder jou zou ik mijn werk niet goed kunnen doen. Peter Velink heeft vanaf de begindagen van het BMTI, dat nu MIRA heet, een centrale rol gespeelt in de organisatie van het onderzoek binnen de onderzoekslijn biomechatronica en ‘neural and motor systems’. Beste Peter ik bewonder je vermogen om groepen en mensen bij elkaar te brengen. Ik hoop nog veel met je te mogen samenwerken. Ik wil ook Edsko Hekman, Alfred Schouten en Ronald Aarts bedanken voor alle hulp bij het begeleiden van de promovendi. Theo, Gert Jan, Nikolai, Geert, Thijs en Wouter wil ik bedanken voor de technische ondersteuning. Jullie zijn de oliemannetjes van de groep die zorgen dat alles netjes blijft draaien.

Onderzoekers Het leukste aan werken binnen een Universiteit is dat je mag werken met jonge, energieke en enthousiaste mensen. Veel wetenschappers van faam piekten rond hun dertigste levensjaar. Het is dus een voorrecht om met deze jonge toppers te mogen samenwerken. Uit onderzoek blijkt dat promovendi en postdocs zich zelf zien als de werkpaarden van de wetenschap. Zij zijn diegenen die met ‘bloed, zweet, en tranen’ en met ‘hun voeten in de modder’ het echte werk doen. Ik wil al de promovendi en andere jonge onderzoekers waar ik mee samenwerk en heb

57

gewerkt bedanken voor hun waardevolle arbeid. Jullie hebben gelijk, zonder jullie werk en inzichten hadden we niet bereikt wat we hebben bereikt. Daarnaast zijn jullie ook plezierige collega’s die het sociale hart van de vakgroep vormen. Bedankt: Alexander, Ard , Arno, Arvid ,Bas , Bertine, Bram, Carsten, Denise, Edwin, Floor, Gijs, Heike, Jan V, en Jan de J, Ralf, Tjitske, Jos, Letian, Martijn, Serdar, Shiqian, Youri en Wietse! Arno en Edwin Van alle leden van de vakgroep wil ik in het bijzonder de universitair docenten Arno Stienen en Edwin van Asseldonk bedanken. Jullie zijn een onmisbare steun in de begeleiding van studenten en promovendi en in het opzetten en uitvoeren van ons onderzoeksprogramma. Jullie ideeën, energie en humor zijn een belangrijke reden dat ik elke dag met zo veel plezier naar mijn werk ga. Dat jullie beiden een VENI beurs hebben gekregen is een erkenning van jullie kwaliteiten als onderzoeker en een perfecte basis voor het uitbouwen van eigen onderzoekslijnen. Ik denk dat we als team al veel samen hebben bereikt om trots op te zijn, maar nog veel meer kunnen bereiken in de toekomst. Beste pa en ma, beste Jaap en Margriet. Ik ben heel erg blij dat jullie mijn ouders zijn. Jullie hebben mij een gezonde basis meegegeven en mij altijd gesteund en gestimuleerd in wie ik ben en wat ik doe. Dank jullie wel. Ik ben ook bijzonder blij dat mijn oma Van der Kooij dit nog mee kan maken, één van de sterkste en meest positief ingestelde mensen die ik ken. Lieve Natasja, je interesse en steun in mijn werk is heel fijn. Jouw blik geeft een andere kijk. We hebben een heerlijk Zwitsers jaar beleefd en ik kijk er naar uit om samen met jou nog vele ervaringen en belevenissen te delen. Ik wil u bedanken voor uw aandacht, ik heb gezegd.

58

reFerenties [1] [2] [3]

[4] [5] [6] [7]

[8]

[9] [10]

[11]

[12] [13] [14] [15] [16] [17]

[18]

E. de Vlugt, et al., “Adaptation of reflexive feedback during arm posture to different environments,” Biol Cybern, vol. 87, pp. 10-26, Jul 2002. S. H. Scott, “Optimal feedback control and the neural basis of volitional motor control,” Nature Reviews Neuroscience, vol. 5, pp. 534-546, Jul 2004. H. van der Kooij, et al., “An adaptive model of sensory integration in a dynamic environment applied to human stance control,” Biol Cybern, vol. 84, pp. 103-15, Feb 2001. E. Todorov and M. I. Jordan, “Optimal feedback control as a theory of motor coordination,” Nature Neuroscience, vol. 5, pp. 1226-1235, Nov 2002. E. Todorov, “Optimality principles in sensorimotor control,” Nature Neuroscience, vol. 7, pp. 907-915, Sep 2004. J. Izawa, et al., “Motor adaptation as a process of reoptimization,” Journal of Neuroscience, vol. 28, pp. 2883-2891, Mar 12 2008. H. Geyer and H. Herr, “A muscle-reflex model that encodes principles of legged mechanics produces human walking dynamics and muscle activities,” IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng, vol. 18, pp. 263-73, Jun 2010. H. van der Kooij and R. J. Peterka, “Non-linear stimulus-response behavior of the human stance control system is predicted by optimization of a system with sensory and motor noise,” J Comput Neurosci, vol. 30, pp. 759-78, Jun 2011. K. E. Jones, et al., “Sources of signal-dependent noise during isometric force production,” J Neurophysiol, vol. 88, pp. 1533-44, Sep 2002. G. Kwakkel, et al., “Intensity of leg and arm training after primary middlecerebralartery stroke: a randomised trial,” Lancet, vol. 354, pp. 191-196, Jul 17 1999. J. F. Veneman, et al., “Design and evaluation of the LOPES exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation,” IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng, vol. 15, pp. 379-86, Sep 2007. E. H. van Asseldonk, et al., “Influence of haptic guidance in learning a novel visuomotor task,” J Physiol Paris, vol. 103, pp. 276-85, Sep-Dec 2009. J. Luttgen and H. Heuer, “Robotic guidance benefits the learning of dynamic, but not of spatial movement characteristics,” Exp Brain Res, Jul 27 2012. A. Domingo and D. P. Ferris, “Effects of physical guidance on short-term learning of walking on a narrow beam,” Gait & Posture, vol. 30, pp. 464-468, Nov 2009. R. van den Brand, et al., “Restoring Voluntary Control of Locomotion after Paralyzing Spinal Cord Injury,” Science, vol. 336, pp. 1182-1185, Jun 1 2012. J. Hidler and P. S. Lum, “The road ahead for rehabilitation robotics,” Journal of Rehabilitation Research and Development, vol. 48, pp. Vii-X, 2011. H. van der Kooij, et al., “Preliminary results of training with gravity compensation of the arm in chronic stroke survivors,” Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, vol. 2009, pp. 2426-9, 2009. A. J. Westerveld, et al., “Selectivity and Resolution of Surface Electrical Stimulation for Grasp and Release,” Ieee Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 20, pp. 94-101, Jan 2012.

59

[19] N. Hogan, et al., “Mit - Manus - a Workstation for Manual Therapy and Training .2.,” Telemanipulator Technology, vol. 1833, pp. 28-34, 1993. [20] G. B. Prange, et al., “Systematic review of the effect of robot-aided therapy on recovery of the hemiparetic arm after stroke,” Journal of Rehabilitation Research and Development, vol. 43, pp. 171-183, Mar-Apr 2006. [21] G. Kwakkel, et al., “Effects of robot-assisted therapy on upper limb recovery after stroke: a systematic review,” Neurorehabil Neural Repair, vol. 22, pp. 111-21, Mar-Apr 2008. [22] L. Ada, et al., “Mechanically assisted walking with body weight support results in more independent walking than assisted overground walking in non-ambulatory patients early after stroke: a systematic review,” Journal of Physiotherapy, vol. 56, pp. 153-161, 2010. [23] J. Hidler, et al., “Multicenter Randomized Clinical Trial Evaluating the Effectiveness of the Lokomat in Subacute Stroke,” Neurorehabilitation and Neural Repair, vol. 23, pp. 5-13, Jan 2009. [24] T. G. Hornby, et al., “Enhanced gait-related improvements after therapist- versus robotic-assisted locomotor training in subjects with chronic stroke - A randomized controlled study,” Stroke, vol. 39, pp. 1786-1792, Jun 2008. [25] H. van der Kooij, et al., “Comparison of different methods to identify and quantify balance control,” J Neurosci Methods, vol. 145, pp. 175-203, Jun 30 2005. [26] P. Talelli, et al., “Arm function after stroke: Neurophysiological correlates and recovery mechanisms assessed by transcranial magnetic stimulation,” Clinical Neurophysiology, vol. 117, pp. 1641-1659, Aug 2006. [27] C. M. Stinear, et al., “Functional potential in chronic stroke patients depends on corticospinal tract integrity,” Stroke, vol. 38, pp. 466-466, Feb 2007. [28] M. Jacobs, et al., “Plasticity-inducing TMS protocols to investigate somatosensory control of hand function,” Neural Plast, vol. 2012, p. 350574, 2012. [29] E. H. F. van Asseldonk, et al., “Disentangling the contribution of the paretic and non-paretic ankle to balance control in stroke patients,” Experimental Neurology, vol. 201, pp. 441-451, Oct 2006. [30] M. J. Nederhand, et al., “Dynamic Balance Control (DBC) in lower leg amputee subjects; contribution of the regulatory activity of the prosthesis side,” Clinical Biomechanics, vol. 27, pp. 40-45, Jan 2012. [31] M. E. Tinetti, et al., “Risk-Factors for Falls among Elderly Persons Living in the Community,” New England Journal of Medicine, vol. 319, pp. 1701-1707, Dec 29 1988. [32] K. A. Hartholt, et al., “Costs of falls in an ageing population: A nationwide study from the Netherlands (2007-2009),” Injury-International Journal of the Care of the Injured, vol. 43, pp. 1199-1203, Jul 2012. [33] S. Harkema, et al., “Effect of epidural stimulation of the lumbosacral spinal cord on voluntary movement, standing, and assisted stepping after motor complete paraplegia: a case study,” Lancet, vol. 377, pp. 1938-1947, Jun 4 2011. [34] E. Mazur, “Education Farewell, Lecture?,” Science, vol. 323, pp. 50-51, Jan 2 2009. [35] C. H. Crouch and E. Mazur, “Peer Instruction: Ten years of experience and results,” American Journal of Physics, vol. 69, pp. 970-977, Sep 2001.