Estudio de las fuerzas de interacción para la minimización de esfuerzos en rehabilitación robotizada

Abstract

Los accidentes cerebrovasculares son una de las principales causas de mortalidad y discapacidad en adultos y su incidencia en la población se incrementa cada año. Sin embargo, gracias a los avances en los protocolos de atención, estabilización y rehabilitación de los pacientes, se ha logrado disminuir la tasa de mortalidad a pesar del aumento de casos, lo que conlleva un signi cativo aumento de pacientes con algún grado de secuelas o discapacidad. Los investigadores y médicos trabajan en diversos frentes, buscando comprender los mecanismos que permitan evitar o detectar de forma anticipada un accidente cerebrovascular, los procesos involucrados en la reorganización neuronal y mejorar las terapias que permitan recuperar las actividades de la vida diaria, entre otros. Todo ello ha permitido que la ingeniería tome un papel relevante a la hora de desarrollar técnicas y mecanismos que faciliten la tarea de los especialistas. En este sentido, la robótica se ha hecho un lugar importante durante las distintas fases de recuperación del paciente. El uso de robots para la rehabilitación entrega diversas herramientas y bene cios no sólo a los investigadores, sino también al cuerpo médico y los pacientes. A los investigadores les facilita datos cinemáticos y dinámicos que permiten el estudio de nuevas técnicas de rehabilitación, a los médicos les permite tener un mayor control de las terapias que se están aplicando así como indicadores que mejoren la evaluación del control motor y de la evolución del paciente. Al bene ciario último, el paciente, las nuevas investigaciones buscan precisamente que las terapias de rehabilitación tengan un efecto a nivel neuronal, motor y funcional que permita la recuperación de sus funciones mejorando signi cativamente su calidad de vida. Sin embargo, la interacción entre el robot y la persona conlleva importantes retos, tanto a nivel de control como de diseño, de seguridad y ergonómicos. La resolución favorable de todos ellos permitiría maximizar los bene cios de las terapias de rehabilitación. Realizando una revisión de las publicaciones cientí cas sobre la rehabilitación por medio de dispositivos robóticos, se observa que efectivamente el uso de robots mejora tanto el control motor como el control funcional de los pacientes. Sin embargo, investigaciones que comparan los bene cios conseguidos respecto a terapias convencionales cuestionan la relación costo-efectividad de su uso e incluso plantean sus potenciales efectos negativos si no se aplica de modo individualizado y adaptando el control a la evolución del paciente. Diversos factores pueden estar limitando la e cacia de las terapias robotizadas, uno de ellos es la correcta modelización y diseño mecánico que garantice una adecuada interacción entre el robot y el paciente. Una incorrecta transmisión de fuerzas sobre el paciente puede provocar una variación en el patrón normal de activación muscular, fatiga, incomodidad, dolor y rechazo a la terapia. Esta sobrecarga es generada por un desalineamiento entre las articulaciones del exoesqueleto y sus equivalentes biológicas, causada por la imposibilidad del diseño mecánico de adaptarse al movimiento de los tejidos blandos, la variabilidad antropométrica de los pacientes y los complejos movimientos de las articulaciones biológicas. Esta tesis estudia las fuerzas de interacción ortesis-paciente, sus efectos sobre los patrones musculares y la adaptación de las arquitecturas robóticas al paciente. En base a este estudio se presenta el diseño y validación de un sistema articular de 3 grados de libertad con servoadaptación dinámica que garantice una correcta transmisión de fuerzas entre el robot y el paciente. Gracias a su capacidad de rotar respecto a un centro de rotación variable, el sistema permite adecuarse a las diferentes medidas antropométricas del paciente, compensar el movimiento de los tejidos blandos y el movimiento de roto-traslación de las articulaciones biológicas. El estudio y evaluación de dicha servoadaptación se ha focalizado sobre la articulación del codo, ya que esta articulación permite desacoplar la acción de otros movimientos a la hora del análisis. El desarrollo del sistema articular abarcó las siguientes fases: 1. Estudio de las fuerzas de interacción entre el robot y el paciente, identi cación de las causas del desalineamiento y estudio del estado del arte de los dispositivos robóticos en cuanto a soluciones articulares que minimicen las fuerzas. 2. Diseño y validación de un banco de ensayo que permita emular la acción de un exoesqueleto durante el ejercicio de exo-extensión del codo y a su vez generar distintos grados de desalineamientos del robot sobre la extremidad superior. 3. Estudio de los efectos de los desalineamientos sobre los patrones musculares y las fuerzas transmitidas al paciente. Este estudio sienta las bases que justi can la compensación de los efectos del desalineamiento. La información obtenida es usada para modelar el sistema articular. 4. Diseño y validación de un sistema articular de 3 grados de libertad. Este diseño se modela e implementa de forma virtual sobre el banco de ensayo, para su posterior evaluación a través de diversos desalineamientos generados. 5. Implementación de una estrategia de control que permita al sistema articular rotar respecto a un centro instantáneo de rotación de forma que minimice las fuerzas de interacción sobre el paciente. Si bien se enfocó el estudio a la articulación del codo, el sistema articular diseñado es extrapolable a cualquier articulación del plano sagital o frontal, mientras que el estudio de las fuerzas de interacción es generalizable a todas las articulaciones biológicas. Los resultados corroboran que a mayor desalineamiento, mayores son las fuerzas transmitidas sobre el paciente, siendo la componente en la dirección x del plano sagital la más afectada por los desalineamientos. Además, del análisis de las señales electromiográ cas, se observó que la transmisión inadecuada de fuerzas causa una variación en los patrones musculares normales, en lo que se re ere a velocidad de conducción de los potenciales de acción y al reclutamiento de las moto-neuronas. Se comprobó que el sistema articular permite al exoesqueleto adaptarse a diferentes medidas antropométricas y que es capaz de servoadaptarse durante el movimiento para mantenerse alineado con su equivalente biológica. De las pruebas realizadas se observó que el sistema es capaz disminuir las fuerzas transmitidas, las cuales convergen rápidamente a una zona de estabilización, con gurada al inicio de la terapia, donde las fuerzas de interacción se encuentran dentro de rangos aceptables y no suponen una sobrecarga al paciente.

The use of robots for stroke patients' rehabilitation provides benefits not only to researchers, but also to medical professionals and patients. Researchers are provided with kinematic and dynamic data that allow the study of new rehabilitation techniques. Robotics provide clinicians with means for better controlling undergoing therapies, improving both the assesment and indicators of the evolution of patient. For the ultimate beneficiary, the patient, the current research seeks that rehabilitation therapies have an effect at neuronal, motor and functional levels, resulting in better recovery functions and improving the patient's quality of life. However, the interaction between a robot and a human carries significant challenges, in terms of design control, safety and ergonomics. The favorable resolution of all of them would maximize the benefits of a rehabilitation therapy. Conducting a review of the scientific literature on robot aided therapy, it is observed that the effective use of robots improves both patient motor and functional control. However, comparing the benefits of robotic therapies with respect to conventional therapies puts into question the cost-effectiveness of their use and even their potential effects if they are not applied on an individual basis and if their control is not dinamically adapted to the patient's progress. Several factors may be limiting the effectiveness of a robotic therapy, one of them is the correct modeling and mechanical design to ensure proper interaction between the robot and the patient. Incorrect forces on the patient can cause a variation in the normal pattern of muscle activation, fatigue, discomfort, pain and rejection of the therapy. This overload is generated by a misalignment between the joints of the exoskeleton and its biological counterparts, caused by the impossibility of designing a mechanical architecture that accommodates the movement of soft tissues, the anthropometric variability of patients and the complex biological joint movements. This thesis studies the interaction forces between orthosis and patient, their effects on muscle patterns and the adaptation of robotic architectures to the patient. Based on this study we present the design and validation of a joint system with 3 degrees of freedom with dynamic servo-adaptation that ensures correct robot force transmissions to the patient. Thanks to its ability to rotate around a variable center of rotation, the system can adapt to different anthropometric measurements of the patient, compensating the soft tissue movements and the roto-translational movement of a biological joint. The study and evaluation of such servo-adaptation has focused on the elbow joint, as it is possible to decouple the action of other movements for analysis and can be extrapolated to any joint in the sagittal or frontal plane, while the study of the interaction forces is generalizable to all biological joints. The results confirm that the greater the misalignment, the greater the forces transmitted to the patient are, with the component in the x direction of sagittal being the most affected by misalignments. Furthermore, the analysis of electromyographic signals, shows that an improper transmission of forces causes a variation in normal muscle patterns in terms of conduction velocity and action potential recruitment of motor neurons. It was verified that the joint system enables the exoskeleton to fit to different anthropometric measurements and is capable of servo-adapt itself to the patient's conditions during the movement in order to maintain the alignment with its biological joints. Of the tests performed it was observed that a joint system can reduce the transmitted forces and quickly converge to a stabilization zone, configured at the start of the therapy, in which the interaction forces are within an acceptable range.