CIINDET 2013 X Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico, 13 al 15 de marzo de 2013, Cuernavaca Morelos, México.
Entendiendo la Mecatrónica en la Rehabilitación C. H. Guzmán Valdivia, A. Blanco Ortega, M.A. Oliver Salazar.
Resumen: El presente artículo muestra una revisión del estado del arte sobre dispositivos mecatrónicos aplicados a la rehabilitación. Se exponen diferentes desarrollos, destacando las aplicaciones desde el punto de vista del área de la ingeniería mecatrónica. Además, se citan los trabajos más relevantes de rehabilitadores mecatrónicos para dedos, mano, brazo, cadera, rodilla y tobillo, destacando la finalidad del estudio realizado y entendiendo el impacto de éstos en el área de la fisioterapia. Palabras Clave: mecatrónica, rehabilitación, terapia, dispositivos, sistemas, automatización. Abstract: This paper presents a review of the state of the art of mechatronic devices applied to rehabilitation. We expose several developments, highlighting the applications from the point of view of mechatronics engineering. Furthermore, we present the most relevant in rehabilitation mechatronic systems such as finger, hand, arm, hip, knee and ankle, explaining the purpose of the study and understanding their impact in the area of physiotherapy. Keywords: mechatronics, rehabilitation, devices, systems, automation.
therapy,
Introducción La rehabilitación es un proceso de reincorporación física, mental y social de duración limitada que tiene como propósito integrar a una persona a sus actividades diarias [1]. A partir de los años 70, después de la segunda guerra mundial, la rehabilitación ha tenido un crecimiento muy activo, tanto desde el punto de vista médico como tecnológico. Hoy en día, los avances en la ________________________________________________________ César Humberto Guzmán Valdivia. Universidad Politécnica de Zacatecas. Fresnillo, Zacatecas.
[email protected] Andrés Blanco Ortega, Marco Antonio Oliver Salazar. Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico. Cuernavaca, Morelos. Agradecemos el apoyo brindado por la DGEST en el desarrollo del proyecto “Sistemas Biomecatrónicos para Rehabilitación de Extremidades Inferiores” con clave ProIFOEP 4534.12-P.
medicina buscan mejorar la pronta recuperación del paciente para brindar una mejor calidad de vida. Por otro lado, los actuales desarrollos tecnológicos en el área de la rehabilitación, se encuentran en una etapa de crecimiento debido al reciente interés en universidades y centros de investigación. La mecatrónica es una sinergia de distintas disciplinas de la ingeniería. Se enfoca en el diseño y manufactura de dispositivos electromecánicos inteligentes. Los dispositivos y servicios que son producidos usando los principios mecatrónicos, se han convertido en una parte importante en la vida diaria de las personas [2]. Los rehabilitadores mecatrónicos, son dispositivos que buscan mejorar la recuperación de un paciente después de haber sufrido algún tipo de enfermedad ó lesión en alguna parte de su cuerpo. Éstos tipos de dispositivos, empleados en rehabilitación, surgen debido al constante incremento del número de pacientes, la falta de personal profesional y los insuficientes centros de rehabilitación. Un dispositivo mecatrónico aplicado a la rehabilitación, básicamente, se enfoca en servir como apoyo al fisioterapeuta en el proceso de recuperación del paciente. Generalmente, los rehabilitadores mecatrónicos son activos ó pasivos, es decir, que pueden y no contener un sistema de control para el accionamiento de sus actuadores. La gran mayoría de los dispositivos, se adaptan anatómicamente al cuerpo de la persona con sistemas de monitoreo de la posición y velocidad, brindando la ejecución de rutinas seguras al paciente. Desde hace 20 años, los rehabilitadores mecatrónicos han demostrado ser una herramienta beneficiosa en la recuperación y mantenimiento del movimiento de una extremidad, dos de las razones por las cuales elegir este tipo de dispositivos son: presentan movimientos cíclicos sin cansancio y reproducen los ejercicios enseñados por el fisioterapeuta. Cualquier dispositivo ó aparato mecatrónico para rehabilitación, tiene como finalidad ayudar al terapeuta, no sustituirlo. En las siguientes secciones se muestran los trabajos más destacados de dispositivos mecatrónicos en la rehabilitación de dedos, mano, brazo, cadera, rodilla y tobillo.
Identificador del artículo: 688
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La mecatrónica en la rehabilitación de dedos
La mecatrónica en la rehabilitación de mano
Una práctica deportiva intensa ó algún accidente pueden ocasionar una lesión en los dedos. Las terapias a nivel de dedos son muy comunes en los centros de rehabilitación. En [3], presentan el diseño y desarrollo de un rehabilitador para la movilización del dedo índice. El aparato se basa en el concepto de desarrollar un sistema portable de cuatro grados de libertad (GDL) con una interfaz háptica. De manera semejante, Wang y otros autores, presentan un sistema similar de rehabilitación para el dedo [4]. El dispositivo puede generar los movimientos de flexión y extensión. La transmisión de fuerza es mediante un sistema de cables, los cuales se ajustan a distintos tamaños de dedo, ver Figura 1.
Las terapias de mano son tediosas y repetitivas, es por eso qué, se tiene el interés en desarrollar este tipo de rehabilitadores para asistir al terapeuta en sesiones de ejercicios repetitivos. Shields y otros autores, en el trabajo [7], presentan un dispositivo mecatrónico para movilizar la mano. El sistema funciona en modo de rehabilitación activa, los movimientos son monitoreados mediante sensores de presión, montados entre el sistema mecatrónico y la mano del paciente. Otro proyecto que propone un sistema para rehabilitación de mano, es presentado por Mourat Bouzit [8], en éste se describe el desarrollo de un guante que reacciona en un ambiente virtual 3D mediante una interfaz háptica. El guante emplea actuadores neumáticos para mover la mano. Tatsuya Koyama y otros autores, proponen una nueva metodología de control tipo maestro-esclavo usando retroalimentación pasiva de fuerza [9]. La metodología, resuelve problemas como: oscilaciones, estructuras complejas y complicados algoritmos de control. El dispositivo mecatrónico presentado, es una mano que cuenta con 12 grados de libertad (GDL) y una interfaz de realidad virtual. Por su lado, en [10] presentan un rehabilitador mecatrónico capaz de movilizar los dedos de la mano y asistir en ejercicios de entrenamiento. El dispositivo de 18 GDL, cuenta con un sistema automático de regulación de movimiento, el cual permite ser controlado mediante la mano saludable del paciente, ver Figura 3. Otro desarrollo de mucha importancia en los rehabilitadores de mano, es el que exponen en [11], el cual, se presenta un rehabilitador mecatrónico para ayudar en la rehabilitación de mano. El diseño mecánico, consta de tres partes: un mecanismo para todos los dedos, una base y un movimiento para la muñeca.
Figura 1: Rehabilitador mecatrónico para dedos [4].
Por su parte, en [5], presentan un rehabilitador mecatrónico para la terapia de dedos en pacientes que han sufrido una contractura muscular. El dispositivo consta de dos componentes: el sistema de rehabilitación y un guante generador de trayectorias para el fisioterapeuta. Por otro lado, en [6] presentan el desarrollo de otro rehabilitador de dedos para pacientes con parálisis cerebral. El dispositivo cuenta con un mecanismo de cables externo para sujetar y soltar objetos en los dedos del paciente. La estructura mecánica del dispositivo fue diseñada para aplicar movimientos pasivos al dedo de flexión y extensión, ver Figura 2.
Figura 2: Rehabilitador de dedos con guante y cables [6].
Figura 3: Rehabilitador mecatrónico de mano [10].
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La mecatrónica en la rehabilitación de brazo
La mecatrónica en la rehabilitación de cadera
Hoy en día, diversos desarrollos de rehabilitadores mecatrónicos empleados en las terapias de brazo se han centrado en coadyuvar a los problemas de hemiparésis y parálisis cerebral, tal es el caso del robot MITMANUS [12], ARM-GUIDE [13] y MIME [14] . Por otro lado, en [15], presentan un rehabilitador mecatrónico para brazo de siete GDL capaz de funcionar como un rehabilitador de extremidades superiores. Con un enfoque similar, Robert Richardson y otros autores [16] desarrollaron un rehabilitador mecatrónico con actuadores neumáticos para brazo. En [17], presentan una estructura mecánica externa con uniones y eslabones correspondientes a los del brazo humano con aplicaciones en rehabilitación. Por su parte, en [18], desarrollaron un rehabilitador mecatrónico para brazo llamado ARMin. El dispositivo ayuda en los entrenamientos repetitivos con pacientes que han sufrido parálisis en el brazo debido a posibles lesiones del sistema nervioso central La mejora del ARMin fue su sucesor el ARMin-II [19]. Por su parte, Julius Klein , en su trabajo [20], presenta el rehabilitador mecatrónico llamado BONES para brazo, ver Figura 4.
Los seres humanos siempre están expuestos a sufrir alguna lesión deportiva, caídas, accidentes automovilísticos ó procedimientos quirúrgicos en la cadera. Dada la gran importancia de rehabilitar los miembros inferiores, Sakaki y otros autores, presentan en 1999, el primer rehabilitador mecatrónico para la movilización de rodilla y cadera en pacientes espásticos [23]. El dispositivo, copia las movilizaciones de la pierna realizadas por el fisioterapeuta en la memoria, después, las reproduce con la misma fuerza y velocidad con que fueron aplicadas al paciente, ver Figura 5.
Figura 5: Rehabilitador mecatrónico para cadera [23].
Figura 4: Rehabilitador mecatrónico para brazo [20].
Por su parte, Moubarak y otros autores, presentan el diseño y modelado de un rehabilitador de brazo montado en una silla de ruedas [21]. Finalmente, en [22], presentan un rehabilitador mecatrónico de nueve GDL para asistir en la rehabilitación de pacientes que necesitan realizar ejercicios activos y pasivos en las extremidades superiores.
Por esta misma línea, se encuentra el rehabilitador mecatrónico llamado MULTI-ISO propuesto por [24], quienes introducen un sistema de control para una máquina de entrenamiento y rehabilitación de cadera. Siguiendo por esta misma línea, Homma y otros colaboradores en su artículo "Study of a Wire-driven Leg Rehabilitation System", presentan un sistema de rehabilitación para la movilización de cadera [25]. La principal característica del dispositivo mecatrónico es la utilización de un sistema de cuatro GDL actuado con cables paralelos. Aportando también en el campo de la rehabilitación de cadera, en [26] desarrollaron una máquina estacionaria para la movilización de miembros inferiores llamada MOTION MAKER. El dispositivo tiene la ventaja de rehabilitar cada pierna de forma independiente. También de gran relevancia, por su funcionalidad, está el proyecto NEXOS que combina técnicas de rehabilitación de cadera con especialistas en el área de ingeniería mecatrónica [27]. Finalmente, en [28], presentan el diseño y control de un rehabilitador mecatrónico llamado FIZYOTERABOT para ejercicios terapéuticos de cadera.
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La mecatrónica en la rehabilitación de rodilla
La mecatrónica en la rehabilitación de tobillo
La rodilla es la principal articulación que puede en los deportes, para ayudar en el proceso de rehabilitación se han propuesto algunos sistemas que permiten estirar los músculos y tendones suavemente como lo son los sistemas mecatrónicos aplicados a la rehabilitación de rodilla. En [29], exponen el diseño y construcción de un prototipo para la rehabilitación de rodilla de bajo costo. El trabajo muestra una integración del área de mecatrónica con la fisioterapia. Por su parte, en [30], proponen un sistema de rehabilitación para rodilla, el sistema de control propuesto, consta de un controlador difuso con una interfaz gráfica de para realizar los movimientos de abducción-aducción y flexiónextensión en la pierna. En [31], proponen un algoritmo de control para ayudar a personas a mejorar los movimientos del caminado, proporcionando un torque adicional en la rodilla durante la ejecución de la marcha. Gabriel Aguirre y otros colaboradores presentan un nuevo método de control basado en impedancias activas mediante señales mioeléctricas para la rehabilitación de rodilla [32], ver Figura 6.
Los sistemas mecatrónicos en la rehabilitación de tobillo tienen como propósito apoyar al paciente en su terapia en casa sin la necesidad de asistir a un centro de rehabilitación. En el artículo escrito por Jungwon Yoon y Jeha Ryu, presentan un nuevo rehabilitador mecatrónico reconfigurable para cubrir varios modos de ejercicios en la rehabilitación de tobillo [35]. En [36], presentan un sistema para el tratamiento médico del tobillo mediante ejercicios de rehabilitación. También de gran relevancia, por su funcionalidad, está el sistema mecatrónico propuesto por [37], para rehabilitación de pacientes con deformidades en el tobillo. En [38], presentan un prototipo, también con fines de rehabilitación, pero esta vez para pacientes con disfunción en el tobillo. Por esta misma línea, se encuentra el rehabilitador propuesto por Tsoi y Xie, quienes introducen un sistema de rehabilitación paralelo de tres GDL [39]. Por esta misma línea, en [40], muestran el diseño de un rehabilitador de tobillo basado en un mecanismo paralelo redundante de tres GDL, ver Figura 7.
Figura 7: Rehabilitador mecatrónico para tobillo [40]. Figura 6: Rehabilitador mecatrónico para rodilla [32].
También con el propósito de ayudar a rehabilitar la rodilla Koller y otros autores describen la construcción de un rehabilitador de rodilla enfocado a disminuir el dolor después de una cirugía de rodilla [33]. Finalmente, Andrés Blanco Ortega y otros autores, en el artículo " Control of a Knee Rehabilitation Machine using a Virtual Prototype ", presentan un rehabilitador de movimiento pasivo continuo para la terapia de rodilla utilizando un prototipo virtual [34].
En [41], presentan el diseño y caracterización del ANKLEBOT. Por su lado, Erdogan y otros autores, presentan el diseño compacto de un mecanismo reconfigurable paralelo con retroalimentación de fuerza para la rehabilitación de tobillo [42]. De gran relevancia, en [43], presentan la cinemática y dinámica de un sistema paralelo de tres GDL utilizando músculos neumáticos para un rehabilitador de tobillo. Finalmente, en [44], presentan un prototipo virtual para la rehabilitación de tobillo, el cual proporciona un completo rango de movimientos para el pie y tobillo.
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Conclusiones A partir de este trabajo, se genera un documento que aporta bases para el entendimiento de las nuevas tendencias en rehabilitadores mecatrónicos. Los seres humanos siempre están expuestos a sufrir algún accidente ó enfermedad en alguna extremidad de su cuerpo, es por esto qué, día a día crece el interés por desarrollar nuevos dispositivos mecatrónicos para mejorar la calidad de vida de las personas.
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César Humberto Guzmán Valdivia, Actualmente es estudiante de Doctorado en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica en el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico. Andrés Blanco Ortega, Obtuvo el grado de Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica, Sección Mecatrónica, egresado del Centro de Investigación y Estudios Avanzados del IPN. Marco Antonio Oliver Salazar, Obtuvo el grado de Doctor en Filosofía. Actualmente es profesor de tiempo completo en el área de mecatrónica en el Centro Nacional de investigación y Desarrollo Tecnológico.
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