RESUMEN

Antecedentes: El accidente cerebrovascular (ACV) es una de las principales causas de discapacidad permanente, ya que puede provocar lesiones cerebrales graves con secuelas físicas significativas, limitando la capacidad de realizar actividades diarias.
Objetivo: Esta investigación tuvo como objetivo diseñar un sistema robótico de movimiento pasivo-continuo para la rehabilitación de miembros inferiores en pacientes adultos con ACV, mejorando así las probabilidades de recuperación de su movilidad de marcha.
Metodología: Se llevó a cabo el modelado y simulación del sistema robótico mediante Diseño Asistido por Computadora (CAD), utilizando el software de ingeniería Autodesk Inventor Professional 2023.
Resultados: Se obtuvieron las posiciones iniciales y finales del sistema robótico, así como la simulación de movimiento pasivo-continuo.
Conclusiones: La toma de medidas precisas de un paciente maximiza la posibilidad de implementar un prototipo funcional que contribuya en el proceso de rehabilitación.

Palabras clave: robótica, rehabilitación, miembros inferiores, diseño, accidente cerebro vascular, simulación. (fuente: DeCS- BIREME)


ABSTRACT

Background: Cerebrovascular accident (CVA) is one of the main causes of permanent disability, as it can cause serious brain injuries with significant physical consequences, limiting the ability to perform daily activities.
Objective: This research aimed to design a robotic system of passive-continuous movement for the rehabilitation of lower limbs in adult patients with stroke, thus improving the chances of recovery of their walking mobility.
Methodology: Modeling and simulation of the robotic system using Computer Aided Design (CAD), using the engineering software Autodesk Inventor Professional 2023.
Results: The initial and final positions of the robotic system were obtained, as well as the simulation of passive-continuous movement.
Conclusions: Taking precise measurements of a patient maximizes the possibility of implementing a functional prototype that contributes to the rehabilitation process.

Keywords: robotics, rehabilitation, lower limbs, design, cerebrovascular accident, simulation (source: MeSH NLM)

INTRODUCCIÓN

En el Perú, según la Encuesta Especializada sobre discapacidad realizada en el año 2017 por el Instituto Nacional de Estadística e Informática (INEI), el 10.3% de la población es decir, aproximadamente 3 millones 209 mil 261 personas, tiene alguna discapacidad ⁽¹⁾. De los cuales se registró un total de 10 570 casos de pacientes con accidente cerebro vascular, ⁽²⁾ Se estima que el 60% de personas hospitalizadas por ACV padecen de secuelas discapacitantes y solo el 20% de los afectados completan programas de rehabilitación física ⁽³⁾. Según el INEI de 2019, el 88.6% de la población total con algún tipo de discapacidad no recibió tratamiento ni terapia de rehabilitación, mientras que solo el 11.4% logró acceder a algún tipo de atención en este sentido ⁽⁴⁾. Esta disparidad puede atribuirse, en parte, a la carencia de utilización de equipos tecnológicos de rehabilitación en el Perú, debido a factores económicos y a la falta de conocimiento sobre la existencia de estos dispositivos como parte de las terapias de rehabilitación física.

El accidente cerebrovascular (ACV) puede prevenirse llevando una vida saludable y en caso de ocurrir, puede tratarse efectivamente si el paciente es llevado a emergencias de un hospital lo antes posible tras presentar los primeros signos, momento en el cual las probabilidades de recuperación son altas ⁽⁵⁾. Por los motivos antes mencionados, se propone el diseño de un sistema robótico de movimiento pasivo-continuo para la rehabilitación de miembros inferiores en pacientes adultos afectados por ACV. Este sistema busca facilitar y maximizar la recuperación de las funciones motoras de las extremidades inferiores, tanto en el hogar como en centros hospitalarios, con monitoreo y seguimiento por parte del médico rehabilitador. En la actualidad se han desarrollado diversos estudios para dar solución a los diversos problemas de movilidad de los miembros inferiores, entre ellos por ejemplo el desarrollo de sistemas para asistencia en marcha ⁽⁶⁾, tratamiento de discapacidades motoras causadas por parálisis cerebral ⁽⁷⁾ y desarrollo de aplicaciones de control para sistemas exoesqueléticos ⁽⁸⁾. No obstante, los primeros modelos de exoesqueletos surgieron en la década de 1960 en los laboratorios de la Universidad de Cornell ⁽⁹⁾.

La estructura de Yang representa uno de los primeros intentos documentados con características exoesqueléticas, cuyo objetivo primordial era aumentar la potencia en el ritmo de la caminata, así como en los saltos ⁽¹⁰⁾. Otra versión de este tipo de exoesqueleto fue implementada con motores de corriente continua. Sin embargo, el motor, el sistema de alimentación (batería) y la tecnología computacional de la época limitaban en gran medida la portabilidad del dispositivo ⁽¹¹⁾.

En España, en la Universidad Politécnica de Catalunya, se presentó un diseño de ortesis activa rodilla-tobillo ⁽¹²⁾. Este proyecto se enfoca en asistencia y la recuperación de pacientes con lesión medular, cuya condición suele dejarles sin movilidad en aproximadamente un 80% de su cuerpo. En Latinoamérica, se han desarrollado exoesqueletos destinados a la rehabilitación de brazos como de piernas. En el ámbito de la rehabilitación de brazos, por ejemplo, se han realizado avances con exoesqueletos que ofrecen hasta cuatro grados de libertad, adaptados a la antropometría de pacientes mexicanos mediante un diseño conceptual óptimo ⁽¹³⁾. Estos exoesqueletos enfocados al movimiento de rotación del húmero, flexión y extensión del codo ⁽¹⁴⁾, pronación y supinación de la mano ⁽¹⁵⁾. En el caso de la rehabilitación de la pierna, se han desarrollado sistemas con dos grados de libertad para terapias en tobillo y rodilla, que incluyen el uso de sensores de fuerza, velocidad y posición ⁽¹⁶⁾, así como diseños exclusivos para la flexión-extensión de la rodilla ⁽¹⁷⁾. En este sentido, la aplicación de la tecnología en la rehabilitación física mejora la independencia del paciente a la hora de acudir a sus terapias, como demuestra la investigación ⁽¹⁸⁾.

En conclusión, el desarrollo del proyecto representa un avance significativo en la implementación de equipos de rehabilitación que mejoran la condición física de pacientes con limitaciones de marcha debido a un accidente cerebrovascular, permitiéndoles ser más independientes en sus actividades diarias. En el futuro, el objetivo de la investigación es implementar el sistema robótico de miembros inferiores, brindando a los pacientes la oportunidad de recuperar un componente esencial de su función y autonomía bajo la supervisión del médico rehabilitador.

METODOLOGÍA

2.1. Análisis biomecánico de miembros inferiores

El presente proyecto se enfoca en el análisis biomecánico de las extremidades inferiores que comprende la rodilla y pie como se muestra en la Figura 1, con el propósito de diseñar un sistema robótico para la rehabilitación de pacientes con accidente cerebrovascular (ACV). Se examinan los movimientos y funciones de las articulaciones en diferentes contextos para identificar las necesidades específicas de rehabilitación. Los factores biomecánicos críticos a considerar en el diseño de un exoesqueleto son los grados de libertad y los movimientos ⁽¹⁹⁾, los cuales son fundamentales para el desarrollo del modelado asistido por computadora CAD que facilite la recuperación de la función motora en pacientes que han experimentado un ACV.

Se ilustran las articulaciones del miembro inferior, incluyendo la cadera, la rodilla y el tobillo ⁽²⁰⁾, representadas por círculos rojos. Las líneas conectan estas articulaciones, mostrando las trayectorias de movimiento durante el proceso de rehabilitación ⁽²¹⁾. Se observa cómo el diseño del sistema permite la realización de movimientos multidireccionales y ajustes personalizados, ofreciendo una amplia gama de ejercicios para mejorar la movilidad y la fuerza muscular en pacientes con disfunción en las extremidades inferiores como se muestra en la Figura 2.

Según la Tabla 1, los grados de movimiento biomecánico en las articulaciones de la rodilla y el tobillo ⁽²²⁾ permite diseñar sistemas robóticos de rehabilitación que pueden proporcionar terapias personalizadas y específicas para cada paciente. La capacidad de ajustar la resistencia y la velocidad del movimiento en función de las necesidades individuales de cada paciente ⁽²³⁾ resulta fundamental para optimizar los resultados de rehabilitación y promover una recuperación efectiva de la función motora en los miembros inferiores.

Se realizó la medición del miembro inferior dividiéndolo en L1, L2 y L3 como se muestra en la Figura 3, esto se basa en la anatomía y las proporciones individuales del paciente ⁽²⁴⁾, la correcta implementación de estas mediciones antropométricas garantiza una adecuada alineación biomecánica y una distribución equilibrada de las cargas durante el proceso de rehabilitación, lo que es esencial para maximizar la eficacia y la seguridad del tratamiento. Esto permite ajustar de manera óptima para realizar el prototipo del diseño CAD del sistema robótico de rehabilitación de miembros inferiores.

2.2 Diseño Mecánico 3D del sistema robótico

El presente diseño mecánico del sistema robótico se basa en las medidas antropométricas del paciente, centrándose principalmente en la biomecánica de cada articulación. Su objetivo es llevar a cabo una rehabilitación adecuada de la rodilla y el tobillo como resultado de un accidente cerebrovascular ⁽²⁵⁾. Se empleó el software Autodesk Inventor Professional 2023 para diseñar las partes de la estructura, que se divide en un soporte de sujeción de pierna y pie, similar al exoesqueleto ⁽¹⁸⁾ en la que los resultados obtenidos se encuentran dentro de los límites de resistencia permitida para la validación y selección de los materiales. Además, la base del dispositivo está compuesta por un soporte y un riel del sistema, como se muestra en la Figura 4. Se planea prototipar este dispositivo utilizando impresión 3D en la siguiente etapa del proyecto ⁽²⁶⁾.

2.3 Estructura cinemática del miembro inferior

El objetivo de la cinemática en un sistema robótico de miembro inferior es analizar la capacidad de movimiento mediante la posición y orientación con valores de coordenadas articulares ⁽²⁷⁾. La figura 5 muestra la representación geométrica del miembro inferior del paciente.

En la Tabla 2 se muestra los parámetros geométricos del miembro inferior según la convención de Denavit-Hartenberg (D-H) de acuerdo a los sistemas de referencias y dimensiones de la Figura 5 ⁽²⁸⁾.

El modelo cinemático directo permite calcular la posición y orientación de la pierna en función de sus ángulos articulares. Por lo que, es necesario calcular la matriz de transformación homogénea A_i de cada articulación como se representa en la ecuación 1.

Sustituyendo los parámetros articulares de la Tabla 2 en la ecuación 1 se obtiene las siguientes matrices:

Para obtener el modelo cinemático directo (posición y orientación del extremo) del miembro inferior es necesario multiplicar las matrices A₁ y A₂. Por lo que, la matriz de transformación homogénea que representa la posición y orientación está representada en la ecuación 2.

RESULTADOS

En la presente investigación se analizó los datos antropométricos de un paciente de 40 años de edad como se muestra en la Tabla 3, con limitación de miembros inferiores a causa de un accidente cerebro vascular con una altura de 170 cm y con un peso de 90 kg.

Los resultados de la simulación realizado en Software Autodesk Inventor Professional 2023, como se muestra en la Figura 6, indican que el sistema robótico cumple con los requisitos funcionales para la rehabilitación y mejora de espasticidad de miembros inferiores en pacientes con accidente cerebrovascular. Los movimientos de flexión máxima alcanzados (80° en cadera, 40° en rodilla y 20° en tobillo) están dentro de los rangos terapéuticos establecidos, lo que sugiere que el dispositivo puede ser eficaz en la mejora de los grados de movimiento en estos pacientes, mejora valorada mediante la Escala de Asword modificada ⁽²⁹⁾.

Para la extensión de la rodilla, el sistema alcanzó con éxito los 180°, lo que representa una extensión completa. Este rango es fundamental para facilitar movimientos naturales y actividades diarias como caminar, levantarse y sentarse. La simulación mostró que el mecanismo de la rodilla es capaz de soportar la carga sin comprometer la estabilidad, lo cual es esencial para la rehabilitación efectiva. La precisión en la simulación sugiere que el sistema puede replicar movimientos fisiológicos con alta fidelidad, lo cual es esencial para evitar lesiones y maximizar la eficacia de la terapia. Además, la estabilidad del sistema bajo las condiciones de máxima extensión garantiza que los pacientes puedan utilizarlo de manera segura durante sesiones prolongadas de rehabilitación.

Los ángulos de extensión máxima alcanzados en la cadera (170°), rodilla (180°) y tobillo (40°), como se muestra en la Tabla 4, son adecuados para facilitar una recuperación funcional integral. Estos resultados respaldan el uso de este sistema como una herramienta potencialmente valiosa en programas de rehabilitación física, contribuyendo a mejorar la calidad de vida de los pacientes.

La precisión en la simulación sugiere que el sistema puede replicar movimientos fisiológicos con alta fidelidad, lo cual es esencial para evitar lesiones y maximizar la eficacia de la terapia.

CONCLUSIONES

En conclusión, la presente investigación demuestra que el sistema robótico médico ⁽³⁰⁾ de miembro inferior ha sido diseñado con principios biomecánicos y simulado con el uso del algoritmo Denavit-Hartenberg (D-H), demostrando que tiene el potencial de ser una herramienta valiosa en la rehabilitación de pacientes con accidente cerebrovascular, al ofrecer movimientos de rodilla y tobillo que son esenciales para la recuperación funcional. Además, las matrices de transformación homogénea permiten realizar gráficas de desplazamiento y simulaciones del movimiento de la pierna, proporcionando una mejor comprensión y control del proceso rehabilitador.

Los ángulos de extensión y flexión alcanzados por el sistema son adecuados para facilitar una recuperación integral. La capacidad del sistema para mantener estos ángulos de manera estable y controlada garantiza que los pacientes puedan realizar los ejercicios de rehabilitación necesarios sin riesgo de lesiones, lo cual es esencial para una terapia segura y efectiva, mejorando así significativamente la calidad de vida de los pacientes con accidente cerebrovascular.

Los resultados obtenidos no solo confirman la conceptualización de la viabilidad técnica del sistema, sino que también abren la posibilidad de desarrollar prototipos reales y evaluarlos en entornos clínicos, e incluso este proyecto tiene el potencial de poder ser utilizado en futuros viajes espaciales donde se requiera la rehabilitación de miembros inferiores, ya que en ambientes de baja gravedad existe un deterioro muscular ⁽³¹⁾. Como trabajo futuro, se propone implementar y probar el prototipo, realizando evaluaciones de espasticidad en la Escala de Ashworth modificada antes y después del uso del dispositivo, en un grupo de pacientes con ACV para validar su eficacia in-situ y optimizar el diseño llevándolo a un modelo ergonómico. En la siguiente etapa del proyecto, la cual involucrará el uso en personas, se contará con el permiso del Comité de Ética.

¿Quieres dejar tu comentario o sugerencia sobre este artículo?