1. Robotica pentru recuperare 1.1 Generalitati
In scopul imbunatatirii calitatii vietii oamenilor, a crescut interesul cercetarilor mondiale orientate catre dezvoltarea de sisteme robotizate pentru domeniul medical in general si al recuperarii, ca subdomeniu al acestuia. Aceste sisteme trebuie sa fie flexibile, autonome si sigure. In aplicatiile de recuperare, este posibil sa se identifice o serie de aplicatii specifice, cum ar fi: •
Sisteme pentru terapie dupa accident sau operatii chirurgicale;
•
Sisteme protetice temporare;
•
Asistarea persoanelor cu dizabilitati in activitatile zilnice;
•
Prevenirea sau imbunatatirea declinului cognitiv sau emotional 1.2 Sisteme pentru recuperarea membrului inferior uman
1.2.1 Importanta modelarii biomecanice a sistemului locomotor
Complexitatea aspectelor biomecanice care apar în statica sau dinamica corpului uman necesită elaborarea unor modele pentru analiza biomecanic ă a stărilor posturale sau de mi şcare ale corpului. Totodat ă, modelarea biomecanic ă a aparatului locomotor uman reprezint ă o etap ă importantă în realizarea oric ărui sistem tehnic de reabilitare articular ă a membrului inferior uman sau de creştere a amplitudinii articulare în sportul de performan ţă. Astfel, aplicaţiile modelării biomecanice a aparatului locomotor au în vedere fie aspectele medicale ale omului, respectiv situaţiile patologice ortopedice şi posibilităţile de reabilitare locomotorie, fie aspectele de performanţă ale omului, respectiv parametrii biomecanici care pot conduce la ob ţinerea performanţelor sportive. Din punct de vedere medical, studiile de biomecanic ă pot fi folosite atât în profilaxia unor posibile traumatisme (sunt cunoscute, de exemplu, efectele benefice preventive ale centurilor de siguran ţă şi air-bag-urilor la autoturisme, ale ortezelor etc., ob ţinute ca urmare şi a analizelor biomecanice), cât şi în tratamentul medical (proteze, tije de osteosintez ă a fracturilor etc.) sau de recuperare medical ă (cum ar fi, aparatura de reabilitare a func ţiilor motrice), aplicabile mai ales în ortopedie. Cele mai multe astfel de studii de biomecanic ă abordează, într-o formă sau alta, modelarea fenomenului analizat iar posibilele solu ţii tehnice rezultă prin simulările efectuate pe modelele biomecanice. 1
În privinţa sportului, biomecanica poate ajuta la atingerea performan ţei, atât în sporturile individuale, cât şi în cele de echip ă, prin analizele cinematice sau dinamice care pot fi realizate, acestea oferind solu ţii pentru creşterea performan ţelor fizice individuale şi îmbunătăţirea tehnicii sportive. Studiile analitice de biomecanic ă aplicată în sport se efectueaz ă după ce a fost creat modelul matematic al evenimentului şi după ce au fost realizate simul ările numerice aferente. În acest fel, modelul analitic reprezint ă componenta de baz ă, fundamental ă, a oricărei consideraţii biomecanice analitice cu efect în dezvoltarea abilit ăţilor fizice (de exemplu, m ărirea amplitudinii articulare) şi/sau îmbunătăţirea tehnicii sportive. Dintre articulaţiile membrului inferior, articula ţia gleznei este foarte solicitat ă în multe activităţi curente ale aparatului locomotor, datorit ă faptului că prin intermediul ei se realizeaz ă propulsia corpului şi absobţia şocului cauzat de impactul cu solul în timpul mersului, alerg ării sau săriturii. Contactul piciorului cu solul are ca efect solicitarea mecanic ă a sistemului morfofuncţional os–ligament–tendon, efect care poate conduce, în anumite condi ţii, la apari ţia unor traumatisme. Cunoaşterea acestor solicit ări, respectiv a for ţelor care apar în ligamente şi tendoane, ştiut fiind faptul c ă ligamentele cedeaz ă primele la suprasolicit ările critice, pentru diverse poziţii ale piciorului la contactul cu solul, ofer ă posibilitatea evaluării limitelor pân ă la care întregul sistem articular este în echilibru. Valoarea for ţei medii de impact cu solul depinde de durata în care se produce contactul, de viteza cu care piciorul love şte solul, de masa corpului şi
de coeficientul de restituire care, la rândul s ău, depinde de tipul ciocnirii. Modelarea
biomecanică a articulaţiei gleznei se poate dovedi util ă atât pentru domeniul medical, cât şi pentru cel sportiv, în contextul motiva motiva ţiilor anterioare. Obţinerea unor sisteme mecanice sau mecatronice performante, folosite în medicin ă sau antrenamentul sportiv, depinde în momentul de fa ţă, într-o bun ă măsur ă, de gradul de precizie al modelului biomecanic utilizat. Parametrii func ţionali ai sistemului utilizat în recuperarea medicală tehnic sunt cei care influen ţează fenomenul biomecanic studiat, în raport cu modelul biomecanic creat. Utilizarea simul ărilor numerice permit ob ţinerea de informa ţii ale parametrilor funcţionali adecvaţi unor situaţii date şi, respectiv, parametrii constructivi ce trebuie modifica ţi pentru optimizarea sistemului tehnic analizat. Utilizarea tehnicii model ării ca metodă de cercetare în investigarea organismului uman sa dovedit deosebit de fructuoas ă. Se poate spune c ă progrese notabile în medicin ă nu s-au ob ţinut decît atunci cînd organismul nu a mai fost privit ca un tot indivizibil, ci ca o suprapunere de mai multe sisteme, aparate, organe, func ţii etc., care sunt bine delimitate fizic şi funcţional, fiind interconectate complex, dup ă legi bine determinate. În acest mod s-au diferen ţiat aparatul locomotor, sistemul osteo-articular, sistemul muscular, sistemul nervos, aparatul digestiv, aparatul circulator etc. La rîndul s ău, fiecare sistem poate fi privit din punct de vedere anatomic 2
sau fiziologic, în condi ţii normale sau patologice. De fapt, fiecare sistem, aparat sau organ este un model mai mult sau mai pu ţin complet al realit ăţii. Complexitatea sistemului locomotor uman, alc ătuit din 26 de segmente osoase, 430 de muşchi striaţi, 310 articulaţii, la care se adaug ă întreaga structur ă formată din tendoane şi ligamente, face ca modelarea biomecanic ă structurală, cinematică şi dinamică să fie foarte dificilă. Modelele biomecanice sunt create, în multe situa ţii, doar pentru a r ăspunde, într-o mai mică sau mai mare masur ă, unor cerinţe, care pot fi: -
medicale, de tipul afec ţiunilor articulare sau ale scheletului osos, având cauze patologice sau datorate unor accidente care necesit ă tratamente chirurgicale sau kinetoterapeutice sau de tip profilactic, pentru a putea analiza efectul echipamentelor tehnice asupra corpului uman;
-
sportive, de tipul parametrilor biomecanici musculo-scheletali care pot fi influen ţaţi în scopul creşterii performanţelor motrice;
-
tehnice, în scopul realiz ării fie a unor echipamente folosite în domeniul medical sau sportiv – pentru antrenament, fie a unor robo ţi cât mai apropia ţi funcţional de modelul uman. Cercetarea sistemului osteo-articular al organismului uman sub aspect mecanic se poate
face cu succes utilizâd metodele inginere şti clasice şi moderne, de calcul şi experimentale. Astfel, sistemul osteo-articular poate fi privit de c ătre inginer ca fiind o structur ă spaţială deformabilă, având o complexitate apreciabil ă în ceea ce priveşte geometria, propriet ăţile elastice şi sarcinile. Deşi modelarea în biomecanica sistemului osteo-articular se supune aceloraşi legi şi principii generale care se utilizeaz ă în inginerie, totu şi trebuie avut în vedere c ă există şi unele deosebiri care limiteaz ă posibilităţile acestei metode de cercetare. Astfel, în biomecanică numai rareori şi numai într-o mic ă măsur ă se pot verifica rezultatele ob ţinute prin studiul unui model cu cele ob ţinute pe sistemul original, care este organismul uman; pentru aceasta ar trebui efectuate determin ări in vivo. Suplinire a acestui inconvenient se poate face prin efectuarea de studii comparative, pe diverse variante de modelare a fenomenului real. De şi fiecare model este ob ţinut prin simplificarea fenomenului original, diversele variante sunt comparabile între ele (variantele au fost concepute în acest sens) şi se poate determina care variantă modelează mai bine problema investigat ă. Progresele înregistrate prin aplicarea biomecanicii în domeniul medical sau tehnic sunt datorate, într-o anumit ă măsur ă şi modelelor create pentru sistemul locomotor uman. Astfel, protezele articulare, protezele spinale, protezele de membre amputate, tijele de osteosintez ă, protezele segmentelor osoase, grefele osoase, aparatura pentru reabilitarea func ţiilor motrice, aparatura pentru fitness şi antrenament sportiv etc., au cunoscut o evolu ţie ascendentă . 3
1.2.2 Elemente de recuperare medical ă
Schema de tratament a afec ţiunilor provocate prin traumatisme articulare la nivelul gleznei difer ă în func ţie de tipul de afec ţiune şi de gradul de gravitate al acestora. Pentru exemplificare s-a folosit entorsa de grad u şor şi mediu. Entorsa este o afec ţiune articular ă caracterizată prin leziuni capsuloligamentare nervoase şi
vasculare, f ăr ă a provoca o dislocare permanent ă a suprafeţelor articulare, rezultând în urma
unei solicitări bruşte şi brutale, care dep ăşeşte limitele mişcării fiziologice. Aceasta se manifestă prin triada simptomatic ă: durere, tumefiere şi impotentă funcţională relativă. Examenul clinic şi radiologic diferen ţiază trei grade de gravitate. - Entorsa u şoar ă (gradul I) caracterizat ă prin distensia capsulo1igamentar ă şi f ăr ă semne radiologice. Clinic apar: dureri localizate, impoten ţă funcţională limitată; - Entorsa medie (gradul II) caracterizat ă prin ruperi parcelare ligamentare, dureri mai mari, tumefiere evident ă, impotenţă funcţională par ţială, iar radiografia în pozi ţie menţinută arată un grad de instabilitate articu1ar ă. - Entorsa gravă (gradul III) cu ruptur ă totală ligamentar ă, smulgere osoas ă, dureri violente, tumefiere mare cu edem şi impotenţă functional ă absolută. Radiografia men ţinută arată dislocarea mare a suprafe ţelor articulare. Tratamentul difer ă în funcţie de forma clinic ă. În entorsele uşoare: repaus segmentar 5-7 zile; - poţiuni antialgice şi antiinflamatorii; -
unde scurte;
-
ionizări cu novocain ă. În formele medii:
-
imobilizarea gipsată pentru 7-15 zile;
-
administrare de antiinflamatoare miorelaxante.
-
dupa degipsare se introduce fizioterapie şi kinetoterapie (tonifierea grupelor musculare). În formele grave cu diastazis tibio-peronier se impune tratamentul chirurgical. V ă
prezentăm protocolul recuperator în entorsele u şoare ale gleznei produse ca urmare a unor u şoare accidentări pe terenul de sport, etc.: 1. Evaluarea clinică: -
traumaism benign in aparen ţă;
-
absenţa senzatiei de crepita ţie sau ruptur ă;
-
durere rapid regresiv ă; 4
-
impotenţă functională compatibilă cu desf ăşurarea efortului;
-
f ăr ă mişcări anormale.
2. Aplicarea unui tratament crioterapeutic pe regiunea submaleolar ă; 3. Aplicarea unui bandaj inextensibil în jurul gleznei; 4. Continuare efortului sub supraveghere; 5. După competiţie (imediat): -
îndepărtarea contenţie şi aplicarea unei bande extensibile;
-
control într-o unitate de profil ortopedic pentru aprecierea gravit ăţii leziunii.
După competiţie (tratamentul de fond) pentru recuperarea entorsei se instituie un tratament fizical, dup ă următoarea schemă: Faza I (zilele 1-4)
-
antimflamatoare nesteroidiene per os (sub supraveghere); drenaj limfatic;
-
crioterapie: aplicaţii pluricotidiene şi masaj cu ghea ţă locodolenti;
-
unde scurte pulsate;
-
aplicaţii de gel antiinflamator local;
-
ionizari cu salicilat de sodiu (pol negativ) bicotidian;
-
contenţie adezivă inextensiblă continuă;
- poziţie declivă nocturnă. Faza II (zilele 5 -10)
-
crioterapie pluricotidiană;
-
masaj transversal profund;
-
ultrasonoterapie, emisie pulsat ă, picior în imersie;
-
mobilizări pasive, specifice gleznei;
-
reeducare proprioceptiv ă (balneoterapie);
-
contenţie adezivă extensibilă continuă.
În cadrul acestei faze a fost introdus lucrul la platforma oscilant ă. Faza III (zilele 10 -15)
-
crioterapie după şedintele de reeducare;
-
masaj transversal profund;
-
reeducare proprioceptiv ă pe planuri instabile, pe uscat, înc ărcare completă (cu piciorul pe sol);
-
reantrenarea la efort pe covor rulant; 5
-
contenţie adezivă extensibilă discontinuă.
Faza IV (zilele 15 -21)
- reluarea antrenamentului sub protec ţia unei conten ţii. 1.2.3 Roboti pentru recuperarea articulatiei gleznei
Exista trei modalitati de crestere a productivitatii procesului de recuperare, fara a sacrifica nivelul calitativ al sanatatii pacientului. Acestea sunt: •
Dezvoltarea de terapii optime necesitatilor particulare ale fiecarui pacient;
•
Realocarea de personal si activitati in scopul minimizarii timpului necesar completarii de documente, eliberand personalul in scopul efectuarii de activitati de recuperare
•
Cresterea productivitatii fiecarui terapeut prin punerea la dispozitie de tehnica si aparatura corespunzatoare. Se asteapta ca sistemele robotizate sa aiba impact pozitiv asupra tuturor celor trei cai de
crestere a productivitatii, prin imbunatatirea eficientei activitatilor terapeutice. Acestea pot, de asemenea, sa ajute in prognoza si diagnoza, individualizarea terapiei, asigurarea unei flexibilitati a tratamentului, alcatuirea unei baze de date privind terapia si evolutia recuperarii. Mai mult, sistemele robotizate de recuperare permit pacientilor sa efectueze a gama intreaga de activitati auto-administrate de catre acestia. Aceste sisteme permit pacientilor sa se antreneze repetitiv si intensiv si ofera terapeutilor posibilitatea de a trata pacientii cu supervizare minima. De asemenea, terapeutii pot utiliza metode de masura a performantelor pacientului si a progresului efectuat de acesta, utilizand sisteme robotizate. Ca un rezultat al celor mentionate anterior, in ultima perioada au fost efectuate numeroase cercetari in ceea ce priveste robotica pentru terapie si recuperare. In cadrul acestor cercetari, au fost dezvoltate diverse sisteme, de la simple orteze la sisteme exoschelet. Acestea utilizeaza o varietate de metode de actionare si strategii de control si sunt destinate pentru diverse dizabilitati. In cadrul acestor sisteme, exista un numar important de dispozitive dezvoltate pentru a veni in sprijinul terapiei si recuperarii articulatiei gleznei. Luxatiile gleznei sunt accidente des intalnite si pot necesita de la cateva saptamani pana la cateva luni, pentru recuperare completa. In majoritatea cazurilor, recuperarea articulatiei gleznei este efectuata direct de catre terapeut sau utilizand diverse unelte (dispozitive) dedicate pentru un anumit tip de exercitiu. Spre exemplu, exercitiile de forta pot fi efectuate utilizand benzi elastice sau aplicand greutati pe picior. 6
Pentru a stabili specificatiile tehnice ale unui mecanism de recuperare a articulatiei gleznei, sunt necesare informatii privind datele anatomice ale acestei articulatii, precum si protocoalele de terapie necesare recuperarii mobilitatii si fortei unei gleznei accidentate. Glezna umana poate fi considerata ca o combinatie de doua articulatii, a caror cinematica poate fi reprezentata prin doua cuple de rotatie (vezi Fig. 1). Axele de rotatie sunt incrucisate in spatiu, ceea ce face ca deplasarile unghiulare din cele doua aticulatii sa produca rotatii ale labei piciorului in toate cele trei plane (sagital, frontal, si transversal). De aceea, aceasta este capabila sa efectueze trei miscari de rotatie in spatiu: flexie plantara/dorsiflexie, eversie/inversie, abductie/adductie. Atunci cand se ia in considerare miscarea la nivel grosier, in special in recuperare, este important sa se considere prima si cea de a doua miscare a labei piciorului. Exercitiile in care laba piciorului este miscata pentru a desena litere ale alfabetului pe podea sunt inca incluse in multe stategii de recuperare si care necesita ca pacientul sa efectueze si miscari de abductie/adductie. Oricum, majoritatea exercitiilor necesita numai miscarile de flexie plantara/dorsiflexie, respectiv eversie/inversie. De aceea, acestea sunt gradele de mobilitate luate in considerare pentru conceperea de sisteme robotizate de recuperare a gleznei.
Fig. 1
Fig. 2 7
Aceste doua miscari sunt reprezentate in Fig. 2, iar unghiurile limita de rotatie, precum si momentele dezvoltate dupa axele de rotatie respective sunt prezentate in Tabelul 1. Tip de miscare
Limite [grade]
Moment [Nm]
Flexie plantara/dorsiflexie
-60 , 30
-80, 80
˚
˚
(plan sagital) Inversie/eversie
-30 , 15 ˚
-40, 40
˚
(Plan frontal) Mobilitatea unei glezne luxate depinde de gradul de accidentare: 1, 2 sau 3. In cazul unei luxatii de gradul 1, pacientul necesita o operatie, iar laba piciorului nu se poate misca deloc. Intro luxatie de gradul 2, limitele de miscare sunt reduse dramatic, la un procend de 20-30% din miscarile efectuate de o glezna sanatoasa, iar in cazul unei luxatii de gradul 3, miscarile posibile sunt in raport de 20-30% din cele ale unei glezne sanatoase, iar exercitiile de recuperare pornesc de la acest stagiu. Asa cum s-a precizat anterior, majoritatea exercitiilor de recuperare necesita numai efectuarea miscarilor de flexie plantara/dorsiflexie si eversie/inversie, pentru care sunt necesare sisteme cu doua grade de mobilitate. De aceea, sistemele robotizate trebuie sa ofere doua grade de mobilitate rotationale. Asemenea miscari sunt oferite, spre exemplu, de platforma paralela din Fig. 3. Platforma consta dintr-o placa de baza, fixa, si trei brate identice extensibile, ce pun in miscare placa mobila superioara. Elementul central este utilizat pentru sustinerea platformei mobile si este fixat, la partea inferioara, la placa de baza. Legatura dintre acest element (ax) central si platforma mobila superioara este realizata printr-o cupla cinematica universala (cupla cardanica dubla). Realizarea celor doua miscari de rotatie ale placii superioare este asigurata de modificarea lungimilor celor trei brate, alungirea/scurtarea acestora fiind determinata de un actuator liniar, special conceput (avand la baza un motor electric rotativ), Fig. 4.
8
Fig. 3
Fig. 4 9
O serie de exercitii pe care un sistem robotizat de recuperare a gambei ar trenui sa le poata efectua sunt prezentate sumar in Tabelul 2. Stagiu
Clasa de exercitii
Tip de exercitiu (pacient)
Recuperare preliminara
Pentru recuperare limita de Pasiv miscare
Activ
Antrenament de forta
Activ
In concordanta cu Tabelul 2, procesul de recuperare este divizat in trei stagii, preliminar, intermediar si avansat, in timpul carora pacientul isi recupereaza progresiv limitele de miscare si forta gleznei accidentate. Pacientul isi antreneaza gamba in mod pasiv sau activ, atunci cand platforma trebuie sa fie asistiva sau rezistiva. Aceasta inseamna ca pentru exercitiile in mod activ, pacientul exercita o forta/un moment asupra platformei iar robotul trebuie sa opuna o rezistenta sau sa asiste (ajute) pacientul pe parcursul miscarii efectuate de catre acesta.
Fig. 5 Exercitiile proprioceptive necesita ca pacientul sa se aseze pe platforma superioara a robotului, cu unul sau ambele picioare si sa incerce sa-si pastreze echilibrul, fara a exagera in 10
ceea ce priveste inclinarea maxima a platformei (Fig. 5 si Fig. 11). Acest tip de exercitii necesita ca platforma robotica sa suporte masa pacientului, de aceea actuatorii trebuie sa fie suficient de puternici pentru a sustine platforma intr-o anumita pozitie, in special pentru unghiuri mari de inclinare ale acesteia, cand momentul rezistent devine maxim.
Fig. 6 In plus fata de cele metionate, la conceperea unui astfel de robot trebuie sa se aiba in vedere mentinerea unui grad de complexitate minim, in scopul asigurarii unei bune fiabilitati si a unui pret de cost cat mai redus. Variatia unghiurilor de rotatie ale placii superioare, in timpul unui exercitiu de recuperare, este prezentata in Fig. 7.
Fig. 7 11
1.2.3.1 Platforma pentru recuperare medical ă şi antrenament sportiv, realizata la UT Iasi, Facultatea de Mecanica
Cunoaşterea parametrilor biomecanici de influen ţă asupra leziunilor sau performan ţelor articulaţiei gleznei, ofer ă posibilitatea de a proiecta şi realiza sisteme mecanice mobile de reabilitare sau antrenament care s ă acţioneze cu maximum de efect asupra ligamentelor şi tendonului lui Achile de la nivelul acestei articula ţii. Astfel, pentru sistemul mecanic pot fi determinaţi parametrii funcţionali care să permită obţinerea unor valori impuse ai parametrilor biomecanici de influenţă, obţinându-se, în acest fel, func ţiile de interdependen ţă dintre parametrii func ţionali ai sistemului tehnic şi cei biomecanici ai articula ţiei reabilitate sau supuse antrenamentului. Un mecanism necesar recuper ării medicale sau antrenamentului sportiv, la nivelul articulaţiei glenei, trebuie s ă aib ă posibilitatea de a realiza o mi şcare oscilantă controlată fa ţă de axa medio-laterală şi faţă de axa antero-posterioar ă, respectiv pentru a-i imprima piciorului o mişcare (mobilitate) pasiv ă de flexie plantar ă-dorsală şi inversie – eversie. Simplitatea constructivă este cea care asigur ă şi o bună fiabilitate, astfel încât se dore şte obţinerea unei platforme mobile, cu posibilitatea de a modifica unghiurile oscila ţiei şi care să aibă o schemă constructivă cât mai simpl ă cu putinţă. Plecand de la miscarile pe care le poate efectua articulatia gleznei umane, in scopul recuperarii sau imbunatatirii mobilitatii acesteia, s-a plecat de la miscarea corpului cu punct fix, platforma oscilanta (corpul) pe care ar trebui asezata talpa piciorului efectuand doua miscari de rotatie, dupa doua axe perpendiculare, concurente in punctul considerat (teoretic) fix si continute in acelasi plan orizontal (Figura 8). Ca si exemplu, poate fi amintita miscarea pe care o efectueaza o moneda, care, asezazata in plan vertical pe o suprafata solida. Rotind-o in jurul axei verticale ce trece prin centrul sau geometric, aceasta tinde sa se rastoarne si sa se aseze pe suprafata respectiva cu una din fetele sale, efectuand miscarea corpului cu punct fix. Din aceasta miscare se exclude rotatia in jurul axei verticale (pronatie/supinatie).
Figura 8 Miscarile platformei oscilante 12
Ideea transpusa intr-un model CAD 3D simplificat este reprezentata in Figura 9. Discul de la baza figurii simbolizeaza motorul, rotindu-se injurul axei verticale ce trece prin axa de simetrie a acestuia (intr-o cupla cinematica de rotatie, pe care discul o face cu suportul fix al sistemului tehnic. Bara oblica, legata rigid la platforma oscilanta superioara, este legata la discul mentionat printr-o cupla cinematica sferica. De asemenea, aceasta bara este legata la suportul fix printr-o cupla cinematica de tip cardan, care permite oscilatiile platformei superioare in raport cu doua axe orizontale, concurente, perpendiculare intre ele.
Figura 9 Modelul CAD 3D simplificat al sistemului tehnic
13
(a)
(b)
(c) Figura 10 Modelul CAD 3D al sistemului tehnic 14
Figura 11 Imagini reale ale sistemului tehnic Sistemul realizat permite variatia vitezei unghiulare de oscilatie a platformei pentru picioare, prin modificarea turatiei motorului de actionare, precum si a unghiului de oscilatie (unghi ce are aceeasi valoare pentru cele doua axe de rotatie), manual, prin modificarea manivelei, ce modifica unghiul de inclinare al barei de sustinere a placii oscilante si, implicit, inclinarea acestei placi. Pentru aceasta, functionarea sistemului trebuie sistata. Ca dezavantaj al solutiei tehnice realizate este inaltimea la care se afla platforma de sprijin, inaltime rezultata ca urmare a utilizarii de componente aflate la dispozitia noastra in momentul respectiv. Insa, acest sistem tehnic poate fi reproiectat, pe baza unor componente ce pot fi achizitionate, astfel incat sa se obtina o constructie mult mai compacta. De asemenea, pe viitor, se doreste controlul miscarii platformei oscilante folosind un microcotroler programabil, fapt ce va putea permite reglarea vitezei si a unghiului de oscilatie in timpul functionarii platformei. 15
1.2.3.1.1 Aspecte privind interdependen ţa dintre unghiul de înclinare al platformei oscilante şi mobilitatea articulară a membrului inferior
Unghiul de înclinare a platformei oscilante coincide, pentru mobilitatea pasiv ă a gleznei, cu valoarea minim ă dintre amplitudinile unghiulare a mi şcărilor de flexie plantar ă – dorsală şi eversie – inversie a piciorului. Acest unghi, un parametru func ţional pentru sistemul tehnic propus, coincide aşadar cu una din cele dou ă funcţii de influen ţă, respectiv cu cea care are valoarea cea mai mic ă. Mobilitatea articular ă depinde de urm ătorii factori: •
interni: -
tipul articulaţiei, factor determinat de congruen ţa articular ă, de valoarea ligamentelor şi capsulei articulare;
-
modificările structurale articulare;
-
elasticitatea muscular ă (cicatricele musculare, depunerile calcare, fibroz ările, retracturile etc. scad elasticitatea muscular ă şi, deci, mobilitatea);
-
elasticitatea structurilor conjunctive: tendoane, ligamente, capsul ă articular ă, cartilaje;
-
elasticitatea pielii;
-
capacitatea muşchiului de a se contracta şi relaxa pentru a permite o amplitudine maximă a mişcării;
-
excesul de gr ăsime;
-
temperatura tisular ă (creşterea temperaturii cu 1 – 2 °C m ăreşte semnificativ mobilitatea);
•
gradul de hidratare tisular ă;
externi: -
vârsta subiectului;
-
sexul (femeile au o mai bun ă mobilitate – cauz ă endocrină);
-
temperatura mediului ambiant;
- perioada zilei (diminea ţa mobilitatea este mai sc ăzută, cu maximum de mobilitate
între orele 14,30 şi 16); -
stadiul vindecării tisulare dup ă diverse leziuni;
-
abilitatea individual ă de a performa mi şcări (exerciţii fizice);
-
restricţia sau lejeritatea hainelor.
Valorile normale ale amplitudinilor unghiulare articulare la nivelul membrului inferior sunt prezentate în tabelul 3.
16
Tab. 3 Unghiurile mişcărilor articulare ale membrului inferior Articulaţia Glezna
Mişcarea unghiular ă
Limitele mişcării unghiulare [°]
Flexie plantar ă
0 – 50
Flexie dorsală
0 – 15
Inversie
0 – 35
Eversie
0 – 20
În activităţile umane obi şnuite nu este folosit ă întreaga gamă a valorilor unghiulare articulare, astfel încât, din intervalele de valori unghiulare prezentate în tabelul 4 sunt utilizate doar acele valori aflate în imediata vecin ătate a poziţiilor de repaus articular, denumit uneori “sector util de mobilitate”. Datorit ă acestui fapt, în kinetoterapie este folosit un coeficient funcţional de mobilitate ce exprim ă diferenţiat importanţa pentru funcţia articular ă a diverselor sectoare de mobilitate. În tabelul 4 sunt prezentate valorile coeficien ţilor funcţionali pentru fiecare articulaţie a membrului inferior, pe diversele sectoare de mi şcare. Tab. 4 Valorile coeficienţilor funcţionali Articulaţia Glezna
Mişcarea
Sectorul de mi şcare
Coeficientul
[°]
funcţional
0 – 20
2
20 – 70
0,2
0 – 20
2
20 – 40
0,5
Flexie plantar ă Flexie dorsală
Calculând valorile func ţiilor de influenţă pentru un subiect uman analizat şi impunând condiţia ca valoarea minimă dintre cele dou ă funcţii să fie egală cu unghiul func ţional
δ
al
platformei oscilante, se realizează „legătura” dintre parametrii modelului biomecanic propus şi parametrii constructivi ai mecanismului platformei. 1.2.3.1.2 Concluzii
În urma realizării prototipului mecanismului tip platform ă oscilantă, care poate fi utilizat ă atât pentru reabilitarea medical ă a articulaţiei gleznei, cât şi pentru antrenamentul sportiv articular al gleznei, s-au remarcat urm ătoarele aspecte: mecanismul conceput prezint ă simplitate constructivă şi este uşor de folosit;
17
există posibilitatea de a modifica valoarea unghiului de înclinare a platformei oscilante, impunând astfel o amplitudine unghiular ă comună mi şcărilor de flexie plantar ă – dorsală şi eversie – inversie a piciorului, care;
nu există posibilitatea de a ob ţine unghiuri diferite în acela şi timp pentru flexia şi eversia – inversia piciorului, unghiul fiind comun celor dou ă tipuri de mi şcări; posibilitatea folosirii platformei oscilante şi pentru antrenamentul de înc ălzire sportivă a articulaţie gleznei, testările experimentale relevând înc ălzirea ligamentelor, respectiv elasticizarea lor. Roboti paraleli cu cablu pentru recuperarea membrului inferior Robotica medicala si pentru recuperare implica adesea utilizarea robotilor industriali, din motive economice si pentru faptul ca acestia sunt disponibili pe piata. In general, aceste nu este un compromis foarte bun, deoarece aplicatiile industriale si cele medicale au cerinte foarte diferite. Robotii industriali au structuri rigide; sunt rapizi, precisi si au fost conceputi pentru a functiona departe de operatorul uman. Sistemele medicale si de recuperare, dimpotriva, necesita prezenta umana in spatiul de lucru al acestora. De aceea, acestea trebuie sa fie sigure si sa aiba miscari line. Robotii paraleli cu cabluri au caracteristici ce-i fac potriviti pentru scopuri de recuperare. Acestia au spatii de lucru largi, care pot fi adaptate la diferiti pacienti si la diferite antrenamente. Structura mecanica este usor de montat si de demontat, de aceea depozitarea si transportul sunt simplificate. Robotii paraleli cu cabluri sunt sisteme flexibile ce pot fi reconfigurate in scopul efectuarii de terapii diferite. Actuatorii sunt localizati pe baza fixa. Este posibila reconfigurarea manipulatorului numai si prin schimbarea pozitiilor actuatorilor sau prin schimbarea punctelor de atasare a cablurilor. Modularitatea este o alta caracteristica a manipulatoarelor paralele cu cabluri. De asemenea, comportamentul inertial bun este una dintre cele mai importante proprietati, datorita faptului ca acest tip de sisteme are mase de valoare redusa in miscare, constituite din cabluri si efectorul final. Aceasta caracteristiuca face sistemul sigur si eficient din punct de vedere al consumului de energie, deoarece acesta are un raport mare capacitate de manipulare/greutate proprie. Aceste tipuri de manipulatoare au un pret de cost redus si intretinere usoara, care sunt caracteristici relevante pentru posibile sisteme comerciale, ce pot fi utilizate de catre pacienti acasa.
18
Din punct de vedere clinic, utilizarea cablurilor in locul elementelor rigide il face pe pacient sa se simta mai comfortabil. Aspectul psihologic este important deoarece acesta il ajuta sa accepte noua tehnologie. Desigur, exista cateva neajunsuri ale robotilor paraleli cu cabluri. Spre exemplu, natura fizica a cablurilor, care pot doar sa traga nu si sa impinga, implica o se rie de constrangeri iar spatiul de lucru poate avea o forma complexa, neregulata. Conceperea trebuie facuta cu grija, pentru a evita interferenta cablurilor cu pacientul, cu mediul de lucru si cu suportii pentru cabluri. 1.2.4 Roboti paraleli cu cabluri pentru recuperarea membrului inferior
In cele ce urmeaza, vor fi prezentate, ca si exemple, doua prototipuri de roboti paraleli cu cabluri pentru reabilitarea membrului inferior. Primul sistem este STRING-MAN, ce consta intr-un manipulator pentru terapii de recuparare a membrului inferior si, respectiv, antrenament. Structura mecanica (Fig. 12) are o configuratie cu sapte cabluri. La baza structurii exista o banda rulanta, ce permite pacientului sa paseasca. Cablurile sunt conectate la trunchiul pelvisul pacientului cu ajutorul unei interfete, reprezentata de un ham de copii. Corpul uman este efectorul final al robotului, prin intermediul acestei interfete.
Fig. 12 Sistemul senzorial include cateva elemente, si anume, un senzor de detectare a fazei de pasire, un senzor de masurare a fortei de pasire, senzor de estimare a punctului de moment-
19
zero, goniometru pentru genunchi, senzori de pozitie pentru cablul de forta si actuatorul liniar, senzori de pozitie unghiulara pentru rotile de cablu. Sistemul de control permite urmarirea modurilor de operare si controlul informatiilor necesare pentru diagnoza si evaluarea terapiei. Al doilea exemplu de sistem propus pentru recuperarea membrului inferior are 4 grade de mobilitate (Fig. 13). Scopul sistemului este de a efectua antrenamente cu piciorul pacientului, prin intermediul unor cabluri. Exercitiile efectuate sunt flexia-extensia genunchiului, flexiaextensia soldului, abductia-adductia soldului ai rotatia interna-externa a acestuia. In scopul obtinerii diferitelor tipuri de miscare sistemul a fost conceput modular.
Fig. 13 1.3 Roboti pentru recuperarea membrului superior
MIT-MANUS (Fig. 14) este un robot utilizat pentru recuperarea pacientilor ce au suferit un atac cerebral, fiind primul proiect major cu impact in automatizarea recuperarii neurologice. Acesta poate misca, ghida sau perturba miscarea membrului superior al pacientului si salva informatii cu privire la miscari, pozitie, viteza si forta aplicata. Prototipul are doua module. Primul modul, plan, cu 2 grade de mobilitatate a fost conceput pentru miscarea cotului si antebratului, iar al doilea modul, spatial, avand 3 grade de mobilitate, pentru a permite miscarile articulatiei carpiene. Arhitectura de control este implementata intr-un calculator standard, ce afiseaza exercitiul ce urmeaza a fi performat, atat operatorului cat si pacientului. Sistemul a fost testat, iar persoanele cu probleme acute si cronice au demonstrat imbunatatiri semnificative in ceeaq ce priveste recuperarea miscarii bratului.
20
Fig. 14 Proiectul Gentle (Fig. 15) a fost initiat de Comisia Europeana cu scopul de a dezvolta o procedura de recuperare realizata de o masina, pentru persoane ce au suferit un atac cerebral. Proiectul a a vut scopul de a reduce costurile recuperarii si de a imbunatati tratamentul, oferind pacientului posibilitatea alegerii miscarilor tinta. Bratul pacientului este suspendat utilizand cabluri, in scopul reducerii efectului gravitatii. Exercitiile au fost efectuate intr-o camera virtuala cu 3 grade de mobilitate. Controlul robotului poate permite utilizarea sistemului in trei moduri: pasiv, activ-asistiv si activ, in functie de gradul de recuperare a pacientului.
Fig. 15
21
1.3.1 Roboti paraleli cu cablu pentru recuperarea membrului superior
NeReBot este un robot cu 3 grade de mobilitate, ce a fost conceput pentru tratament de recuperare a mebrului superior uman, in urma unui atac cerebral (Fig. 16). Structura mecanica a manipulatorului consta dintr-o coloana principala si patru elemente orizontale de aluminiu. Aceasta este setata manual de catre terapeut, in functie de cerintele specifice fiecarui pacient si fiecarei terapii, fiind o manevra complexa ce necesita experienta si competente tehnice. Pozitia unghiulara a fiecarui element si pozitia unghiulara a cablurilor trebuie, de asemenea, sa fie setate.
Fig. 16 Terapia consta in efectuarea unor miscari repetitive pasive ale membrului superior al pacientului. Exista o faza de invatare, in timpul careia terapeutul deplaseaza bratul dupa o anumita traiectorie si il opreste in cateva pozitii, iar sistemul de control memoreaza pozitia unghiulara a fiecarui motor. Mai apoi, robotul interpoleaza datele achizitionate, obtinand traiectoriile pe care trebuie sa le realizele fiecare motor, astfel incat bratul sa fie deplasat, repetitiv, dupa traiectoria stabilita in faza de invatare. In noul concept robotul (numit MaryBot) structura mecanica a fost modificata, introducand un brat cu doua grade de mobilitate, ce este utilizat pentru deplasarea punctelor de intrare a cablului in planul orizontal, in timpul terapiei, in functie de miscarile pacientului (Fig. 17).
22
Fig. 17
23
