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10 y 11 de mayo de 2005II Jornadas CYTED, Cartagena de Indias.

Tecnologías de Apoyo a la Discapacidad II Jornadas CYTED Red VII-K II

Dispositivos Potenciadores y Alternativos en Movilidad

Instituto de Automática Industrial Consejo Superior de Investigaciones CientíficasMadrid - España

Ramón Ceres, Juan C. [email protected]


Movilidad

• DEFINICIÓN: Habilidad para el desplazamiento voluntario e independiente a través de un entorno con eventuales accidentes para alcanzar un objetivo determinado.

• IMPORTANCIA. – Incidencia en las actividades de desarrollo físico, perceptivo y cognitivo.– Actividades personales y de interacción social-entorno.

• Falta de estímulo y de comprensión-control del medio: frustración y desmotivación (Campos, Verbeg, Tatlow).

• ETIOLOGÍA de las deficiencias de movilidad:

de tipo físico (musculo-esquelético) sensorial, neurológico y mixto.


La función de las ayudas técnicas: Tecnologías de Apoyo

• Cubren carencias relacionadas con las deficiencias específicas:Musculoesqueléticas (artritis, osteoporosis), sensoriales (ciegos) y neurológicas (alzheimer)

• ACCIONES:– Soporte y equilibrio (Amputado m. inferior, parapléjico)– Acción motora (EM, Polio)– Acción neurológica

• Planificación y orientación. Modo global (Alzheimer). – Acción sensorial

• Directriz. Modo local (ciego)– Mixta: Coordinación sicomotriz (Par. Cerebral).

• -Crónicas y transitorias-rehabilitadoras. (Postraumatismos, acc. Cardiovasculares)


Tipos de Ayudas Técnicas

• Dispositivos Potenciadores. Los dispositivos potenciadors tratan de aprovechar la movilidad natural de la propia persona recurriendo por estimulación o reforzamiento interno o externo de estructuras corporales existentes o incluso de prótesis en el caso de falta de extremidades inferiores.

• Dispositivos rehabilitadores

Consisten en plataformas de uso transitorio para la recuperación de conjuntos músculo-esqueléticos o de habilidades sicomotoras asociadas.

• Dispositivos Alternativos

Sustitución de la acción humana mediante dispositivos de desplazamiento independiente accionados o simplemente gobernados por el usuario.


Tipos de Dispositivos Potenciadores

• Uso:– Crónico– Rehabilitador- Transitorio

• Tipo de Soporte:– Laterales-bilaterales– Troncales

• Accionamiento (fuente de energía):– Muscular– Externo

• Control (coordinación marcha: sensor-actuador):– Pasivos– Activos– Autónomos


Clases de Dispositivos Potenciadores de la Movilidad

• Bastones y muletas• Barras paralelas• Andadores• Prótesis• Ortesis• Estimuladores eléctricos funcionales (FES)• Plataformas estáticas rehabilitadoras ad hoc• Vehículos especiales (+ sillas de ruedas)• Sistemas de ayuda a la orientación


1. Bastones y Muletas

• Elementos simples inarticulados de apoyo lateral o bilateral para las diferentes fases de la marcha.

• Bastón: soporte de la mano. Estabilización y distribución de fuerzas de apoyo verticales

• Muleta: Soporte de antebrazo o de extremidad superior completa.Estabilización de fuerzas verticales mayores con posibilidad de

suspensión troncal.

Dispositivos Potenciadores


Bastones y Muletas (2)

Características:

• Rigidez• Ergonomía • Estabilidad• Adherencia del apoyo• Ligereza• Inalterabilidad • Ajuste de altura• Bajo coste



2. Barras Paralelas

• Estructura de soporte bilateral estable y continua como extensión estática de bastones o muletas



3. Andadores

Estructuras autoestables y desplazables para soporte troncal que presentan una configuración circundante al cuerpo.

Clases de andadores:• Bases: triangular y rectangular (3 o 4 apoyos).• Apoyos: patas o ruedas

4 patas2 patas + 2 ruedas3 ruedas (+ frenos)4 ruedas (+frenos)

• Pasivos y activos.

• Accesorios: bandeja portaobjetos, asiento, elementos multiapoyo (transiciones).

• Características: (= bastones), estabilidad y plegado.Dispositivos Potenciadores


Ejemplos de Andadores



Andadores Activos

• Andadores rodantes de dirección y/o tracción asistidas mediante instrumentación “inteligente” y fuente energética adicional (baterias). Deterioro severo de movilidad física con eventual pérdida sensorial (visión)

• Función:

– soporte y empuje, – guía– híbrido

• Incorporación de motores, sensores y ciertos elementos electrónicos de

control.

• Objetivo: dotar de un instrumento de movilidad a pacientes en cama o en silla de ruedas que no son capaces de usar andadores convencionales. Complementario a barras paralelas, inmersión en agua, con menor coste de intervención terapeuta y menor riesgo.

• Ventajas de la deambulación: sicológicas (autoestima), sociales de relación (posición vertical y desplazamiento) y fisiológicas (aumento de actividad musculoesquelética, neurológica y sensorial, evitación de problemas urológicos, digestivos, úlceras y otros). MAYOR INDEPENDENCIA



Técnicas en Andadores Activos

• Algoritmos inteligentes de control, control robusto

• Sistemas sensoriales exteroceptivos (láser, US, IR, visión, odometría…)

• Estrategias de navegación y evitación de obstáculos

• Interfaces hombre-andador por fuerza de agarre y empuje (intención) con distintos principios de medida (muelles-encoders, …)

• Algunos ejemplos de desarrollos:– Care-O-Bot– PAM-AID– VA-PAMAID– PAMM– MARC, Hitachi, KAIST…– ASAS



MARC(Eldecare Robot)

• Medical Automation Research Center- Univ. Virginia.• Sobre andador comercial de 3 ruedas:

sonar y láser, codificadores en tres ruedas. Medida de fuerza en puños: estimación de intenciones.

• No avance motorizado,• solo control de dirección. • Controlador por agente inteligente,

determina la trayectoria a partir datos de intenciones del usuario, historia, posición y orientación y genera un modelo de la ruta más segura. Control humano (modo normal),

el controlador toma el control cuando prevé una colisión .



PAM-AID (Personal Adaptive Mobility Aid).G. Lacy

Población mayor fisicamente débil y deficiente visual (20%, mayores de

65 años).• Proyecto EU (Trinity College- Dublin) • Varios prototipos. Versión evolucionada, fabricada por Haptica.• Estructura convencional de 4 ruedas y un manillar de guiado. • Pruebas en el NCBIreland.• El sensores ultrasónicos y láser central + odométria y fuerza en el

manillar.• Modos de conducción: control humano (comunicación por voz) o

semiautomático (evita obstáculos).

– VA-PAMAID



Care-O-bot (IPA- Fraunhofer- Stugart)

• Tres prototipos evolucionados. • Unido al usuario mediante dos barras interactivas con

sensores de fuerza en sus empuñaduras. I• Técnicas odométricas• Navegación modo más complejo “destino prefijado”: métodos

reactivos de evitación de obstáculos con planificación de trayectorias con láser de barrido y entradas del usuario.

• Aplicaciones domésticas y en museos

-----Andador-”sentador”

(Mederic- Univ. P-M Curie-Paris)



ASASAndador Seudorobótico de Alta Seguridad

• IAI-CSIC/ Forta/ Sogealba

• Objetivos:– Aumento de la estabilidad y del soporte de la masa corporal.– Mejora del patrón de movilidad.– Disminución del esfuerzo de empuje.– Mayor facilidad y seguridad del control humano del sistema rodante.

• Diseño de la estructura del andador:• Apoyo de antebrazos y manos• Aumento de la base• Aumento de fricción de la superficie de contacto de las ruedas.

• Motorización independiente de las ruedas traseras.• Control electrónico ajustable de la velocidad • Eliminación de frenos.• Dirección por accionamento selectivo de un motor u otro.

• Incorporación de sensores de posición relativa y seguimiento.



ASAS

PRUEBAS:

Interiores: Pasillos, cambios de

Dirección, cruces, puertas…

Exteriores: rampas, obstáculos,

Viandantes, suelo irregular…

Protocolo: mejoras objetivas/

Subjetivas.

(SOGEALBA)



4. Plataformas Estáticas Rehabilitadoras

• Objetivo: – ayudar y entrenar al uso del sistema musculoesquelético para

recuperación del mismo y de las habilidades de coordinación sicomotoras en general, especialmente relacionadas con los movimientos de marcha. (remo, bicicleta, cinta sin fin-suspensión controlada…)

– aumento de la actividad metabólica y consumo de oxígeno, reduciendo riegos cardiovasculares, renales, pulmonares y de infecciones.

• Población: lesionados medulares, ELA…Ejemplos:• Concept2. Sistema de ejercicio natural de extremidades superiores y tronco,

con estimulación eléctrica funcional en extremidades inferiores.(remo+bici)• Kamnik-Williamson “robot de ayuda al levantamiento” con FES, medida de

fuerzas y realimentación al usuario.



0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

80

Ángulo

(gra

dos)

Rodilla

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-0.5

0

0.5

1

Par(

Nm

/kg))

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100-1

-0.5

0

0.5

1

Pote

ncia

(W/k

g))

Porcentaje del ciclo de marcha

Rodilla

5. Ortoprotésis de miembro inferior.La marcha humana



5. Ortoprotésica de miembro inferior

A. PRÓTESIS : Restauración de una función tras amputación.

• Niveles de Amputación:– Pie– Transtibial– Rodilla– Transfemoral– Desarticulación de Cadera


Prótesis de miembro inferior Prótesis clásicas

Amputación de fémur (1868 – guerra civil EEUU)



Prótesis de pie

• Complejidad en función de los grados de movilidad y la imitación de la función articular.

• Estado del arte: Pies prostéticos de “respuesta dinámica”

Ejemplo: FlexFoot (Multiaxial y retorno de energía)



Prótesis de rodilla (1)

• Articulación de la rodilla:– Respuesta a la carga– Absorción de impacto– Fuerza estabilizadora– Flexión controlada

• Estado del arte / Categorías:– Bloqueo manual: Prótesis más

estable disponible– Fricción constante:

permite una única velocidad de marcha en terreno plano

– Control de apoyo: Alta estabilidad, sólo permite la flexión una vez se ha transmitido el peso a la pierna no protésica



Prótesis de rodilla (2)• Estado del arte / Categorías: (continuación)

– Hidráulicas: • Prescrita a pacientes con capacidad de marcha

diferentes velocidades. • Control voluntario




- Soluciones Activas: • C-LEG (Otto Bock):

– Control automático de la rodilla.

– Autonomía funcional.– Alta seguridad en fase de

apoyo y oscilación controlada- Terrenos inclinados,

escaleras, rampas- Potencial y tiempo de uso:

velocidades hasta 5 kph y 5 km en un día.

- RHEO KNEE (OSSUR)Actuador

Magnetoreológico Principio: Imitación del trabajo muscular excéntrico

Sensores: Rotación y distribución del peso.Tipo de Control: reactivo Dispositivos Potenciadores



• Biónica: Power Knee (OSSUR)

Fuente de Potencia Electromecánica

Inteligencia artificial

Sensores: fuerza, rotación articular

Estado: Prototipo en desarrollo

Principio: Imitación de acción muscular: excéntrica + concéntrica

Tipo de Control: Predictivo



Ortoprotésica de miembro inferior

B. ORTESIS : Restauración de una función ante enfermedades ortopédicas y neurológicas

• Patologías:– Polio– Parálisis cerebral– Accidente cerebro vascular

(terapéutico).- Esclerosis múltiple

• Propósitos:– Corrección– Estabilización– Descarga



Ortesis de miembro inferior (1)

• Prescripción: Diagnóstico a priori en función de la condición física

Tipos de Ortesis:- Ortesis de Tobillo:

- Absorción y recuperación energética

para levantar el pie

- Ortesis de Rodilla:

- Descarga del peso

- Rehabilitación postoperatoria

- Estabilización tras lesión en ligamentos

Ortesis de CaderaPie Equino



Ortesis de miembro inferior (2)Ortesis de Rodilla Y Tobillo:

- Acciones compensatorias durante la marcha patológica

Problema principal: Riesgo de caída, alta reducción de la movilidad

Estado del Arte:

- KAFO (pasiva)

- Bloqueo Permanente

- Bloqueo selectivo (mecánico)

- Respuesta a la carga

Paciente Postpolio



Ortesis de miembro inferior (3)

Ortesis Avanzadas de Rodilla Y Tobillo:Estado del Arte:

- Control de apoyo: Control de Rodilla en Fase de apoyo mediante microcontrolador. (Becker)

- Proyecto Europeo Gait: “Ortesis Inteligente de miembro inferior”

- Diseño mecánico- Compensación Funcional - Monitorización



Aspectos TecnológicosOrtesis Prótesis

Sensores -Fuerza/Presión-Angular-Inerciales (velocidad, aceleración)

Actuadores Compensaciones:

1) Parciales: Frenos, amortiguadores

2) Activas

- Tobillo: 120 Nm (Despegue del pie)

- Restricciones: volumen, peso y autonomía

3) Híbridas (FES)

Acciones

1. Control de resistencia: MR, hidráulica.

2. Nuevas prótesis motorizadas.

Control - Reactivo + adaptativo (aprendizaje)

- Proactivo: detección de estados y actividades



6. Estimuladores Eléctricos Funcionales FES

Generadores artificiales de señales eléctricas para la excitación de nervios: contracción de músculos motores de forma armónica-desarrollo de movimientos de marcha

Patologías: alteraciones o inactividad neurológica (pareplejia). Ortesis neurológicas o también neuroprótesis.

Estimuladores superficiales (electrodos externos)Liberson: sincronización de fases de marcha (apoyo y oscilación- estadios inicial, medio y final) por conmutador-talón (principio y del fin de la fase de apoyo). Pulsos aplicados a nervios motores próximos a rodilla para contraer los músculos de las articulaciones. Problemas: colocación estable de los electrodos sobre la piel, sudoración…

Estimuladores implantados (cirugía). Sist. electrónico externo-generación pulsos y transmisión RF, sensor sincronismo de marcha y receptor subcutáneo RF con electrodos bipolares de platino colocados sobre el músculo.

• Problemas: fatiga muscular, fiabilidad de los sistemas, diferencia de comportamiento de pacientes



Dispositivos de ayuda a la orientación para la movilidad

• Globales:– Localizan a la persona en un entorno amplio.– Suministran información (e-mapas) sobre ese entorno.– Generan órdenes f(origen/ destino).

• Locales:– Informan del entorno próximo muy acotado.– Detectores de obstáculos (y accidentes) y de caminos.– Presentan una información muy simple y sintética.

• Visuales:– Información integral de la escena



Navegadores Globales

• Utilizan: – Técnicas de localización por elementos activos con

posiciones conocidas y Mapas electrónicos (Atlas, Strider).

• Principios:– RF- Global Positioning System GPS- DGPS– (Tormes, Mobic, Strider, Sendero).– Campo magnético (Columbia Talking Compass)– IR (Talking Signs).– US (IAI-CSIC)

• Problemas:– Zonas de sombra– Entornos descritos/ estructurados



Navegadores visuales

• Sistema vOICE (P. Meijer)

• Principio: – captación de video conversión de señal canal auditivo.

• Elementos:– Cámara de video– Computador– Cascos audífonos

• Dificultad de procesamiento y aprendizaje:– Construcción de “imágenes acústicas complejas”

(soundscapes) representativas de la escena (topología, formas, colores...): “ver los sonidos



Sistema vOICE


Detectores Locales

Técnicas activas.

Principio de detección:- Ultrasonidos: MOVIUS, Guide Cane, Mowat sensor, Sonicguide, Detector de Notingham, Shangai Acoustical Lab., Polaron, Pathsounder, Sensory 6, Walkmate- Láser: Laser-cane - IR: Pilot Light

• Problemas:– Detección de accidentes (escaleras)– Limitaciones de comunicación:

• Canal sensitivo- Interfaz• Escrutinio de información



TREBOL (IAI-CSIC)

• 3 zonas de detección:• Frontal 30º y laterales 80º: 5 sectores angulares; 2m rango• 6 pares transd. Piezoelectricos

• Preprocesamiento analógico• Procesador c-196 Intel

• Comunicación: Auditiva- vibratoria

• Extensión: TREBOLI



FOCUS (IAI-CSIC)

• Detección Diferencial:

1 Transmisor

2 Receptores

• Comunicación:

2 vibradores-suspens.



Dispositivos Alternativos

• Sillas de ruedasentornos-funciones, configuraciones, tamaños, poblaciones, propulsión, accesorios…

– conducción semiautomática o asistida

• Scooters

• Automóviles

• Vehículos especiales

• (Otros dispositivos de desplazamiento: grúas)



Vehículos Especiales

Rifton (Blair Dev Cent. CA)

• Vehículo-niños-e.bífida

distr. Musc., P.C.• 2+2+1 ruedas• Posición vertical• Control postural• Versión comercial




Handbike RowcycleDep. VA- Cent. P. Alto Fresno-CA




PALMA

P. CYTED

Concepto:

• Niveles

• Interfaces

Fines

Pruebas

P. IBK



Conclusiones



Gracias

10 y 11 de mayo de 2005 ii jornadas cyted, cartagena de indias. tecnologías de apoyo a la...

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