ANALISIS DE LA POSTURA DEL TRONCO EN TERAPIASDE REHABILITACION MEDIANTE ROBOTS

Aitziber Mancisidor1 Asier Brull1 Asier Zubizarreta1 Itziar Cabanes1 Eva Portillo1

Ana Rodriguez2 Rakel Berriozabalgoitia2

{aitziber.mancisidor, abrull001, asier.zubizarreta, itziar.cabanes, eva.portillo, ana.rodriguez}@ehu.eus1Departamento de Ingenierıa de Sistemas y Automatica, Escuela de Ingenierıa de Bilbao (UPV/EHU)

2Departamento de Fisiologıa, Facultad de Medicina y Enfermerıa (UPV/EHU)

Resumen

Conocer la postura del tronco de los pacientesdurante las terapias de rehabilitacion, permite alterapeuta realizar un analisis mas exhaustivo desu estado de recuperacion funcional y adecuar losejercicios a sus necesidades. Sin embargo, la ma-yorıa de los robots de rehabilitacion de miembrossuperiores, no poseen la capacidad de monitorizarla postura del tronco de los usuarios. Ante esta si-tuacion, este trabajo presenta un innovador soft-ware de rehabilitacion que permite al terapeutaconocer la postura del tronco del paciente, la po-sicion de la extremidad afectada y el porcentajede movimiento realizado con el tronco. El softwarepropuesto se ha implementado en el robot de reha-bilitacion de extremidades superiores UHP. Con laintencion de evaluar su uso, se han llevado a cabodiferentes pruebas experimentales con un grupo de25 personas sanas. Los resultados muestran que elsoftware propuesto funciona correctamente al me-dir el movimiento del tronco.

Palabras clave: Rehabilitacion mediantedispositivos roboticos, rehabilitacion de ex-tremidades superiores, analisis de la postu-ra del tronco, validacion experimental.

1. INTRODUCCION

El accidente cerebrovascular o el ictus es una delas enfermedades con mayor incidencia de hoy endıa. Cada ano se diagnostican mas de 15 millonesde nuevos casos [4]. Ademas, debido al envejeci-miento global de la poblacion, se prevee que en losproximos anos se incremente el numero de perso-nas afectadas por esta enfermedad. Se estima quepara el ano 2030 el numero de ataques anualesllegue hasta los 23 millones [10].

En los ultimos anos, gracias a los nuevos protoco-los medicos y terapeuticos, se ha conseguido au-mentar la tasa de supervivencia, lo que ha incre-mentado el numero de pacientes afectados por unataque de ictus [5]. Hoy en dıa, cerca de 33 millo-nes de personas en el mundo tiene que vivir conalguna secuela debido a esta enfermedad [13], don-de la perdida de movilidad es una de las secuelas

mas frecuentes. Se estima que mas del 80 % de lospacientes afectados por ictus sufren algun deficiten su sistema motor [12].

En ausencia de un tratamiento quirurgico o far-macologico, la rehabilitacion se ha vuelto esencialpara mejorar la calidad de vida de los pacientescon movilidad reducida debido a un ictus. La reha-bilitacion de las funciones perdidas es un proce-so largo que requiere que el terapeuta diagnosti-que y trate al paciente de forma individualizaday continua [7]. Lo que genera que en los progra-mas tradicionales, el perıodo de rehabilitacion es-te restringido debido a la limitacion temporal delpersonal y los recursos economicos [14]. Debido aestas limitaciones, los programas de recuperacionconvencionales priorizan la recuperacion de las ex-tremidades inferiores con el objetivo de conseguirla autonomıa para caminar de los pacientes. Noobstante, la movilidad de los miembros superio-res es fundamental para llevar a cabo actividadesde la vida diaria, siendo su rehabilitacion funda-mental para reducir los niveles de discapacidad delpaciente. Es por ello por lo que en los ultimos anosse han propuestos diversos dispositivos roboticospara participar en la rehabilitacion de las extre-midades superiores [1, 11, 17].

Por lo general, las personas con movilidad reduci-da usan el tronco del cuerpo para compensar la fal-ta de movilidad de sus extremidades. Por ello, enterapias de rehabilitacion de las extremidades su-periores con dispositivos roboticos, es importanteconocer la postura del tronco de los pacientes [15].Por lo que la monitorizacion del movimiento deltronco durante las terapias puede proporcionar in-formacion sobre el estado de recuperacion del pa-ciente permitiendo al terapeuta adecuar los ejerci-cios a sus necesidades. Al mismo tiempo, conocerla postura del tronco previene posturas inapropia-das que pueden lesionar a los pacientes y aumentarel tiempo de recuperacion [6].

Sin embargo, la mayorıa de los robots de rehabi-litacion de miembros superiores existentes, no po-seen la capacidad de medir y monitorizar la postu-ra del tronco [2]. Los robots basados en el contactocon el elemento terminal presentan un unico pun-to de contacto con el paciente, por lo que es casi

Actas de las XXXIX Jornadas de Automática, Badajoz, 5-7 de Septiembre de 2018

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imposible conocer la postura exacta del tronco asıcomo del miembro afectado [16]. Por otro lado, losexoesqueletos permiten controlar y monitorizar laposicion de la extremidad a rehabilitar, pero noposibilitan analizar el movimiento del tronco [3].

En vista de esta situacion, este trabajo presentaun innovador software de rehabilitacion que per-mite al terapeuta conocer la postura del troncodel paciente y estimar el porcentaje de movimien-to realizado con el tronco. Este software ha sidoimplementado en el robot de rehabilitacion UHP[9] y validado con 25 usuarios sanos.

El resto del artıculo esta estructurado de la si-guiente manera. En la Seccion II se describe elsoftware para el analisis de la postura del tronco.En la Seccion III, el software propuesto se imple-menta en el robot de rehabilitacion UHP. En laseccion IV se evalua el software propuesto. Final-mente, las ideas mas importantes y los trabajosfuturos se resumen en las conclusiones.

2. SOFTWARE PARA ELANALISIS DE LA POSTURADEL TRONCO

El software propuesto para el analisis de la pos-tura del tronco tiene dos objetivos: 1) Medir y vi-sualizar la postura del tronco de los pacientes conmovilidad reducida; 2) Estimar la contribucion delcuerpo durante la terapia de rehabilitacion.

2.1. Medicion y visualizacion de lapostura del tronco

Con el fin de medir la postura del tronco, se hanagregado dos unidades de medicion inerciales oIMUs (Inertial Measurement Unit). Los sensoresIMU utilizados se encuentran incorporados en pla-cas comercializadas MPU IMU Click (MPU-6000de InvenSense), que permiten medir el angulo derotacion en los tres ejes. Para la correcta adecua-cion de los sensores IMU al cuerpo del paciente sehan fabricado dos cajas mediante impresion 3D.Estas cajas, en las cuales se han incorporado elsensor IMU, se unen a la espalda y a la parte pos-terior del brazo del usuario facilmente a traves decintas con velcro (Figura 1).

La informacion de los sensores IMUS se trata yse muestra en pantalla a traves de una interfazgrafica programada con Labview-RT de NationalInstrument. La Figura 2 muestra la interfaz grafi-ca del software propuesto que consiste en un ava-tar 3D similar al humano y cuatro graficos de losdatos procesados del sensor, cuales proporcionanuna interpretacion intuitiva al terapeuta.

Figura 1: Caja para adecuar al cuerpo la IMU.

El avatar 3D del lado izquierdo de la Figura 2reproduce el movimiento del tronco y de la extre-midad superior del usuario. Las flechas colocadasdebajo del avatar se iluminan cuando el pacientemueve el tronco mas de lo deseado. Mediante estainterfaz grafica, el paciente puede visualizar cuan-do esta utilizando el tronco mas de lo permitido ytratar de minimizar el error cometido.

Por otro lado, en el lado derecho de la Figura 2,hay cuatro graficos que indican la orientacion me-diolateral (inclinacion en el eje z) y fronto-trasera(inclinacion en el eje x) del tronco y de la extre-midad superior afectada. Con el fin de que el te-rapeuta pueda analizar la implicacion del troncodel paciente durante toda la terapia de rehabili-tacion, las mediciones de inclinacion, ademas demostrarlas en pantalla, se registran en la memoriadel ordenador.

Figura 2: Interfaz grafica para el analisis de la pos-tura del tronco.

2.2. Estimacion de la contribucion deltronco

Otra funcionalidad implementada en el softwarees proporcionar el porcentaje de la participaciondel tronco en la ejecucion de los ensayos de reha-bilitacion. Con este fin, a partir de las medicionesde los IMUS, conociendo la posicion del robot ylos rasgos fısicos de los sujetos (estatura y longi-tud del brazo), se ha estimado la posicion exacta

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del codo y del hombro. Y de esta estimacion, se haobtenido el aporte del tronco en cada movimiento.Es decir, se ha calculado el porcentaje del movi-miento ejecutado con la extremidad superior y conel tronco.

3. IMPLEMENTACION EN ELROBOT UHP

3.1. Robot de rehabilitacion UHP

El software propuesto se ha implementado en elrobot de rehabilitacion UHP (Universal HapticPantograph) [9]. Como se puede observar en laFigura 3, el UHP es un dispositivo robotico di-senado para la rehabilitacion de las extremidadessuperiores. Es decir, posibilita rehabilitar las arti-culaciones del hombro, codo y muneca. Entre losdiferentes modos de operacion que posee, en estetrabajo se ha utilizado el modo ARM que permiteal robot realizar movimientos planares, los cua-les se traducen en ejercicios de flexion/extensionde prolongacion y apertura del brazo. Esto posibi-lita realizar ejercicios de rehabilitacion asociadosa los tres movimientos del hombro (rotacion, fle-xion/extension y abduccion/adduccion) y el mo-vimiento flexion/extension del codo [8].

Modo de Operación ARM

Prolongación

Apertura

Figura 3: Robot de rehabilitacion de UHP.

El robot de rehabilitacion UHP, en el modo deoperacion ARM posee un juego de rehabilitacionque divide el area de trabajo del robot en 5 regio-nes. Como se puede observar en la Figura 4, el ejevertical del juego corresponde al movimiento deprolongacion del brazo, mientras que el movimien-to de apertura se visualiza en el eje horizontal.

En el juego, el paciente debe mover el robot desdeel punto de origen (PIni) hasta el extremo de laregion deseada resaltada en rojo, y volver al puntode origen. Una vez regresado al punto de origen,el juego activa otra nueva region aleatoriamente,y el paciente debe repetir el proceso hasta finali-zar el tiempo de entrenamiento seleccionado porel terapeuta.

1

23

4

5

Prolongación

Apertura

PIni

Figura 4: Juego de rehabilitacion implementadoen el robot UHP.

3.2. Diseno de los ensayos de evaluacion

Con el fin de evaluar el software propuesto, se hanejecutado diferentes ensayos con 25 personas sa-nas y el robot de rehabilitacion UHP. Para unaevaluacion correcta, el rango de movimiento deljuego de rehabilitacion ha sido adaptado a las ca-racterısticas fısicas de cada participante. Ademas,se ha utilizado el mismo orden de activacion deregiones para todos los usuarios.

En la ejecucion de estos ensayos, con la intencionde generar un entorno realista, se ha tratado desimular a pacientes con movilidad reducida. Coneste objetivo, se ha limitado la movilidad de lasdos articulaciones que se ejercen en el modo deoperacion ARM, es decir, se ha restringido el mo-vimiento del codo y del hombro. Con el fin de redu-cir el movimiento del codo se ha utilizado una co-dera que consta de una serie de sujeciones que res-tringen el movimiento de extension del codo. Porotro lado, el movimiento del hombro se ha limita-do mediante una cinta que ha rodeado el cuerpodel participante sujetando los dos hombros contrael tronco (Figura 5). Por lo que cada participanteha realizado tres tipos de ensayos de evaluacion:sin restricciones fısicas, con restriccion del movi-miento del codo y con restriccion del movimientodel hombro.

Figura 5: Restricciones fısicas del movimiento delcodo y del hombro.

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Por otro lado, se ha considerado que el respaldo dela silla puede repercutir en la posicion del troncodel usuario durante la ejecucion de los ejercicios derehabilitacion. Por ello, los ensayos definidos (sinrestricciones fısicas, con restriccion del movimien-to del codo y con restriccion del movimiento delhombro), se han repetido sin y con respaldo de lasilla.

Por ultimo, antes de proceder a la ejecucion delos ensayos de evaluacion con personas, de acuer-do con la normativa de etica del Real Decreto1716/2011, se ha generado un protocolo de actua-cion. En este protocolo se establece que en la eje-cucion de los ensayos de evaluacion estaran presen-tes un tecnico que supervise el dispositivo roboti-co y un fisioterapeuta que se ocupe de comprobarque el participante realice los ejercicios de formaadecuada y segura. De esta forma, se garantiza lacorrecta ejecucion de los ensayos de evaluacion.

Antes de comenzar los ensayos de evaluacion, a losparticipantes se les ha proporcionado un documen-to que describe las pruebas que se llevaran a cabo.Asimismo, se les ha pedido que firmen una hojade consentimiento en el que han otorgado permi-so por escrito para el uso de los datos obtenidoscon fines cientıficos. Finalmente, con el objetivode detectar aspectos de mejora, al finalizar los en-sayos de evaluacion, se les ha realizado un brevecuestionario de satisfaccion del uso del dispositivorobotico.

4. ANALISIS Y DISCUSION DELOS RESULTADOS

Una vez ejecutados los ensayos de evaluacion, acontinuacion se analizan los resultados obtenidosa traves del software desarrollado para el analisisde la postura del tronco. En este analisis se han te-nido en cuenta los dos objetivos planteados por losfisioterapeutas de este tipo de terapias: 1) Anali-sis de la postura del tronco de los participantes;2) Analisis de la contribucion del tronco.

4.1. Analisis de la postura del tronco

Con la intencion de analizar la postura del tron-co de los participantes durante la ejecucion de losensayos de evaluacion, se analiza la inclinacion deltronco de los participantes en la orientacion me-diolateral (eje z) y en la fronto-trasera (eje x). Enla Figura 6 se puede observar la inclinacion delcuerpo del Participante A con y sin restriccionesy con el respaldo de la silla. En azul se observa elrango de inclinacion sin restricciones; en rojo conla restriccion del codo y en verde con la restricciondel hombro.

Figura 6: Inclinacion del Participante A con res-paldo y con y sin restricciones fısicas.

Como se puede observar en la Figura 6 y en elresto de ensayos ejecutados con los 25 participan-tes, los usuarios no han sido capaces de mantenersu postura del tronco constante. Por ejemplo, sinrestricciones, el Participante A se ha inclinado ±5grados en el eje z (mediorateral) y ±3 grados enel eje x (fronto-trasera), mientras que con la res-triccion del codo la inclinacion maxima ha sido de±7 grados.

Ademas, hay que considerar que estas pruebas sehan llevado a cabo con personas sanas, que poseenmas capacidad de control del movimiento que lospacientes con movilidad reducida debido a un ata-que de ictus. Por lo que se confirma la necesidad demonitorizar la postura adoptada por los pacientesdurante las terapias de rehabilitacion de miembrossuperiores mediante dispositivos roboticos.

4.2. Analisis de la contribucion del tronco

Con el fin de evaluar la necesidad de estimar lacontribucion del tronco en terapias de rehabilita-cion, se ha estimado el porcentaje de movimientoejecutado con el tronco por los 25 participantescon y sin restricciones fısicas (Figura 5). Pero an-tes de realizar este analisis, con la intencion de ob-servar que las restricciones disenadas limitan ade-cuadamente el rango de movimiento de la extre-midad superior de los participantes e identificarlas regiones en los cuales su repercusion es ma-yor, se observan los movimientos generados porlos participantes con las restricciones del codo ydel hombro. En la Figura 7 se muestran los movi-mientos realizados por el Participante A. En azulde muestra el alcance del participante sin restric-ciones, mientras que el verde es el movimiento rea-lizado por el usuario durante el ensayo de evalua-cion.

Como se puede observar en la Figura 7 y en el res-to de ensayos ejecutados con los 25 participantes,el efecto de las restricciones fısicas ha sido mayoren las regiones 1 y 2 del juego de rehabilitacion

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Figura 7: Movimientos ejecutados por el Partici-pante A con las restricciones del codo y del hom-bro.

(Figura 4). En estas regiones, debido a las restric-ciones de movimiento, el Participante A no ha sidocapaz de llegar ni a la mitad de su amplitud real,mientras que en el resto de regiones ha sido capazde alcanzar el punto mas alejado. Por ello, con elfin de analizar el aporte del tronco durante la eje-cucion de los ensayos, se ha estimado el porcentajedel movimiento realizado con el tronco del cuerpoen esas dos regiones.

En la Tabla 1 se muestra la media del porcenta-je del movimiento ejecutado con el tronco en lasregiones 1 y 2 del juego de rehabilitacion (Figura4).

Cuadro 1: Porcentaje del movimiento realizadocon el tronco del cuerpo.

Ensayo Region 1 Region 2Restriccion Respaldo

No Si 3 % 8 %No No 14 % 7 %

Codo Si 27 % 15 %Codo No 36 % 18 %

Hombro Si 30 % 7 %Hombro No 38 % 13 %

Como se detalla en la Tabla 1, sin restricciones delmovimiento, los valores obtenidos han sido meno-res del 15 %, lo que significa que la mayor parte delmovimiento se ha ejecutado con la extremidad su-perior. No obstante, al colocar las restricciones, elporcentaje aumenta notablemente, indicando quelos usuarios han utilizado el movimiento del tron-co para ejecutar la trayectoria. Lo que confirmala hipotesis inicial la cual afirma que los pacien-tes con movilidad reducida tienden a inclinar elcuerpo para ayudar al movimiento del miembrosuperior.

Por otro lado, se observa que el aporte del cuer-po se ha disminuido al introducir el respaldo de lasilla. Sin embargo, los participantes han seguidoutilizando el tronco para compensar la limitacion

del movimiento de la extremidad. Por lo tanto, seconcluye que un asiento con un respaldo adecua-do ayuda a mejorar la posicion del tronco de losusuarios, pero no garantiza una posicion del tron-co adecuada durante la rehabilitacion.

Por lo tanto, se verifica la necesidad de conocer elaporte del tronco para asegurar que los pacientesrealizan los ejercicios de rehabilitacion de formaadecuada y segura.

5. CONCLUSIONES

En este trabajo, se ha desarrollado un nuevo soft-ware de rehabilitacion con capacidad de medir lainclinacion del tronco y de la extremidad supe-rior del paciente durante la terapia de rehabilita-cion mediante un dispositivo robotico. El objeti-vo del software desarrollado es proporcionar unavisualizacion intuitiva del movimiento del troncodel usuario. Esto le permite al paciente minimi-zar el error realizado, mientras que el terapeutapuede analizar su comportamiento. Adicionalmen-te, el software desarrollado estima la contribuciondel tronco durante la terapia de entrenamiento.Esta estimacion brinda al terapeuta una informa-cion objetiva que le permite realizar un diagnosti-co preciso, ajustar en consecuencia la terapia ymonitorizar la evolucion en base a datos cuantita-tivos.

El enfoque desarrollado se ha implementado en elrobot de rehabilitacion UHP y se ha evaluado rea-lizando diferentes ensayos con 25 personas sanas.Los resultados indican que monitorizar el movi-miento del tronco es importante para una reha-bilitacion exitosa, al mismo tiempo que muestraque el software propuesto funciona correctamenteal medir el movimiento del tronco.

Una vez evaluado el software desarrollado con per-sonas sanas que han simulado a usuarios con res-tricciones de movimiento, en trabajos futuros sepretende evaluar el rendimiento del software conpacientes con deficit motor debido a un ataque deıctus.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido parcialmente financiado porel Ministerio de Economıa y Competitividad MI-NECO & FEDER en el marco del proyecto DPI-2017-82694-R, ası como por el proyecto IT914-16del Gobierno Vasco, el proyecto PPG17/56 de laUPV/EHU y por Euskampus Fundazioa.

Ademas, los autores desean expresar su agradeci-miento al centro de investigacion Tecnalia por sucolaboracion y por prestar su robot de rehabilita-cion Universal Haptic Pantograph.

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English summary

ANALYSIS OF THE TRUNKPOSTURE IN ROBOT MEDIATEDREHABILITATION

Abstract

The knowledge of the trunk posture of pa-tients with reduced mobility during reha-bilitation therapies, allows better analysisof their recovery state and decrease therecovery times. However, most of upperlimb rehabilitation robots are not capable tomeasure the posture of the trunk. In viewof this situation, this work presents an in-novate rehabilitation software that allowsto therapist to know trunk and affectedlimb postures of the patient and estima-te the percentage of movement performedwith the trunk. The proposed software hasbeen implemented in the UHP upper limbrehabilitation robot. Different experimentaltests have been carried out with a group of25 healthy people to demonstrate the vali-dity of the approach. The results show thatthe proposed software performs correctlywhen measuring trunk movement.

Keywords: Robot mediated rehabi-litation, upper limb rehabilitation,trunk posture analysis, experimentalvalidation.

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