Valoracion articular del miembro superior empleando eldispositivo robotico PUPArm mediante un algoritmo de

reconstruccion cinematica

S. Ezquerro, I. Delegido, Arturo Bertomeu-Motos, J. Dıez, Francisco J. Badesa, N. Garcia-AracilUniversidad Miguel Hernandez, Elche (Alicante) 03202,

{sezquerro, abertomeu, jdiez, fbadesa, nicolas.garcia}@umh.es, irene.delegido@goumh.umh.es

Resumen

Introduccion. El deterioro de la funcion motoraen las extremidades superiores puede ser causa-do por diferentes factores generando importantesproblemas en la persona que lo padece. La roboticaaplicada a la rehabilitacion, llevada a cabo siemprebajo la supervision de terapeutas, pretende ofrecersoluciones en aquellos aspectos en los que el hom-bre posee alguna limitacion. La robotica nos per-mite, mediante dispositivos no invasivos como losacelerometros, medir y registrar de forma continuala posicion del brazo del paciente. Esto nos pro-porciona las medidas objetivas cuantitativas nece-sarias para obtener una evaluacion sensorial inte-gral inmediata. Objetivos. Obtener datos cuanti-tativos y objetivos de los movimientos de los ran-gos articulares a traves de un dispositivo magne-toinercial. Material y Metodos. En este ensayoclınico aleatorizado se tomo como muestra alea-toria, un total de 51 sujetos (29 hombres y 22mujeres) que participaron de manera voluntaria.Se excluyeron sujetos menores de 18 anos, perso-nas que padecieran alguna patologıa de miembrosuperior y personas zurdas debido a la colocacionde las camaras para la validacion de dicho algo-ritmo, no formando parte de este artıculo. Ca-da sujeto realizaba 4 ruletas (dos personalizadasy dos estandar) con un total de 96 movimientos.Resultados. Tras el analisis estadıstico se obtuvie-ron datos relevantes y significativos en referenciaa los objetivos planteados al inicio del presente es-tudio. Conclusiones. Los dispositivos roboticosnos ofrecen ademas de una terapia segura y eficaz,una herramienta de valoracion indispensable parael seguimiento exhaustivo del paciente, proporcio-nando datos objetivos sobre su evolucion.

Palabras clave: Rehabilitacion robotica, fisiote-rapia robotica, goniometrıa, valoracion articular,robot planar

1. INTRODUCCION

El deterioro de la funcion motora de las extremi-dades superiores puede ser causado por diferentesfactores generando importantes problemas en la

persona que los padecen [1]. La rehabilitacion eneste aspecto, permite mejorar la funcion motoray propioceptiva, reduciendo ası la discapacidad ymejorando la calidad de vida del paciente propor-cionandole una mayor independencia en las acti-vidades de la vida diaria (AVD) [2, 3, 4].

En este aspecto, la robotica aplicada a la rehabi-litacion se lleva a cabo siempre bajo la supervi-sion de terapeutas y pretende ofrecer solucionesen aquellos aspectos en los que el hombre poseealguna limitacion [5]. Esta, es segura y esta bientolerada, generando ası un impacto positivo en elpaciente mejorando la capacidad motora del brazo[6, 7].

Una gran ventaja de los sistemas roboticos respec-to a las terapias convencionales, es la posibilidadde llevar a cabo un gran numero de repeticionesde un mismo movimiento y la informacion extraıdade los mismo durante la terapia [8]. Esto provocaun aumento de la intensidad de la terapia al per-mitirnos realizar tareas repetitivas en condicionesidenticas, ası como proporcionar estimulacion neu-rosensorial y retroalimentacion visual que incre-menta la motivacion y control motor del paciente[9, 10, 11]. No hay que olvidar que los sistemasde rehabilitacion robotica no pueden sustituir, enningun caso, al personal sanitario encargado de larehabilitacion, ya que son estos profesionales losque tienen la capacidad de evaluar y decidir eltratamiento mas idoneo de cada paciente.

La robotica en este caso aporta informacion ob-jetiva sobre el paciente con el fin de obtener undiagnostico mas preciso y beneficioso para este,evitando tareas arduamente repetitivas al terapeu-ta. Ademas, cabe tener en cuenta que los ejerciciosrealizados por el sistema robotico suelen ser bas-tante especıficos y concretos por lo que en combi-nacion con la terapia convencional se debe guiaral paciente hacia la recuperacion completa de susactividades de la vida diaria. Es por tanto, la com-binacion de ambas terapias, la que proporciona untratamiento mas eficaz y una mejor recuperaciondel paciente [7, 12].

Para realizar un tratamiento completo es necesariauna evaluacion detallada de los deficits sensorio-

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motores. Las valoraciones articulares son usadaspor el personal rehabilitador para cuantificar laslimitaciones de movimiento y decidir el tratamien-to adecuado. Hasta la fecha, la goniometrıa consti-tuye la principal herramienta de exploracion de losrangos de movilidad y tiene en cuenta: la posiciondel paciente y la del examinador, la determina-cion del tope final, la correcta colocacion del go-niometro y la realizacion del movimiento [13]. Porconsiguiente, este metodo es dependiente del ex-plorador, disminuyendo ası la fiabilidad entre ob-servadores y cuestionando su validez y sensibilidad[14, 15]. A pesar de esto, son consideradas comolas mediciones mas objetivas y son por lo tanto,las mas usadas en el ambito rehabilitador [13, 16]

Por otro lado, la robotica nos permite a traves dedispositivos magnetoinerciales medir y registrar deforma continua la posicion del brazo del paciente[17]. Esto nos proporciona las medidas objetivascuantitativas necesarias para obtener una evalua-cion sensorial integral inmediata, que nos deter-mina la eficacia del tratamiento, sin depender delobservador incrementando ası su fiabilidad y vali-dez [10, 17, 18, 19].

2. MATERIALES Y METODOS

Para este ensayo clınico se tomo como muestraaleatoria, un total de 51 sujetos (29 hombres y 22mujeres), de edades comprendidas entre los 20 ylos 72 anos (46 ± 26 anos de media), que partici-paron de manera voluntaria en el estudio despuesde haber leıdo, comprendido y firmado el consen-timiento informado. Se establecieron los siguientescriterios de exclusion: sujetos menores de 18 anos,padecer alguna patologıa en el miembro superiorque no le permitiese el rango de movilidad libre,ser zurdos, puesto que este estudio tambien sir-vio para la validacion del algoritmo mediante unascamaras colocadas a la derecha. Y por ultimo, queno posean el nivel cognitivo suficiente para poderrealizar la actividad con exito.

Una vez establecidos dichos criterios se establecie-ron las siguientes variables de estudio: lado domi-nante y longitudes de brazo y antebrazo ası comolos grados obtenidos en cada uno de los movimien-tos realizados por la persona voluntaria en cadaruleta.

2.1. DISPOSITIVO ROBOTICO

El dispositivo robotico utilizado para el estudio setrata del robot PUPArm desarrollado en la Uni-versidad Miguel Hernandez de Elche por el gru-po de investigacion de Neuroingenierıa Biomedica(nBio). Se trata de un dispositivo planar, actua-do por motores neumaticos, que trabaja en dos

dimensiones y nos permite la rehabilitacion neu-romuscular de miembros superiores. Es un sistemade barras articuladas en estructura de paralelogra-mo de dos grados de libertad activos y un gradode libertad pasivo. Los grados de libertad activosposicionan la posicion del efector final en el planoX e Y dentro del espacio de trabajo. Mientras queel grado de libertad pasivo, permite el libre mo-vimiento del antebrazo del paciente. Posee bajaimpedancia mecanica lo que permite mover al ro-bot facilmente desde el efector final, permitiendoal paciente realizar movimientos libres en el planohorizontal. En dichos movimientos el robot pue-de asistir, resistir o perturbar el movimiento. Elefector final del robot esta disenado para ajustar-se a las caracterısticas del paciente, permitiendoun agarre comodo y firme.

Su principal aplicacion se basa en la neurorehabili-tacion por medio de la interaccion sujeto-maquinaen tiempo real. Ademas nos permite almacenar di-versos parametros como son: posicion, velocidad yfuerzas aplicadas para una mejor evaluacion delpaciente [19, 20].

2.2. TAREA EXPERIMENTAL

La actividad que se llevo a cabo se diseno con unsoftware de realidad virtual, desarrollado por elgrupo nBio de la Universidad Miguel Hernandezpara la rehabilitacion del miembro superior. Dichatarea fue monitorizada por el dispositivo roboticoPUPArm, el cual, como se ha senalado en el apar-tado anterior, permite unicamente movimientos enel plano horizontal permitiendo el movimiento enla articulacion del hombro y del codo (Figura 1).En esta ocasion se configuro el dispositivo en mo-do pasivo, de forma que no ejerce ninguna fuerzahacia el paciente.

La tarea que se llevo a cabo se trata de una ruleta3D (vease Figura 2), la cual consta de 8 movimien-tos consecutivos en sentido de las agujas del reloj.Cada ruleta se repetıa 3 veces, con un total de 24movimientos. Para realizar el estudio con exito,cada sujeto realizaba 4 ruletas, por lo que, al finalde la prueba, el total de movimientos fue de 96.Ademas, antes de empezar contabamos con unaruleta de prueba de 4 movimientos aleatorios paraque el sujeto se familiarizara con la actividad.

El objetivo de dicha actividad consistıa en moverel brazo robotico desde el punto central (posicionde inicio) hasta alcanzar un punto en la periferiay volver al centro. De esta manera, el individuorecibıa retroalimentacion visual de la posicion delefector final con una llave inglesa virtual. El ob-jetivo a alcanzar situado en el perımetro es unacaja, la cual debıa ser trasladada hasta el centrode la ruleta iluminada de verde.

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Figura 1: Usuario realizando el ensayo clınico conel robot PUPArm.

Figura 2: Interfaz visual en forma de ruleta tridi-mensional.

2.2.1. Procedimiento

En primer lugar, se realizo una medicion con unacinta metrica de la longitud de los segmentos delantebrazo y el brazo del sujeto. El sujeto se co-loco en bipedestacion con las extremidades supe-riores relajadas a lo largo del cuerpo de maneraque la palma de la mano quede en direccion haciasu pierna. Siguiendo los diferentes puntos oseos dereferencia:

La longitud del brazo se mide desde la caralateral del acromion hasta la cabeza proximaldel radio (situada en la articulacion del codo).

La longitud del antebrazo se mide desde lacabeza proximal del radio hasta la estiloidesradial (parte mas distal del radio) [21].

Una vez realizado esto, se colocaba al paciente enuna silla fija, dispuesta de tal manera que el efec-tor final del PUPArm quedara en el centro de lapantalla. Los sujetos debıan adoptar una posturacomoda y erguida sin ejercer tension, manteniendoası el maximo equilibrio musculoesqueletico. Parafacilitar dicho equilibrio, la espalda se encontra-ba apoyada en el respaldo, la mano izquierda, noempleada en el ejercicio, reposaba sobre el mus-lo homolateral y los pies apoyados en el suelo. La

mano derecha, se colocaba en el efector final, demanera que la muneca quede en pronosupinacionneutra, el codo en flexion de 90 grados y el hombroen abduccion de 30 grados (posicion inicial).

A la altura del trıceps, se coloco el dispositivo“Shimmer, el cual envıa la informacion necesariapara la realizacion de la reconstruccion cinemati-ca del brazo del paciente. Posteriormente se colo-caron una serie de dispositivos necesarios para lavalidacion del algoritmo en la articulacion de lamuneca, codo y hombro.

Una vez llevado a cabo dicho protocolo, se proce-dio a realizar la actividad propuesta para el estu-dio que se divide en dos partes. La primera partedel estudio consistio en la captura de los gradosarticulares a traves de un algoritmo que permitela reconstruccion cinematica del brazo humano.Dicho algoritmo utiliza un dispositivo magneto-inercial desarrollado por “Shimmer” mediante elcual se obtiene, de forma aislada, datos del ace-lerometro. Con esto se pretende realizar un estu-dio de rangos articulares del miembro superior quenos permitira realizar una evaluacion clınica masexhaustiva del paciente. Para llevar a cabo la ac-tividad, el sujeto mantenıa la espalda apoyada enel respaldo de la silla y realizaba el movimientounicamente con el miembro superior derecho. Conel objetivo de que el sujeto realice el mayor movi-miento articular, evitando una compensacion conel tronco, se personalizo la actividad. Para deter-minar el radio de la ruleta se tuvieron en cuenta lasmedidas antropometricas del miembro superior, elangulo de inclinacion de la ortesis del efector final(β = 6o) y el angulo maximo del movimiento deextension del hombro puro que se puede alcan-zar. Tras varias mediciones con un goniometro adistintos sujetos, se determino dicha extension deα = 60◦.

Figura 3: Representacion grafica de la distanciamaxima que puede alcanzar el sujeto sin despla-zamiento de hombro.

Una vez obtenido dmax (ver Figura 3), y sabiendoque la distancia entre el hombro y el punto masalejado de la ruleta, el cual permanece fijo para eldiseno de cada ruleta, es de 21 cm, el radio de laruleta es obtenido mediante la siguiente ecuacion:

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r =(sin(α) · lb + cos(β) · la)− 21

2(1)

donde lb es la longitud del brazo y lala longituddel antebrazo.

En la segunda parte del estudio se analiza elcomportamiento del algoritmo a la compensaciondel movimiento del miembro superior mediante eltronco. Esto se realiza con objetivo de conocer larespuesta del algoritmo a esta conducta y poderimplementarlo en la rehabilitacion y valoracion depacientes con afectaciones motoras en miembro su-perior. Para lograr esto, se le dijo al sujeto queacompanase el movimiento del brazo con el cuerpopara obligarle a realizar la compensacion deseada.

Para la facilitacion de la captura y tratamientode los datos, el ingeniero encargado del algorit-mo, diseno un software con diferentes interfaces,lo cual, ha permitido minimizar el tiempo de en-sayo y poderse realizar de una manera sencilla ytransparente al fisioterapeuta. En la Figura 4 semuestra la interfaz de recogida de datos y en laFigura 5 se puede observar interfaz disenada parael tratamiento de los mismos.

Figura 4: Interfaz para la recogida de datos.

Figura 5: Interfaz para el tratamiento de los datoscapturados

2.3. VARIABLES DE ESTUDIO

Para realizar el estudio y analizar los datos se tu-vieron en cuenta las siguientes variables: clasifica-cion de la muestra segun edad y sexo; lado domi-nante y longitudes de brazo y antebrazo ası comolos grados obtenidos en cada uno de los movimien-tos realizados por la persona voluntaria en cadaruleta.

3. RESULTADOS Y DISCUSION

El primer objetivo que se plantea en este estu-dio consiste en establecer una tabla que recoja losgrados articulares maximos del miembro superiorque nos permita realizar una valoracion objetivamediante los dispositivos roboticos planares.

Los datos que se muestran en la Tabla 1, reflejanlos grados articulares maximos que se han obteni-do por cada movimiento, en la ruleta personaliza-da sin compensacion teniendo en cuenta toda lapoblacion de estudio (N = 51).

Cuadro 1: Maxima amplitud de movimiento por,al menos, un sujeto por cada movimiento articular.

Movimiento articular Amplitud [deg]

Abduccion hombro 60.2Aduccion hombro 18.1Flexion hombro 45.1

Extension hombro 57.7Rotacion externa 43.3Rotacion interna 68.6

Flexion codo 55.5Extension codo 44.7

Supinacion antebrazo 59.5Pronacion antebrazo 4.1

Debido a las caracterısticas de movimiento quepresentan los dispositivos planares y a la posicioninicial del paciente (30o de abduccion de hombro,90o de flexion de codo y pronospinacion neutra),los grados que se reflejan en esta tabla son menoresque en otras valoraciones articulares. Este efectose ve reflejado sobre todo en la flexion de hombro,limitada por la falta de libertad articular. Estemovimiento puesto que no supera los 60o, se reali-za solo con la articulacion glenohumeral sin ayudadel resto de articulaciones del complejo humeral[22]. Observamos tambien que los grados articu-lares de la aduccion de hombro son pequenos yaque para llegar a los objetivos que implican estemovimiento, los sujetos compensan con rotacioninterna de hombro el cual alcanza un valor eleva-do tal y como se ve reflejado en la tabla.

En estos dispositivos, la pronacion siempresera menor que la supinacion porque, igual que en

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la aduccion, se compensa con una rotacion internapara llegar al objetivo. Teniendo en cuenta que elagarre del efector final es fijo, el movimiento depronosupinacion se realiza solo con la articulacionradio-cubital proximal manteniendo fija la radio-cubital distal.

El analisis del segundo objetivo se ha realizado apartir de dos tablas (Tabla 2 y Tabla 3) y un dia-grama de cajas (Figura 6). Ambas tablas se hanrealizado con los datos de la poblacion total es-tudiada (N = 51) y muestran el rango articularcompleto. La Tabla 2 muestra los rangos articula-res sin compensacion, mientras que en la Tabla 3se exponen los rangos articulares con compensa-cion. Los datos de ambas tablas nos permiten ob-servar la media y la desviacion tıpica para cadamovimiento articular.

Cuadro 2: Rangos articulares sin compensacion.Hombro

Abd/Add Flex/Ext RotMedia 27.6 46.4 52.9

Desv. Tıpica 12.3 9.8 12.7

Codo AntebrazoFlex/ext Prono/Supino

Media 41.7 13.8Desv. Tıpica 10.5 5.7

Cuadro 3: Rangos articulares con compensacion.Hombro

Abd/Add Flex/Ext RotMedia 22 33.5 37.7

Desv. Tıpica 12.8 11.9 14.1

Codo AntebrazoFlex/ext Prono/Supino

Media 29.1 15.7Desv. Tıpica 11.5 7.7

Analizando los datos, podemos destacar que lamedia y la desviacion tıpica guardan una relacioninversa. Esto es debido a que al realizar una com-pensacion con el tronco, los rangos articulares sonmenores, puesto que la articulacion se mueve enmenor rango, por lo que la media en todos los mo-vimientos se ve disminuida, la desviacion tıpica,en cambio, es mayor porque los valores se alejanmas de la media debido a que esta compensacionno estaba controlada.

La Figura 6, se observan dos diagramas de cajasque muestran los grados articulares en funcion delmovimiento realizado para los ejercicios sin com-pensacion y con compensacion, donde:

Articulacion 1: Abduccion/Adduccion del

hombro.

Articulacion 2: Flexion/Extension del hom-bro.

Articulacion 3: Rotacion interna/externa delhombro.

Articulacion 4: Flexion/Extension del codo.

Articulacion 5: Pronacion/Supinacion del an-tebrazo.

Podemos observar que la mayorıa de la poblacionestudiada se concentra alrededor de la mediana decada movimiento habiendo un mınimo de sujetosque nos proporcionan valores atıpicos. Al compa-rar ambos diagramas observamos que, como he-mos mencionado anteriormente, cuando se realizauna compensacion con el tronco los grados articu-lares son menores.

Articulación 1 Articulación 2 Articulación 3

Articulación 4 Articulación 5

Figura 6: Diagrama de cajas del ejercicio sin com-pensacion (arriba) y del ejercicio con compensa-cion (abajo)

Teniendo en cuenta los resultados obtenidos pode-mos decir que la robotica no solo basa su eficaciaen el tratamiento sino tambien en la capacidad deobtener datos objetivos que nos permitan realizarde forma inmediata, una valoracion y un segui-miento del paciente. Ademas la rehabilitacion bus-ca el tratamiento personalizado mas idoneo para

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cada paciente, con este estudio se muestra que, larobotica, al igual que las tecnicas convencionalesde rehabilitacion, tambien puede proporcionarnosactividades personalizadas que nos ayuden a al-canzar el maximo beneficio para el paciente.

4. CONCLUSION

Tras el analisis de los datos se puede concluir quelos dispositivos roboticos nos ofrecen, ademas deuna terapia segura y eficaz, una herramienta devaloracion indispensable para el seguimiento ex-haustivo del paciente, proporcionando datos obje-tivos sobre su evolucion. La incorporacion de estealgoritmo en estos dispositivos nos permite eva-luar la mejora del movimiento articular y detectarposibles compensaciones con el tronco durante larealizacion del ejercicio, siendo de gran ayuda enpacientes con afectaciones neurologicas. Ası pues,ademas de una buena valoracion, un tratamientopersonalizado que se adapte a cada paciente, nospermite alcanzar la maxima mejora, influenciandoen su calidad de vida.

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