Pregrado en Ingeniería Biomédica
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Examinando Pregrado en Ingeniería Biomédica por Materia "Dispositivos terapéuticos"
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Diseño de un actuador neumático para rehabilitación de mano humana. Proyecto PrExHand(2019) Peñas Arteaga, Mónica Andrea; Múnera Ramirez, Marcela Cristina; Cifuentes García, Carlos AndrésDentro del marco del proyecto PrExHand, nombre que recibe un convenio de cooperación entre la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito y el University College London, se desarrolló ésta investigación orientada a diseñar y elaborar un prototipo de un actuador neumático bio-inspirado en el dedo índice de la mano, que emule funcionalmente su movimiento de flexión. El diseño de este actuador está orientado a la creación de exoesqueletos basados en robótica suave para contribuir al restablecimiento del bienestar de personas que sufren discapacidades como consecuencia de accidentes cerebro vasculares o amputaciones de sus extremidades superiores. Con tal propósito se implementó la siguiente metodología: (i) se estableció un modelo de diseño que concluyó en dos prototipos resultantes; (ii); se determinó y aplicó un procedimiento para la manufactura de los dos tipos de materiales implementados (elastómeros y textiles);(iii) se realizó una serie de pruebas preliminares para evaluar el desempeño y las propiedades mecánicas del actuador, a razón de analizar qué repercusiones se tendrían según el prototipo; y por último;(iv) se compararon los resultados frente al movimiento y la capacidad de fuerza en cada actuador. Como conclusión se determinó que el prototipo elaborado con elastómeros presenta resultados potenciales en relación a la capacidad de fuerza y orientación del movimiento, que son características adecuadas para ser aplicadas tanto en una prótesis, como en una órtesis de mano. Por otro lado, en cuanto a los actuadores textiles, fue posible concluir que cumplen con los requerimientos de desempeño que se buscaban al inicio de este trabajo. Se determinó también que este tipo de actuador seria idóneo en el desarrollo de dispositivos vestibles tales como los guantes de asistencia. Sin embargo, cabe resaltar que para las interfaces basadas en material textil se deben agregar soportes a través de módulos adicionales que aumenten la rigidez y el volumen, con el fin de desarrollar prótesis de asistencia más seguras e integrales para los usuarios. Si bien se concluyó que los actuadores funcionaban, se debe continuar el proyecto con tareas futuras que complementen esta investigación a partir de la validación de los prototipos para posteriormente ser aplicados en el exoesqueleto de mano PrExHand. - ÍtemAcceso AbiertoDiseño de un estudio experimental para rehabilitación de rodilla con exoesqueleto activo(2019) Baquero Duarte, Karen Catalina; Cifuentes García, Carlos Andrés; Múnera Ramirez, Marcela CristinaLa humanidad ha desarrollado a través del tiempo diferentes formas de rehabilitación según la necesidad que tenga cada persona y según qué parte del cuerpo humano fue afectada. El grupo de investigación Gibiome y el semillero de ingeniería de rehabilitación de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito está desarrollando diferentes investigaciones alrededor de un exoesqueleto activo de miembro inferior, el cual está diseñado para hacer parte de una plataforma de robótica ajustable para rehabilitación de marcha y asistencia (AGoRA). El exoesqueleto fue diseñado como una manera de rehabilitación para pacientes que hayan sufrido de un accidente cerebrovascular (ACV). Consta con 6 grados de libertad y está hecho en su mayor parte en duraluminio, además posee sensores y actuadores. Actualmente se están desarrollando tres estudios para observar la eficacia del exoesqueleto en la terapia física. Para ello se están desarrollando varias terapias para pacientes que hayan sufrido de un ACV. Una de ellas está enfocada en la rehabilitación de rodilla con exoesqueleto activo mientras el paciente está en estado estacionario, el cual consiste en ejercicios de flexión y extensión de la rodilla con asistencia del exoesqueleto mientras el paciente está sentado. Otra de estas terapias también está enfocada en la rehabilitación de rodilla, pero en marcha, donde el paciente usará el exoesqueleto en diferentes modos (transparencia y asistencia), mientras camina en una banda sin fin, este también se realiza en pacientes sanos con el fin de observar que el exoesqueleto no afecta los patrones normales de marcha. El anterior estudio se desarrolla también, con personas sanas. Estos estudios tienen unos indicadores como: activación muscular (EMG) relacionada con las actividades realizadas en la terapia, patrones de marcha, nivel de espasticidad según la escala de Ashworth (En dado caso de que sean participantes patológicos). En este trabajo, cada protocolo se planteó basados en el estado del arte de estudios anteriores los cuales realizaron terapias con exoesqueleto de miembro inferior y tenían indicadores para demostrar la influencia del exoesqueleto. En cada uno de estos estudios se realizaron encuestas de satisfacción, ya que la opinión del usuario es bastante importante y definitiva para identificar las ventajas y desventajas de cada estudio, y para obtener una realimentación donde se tomarán en cuenta los resultados de las encuestas para enfocarse en los puntos a mejorar. También se espera que a medida de que avancen las sesiones de terapia se vean mejoras en el paciente reflejadas en los resultados de patrones de marcha y que se vean reducidos los niveles de espasticidad. En el marco de este proyecto solo se puso a prueba el protocolo de marcha en sujetos sanos, se realizó a seis voluntarios masculinos, en ese caso se tenían indicadores como la actividad muscular (EMG), parámetros espacio temporales como cadencia, velocidad de marcha y longitud de zancada, también los parámetros cinemáticos, que se obtuvieron gracias al exoesqueleto y las encuestas de satisfacción que los voluntarios respondieron luego de hacer uso del exoesqueleto. En cuanto al EMG se observó que en modo transparencia existe mayor amplitud, es decir donde mayor actividad muscular existe inclusive mayor que en modo asistencia, y los parámetros espacio temporales disminuyeron con respecto a la marcha normal, todo esto se puede dar ya que la relación del reductor del motor es de una relación 1600:1, lo que quiere decir que es más difícil mover el exoesqueleto cuando no está en asistencia, esto puede compensarse con los valores de control de cada motor. También se determinó que el exoesqueleto en modo asistencia mejora algunos parámetros de la marcha en comparación al modo transparencia, pero no se observan mejorías con respecto a la marcha normal, lo cual nos indica que si hay un nivel de asistencia, pero no es el suficiente para una persona sana.
- ÍtemAcceso AbiertoDiseño y evaluación ergonómica de interfaces físicas para la órtesis robótica de tobillo (T-FLEX) a través de la integración de superficies blandas(2019) Rodríguez García, Nicolás; Múnera Ramirez, Marcela Cristina; Cifuentes García, Carlos AndrésDurante las últimas dos décadas se han desarrollado diversas órtesis y exoesqueletos con el fin de mejorar los patrones de marcha de las personas afectadas por enfermedades relacionadas al accidente cerebro vascular (ACV), un accidente cerebrovascular sucede cuando el flujo de sangre a una parte del cerebro se detiene. La órtesis activa T-Flex está enfocada en la rehabilitación de tobillo, y esta dirigida a personas que tengan una patología que limite la movilidad de esta articulación, como lo son el accidente cerebrovascular, parálisis cerebral o lesiones de medula. Para esto el T-Flex cuenta con dos modos de funcionamiento, ; (1) el modo de terapia donde el usuario esta sentado y el T-Flex realiza movimientos de dorsiflexión y plantarflexión a la velocidad y grado de movimiento que se requiera; (2) el modo de marcha, donde el usuario puede caminar con el T-Flex y este por medio de un sensor detecta la fase de marcha para realizar los movimientos de dorsiflexión y plantarflexión según el movimiento del usuario. En el contexto de este proyecto, se desea realizar una mejora de la ergonomía del sistema de la interfaz física de la órtesis. Es decir, se busca mejorar la parte de la órtesis en contacto con el usuario, por medio de diferentes materiales y superficies blandas. Esta mejora se plantea con el fin que la órtesis sea lo más cómoda para el uso durante una terapia de rehabilitación o incluso el uso en actividades de la vida diaria. La interfaz física anterior disipaba la fuerza en esfuerzo cortante, de compresión y generaba un desalineamiento sobre el cuerpo, lo que causaba que el dispositivo no pueda funcionar de manera correcta y pueda generar incomidad en el usuario. Con el fin de mejorar las interfaces físicas, primero se realizó una revisión de diferentes materiales que cumplieran ciertos criterios como ser ligero, suave, de bajo costo y de fácil manipulación. Estas características se buscaron con el fin de mejorar aspectos clave de la interfaz como el tamaño, el peso y la baja adherencia. El material escogido fue el poliuretano flexible, una espuma que se prepara a partir de una base y un catalizador. Al variar la proporción de estos componentes se pueden obtener densidades diferentes según los porcentajes que se usen en la mezcla para la obtención del material, es decir al aumentar o disminuir la proporción del catalizador se consiguen densidades diferentes del poliuretano. Una vez escogido el material, habiendo revisando los criterios de selección detallados en el documento, se procedió a realizar diferentes interfaces físicas con dicho material, cada interfaz consiste en un par de espumas que están ubicadas en la parte frontal (tibial anterior) y en la parte trasera (gastrocnemio) de la pierna, ya que estas son las partes donde el T-Flex está en contacto con el usuario. En cuanto al poliuretano flexible, se realizaron diferentes espesores desde 2cm hasta 4cm y con diferentes densidades 60 %-40% hasta 80 %-20 %. Se eligen estas proporciones debido a que son más fáciles de obtener ya que una densidad muy alta crearía una espuma de poliuretano demasiado rígida y una densidad muy baja haría una espuma de poliuretano altamente flexible haciendo que no mantenga su forma ni se pueda usar en la aplicación de este trabajo de grado. De esta manera se obtienen 9 interfaces físicas, por cada espesor 3 densidades diferentes, con el objetivo de probar cuales eran efectivas y cuál era la más ergonómica en cuanto a términos de comodidad. Por último, las interfaces se cubrieron con tela deportiva y a esta se le aplicó una silicona Dragon Skin TM, con el fin de mejorar la adherencia del T-Flex al usuario. Para evaluar las interfaces propuestas, primero se realizó una prueba con el modo de terapia durante 5 minutos, a velocidad media y con un rango de movimiento normal, donde cada una de las 9 interfaces se probó en 10 voluntarios sanos. El fin de esta prueba es observar si la interfaz se desplaza respecto a su posición inicial, si esta presenta un desplazamiento de más de 2cm se considera no efectiva. En esta prueba solo 7 interfaces se consideraron efectivas, por lo que con estas se procedió a realizar la prueba 2. Para la segunda prueba, los voluntarios debían caminar con el T-Flex durante 5 minutos en una banda sin fin, mientras se medía el EMG en los músculos en contacto con la interfaz, el gastrocnemio medial y el tibial anterior. A su vez también se midieron los parámetros espacio-temporales de la marcha, como lo son la cadencia, la velocidad de la marcha y la longitud de la zancada mediante el dispositivo G-Walk. Después de los 5 minutos se midió el desplazamiento final de la interfaz, comparando la posición inicial de la interfaz versus la posición final de la interfaz al momento de culminar la prueba. Por último cada voluntario debía responder un cuestionario basado en las Confort Rating Scales, con el fin de determinar cuál fue la interfaz más cómoda para la mayoría de voluntarios. Finalmente después de realizar las pruebas y analizar los resultados, se determinó que las mejores interfaces fueron las de mayor espesor, puesto que esta característica ayuda a que la interfaz realice una mayor presión sobre la pierna de los usuarios y de está manera garantizar que el dispositivo no se deslice o se mueva durante su uso. Como se puede apreciar en los resultados, dichas interfaces generan una menor carga de trabajo. En cuanto a los parámetros del G-Walk, el promedio de la cadencia y longitud de zancada fue más cercano a los rangos normales. Acerca de las medidas de desplazamiento, la interfaz de 4cm con densidad 80 %-20% es la que presento el menor desplazamiento siendo de 0.2cm únicamente en una prueba. Con el cuestionario se confirmo que las interfaces de espesor mayor son las que mejores valoraciones tuvieron. Con todos estos resultados no es posible determinar cual de las interfaces de 4cm de espesor es la mejor interfaz para ser usada, ya que todas las de 4cm de espesor funcionaron de acuerdo a lo esperado y de forma adecuada.
- ÍtemAcceso AbiertoInteracción en la marcha asistida con Caminador Robótico: Evaluación con pacientes en actividades de la vida diaria y la integración de clínicos en el ciclo de control(2019) Silva Suárez, Natalia del Pilar; Cifuentes García, Carlos Andrés; Múnera Ramirez, Marcela CristinaLa proporción de la población que sufre problemas de movilidad en miembros inferiores con el paso de los años se ha venido incrementando y sumado con el crecimiento de la población mayor a 60 años que corresponde a la comunidad con mayor discapacidad física y cognitiva, se han desarrollo diferentes dispositivos para asistencia en marcha: en este grupo se encuentran los Caminadores Robóticos, los cuales por medio de la interacción Humano-Robot (HRI), permite al usuario comunicación física y cognitiva. La interacción HRI es usada en distintos campos como el de la rehabilitación para potenciar la terapia y colaborar al profesional clínico para reducir el esfuerzo físico y enfocar sus capacidades en otras actividades en beneficio del proceso de recuperación del paciente. De forma anexa, el caminador robótico por medio de su funcionalidad a partir de componentes de tecnología robótica y electrónica, y la interacción natural con el paciente, permite ser usado como dispositivo de asistencia para movilización en entornos cotidianos, especialmente enfocado a la asistencia en adultos mayores. De este modo este trabajo presenta el desarrollo de dos estudios experimentales. El primero enfocado en la simulación de un entorno virtual en donde se desempeña el funcionamiento de un SmartWalker (SW) por una ruta establecida que implementa estrategias de control de operación remota generando una respuesta física y cognitiva sobre el participante, que corresponde a profesionales clínicos del campo de la rehabilitación permitiendo controlar la dirección de movimiento del SW para reducir el error en contraste con la ruta apropiada mediante un dispositivo háptico. La evaluación de los datos implica el cálculo del error de estimación entre la trayectoria ideal y la desarrollada por el participante, de igual manera se aplica un cuestionario de aceptación, usabilidad y expectativas bajo las escalas de Likert del 1 al 5 para calcular el criterio del profesional con respecto a los modos de realimentación. Esta evaluación tiene como objetivo evaluar el potencial de integrar a los clínicos en el ciclo de control en el uso de caminadores robóticos. De los resultados de este estudio se encontró que existen diferencias significativas entre los dos grupos de profesionales para los modos de realimentación correspondientes al visual y el que relaciona la respuesta háptica-visual. De modo que son los terapeutas ocupacionales los que tuvieron mejor desempeño en dichas pruebas, con un error de estimación cinemática para el modo visual de 0,21 inferior al de los fisioterapeutas (0,25) y para el háptico- visual de 0,25 inferior al 0,48 de los fisioterapeutas. El segundo estudio investigación se basa en el funcionamiento del caminador robótico AGoRA Smart Walker para ser probado en la población referente a adultos mayores con el fin de evaluar el modo de marcha bajo diferentes situaciones de la vida diaria en las que se encuentran el cambio de inclinación, curvas y terrenos lineales, recreando los espacios habituales de un lugar de vivienda. El análisis es basado en la recolección de los datos propuestos por los sensores que adopta el SW y los del sensor inercial inalámbrico (G-Walk), de tal forma que se evalúen los parámetros de odometría y marcha con la asistencia del caminador únicamente para el desplazamiento por rampa en subida y bajada, y en el caso del desplazamiento lineal corto con y en ausencia del robot. Los resultados para este estudio demostraron que en el desplazamiento en ascenso y descenso de las variables velocidad angular y lineal, no exhibieron diferencias significativas. Respecto a la fuerza inicial ejercida en subida y bajada con valores de 0,86N y 0,56N respectivamente, esta variable demostró diferencias significativas y es tomada como un criterio de contraste para el uso del caminador robótico en actividades de la vida diaria. Teniendo en cuenta el error de estación cinemática, la diferencia no es relevante en situación de subida (0,78) con respecto al trayecto en bajada (0,75), de tal modo que aunque el desempeño es mejor en subida no representa una diferencia significativa entre ambas situaciones. Los datos para el trayecto lineal demostraron que con una velocidad de 1,34 m/s sin caminador robótico, en comparación con el valor de 0,79 m/s para la prueba con caminador robótico, la variable velocidad es representativa y demuestra diferencias significativas entre usar o no el dispositivo de asistencia. Del mismo modo, el tiempo que tarda el participante en realizar el recorrido es inferior sin el caminador (15,6 s), con respecto al realizado con el caminador robótico (21,9 s) siendo una variable contundente para evaluar el dispositivo en situaciones cotidianas en vivienda. La variable cadencia de pasos sin caminador fue de 118,9 pasos/min, en contraste con el uso del dispositivo de 101,18 pasos/min, que representa una diferencia significativa. La longitud de zancada de los resultados obtenidos no demuestra diferencias entre el uso del caminador y sin él, con valores de 1,08 m y 1,09 m respectivamente.
