Ítem
Acceso Abierto
Diseño y evaluación ergonómica de interfaces físicas para la órtesis robótica de tobillo (T-FLEX) a través de la integración de superficies blandas
Título de la revista
Autores
Rodríguez García, Nicolás
Fecha
2019
Directores
Múnera Ramirez, Marcela Cristina
Cifuentes García, Carlos Andrés
ISSN de la revista
Título del volumen
Editor
Universidad del Rosario
Buscar en:
Métricas alternativas
Resumen
Durante 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.
Abstract
Over the past two decades, various orthoses and exoskeletons have been developed to improve the walking patterns of people affected by diseases related to cerebrovascular accident (CVA), a stroke happens when blood flow to part of the brain it stops. The active T-Flex orthosis is focused on ankle rehabilitation, and is aimed at people who have a pathology that limits the mobility of this joint, such as stroke, cerebral palsy or spinal cord injuries. For this the T-Flex has two modes of operation,; (1) the therapy mode where the user is sitting and the T-Flex performs dorsiflexion and plantarflexion movements at the speed and degree of movement required; (2) the gait mode, where the user can walk with the T-Flex and the T-Flex detects the gait phase by means of a sensor to perform dorsiflexion and plantarflexion movements according to the user's movement. In the context of this project, we want to improve the ergonomics of the physical interface system of the orthosis. That is, it seeks to improve the part of the orthosis in contact with the user, through different materials and soft surfaces. This improvement is proposed in order to make the orthosis as comfortable as possible for use during rehabilitation therapy or even for use in activities of daily living. The previous physical interface dissipated the force in shear stress, compression and generated a misalignment on the body, which caused the device to not work correctly and could generate user discomfort. In order to improve the physical interfaces, a review was first made of different materials that met certain criteria such as being light, soft, inexpensive and easy to handle. These features were sought in order to improve key aspects of the interface such as size, weight, and low grip. The chosen material was flexible polyurethane, a foam that is prepared from a base and a catalyst. By varying the proportion of these components, different densities can be obtained according to the percentages used in the mixture to obtain the material, that is, by increasing or decreasing the proportion of the catalyst, different densities of the polyurethane are achieved. Once the material was chosen, having reviewed the selection criteria detailed in the document, we proceeded to make different physical interfaces with said material, each interface consisting of a pair of foams that are located in the front (anterior tibial) and in the back (gastrocnemius) of the leg, as these are the parts where the T-Flex is in contact with the user. As for flexible polyurethane, different thicknesses were made from 2cm to 4cm and with different densities 60% -40% to 80% -20%. These proportions are chosen because they are easier to obtain since a very high density would create a too rigid polyurethane foam and a very low density would make a highly flexible polyurethane foam making it not maintain its shape or be used in the application. of this degree work. In this way 9 physical interfaces are obtained, for each thickness 3 different densities, in order to test which were effective and which was the most ergonomic in terms of comfort. Finally, the interfaces were covered with sports fabric and a Dragon SkinTM silicone was applied to this, in order to improve the adherence of the T-Flex to the user. To evaluate the proposed interfaces, a test was first performed with the therapy mode for 5 minutes, at medium speed and with a normal range of motion, where each of the 9 interfaces was tested on 10 healthy volunteers. The purpose of this test is to observe if the interface is displaced with respect to its initial position, if it presents an offset of more than 2cm it is considered not effective. In this test, only 7 interfaces were considered effective, so test 2 was performed with these. For the second test, the volunteers had to walk with the T-Flex for 5 minutes in an endless band, while measuring the EMG in the muscles in contact with the interface, the medial gastrocnemius and the tibialis anterior. In turn, the space-time parameters of the gait were also measured, such as cadence, gait speed and stride length using the G-Walk device. After 5 minutes the final displacement of the interface was measured, comparing the initial position of the interface versus the final position of the interface at the end of the test. Finally, each volunteer had to answer a questionnaire based on the Comfort Rating Scales, in order to determine which was the most comfortable interface for the majority of volunteers. Finally, after performing the tests and analyzing the results, it was determined that the best interfaces were the thickest, since this feature helps the interface to put more pressure on the users' legs and thus guarantee that the device do not slip or move during use. As can be seen in the results, these interfaces generate a lower workload. Regarding the parameters of the G-Walk, the average of the cadence and stride length was closer to the normal ranges. Regarding the displacement measurements, the 4cm interface with 80% -20% density is the one with the smallest displacement, being 0.2cm only in one test. With the questionnaire, it was confirmed that the thickest interfaces were the ones with the best evaluations. With all these results it is not possible to determine which of the 4cm thick interfaces is the best interface to use, since all the 4cm thick interfaces functioned as expected and adequately.
Palabras clave
Órtesis , Exoesqueleto , Rehabilitación física , Miembros inferiores
Keywords
Orthosis , Exoskeleton , Physical rehabilitation , Lower limbs
