Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Robots que se Usan Sobre el Cuerpo Ayudan a la Rehabilitación Después de Apoplejías

Wednesday, December 15, 2004

Un robot (The Hand Mentor) ayuda a las personas a mejorar la función de sus manos después de un ataque de apoplejía. Foto cortesía de Kinetic Muscles, Inc., de Tempe, Arizona.

Un robot (The Hand Mentor) ayuda a las personas a mejorar la función de sus manos después de un ataque de apoplejía. Foto cortesía de Kinetic Muscles, Inc., de Tempe, Arizona.

Una nueva generación de aparatos robóticos podría un día permitir que miles de pacientes que han sufrido apoplejías se recuperen rápidamente, ayudándoles a recuperar la habilidad de mover sus brazos normalmente. Estos ataques afligen a 700,000 estadounidenses anualmente y frecuentemente resultan en parálisis parcial. Una de las discapacidades más comunes de una apoplejía es la parálisis de un brazo. La rehabilitación convencional requiere que terapeutas físicos u ocupacionales dediquen muchas horas a los pacientes, ayudándoles manualmente a medida que mueven el brazo afectado cientos o hasta miles de veces. "La terapia de movimiento es benéfica pero requiere bastante trabajo," dice el Dr. Louis Quatrano, director de programa en el Centro Nacional de Rehabilitación Médica del Instituto Nacional de Salud de los Niños y Desarrollo Humano (National Institute of Child Health and Human Development, NICHD).

El Instituto Nacional de Captación de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería (NIBIB por sus siglas en inglés) y el NICHD están financiando el desarrollo de aparatos robóticos que podrían marcar el comienzo de una nueva era en la rehabilitación por ataques de apoplejía. Si tienen éxito, acelerarán la rehabilitación de pacientes con brazos paralizados y reducirán los costos de terapia física. Los investigadores tienen planes de equipar los aparatos con sensores y actuadores que ayuden a los pacientes a repetir los movimientos sin necesitar ayuda. Esto permitiría que las personas sigan practicando por sí mismos los movimientos que han reaprendido, sin estar en una sesión de terapia física. Los nuevos aparatos robóticos se usarán como escayolas o yesos ortopédicos.

"La evidencia preliminar sugirió que este tipo de aparatos robóticos sería útil. La siguiente pregunta fue: ¿Podemos desarrollar este tipo de aparato de manera que los pacientes tengan acceso a los mismos?" dice el Dr. Quatrano.

Dos equipos de investigación financiados por el NIBIB y el NICHD están desarrollando los aparatos. Un grupo ha desarrollado el prototipo de un brazo robot impulsado por "músculos neumáticos", que son aparatos que imitan los movimientos de los músculos. Bajo la dirección del Dr. JiPing He, profesor de bioingeniería en el Instituto de Biodiseño de la Universidad del Estado de Arizona, el grupo desarrolló un robot para enseñarle los movimientos más esenciales a los pacientes, tales como los necesarios para alcanzar objetos y comer. El aparato ayudará a los pacientes a mejorar la destreza de las articulaciones que se usan en tareas como levantar el brazo, doblar el codo y rotar el antebrazo.

Uno de los mayores retos al diseño que enfrentó el equipo del Dr. He fue crear un robot que se pudiera usar sobre el cuerpo. Para que el aparato fuera más liviano, los diseñadores eliminaron la fuente tradicional de energía para los robots – un motor eléctrico – y prefirieron un músculo neumático que imita la contracción y relajación de un músculo verdadero.

"El músculo neumático no es tan poderoso como un músculo humano, pero será muy fácil y seguro para usar," dice el Dr. He.

Un compresor suple el poder neumático del aparato y el sistema es pequeño y portátil, lo que permite que los pacientes continúen la terapia en sus hogares. Los pacientes pueden ajustar la fuerza necesaria para ayudar los movimientos del brazo de acuerdo a sus intentos anteriores.

"A medida que los pacientes mejoran, pueden tener más control voluntario con menos ayuda," dice el Dr. He.

Se espera que las pruebas con pacientes de apoplejía comiencen a principios de 2005. El Dr. He está colaborando con Kinetic Muscles, Inc., de Tempe, Arizona, que ya tiene en el mercado un robot más pequeño para ayudar a rehabilitar las funciones de las manos en personas que han sobrevivido una apoplejía. El NICHD financió el desarrollo de ese aditamento.

El otro grupo de investigación financiado por el NIBIB y el NICHD está dirigido por el Dr. David Reinkensmeyer, profesor asociado de ingeniería mecánica y biomédica en la Universidad de California en Irvine. El grupo del Dr. Reinkensmeyer está desarrollando un prototipo basado en un diseño preexistente - una "ortosis antigravedad" - que usa la fuerza de bandas elásticas para hacer más liviano el brazo del paciente. Tariq Rahman, del Hospital para Niños Alfred I. duPont en Delaware, desarrolló el diseño original. Ahora, el grupo del Dr. Reinkensmeyer está añadiéndole sensores, desarrollando software, y usando poder neumático para impulsar los actuadores que ayudarán el movimiento del brazo. Los investigadores tienen planes de usar el aparato, que está impulsado por un compresor neumático del tamaño de un pequeño horno microondas, en pruebas clínicas. El compresor más grande suple más energía al robot que el modelo portátil y permite que los pacientes realicen una variedad más amplia de movimientos. Los investigadores esperan poner a prueba una variedad mayor de estrategias terapéuticas con este aparato porque pueden controlar con más precisión la fuerza aplicada por el robot.

Uno de los retos principales de los investigadores es desarrollar el poder neumático que impulsa la precisión del brazo robot. Los sistemas neumáticos permiten que el diseño sea más liviano que el de los motores eléctricos, pero son más difíciles de controlar porque el aire es comprimible y reacciona a la compresión de manera no linear. El diseño del Dr. Reinkensmeyer usa cilindros neumáticos para mover el robot y un algoritmo sofisticado para controlar los cilindros.

"El aparato tiene cinco grados de libertad y permitirá un movimiento de brazo muy natural con bastante amplitud, por lo que usted podrá tocarse la boca, agarrar algo de un estante, o practicar un abrazo. El robot será lo suficientemente inteligente ahora como para ayudar al paciente sólo en la medida que lo necesite, ayudar por completo si la persona está verdaderamente débil, o ir disminuyendo hasta desaparecer a medida que se recupera," dice el Dr. Reinkensmeyer.

Referencias

Reinkensmeyer, DJ, Emken, JL, Cramer, SC. Robotics, motor learning, and neurologic recovery. Annual Review of Biomedical Engineering 6:497-525, 2004.

Takahashi, CD, Reinkensmeyer, DJ. Hemiparetic stroke impairs anticipatory control of arm movement. Experimental Brain Research 149:131-140, 2003.