ORTESIS DE RODILLA ACTIVA

Asociación Española de XVIII CONGRESO NACIONAL

Ingeniería Mecánica DE INGENIERÍA MECÁNICA

Diseño de una órtesis activa para ayuda a la marcha

de lesionados medulares

J.M. Font-Llagunes, G. Arroyo

Dpto. de Ingeniería Mecánica. Universitat Politècnica de Catalunya

josep.m.font@upc.edu

F.J. Alonso, B.M. Vinagre

Dpto. de Ingeniería Mecánica. Universidad de Extremadura

Resumen

En este trabajo se presenta el diseño de una ortesis activa de rodilla y tobillo con control de apoyo (Stance

Control Knee-Ankle-Foot Orthosis) para asistir la marcha de lesionados medulares incompletos. El limitado

control que tienen estas personas sobre la musculatura del tren inferior les permite mantener una marcha

patológica con un coste metabólico elevado y con ayuda de soportes. La ortesis está diseñada para disminuir

ese coste metabólico y permitir a estas personas caminar de manera más natural y eficiente, al asistir la flexión

y extensión de la pierna durante la fase de balanceo, y bloquear la rodilla durante la fase de apoyo. Todo ello de

manera automática gracias a un sistema de control basado en sensores ubicados en el tren inferior del paciente.

Por otra parte, la ortesis dispone de un dispositivo “antiequino” en el tobillo, que limita el ángulo de flexión

plantar para evitar la hiperextensión del pie durante la fase de balanceo. Un aspecto que diferencia este diseño

de otros similares es que los sistemas de actuación y bloqueo son independientes entre sí, lo que permite

disminuir los requerimientos de actuación, y en consecuencia el peso del dispositivo.

INTRODUCCIÓN

La marcha humana es un movimiento complejo gobernado por la actividad de numerosos grupos musculares que

controlan su estabilidad a la vez que minimizan el coste metabólico del transporte. Los lesionados medulares

necesitan de un sistema de actuación exterior que asista el movimiento patológico del tren inferior [1].

Existen diferentes grados de severidad de la lesión medular de acuerdo con ASIA (American Spinal Injury

Association) que van del grado A (lesión medular completa) al grado E (funciones motoras y sensoriales

normales). En los grados C y D, la función motora es preservada parcialmente. Estos sujetos de grado C y D,

llamados lesionados medulares incompletos, son capaces de mantener una marcha patológica con elevado coste

metabólico y con ayuda de soportes externos, como muletas [2]. La investigación y desarrollo de dispositivos

ortésicos activos supone una esperanza para esta población de lesionados, de caminar de manera más natural y

eficiente.

La primera ortesis activa controlable se desarrolló en 1942 y consistía en un dispositivo accionado

hidráulicamente para asistir el movimiento en caderas y rodillas [3]. En la década del 70 en la Universidad de

Belgrado, se presentó el primer exoesqueleto para ayudar a personas parapléjicas [4,5]. Estos primeros prototipos

tuvieron poco éxito por estar limitados a movimientos predefinidos.

Actualmente, los sistemas ortésicos en general, utilizan patrones predefinidos de movimientos y momentos en

las articulaciones, con técnicas de control clásicas o basadas en la actividad eléctrica muscular, en un intento por

integrar el sistema músculo-esquelético humano y la ortesis [6]. Tal es el caso de algunas ortesis y exoesqueletos

diseñados para rehabilitación de sujetos con discapacidad severa (parapléjicos, cuadripléjicos y similares), que

combina la estimulación eléctrica funcional como generador de reflejos artificiales, con ortesis modulares SFMO

(Self-Fitted Modular Orthosis) externamente alimentadas y controladas [7].

En general, las ortesis pueden ser clasificadas según la articulación para la cual están diseñadas [8]. Para las

J.M. Font-Llagunes et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 2

extremidades inferiores existen las llamadas AFO (Ankle Foot Orthosis), cuya función se limita normalmente a

la corrección del ángulo entre pie y pierna durante el ciclo de marcha para evitar la flexión plantar excesiva, que

es una de las causas de la marcha patológica del “pie equino” [9]. Otro tipo de ortesis son las KAFO (Knee

Ankle Foot Orthosis), que además de la parte del tobillo incluyen la articulación de la rodilla. Las KAFO están

dirigidas a pacientes con niveles de disfunción en la marcha más graves, incluyendo ausencia parcial de control

muscular [10]. Una variante de las ortesis de rodilla-tobillo son las llamadas SCKAFO (Stance-Control Knee

Ankle Foot Orthosis) [11], cuya característica más relevante es que permiten el libre movimiento de la rodilla

durante la fase de balanceo, pero ofrecen resistencia a la flexión durante la fase de apoyo. Este sistema está

indicado para individuos con debilidad en el músculo cuádriceps. Existen también ortesis de cadera, compuestas

por un soporte pélvico y soportes para los muslos, que dependiendo de si son motorizadas o no, estarán más

orientadas hacia la corrección de la postura o hacia asistir el movimiento en esta parte del cuerpo [12].

Estos modelos de ortesis pueden ser elementos pasivos destinados al soporte de partes del cuerpo debilitadas o

incluso paralizadas, o dispositivos activos que contengan sistemas motorizados para asistir el movimiento de la

extremidad. En la literatura se reflejan diversos sistemas de actuación, variando desde actuadores eléctricos

lineales y rotativos, hasta la implementación de músculos neumáticos artificiales [13]. Blaya y Herr [14],

desarrollaron una ortesis activa AFO destinada al tratamiento de la patología de la marcha conocida como “pie

equino”. El prototipo incluye en su diseño un actuador lineal elástico en serie con un motor de corriente continua

(Series Elastic Actuator), que aplica una fuerza entre el talón y la parte posterior de la pierna para corregir el

ángulo del pie en función de la fase de la marcha. La ortesis es capaz de distinguir tres estados de la marcha (dos

de contacto y uno de balanceo) gracias a seis sensores de presión plantar y dos potenciómetros para monitorizar

las fases de contacto con el suelo y los ángulos en el tobillo, respectivamente. Diseños similares más orientados

hacia la rehabilitación de lesionados medulares son encontrados en la literatura [15], e incluso algunos para la

asistencia del movimiento en la rodilla de personas sanas como por ejemplo el “Roboknee” [16], cuya función es

reducir el coste energético en la marcha.

Aunque en menor cantidad, también se han desarrollado exoesqueletos actuados por motores rotativos, como es

el caso de la serie HAL (Hybrid Assistive Limb) [17]. Este exoesqueleto diseñado para asistir el movimiento del

tren inferior en ancianos principalmente, cuenta con motores rotativos DC para controlar el ángulo de las

articulaciones de cadera y rodilla. El sistema de control consiste en un computador que registra señales

electromiográficas de actividad muscular en la superficie de la pierna, que combina con la información de los

sensores de fuerza en la planta del pie y potenciómetros en las articulaciones, para para generar el par adecuado

en cada articulación.

Otro tipo de actuación ampliamente utilizado en ortesis son los músculos neumáticos artificiales (“McKibben

Muscles”). Quizás el caso más relevante que ejemplifica este tipo de actuación es el prototipo de ortesis KAFO

[18], que dispone de seis músculos neumáticos, dos encargados de la flexión-extensión en el tobillo, y cuatro en

la rodilla. El funcionamiento se asemeja al de los pares musculares agonista-antagonista del cuerpo humano, en

el que la contracción de uno u otro genera un momento en la articulación en uno u otro sentido. El mecanismo de

control incluye potenciómetros, sensores plantares y señales electromiográficas, y está destinado a la

rehabilitación.

En este trabajo se presenta el diseño de una nueva ortesis activa adaptable de tipo SCKAFO (Stance-Control

Knee-Ankle-Foot Orthosis) para lesionados medulares incompletos C y D. La ortesis es un sistema

biomecatrónico complejo cuyo diseño debe cumplir múltiples restricciones, entre ellas, la de colaborar con el

sistema músculo-esqueletar del lesionado medular para conseguir una marcha similar a la normal. En este

artículo se describe el diseño mecánico de detalle y la selección de sensores y actuadores. La órtesis bloquea la

flexión de la rodilla cuando el sujeto inicia la fase de contacto con el suelo para estabilizar la marcha, y

desbloquea y actúa la extensión de rodilla de la pierna contraria cuando ésta pierde el contacto con el suelo e

inicia la fase de balanceo.

El aspecto novedoso de este diseño es que los sistemas de actuación y bloqueo son independientes entre sí, lo

que permite disminuir los requerimientos de actuación, y por tanto, el peso del dispositivo. Además, la órtesis

dispone de un dispositivo antiequino en la articulación del tobillo, que limita el ángulo de flexión plantar del

tobillo durante la fase de balanceo de la marcha.

ESPECIFICACIONES DE DISEÑO

En esta sección se describen algunas características

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