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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Sección de Estudios de Posgrado e
Investigación Unidad Azcapotzalco
DISEÑO DE UN SISTEMA ROBÓTICO
PARA REHABILITACIÓN DE MARCHA
ENFOCADO A NIÑOS CON PARÁLISIS
CEREBRAL
TESIS
PARA OBTENER EL TITULO DE
MAESTRO EN INGENIERÍA DE MANUFACTURA
P R E S E N T A
MARCO TULIO FIGUEROA AMADOR
DIRIGIDA POR
DRA. PAOLA ANDREA NIÑO SUAREZ
DR. EDGAR ALFREDO PORTILLA FLORES
Diseño de un sistema robótico para rehabilitación de marcha enfocado a niños con parálisis cerebral
iii
Índice General Índice General ............................................................................................................ iii
Índice de Figuras ........................................................................................................ v
Índice de Tablas ....................................................................................................... viii
Resumen .................................................................................................................... ix
Abstract ...................................................................................................................... x
Objetivo General ......................................................................................................... xi
Objetivos Particulares ................................................................................................. xi
Justificación ............................................................................................................... xii
Metodología .............................................................................................................. xiv
CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO ..................................................................................... 18
1.1 Introducción a la PC .......................................................................................... 18
1.2 Ciclo de Marcha Humana .................................................................................. 29
1.3 Cinemática articular ........................................................................................... 31
1.3.1 Cadera ........................................................................................................... 32
1.3.2 Rodilla ............................................................................................................ 34
1.3.3 Tobillo ............................................................................................................ 35
1.4 Tronco y pelvis .................................................................................................. 35
1.5 Gasto energético y optimización de la energía. ................................................. 37
1.6 Marcha en infantes ............................................................................................ 42
1.7 Anormalidades de la marcha. ............................................................................ 43
1.8 Patrones de marcha en la PC. ........................................................................... 48
CAPÍTULO 2 Estado del Arte ........................................................................................... 55
2.1 Desarrollos Académicos. ................................................................................... 55
2.2 Sistemas Comerciales ....................................................................................... 63
2.3 Patentes ............................................................................................................ 67
2.4 Legislación Normativa. ...................................................................................... 73
CAPÍTULO 3 Diseño del Concepto .................................................................................. 79
3.1 Metodología QFD .............................................................................................. 80
3.1.1 Necesidades del Sistema. .............................................................................. 80
3.1.2 Requisitos del cliente ..................................................................................... 81
3.1.3 Jerarquización de los requisitos del cliente. ................................................... 82
Marco Teórico
iv
3.1.4 La Casa de la Calidad. ................................................................................... 84
3.1.5 Establecimiento de las Metas de Diseño. ....................................................... 86
3.2 Generación del concepto ................................................................................... 87
Referencias .............................................................................................................. 94
Diseño de un sistema robótico para rehabilitación de marcha enfocado a niños con parálisis cerebral
v
Índice de Figuras Figura 1 Modelo descriptivo en "V" del proyecto. ............................................................. xiv
Figura 2 Modelo descriptivo de la metodología utilizada en el presente trabajo. ............... xv
Figura 1.1 Tipo de afectación de acuerdo a la topografía. Fuente: Neuronas en crecimiento,
España. ........................................................................................................................... 19
Figura 1.2 Tipos de afectación en función del trastorno dominante. a) Brazo flexionado y
girado hacia adentro, mano cerrada en puño, pierna flexionada y girada hacia adentro, pie
de puntillas. b) Brazos torpes, piernas juntas y giradas hacia adentro, pies de puntillas. c)
Pobre control de cabeza, brazos flexionados y girados hacia adentro, manos cerradas en
puño, piernas juntas y giradas hacia adentro, pies de puntillas. d) Movimientos
espasmódicos y reptantes de brazos, piernas, manos y cara, equilibrio pobre. e)
Movimientos inseguros y vacilantes, marcha tambaleante y equilibrio pobre. Fuente:
Fisioterapia neurológica, España. .................................................................................... 22
Figura 1.3 Ciclo de marcha humano [22]. ..................................................................... 30
Figura 1.4 Definición de los planos corporales y definición de términos en función del centro
de gravedad [23]. ............................................................................................................. 31
Figura 1.5 Definiciones anatómicas. a) Direcciones corporales en el plano sagital, b) Pierna
izquierda vista normal al plano frontal, c) Brazo izquierdo visto normal al plano frontal [23].
........................................................................................................................................ 32
Figura 1.6 Movimientos de la cadera y de la rodilla [25]. .................................................. 33
Figura 1.7 Desplazamientos angulares de la cadera en sus tres ejes en una muestra de 25
hombres y 4 mujeres entre 15 y 35 años. a) Flexión (<0) y extensión (>0), b) Abducción (<0)
y Aducción (>0), c) Rotación externa (<0) y rotación interna (>0) [26]. ............................. 33
Figura 1.8 Desplazamientos angulares de la rodilla en los tres ejes en una muestra de 25
hombres y 4 mujeres entre 15 y 35 años. a) Extensión (<0) y flexión (>0), b) Abducción (<0)
y aducción (>0), c) Rotación externa (<0) e interna (>0) [26]. .......................................... 34
Figura 1.9 Estructura de la rodilla a) vista lateral de la rodilla se observa al platillo del
fémur(hueso superior) hacer contacto con la meseta tibial (hueso inferior), b) vista anterior
de la rodilla sin el tendón patelar, el menisco lateral y el medial se apoyan en la superficie
superior de la tibia [26]. .................................................................................................... 35
Figura 1.10 a) Movimientos del tobillo en el plano sagital, b) Desplazamiento angular del
tobillo en el plano sagital en una muestra de 25 hombres y 4 mujeres entre 15 y 35 años,
flexión dorsal (<0) y flexión plantar (>0) [26]. ................................................................... 36
Figura 1.11 Movimientos de la pelvis durante la marcha. a) Elevación-caída contralateral,
b) Inclinación anterior-posterior, c) Rotación anterior-posterior [22]. ................................ 36
Figura 1.12 Desplazamientos articulares de la pelvis en sus tres ejes en una muestra de 25
hombres y 4 mujeres entre 15 y 35 años. a) Inclinación posterior (<0) y anterior (>0), b)
Elevación (>0) y caída (<0) contralateral, c) Rotación anterior (>0) y posterior (<0) [26]. . 37
Figura 1.13 movimientos del tronco durante la marcha en una muestra de 25 hombres y 4
mujeres entre 15 y 35 años. a) Inclinación anterior (>0) y posterior (<0), b) Elevación (>0) y
caída (<0) contralateral, c) Rotación anterior (>0) y posterior (<0) [26]. ........................... 37
Marco Teórico
vi
Figura 1.14 Energía total del tronco y sus componentes cinética y potencial. Se observa la
evolución simétrica de dichas componentes, lo que demuestra un intercambio entre ambos
tipos de energía [6]. ......................................................................................................... 39
Figura 1.15 Determinantes de la marcha. a) Rotación pélvica, b) Caída pélvica [25]. ...... 40
Figura 1.16 Determinantes de la marcha. a) Coordinación de los mecanismos e rodilla,
tobillo y pie, b) Rodilla en valgo [25]. ................................................................................ 41
Figura 1.17 Rodillo del talón. a) Acción del rodillo del talón bajo la acción del tibial anterior.
b) Progresión del apoyo del talón al tobillo, controlado por el tríceps sural. c) Progresión del
apoyo del tobillo al antepié, propiciado por contracción potente del tríceps sural. ............ 41
Figura 1.18 Anormalidades del tronco y la pelvis durante la marcha. a) Inclinación anterior.
b) Inclinación posterior. c) Lordosis lumbar exagerada [25]. ............................................ 44
Figura 1.19 Anormalidades de la marcha. a) Circunducción. b) Elevación de cadera [25].
........................................................................................................................................ 45
Figura 1.20 Anormalidades de la marcha. a) Marcha de puntillas. b) Elevación sobre el
antepié [25]. ..................................................................................................................... 46
Figura 1.21 anormalidades de la marcha. a) Rodilla en valgo. b) Rodilla en varo. ........... 47
Figura 1.22 Anomalías del pie durante el contacto inicial. a) Dorsiflexión excesiva, apoyo
con el talón. b) Flexión plantar excesiva, apoyo con los dedos del pie. c) Equino varo, apoyo
con la parte lateral del pie [25]. ........................................................................................ 48
Figura 1.23 Representación de la clasificación de Roda para el patrón de marcha de la
diparesia espástica en el plano sagital [7]. ....................................................................... 49
Figura 1.24 Músculos anteriores de la cadera.................................................................. 51
Figura 2.1 Combinación de los dispositivos PAM y POGO [41]. ...................................... 56
Figura 2.2 Sistema robótico ARTHuR [44]. ...................................................................... 56
Figura 2.3 Exoesqueleto para extremidades inferiores LOPES [45]. ................................ 57
Figura 2.4 Sistema DGO. a) Entrenamiento de marcha en paciente parapléjico sobre banda
caminadora. b) Paralelogramo giratorio para soporte del sistema [48]. ............................ 58
Figura 2.5 Sistema de rehabilitación GBO. a) Eslabón en paralelogramo y compensación
de gravedad por resortes. b) Evaluación del sistema sobre banda caminadora con
plataformas de fuerza [51]. .............................................................................................. 59
Figura 2.6 Exoesqueleto activo de pierna ALEX [50]. ...................................................... 59
Figura 2.7 Entrenador de marcha mecanizado MGT. a) Manipulación de rodilla por parte
del terapeuta, b) Mecanismo efector para placas de pie [53]. .......................................... 60
Figura 2.8 a) Sistema de rehabilitación Hapticwalker. b) Composición de los módulos
robóticos [55]. .................................................................................................................. 61
Figura 2.9 Sistema de rehabilitación por realidad virtual desarrollado en GNU. a) Prototipo
del sistema. b) Representación esquemática de los mecanismos efectores de miembros
superiores e inferiores [57]............................................................................................... 62
Figura 2.10 Dispositivo de Rutgers para rehabilitación de tobillo. a) Integración del
dispositivo con el sistema de realidad virtual. b) Detalle del dispositivo de tobillo [58] ..... 63
Figura 2.11 Sistema Reoambulator. a) Sistema original [60]. b) Sistema moderno [61]. .. 64
Figura 2.12 Configuraciones del sistema Lokomat. a) Lokomat pro con módulo de realidad
virtual [60]. b) Exosqueleto de uso pediátrico con módulo de realidad virtual [62]. ........... 65
Diseño de un sistema robótico para rehabilitación de marcha enfocado a niños con parálisis cerebral
vii
Figura 2.13 Sistema G-EO. a) Uso pediátrico del dispositivo [73]. b) mecanismo efector de
placas de pie [72]. ............................................................................................................ 66
Figura 2.14 Sistema para fortalecimiento motriz de extremidades corporales [76]. .......... 68
Figura 2.15 Mecanismo MBC utilizado en AR071041 A1 [77]. ......................................... 68
Figura 2.16 a) Sistema patentado por Restorative Therapies Inc [78]. b) Sistema de
plataformas móviles MIT Skywalker [79]. ......................................................................... 69
Figura 2.17 Exosqueleto utilizado en WO086035 A1. b) Configuración del BWS [80]. ..... 70
Figura 2.18 Sistema diseñado por P&S Mechanics Co [81]. ............................................ 70
Figura 2.19 Sistemas tipo andadera. a) Dispositivo desarrollado en el Instituto Tecnológico
de Massachusetts [82]. b) Dispositivo desarrollado en el Instituto de Rehabilitación de
Chicago [83]. ................................................................................................................... 71
Figura 2.20 Modelo para diseño y desarrollo del producto con inclusión de la gestión de
riesgos como los datos de entrada propuesto en la ISO 14971. Fuente: Det Norske Veritas
AS. ................................................................................................................................... 75
Figura 3.1 Representación esquemática del proceso para la obtención del concepto del
sistema. ........................................................................................................................... 79
Figura 3.2 Matriz "que´s vs como's". ................................................................................ 85
Figura 3.3 Matriz "como's vs como's". .............................................................................. 86
Figura 3.4 Árbol de funciones del sistema propuesto. ...................................................... 88
Figura 3.5 Distribución modular para el sistema propuesto. ............................................. 88
Figura 3.6 Representación esquemática del sistema propuesto. ..................................... 89
Marco Teórico
viii
Índice de Tablas Tabla 1.1 Clasificación general GMFCS .......................................................................... 23
Tabla 1.2 Hitos caracteristicos, Nivel I GMFCS ................................................................ 23
Tabla.1.3 Hitos Característicos, Nivel II GMFCS .............................................................. 24
Tabla 1.4 Hitos característicos, Nivel III GMFCS ............................................................. 25
Tabla 1.5 Hitos característicos, Nivel IV GMFCS ............................................................. 26
Tabla 1.6 Hitos característicos, Nivel V GMFCS .............................................................. 27
Tabla 1.7 Clasificación general MACS ............................................................................. 28
Tabla 1.8 Parámetros normales de marcha en niños de 1 a 4 años de edad [28]. ........... 38
Tabla 1.9 Parámetros normales de marcha en niños de 5 a 12 años de edad [28]. ........ 39
Tabla 2.1 Datos técnicos de los sistemas comerciales [61, 73, 74]. ................................. 66
Tabla 2.2 Patentes relacionadas con los trabajos citados en las secciones 2.1 y2.2 . ..... 71
Tabla 2.3 Patentes relacionadas con los trabajos citados en las secciones 2.1 y2.2 . ..... 72
Tabla 2.4 Patentes relacionadas con los trabajos citados en las secciones 2.1 y2.2. ...... 73
Tabla 3.1 Diagrama de afinidad de las necesidades del sistema. .................................... 81
Tabla 3.2 Requisitos del cliente. ...................................................................................... 82
Tabla 3.3 Valores numéricos para la ponderación de los requisitos del cliente. ............... 83
Tabla 3.4 Matriz de pareo AHP. ....................................................................................... 83
Tabla 3.5 Matriz de normalización AHP. .......................................................................... 84
Tabla 3.6 Características cualitativas o “como’s”. ............................................................ 84
Diseño de un sistema robótico para rehabilitación de marcha enfocado a niños con parálisis cerebral
ix
Resumen
La parálisis cerebral (PC) es un trastorno postural y motriz, es causa frecuente de
discapacidad motora pediátrica. De acuerdo a la gravedad de la afectación los infantes
tendrán limitaciones funcionales en el sistema locomotor, tal como no aprender a caminar
por sí solo. Dentro del tratamiento integral para este trastorno, las terapias funcionales y de
rehabilitación motriz mejoran la calidad de vida para los pacientes que con un adecuado
entrenamiento lograran generar patrones de marcha y desplazarse de forma autónoma.
La marcha bípeda es uno de los procesos más difíciles, la utilización de dispositivos
robóticos en la rehabilitación activa de la marcha para trastornos en el sistema nervioso
central, ha mostrado una mejora significativa respecto a las terapias funcionales
convencionales. Sin embargo, aún existen factores críticos a mejorar debido a que ninguno
de los equipos usados surgió como atención a este sector de la población, ni se diseñó
teniendo en cuenta las características específicas de la rehabilitación de niños con PCI,
como que no identifican la postura adecuada durante el proceso de marcha, porque aún no
han aprendido a caminar, a diferencias de un paciente que ya sabe. Por lo cual, el desarrollo
de sistemas de rehabilitación específicos a las necesidades de la PCI resulta en un desafío
técnico y científico y abre una ventana de oportunidad para que no sean pocos los centros
de rehabilitación e instituciones de salud, los que puedan adquirir la tecnología optima que
permita una rehabilitación de calidad para infantes con PC. Este proyecto aportará al diseñó
de la estructura y el control de un sistema de rehabilitación, dejando la complejidad del
seguimiento de las trayectorias a la selección del mecanismo y su síntesis dimensional y
generando un sistema de control a partir de técnicas de optimización con algoritmos
heurísticos bio-inspirados.
Marco Teórico
x
Abstract
Cerebral palsy (CP) is a postural and movement disorder, is common cause of pediatric
physical disabilities. According to the severity of involvement infants have functional
limitations in the musculoskeletal system, such as learning to walk alone. Within the
comprehensive treatment for this disorder, functional and motor rehabilitation therapies
improve the quality of life for patients with adequate training succeed in generating patterns
of travel and move around independently.
Bipedal gait is one of the most difficult processes, the use of robotic devices in active gait
rehabilitation for disorders in the central nervous system has shown significant improvement
over conventional functional therapies. However, there are still critical factors to improve
because none of used equipment arose as attention to this sector of the population, and is
designed taking into account the specificities of rehabilitation of children with CP, as they
do not identify the position adequate during the march, because they have not yet learned to
walk, to differences in a patient already knows. Therefore, the development of systems
specific to the needs of the PCI rehabilitation results in technical and scientific challenge and
opens a window of opportunity so that they are not few rehabilitation centers and health
institutions, which can acquire technology allowing
Diseño de un sistema robótico para rehabilitación de marcha enfocado a niños con parálisis cerebral
xi
Objetivo General
Desarrollar el diseño conceptual de un sistema para rehabilitación de marcha enfocado a
niños con parálisis cerebral (PC), con el fin de realizar el estudio de factibilidad técnica y
que sirva como base para la realización de trabajos a futuro.
Objetivos Particulares
• Identificar claramente el problema planteado en lo referente a la PC infantil y las
terapias de rehabilitación que se realizan, para generar la conexión neurofisiológica
necesaria para que un infante con PC aprenda a caminar.
• Realizar una revisión del estado del arte para identificar los sistemas de
rehabilitación que se han desarrollado a nivel mundial, para realizar terapias
similares a las requeridas.
• Seleccionar los sistemas más relevantes para evaluar su desempeño y las técnicas
utilizadas en su diseño.
• Obtener información precisa de las fuentes primarias como son el personal experto
en terapias de rehabilitación: personal médico pediátrico, ortopedistas,
traumatólogos, fisioterapeutas; y los pacientes a los que se les realizan las terapias,
para determinar sus necesidades y requerimientos con respecto al tipo de sistema
que se desea diseñar.
• Revisar la legislación normativa para realizar un diseño acorde a la misma
• Explorar las necesidades que dan origen al desarrollo del sistema.
• Caracterizar las necesidades del sistema a diseñar
• Establecer las especificaciones y requerimientos del sistema y mediante la
metodología QFD evaluar las mejores opciones para dar solución a las necesidades
planteadas.
• Desarrollar el diseño del concepto del sistema en CAD y con apoyo de herramientas
de simulación, realizar su evaluación funcional a partir de los modelos obtenidos.
• Desarrollar el diseño del dispositivo efector para los miembros inferiores.
Marco Teórico
xii
Justificación La parálisis cerebral (PC) se describe como un trastorno postural y motriz provocado por
una agresión no progresiva a un cerebro inmaduro y es la causa más frecuente de
discapacidad motora pediátrica, siendo la diparesia espástica y la hemiparesia espástica
los tipos más comunes. De acuerdo a la gravedad de la afectación, el individuo tendrá
limitaciones funcionales en el sistema locomotor que van desde alteraciones en la postura,
debilidad o aumento del tono muscular, espasmos musculares disminución sensorial y de
reflejos, malformaciones ortopédicas, pérdida de control de las extremidades y falta de
coordinación motriz, por mencionar algunas. Dentro del tratamiento integral para este
trastorno las terapias funcionales y de rehabilitación motriz adquieren gran relevancia para
mejorar la calidad de vida en pacientes clasificados dentro de los niveles I, II y III de la
escala GMFCS, para los cuales, existe un pronóstico de deambulación favorable [1].
La prevalencia de la PC dentro de los países occidentales es de 1.5 a 2.5 por cada 1000
nacidos vivos [2]. Pese a que durante la década de los 90 se presentó una tendencia al
descenso [3] en años recientes el aumento en la sobrevivencia de infantes prematuros que
desarrollan PC con afectaciones funcionales de moderadas a severas ha provocado un
cambio al alza de dicha tendencia [4].
En México no se cuenta con cifras específicas fiables respecto a este padecimiento debido
a que las personas suelen ocultar a aquellos familiares que sufren de alguna discapacidad,
ya sea por falta de aceptación dentro del núcleo familiar o por prejuicios sociales. Lo anterior
se asume basados en las estimaciones de la Organización Mundial de la Salud (OMS) que
indican que en cada país del mundo al menos el 10% de la población sufre de alguna
discapacidad, sin embargo, los datos del censo realizado el año 2000 solo se reporta al
2.8% de la población.
Pese a ello en México se estiman al menos 500,000 casos de PC y de acuerdo con datos
de la oficina de representación para la promoción e integración social de las personas con
discapacidad de la presidencia de la republica cada año se suman al menos 12,000
personas con este padecimiento [5]. Así mismo, el Centro de Cirugía Especial de México
IAP (CCEM) reporta que la población mundial con PC asciende a 17 millones de personas,
de las cuales, el 75% requieren a través de un entrenamiento guiado formar los patrones
de movimiento neuromuscular para la marcha funcional y el 25% restante nunca podrán
caminar.
La marcha bípeda es uno de los procesos más difíciles de realizar en la etapa de desarrollo
motriz de infantes, la importancia en niños con PC, es que la capacidad de deambulación
incrementa significativamente su calidad de vida. Por lo cual, el entrenamiento requerido
para el desarrollo adecuado de dicho proceso desde edades tempranas, dará a estos un
panorama a futuro favorable en cuanto al nivel de custodia que tendrán y sobre todo a la
independencia que puedan llegar a tener durante su vida adulta.
En las últimas décadas la utilización de dispositivos robóticos basados en soporte del peso
corporal (BWS por sus siglas en ingles) en la rehabilitación activa de la marcha para
trastornos en el sistema nervioso central, ha mostrado una mejora significativa respecto a
Diseño de un sistema robótico para rehabilitación de marcha enfocado a niños con parálisis cerebral
xiii
las terapias funcionales convencionales. En el caso de la PC no se puede confirmar un
diagnostico hasta después de los 2 años de edad, no obstante, el trabajo de rehabilitación
de marcha en infantes puede efectuarse a partir del año y medio de edad, sin embargo, son
pocos los dispositivos aplicados a la rehabilitación pediátrica de la parálisis cerebral, debido
a que en general son diseñados para la rehabilitación de discapacidades motoras de
personas cuyo rango de edad abarca la adolescencia, edad adulta y tercera edad.
Si bien, se tiene por cierto que la aplicación de dichos dispositivos manifiesta una mejora
respecto a la rehabilitación convencional de la marcha, aún existen factores críticos a
mejorar en los dispositivos para su implementación en lo que a la PC infantil respecta,
debido a que ninguno de ellos surgió como atención a este sector de la población. De igual
forma, al ser dichos dispositivos adquiridos a empresas con tecnología extranjera, resulta
muy costoso para una institución nacional de salud no solo su adquisición, sino también, la
realización de sus mantenimientos tanto preventivos como correctivos.
Pese al esfuerzo de la comunidad médica del país para mejorar la calidad de vida de los
pacientes por medio de instituciones como la Fundación TELETON y sus Centros de
Rehabilitación Infantil (CRIT), el Instituto Nacional de Rehabilitación (INR) y la Asociación
pro Personas con Parálisis Cerebral (APAC); el equipo e instalaciones de dichas
instituciones resultan insuficientes contra la creciente demanda nacional.
Por lo cual, el desarrollo de sistemas de rehabilitación específicos a las necesidades de
dicho padecimiento resulta en un desafío técnico y científico en la búsqueda de una
rehabilitación integral y abre una ventana de oportunidad para que no sean solo los centros
de rehabilitación e instituciones de salud de los grandes centros urbanos, los únicos en
adquirir la tecnología optima que permita una rehabilitación de calidad.
Marco Teórico
xiv
Metodología
El presente trabajo forma parte de un proyecto de cooperación entre la Sección de Estudios
de Posgrado e Investigación de la ESIME Azcapotzalco, el Centro de Innovación y
Desarrollo Tecnológico (CIDETEC) del Instituto Politécnico Nacional (IPN) y la Universidad
Militar Nueva Granada (UMNG) de Colombia, que pretende desarrollar el prototipo para un
sistema rehabilitador de marcha enfocado a atender las necesidades específicas que se
suscitan durante la conducción de terapias en infantes con parálisis cerebral. Para llevar a
cabo dicho proyecto, se diseñó la metodología que se muestra en la Figura 1, y que está
basada en un modelo descriptivo en “V”.
Figura 1 Modelo descriptivo en "V" del proyecto.
Dado que el proyecto resulta ser demasiado ambicioso se ha optado por dividirlo en tres
etapas para su realización: Anteproyecto; Desarrollo; Implementación y resultados. En este
sentido, los alcances para el trabajo realizado a lo largo de este escrito, se han delimitado
a la obtención de la primera etapa y la fase inicial de la segunda etapa que corresponde al
análisis de un caso de estudio, para ello, se utilizó el modelo descriptivo de diseño que se
muestra en la Figura 2. En él se observa como la investigación del contexto sirve como retro
alimentación al planteamiento del problema, el cual servirá para determinar las necesidades
del sistema en colaboración con la parte médica. A partir de ahí, se utilizará la metodología
QFD para traducir las necesidades del sistema en los requerimientos técnicos que deberá
cubrir el mismo al concluir el proceso de diseño del concepto. Por último, el caso de estudio
Diseño de un sistema robótico para rehabilitación de marcha enfocado a niños con parálisis cerebral
xv
presentado corresponde a la fase inicial del diseño a detalle, en específico, a la obtención
del diseño para el dispositivo encargado de efectuar el movimiento de las extremidades
inferiores.
Figura 2 Modelo descriptivo de la metodología utilizada en el presente trabajo.
A partir de la metodología de diseño integrado de la Figura 2 se desarrolló la presente Tesis de Maestría. En la Introducción, se presenta una panorámica general del desarrollo del proyecto, y la presentación de la Tesis, problema, objetivos, justificación e impacto. En el Capítulo 1. Marco Teórico, se presentan las definiciones y conceptos sobre parálisis cerebral y análisis de la marcha, necesarios para entender las especificaciones y requerimientos del sistema a diseñar. En el Capítulo 2. se reporta el Estado del Arte, los desarrollos académicos, los equipos comerciales y las patentes reportadas de sistemas de rehabilitación relacionados. En el Capítulo 3 se explica el Diseño del Concepto Final obtenido del sistema de rehabilitación propuesto. Se desarrolló posteriormente, en el Capítulo 4. Caso de Estudio, se presenta el diseño en detalle de la estructura del prototipo, las características de la arquitectura de hardware y software diseñados para el sistema. Por ultimo en el Capítulo 5 se presentan las Conclusiones y recomendaciones para el trabajo futuro.
16
MARCOTEÓRICO
En este capítulo se explica en que consiste la parálisis
cerebral y su clasificación, como es el proceso de
marcha humana y las características primordiales para
su análisis, por último, se hace una breve descripción
de la variación de la marcha entre infantes y adultos e
infantes contra sus similares con parálisis cerebral.
1
Marco Teórico
18
CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO
1.1 Introducción a la PC
La PC como tal no es un diagnóstico específico, sino un abanico clínico que incluye
múltiples formas patológicas. Sin embargo, existen características que permiten incluir un
cuadro dentro del término PC [6] cuyos conceptos son:
Trastorno del desarrollo de la postura y del movimiento, de carácter persistente, más
no invariable, que condiciona una limitación en la actividad y es secundario a una
agresión no progresiva a un cerebro inmaduro. De esa manera, la actividad postural
anómala es la principal característica de la PC, que origina patrones anómalos de
postura y movimiento, con mala coordinación y/o capacidad de regulación del tono
muscular.
Frecuente asociación con otras alteraciones de tipo sensitivo, cognitivo, de
conducta, de comunicación, perceptivas o epilépticas, así como con diferentes
afectaciones musculoesqueléticas secundarias, cuya existencia condiciona de
manera importante el pronóstico general de los niños.
El hecho de que la afectación sea en un cerebro inmaduro, hace que las consecuencias de
la lesión sean difíciles de predecir debido a la plasticidad del cerebro y de sus circuitos,
tanto sustitutorios como aberrantes, que pueden originar nuevos síntomas como epilepsia
o distonía.
La PC es, por lo tanto, un trastorno crónico, incurable, pero no letal, lo que es fundamental
en las unidades de rehabilitación infantil para la previsión de recursos y la organización del
paso a la vida adulta.
La clasificación clínica de este padecimiento se realiza en función de la afectación
topográfica o del trastorno motor predominante, a continuación, se listan ambas
clasificaciones con sus características relevantes [2].
En función de la topografía (Figura 1.1):
Unilateral: Hemiparesia o, raramente, monoparesia.
Bilateral:
Diparesia: Afectación de las cuatro extremidades con predominio de afectación en
Miembros Inferiores.
Triparesia: Afectación de ambas extremidades inferiores y una extremidad
superior.
Tetraparesia: Afectación por igual de las cuatro extremidades.
Usualmente se incluye en estos términos si existe implicación del tronco o de la región
bulbar.
Capítulo 1
19
Figura 1.1 Tipo de afectación de acuerdo a la topografía. Fuente: Neuronas en crecimiento, España.
En función del trastorno motor predominante:
Espasticidad
Es la forma más frecuente de la PC, verificándose en el 70-80% de los casos. Básicamente
se lesiona el sistema piramidal en la neurona motora superior, provocado signos positivos
y negativos de lesión. Los signos positivos son aumento de los reflejos osteotendinosos,
reflejos patológicos, clonus y cocontracciones. De los signos negativos se mencionan
debilidad muscular mala coordinación y equilibrio, dispraxia y fatigabilidad. En niños
pequeños es el fenómeno más llamativo produciendo un patrón de puntillas y pie de equino.
En niños mayores y adolescentes la debilidad en los músculos antigravitatorios es un factor
importante en el desarrollo de los patrones anómalos. Los signos positivos y negativos
interaccionan entre si condicionando la afectación musculoesquelética al grado de producir
la llamada enfermedad del brazo de palanca, que afecta las cadenas musculares en las
situaciones de apoyo e impide la alineación de las articulaciones con el eje de carga, siendo
uno de los principales responsables de la discapacidad. Por último, el control selectivo
voluntario se encuentra reducido, siendo los movimientos más lentos y carentes de aquellos
ajustes necesarios para una actividad delicada, no teniendo la naturalidad de un movimiento
normal. Los cuadros clínicos comunes son la Tetraparesia espástica, Diparesia espástica y
la hemiparesia espástica [3, 4].
Tetraparesia Espástica: Su incidencia es baja, siendo la causa de origen
prenatal en la mayoría de los casos. Muestran daño evidente desde los primeros
meses de vida, con retraso en las primeras adquisiciones y aumento generalizado
del tono muscular. Se asocia a gran número de comorbilidades como retraso
mental, epilepsia y afectación bulbar, que puede condicionar la deglución. Son
también frecuentes atrofia óptica, estrabismo, alteraciones visomotoras, así como
desarrollo de deformidades ortopédicas graves, especialmente escoliosis y
luxación de cadera. El niño tiene alto grado de dependencia.
Diparesia Espástica: Es el tipo más frecuente de PC, siendo la causa
generalmente de origen perinatal en los prematuros y de origen prenatal en los
Marco Teórico
20
niños a término. El diagnóstico es más difícil en los primeros meses, empezando
a retrasarse el desarrollo psicomotor de una manera evidente a partir de los 6
meses (volteo y sedestación), apreciándose hipertonía extensora y abductora de
miembros inferiores. En miembros superiores, los hitos manipulativos pueden
estar retrasados y existir dificultad en la coordinación de movimientos finos y
rápidos de los dedos y en la flexión dorsal y supinación de la muñeca. Existe una
baja incidencia de retraso mental (30%) con clara relación con el grado de
afectación motora. En el 30% de los casos se presenta epilepsia y estrabismo
mientras que en el 40% se presentan problemas visoperceptivos que pueden
interferir con el aprendizaje no verbal. Son propensos a desarrollar subluxación
de cadera [6]. La gravedad de la afectación es variable, desde formas leves y
distales como marcha de puntillas, hasta niños no deambulantes [7].
Hemiparesia Espástica: es el segundo tipo más común de PC comprendiendo
el 30% de los casos. La causa generalmente prenatal por daño vascular o
malformación. Los primeros síntomas reconocibles se presentan durante la etapa
de manipulación, en donde se observa asimetría con menor uso de la mano
afectada, la cual tiende a estar más cerrada y con inclusión del pulgar. Se
caracteriza por un aumento progresivo del tono muscular en el brazo y por la
dificultad de ejercer presión, junto con la flexión dorsal y supinación de la muñeca,
frecuentemente se le asocian movimientos distónicos distales. Puede existir
esteroagnosia, en cuyo caso, el pronóstico del uso de la mano empeora, máxime
si el inicio del tratamiento es precoz. La afectación predominante de miembro
inferior es poco común, sin embargo, en los casos en los que se presenta se tiene
total adquisición de la marcha en la gran mayoría de ellos [8].Frecuentemente se
presenta estrabismo, déficits del campo visual y alteraciones visoespaciales. En
este tipo de PC la epilepsia suele ser de aparición tardía. Existe atrofia muscular
y menor crecimiento del hemicuerpo afecto, así como la aparición, en ciertos
casos, de parálisis facial central. En algunos niños aparecen trastornos de leguaje
que en los casos congénitos no tiene ninguna relación con el lado de la lesión [6].
Discinesia.
La Discinesia solo afecta al 10-20% de los pacientes. En la mayoría de los casos con origen
perinatal, por asfixia o isquemia grave. Es una afección al sistema extrapiramidal,
especialmente los ganglios basales. Se caracteriza por la presencia de movimientos
involuntarios y alteraciones del tono y la postura, con imposibilidad para organizar y ejecutar
adecuadamente actos propositivos, coordinar movimientos automáticos y mantener la
postura. Los movimientos son anormales en su ritmo, dirección y características espaciales
y están muy influidos por las emociones, la actividad o las condiciones de estabilidad, como
la ausencia del sueño. Existen dos tipos la forma hipercinética y la distónica [9].
Hipercinética: Es la forma más frecuente. En ella los movimientos pueden ser
atetósicos, coreicos o mixtos, con espasticidad o sin espasticidad. Los atetósicos
son movimientos involuntarios en abanico y como reptantes de los dedos, con un
componente de giro alrededor del eje longitudinal de la extremidad y con
Capítulo 1
21
inestabilidad entre posiciones extremas (hiperflexión -extensión). Los coreicos son
movimientos involuntarios rápidos, bruscos e irregulares, preferentemente de las
extremidades, que afectan también a cara y lengua (muecas), raros en la PC.
Distónica: esta forma se caracteriza por cambios rápidos y anormales del tono
muscular, sobre todo de la musculatura extensora del tronco, inducidos por
estímulos emocionales, cambio de postura o intento de realizar movimientos
voluntarios. La distonía no se asocia con hiperreflexia y a menudo desaparece
cuando el niño duerme.
Ataxia.
Las formas atáxicas de la PC son raras, solo se presentan en un 5-10% de los casos. La
ataxia como alteración aislada suele corresponder a síndromes genéticamente
determinados. En la PC está relacionada con afectación del cerebelo o de sus conexiones
corticopontocerebelosas, se suele presentar con hipotonía, hiperextensibilidad articular y
deficiente estabilidad al intentar mantener una postura o equilibrio, que no es de carácter
brusco si no como un vaivén del tronco y la cabeza. Esta circunstancia dificultara la
sedestación, la bipedestación y la marcha. Hay imprecisión de los movimientos voluntarios
coordinados de alcance, así como de los movimientos oculares, con estrabismo alternante.
Existe asimismo una disminución de la fuerza. El temblor intencional no se suele manifestar
en los niños pequeños siendo más típico de niños mayores.
Con respecto al trastorno motor predominante (Figura 1.2), se debe tener presente que la
limitación de la capacidad de una parte del cuerpo es de origen espástico, mientras que las
formas discinéticas o atáxicas suelen afectar a la totalidad corporal. La espasticidad tiende
a afectar a los mismos grupos musculares a lo largo del tiempo y su persistencia es lo que
favorece el desarrollo de deformidades ortopédicas. En las formas discinéticas, por el
contrario, el tono es fluctuante entre la hipotonía y la rigidez. Los movimientos involuntarios
de la discinesia suelen aparecer de forma espontánea; en cambio, los casos de ataxia
suelen seguir al inicio de una acción voluntaria [6].
Sin duda alguna, lo primordial al tratar con personas que padecen de alguna discapacidad,
es procurar que tengan la mejor calidad de vida posible. Sin embargo, al hablar de
discapacidad motora en niños se debe tomar en cuenta no solo un tratamiento rehabilitador
que sirva para mejorar su calidad de vida actual, sino que sirva también para mejorar su
transición a la vida adulta. En dicho caso expertos alrededor del mundo han desarrollado
distintas escalas de valoración que sirvan como un parámetro para medir las capacidades
motoras sociales con las que cuenta el infante y las que podrá obtener, o perder en su
defecto. Ejemplo de ello es la clasificación internacional de funcionamiento de la
discapacidad y de la salud (CIF) [10], que muestra la participación de las personas con
discapacidad en un contexto de inclusión social, así como la Clasificación Internacional de
Deficiencias, Discapacidades y Minusvalías (ICIDH por sus siglas en ingles). El problema
en estas clasificaciones consiste en saber diferenciar entre la actividad (lo que el niño puede
hacer) y la práctica (lo que realmente hace). Por lo que el concepto de capacidad es
fundamental en la rehabilitación, para decidir en qué contexto evaluar a los niños, conocer
Marco Teórico
22
lo que realmente hacen fuera de la consulta en su vida cotidiana y determinar la mejor forma
de ayudarlos a alcanzar sus metas no las esperadas por el médico o terapeuta [11].
Figura 1.2 Tipos de afectación en función del trastorno dominante. a) Brazo flexionado y girado hacia adentro,
mano cerrada en puño, pierna flexionada y girada hacia adentro, pie de puntillas. b) Brazos torpes, piernas
juntas y giradas hacia adentro, pies de puntillas. c) Pobre control de cabeza, brazos flexionados y girados
hacia adentro, manos cerradas en puño, piernas juntas y giradas hacia adentro, pies de puntillas. d)
Movimientos espasmódicos y reptantes de brazos, piernas, manos y cara, equilibrio pobre. e) Movimientos
inseguros y vacilantes, marcha tambaleante y equilibrio pobre. Fuente: Fisioterapia neurológica, España.
Se han desarrollado diversos instrumentos de medida para cuantificar y monitorizar los hitos
del desarrollo, la calidad de vida de los pacientes y de los cuidadores, el tono muscular y el
dolor, entre los que se pueden mencionar el Child Health Questionnaire (CHQ) [12], el
Pediatric Qulity fo life Inventory (PedsQL) y el Wong-Baker FACES Pain Rating Scale [13].
No obstante, la Gross Motor Function Classification (GMFC) [1], destaca de entre las
escalas funcionales para tipificar la limitación de la actividad, dado que estandariza los
movimientos voluntarios y mide los cambios de la función motora gruesa a través del
tiempo. Clasifica a los niños en cinco niveles, según su grado de independencia para la
deambulación (Tabla 1.1) y para cada uno de estos niveles establece una valoración
funcional por edades, que ha demostrado una fuerte correlación pronostica (de la
Tabla 1.2 a la Tabla 1.6). De igual forma, la Functional Mobility Scale (FMS) [14], fue
diseñada para medir la deambulación de niños con PC, tanto en distancia como en
necesidad de ayudas técnicas. Si bien, no sustituye a la GMFC si se utiliza para
complementarla respecto a los pacientes con capacidad de deambulación.
En lo que se refiere a los miembros superiores se pueden utilizar diversas pruebas, como
son el Test de Melbourne que valora la capacidad de alcance, prensión, liberación,
manipulación y transferencias mano a mano; el Quality of Upper Extremity Skills Test
(QUEST) [15], que es una prueba diseñada para medir la calidad de las habilidades de los
miembros superiores, valorando los movimientos disociados, prensión, extensión
protectora y apoyo manual del peso; la Manual Ability Clasification System (MACS)[16],
resulta ser la más utilizada, en ella, se valora la capacidad manipulativa de niños de 4 a18
años con PC y establece cinco niveles (Tabla 1.7).
Capítulo 1
23
Tabla 1.1 Clasificación general GMFCS
Nivel Caracterizas Generales
I Marcha sin restricciones. Limitaciones en habilidades motoras más avanzadas.
II Marcha sin soporte ni órtesis. Limitaciones para andar fuera de casa o en la comunidad.
III Marcha con soporte u órtesis. Limitaciones para andar fuera de casa o en la comunidad.
IV Movilidad independiente bastante limitada.
V Totalmente dependiente. Auto movilidad muy limitada.
Tabla 1.2 Hitos caracteristicos, Nivel I GMFCS
Edades Características
< 2 años
Sedestación libre que le permite manipular con ambas manos sin necesidad de apoyo..
Pasa a sentado, gatea, se pone de pie con apoyo.
Inicia la marcha de los 2 años sin necesidad de ayuda o aparatos.
2-4 años
Sedestación libre y dinámica.
Cambios posturales sin ayuda del adulto.
Marcha libre sin soporte u ortesis como medio preferido y usual de desplazamiento.
4-6 años
Paso a bipedestación desde una silla y desde el suelo sin apoyo en objetos.
Marcha sin necesidad de ortesis en casa y fuera de casa, capacidad de subir escaleras.
Inicia a correr y saltar.
6-12 años
Marcha y escaleras sin limitación dentro y fuera de casa.
Corre y salta, aunque la velocidad, el equilibrio o la coordinación están limitadas.
Puede participar en deportes y actividades físicas en función de sus opciones personales y de los factores ambientales
12-18 años
Similar a ítems anteriores.
En el caso específico de la marcha, la mayoría de las clasificaciones están centradas en
los niños con PC espástica, analizando cualitativamente el plano sagital y aunque han
demostrado su fiabilidad, no son aplicables al resto de los casos. Para la hemiplejia se
utiliza la clasificación de Winters y para la diplejía espástica la de Rodda. Para la aplicación
de dichas clasificaciones es esencial un conocimiento medio de los principios básicos de la
biomecánica. Los especialistas recomiendan la aplicación de las escalas en estudios
longitudinales, por el cambio habitual del patrón de marcha con el crecimiento. En el futuro,
es posible que el análisis instrumentado de la marcha con inclusión de la cinemática del
Marco Teórico
24
plano coronal, sagital y transversal, así como la incorporación de otros parámetros cinéticos
y electromiograma de valoración, sea una práctica habitual en la consulta clínica para
determinar las opciones y resultados de los tratamientos.
En cuanto al pronóstico de deambulación [6], pueden considerarse varios aspectos,
afirmando de manera general, que:
En función de la forma clínica, los porcentajes de niños que caminaran son los
siguientes: hemiparesias, 100% a la edad de 3 años; diparesias espásticas, 65-80%
mayoritariamente hacia los 3 años, con dispositivos ortopédicos o sin ellos;
tetraparesias espásticas, menos del 50%; formas discinéticas, 70-75%, aunque
pueden conseguirlo muy tardíamente, incluso a los 15 años; ataxias, casi el 100%.
En función de la valoración clínica a los 2 años, la marcha libre es poco probable si
existe persistencia marcada de reflejos arcaicos, espasmos extensores o ausencia
de reacción paracaídas. Es casi segura, si están presentes las reacciones de
paracaídas, sedestación autónoma, acceso a sedestación desde prono y gateo
reciproco.
Respecto a los reflejos y reacciones posturales, cualquiera que tenga persistencia
de dos de los siguientes signos no alcanzara la marcha: reflejo tónico simétrico,
reflejo tónico asimétrico, reacción positiva de soporte, reflejo de Moro, reflejo de
enderezamiento primitivo del cuello, ausencia de la reacción de paracaídas o
ausencia de la reacción de colocación.
Tabla.1.3 Hitos Característicos, Nivel II GMFCS
Edad Características
< 2 años
Mantiene sedestación, pero puede precisar apoyar la mano para mantener el equilibrio.
Se arrastra o patea.
Puede ponerse de pie y dar pasos con apoyo.
2-4 años
Mantiene sedestación, aunque no libre, estable ni dinámica.
Pasa a sentado sin ayuda, se pone de pie en una superficie uniforme.
Gateo reciproco.
Marcha en cabotaje con apoyo en los muebles.
Puede hacer marcha como método preferido de desplazamiento, pero con aparatos.
4-6 años
Sedestación en silla con ambas manos libres para manipular objetos.
Pasa en el suelo de decúbito a sentado y de sentado en una silla a de pie, aunque requiere una superficie de apoyo estable.
Puede andar sin aparatos, sin límites dentro de casa y por pequeños trayectos fuera de esta.
Sube escaleras con apoyo. No puede saltar ni correr.
6-12 años
Marcha libre dentro y fuera de casa, pero con limitaciones en terreno desigual o inclinado, en sitios con mucha gente o si tiene que transportar algo.
Capítulo 1
25
Sube y baja escaleras sujetándose al pasamano o con ayuda de una persona.
Solo mínima habilidad para correr o saltar.
Puede requerir adaptaciones para poder participar en actividades físicas y deportivas.
12-18 años
Igual que ítems anteriores.
En el colegio o trabajo puede andar con dispositivo de apoyo manual para tener seguridad.
En el entorno comunitario puede utilizar una silla para distancias largas.
Factores ambientales y preferencias personales influyen sobre las opciones de desplazamiento.
Tabla 1.4 Hitos característicos, Nivel III GMFCS
Edad Características
< 2 años
Se voltea y puede arrastrarse.
Sedestación solo con apoyo en la espalda.
2-4 años
Mantiene sedestación a menudo en "W" y puede necesitar ayuda del adulto para sentarse.
Usa arrastre o gateo (generalmente sin patrón reciproco) como medio principal de desplazamiento.
Puede ponerse de pie con agarre y desplazarse cortas distancias, apoyándose.
Puede andar cortas distancias dentro de casa con ortesis o dispositivos de apoyo manual y precisa ayuda del adulto para cambios de dirección o para mantener la bipedestación.
4-6 años
Se mantiene en una silla, aunque puede requerir algún control de pelvis o tronco para optimizar el uso de las manos.
Pasa de sentado a de pie o viceversa con apoyo en brazos en una superficie estable.
Marcha con ortesis o dispositivos de ayuda manual, sube escaleras con asistencia de un adulto. En largas distancias o terreno irregular precisa que lo transporten.
6-12 años
Marcha libre fuera y dentro de casa con ortesis.
Puede necesitar cinturón para alineación pélvica y control de tronco en sedestación.
Precisa apoyo para transferencias de sedestación a bipedestación y del suelo a de pie.
Sube escaleras con apoyo en pasamanos con supervisión y ayuda de otra persona.
Dependiendo de la función manual para largas distancias, terreno irregular o participación en actividades físicas o deportivas puede auto propulsarse en silla de ruedas manual o ser transportado.
12-18 años
Igual a ítems anteriores.
En el colegio puede utilizar una silla autopropulsada o propulsada manualmente por terceros.
Marco Teórico
26
Combativamente con pacientes de otros niveles, presentan mayor variabilidad en los métodos de desplazamiento en función de su capacidad física, factores ambientales y personales.
Los procedimientos de atención a niños con esta patología constan de 3 líneas de terapias
para el trastorno motor, de prevención, de repercusiones secundarias y el tratamiento de
trastornos asociados, con la finalidad de brindar al paciente un protocolo de terapia integral.
El objetivo principal será la adquisición y el aumento de la funcionalidad y de capacidades
como el desplazamiento, el desarrollo cognitivo la interacción social y la independencia. En
aquellos niños clasificado en los niveles I, II y III de la clasificación GMFC, lo que se
pretende es mejorar la alineación durante la marcha, un aumento del rango articular,
aumento de la fuerza y la reducción de cualquier factor de riesgo que pudiera interferir
durante la marcha. Para los niños clasificados en los niveles IV y V en la GMFC se busca
conseguir una posición de sedestación confortable, un buen manejo para transferencias y
la maximización de su interacción con el entorno. Además de las funcionalidades estos
niveles tienen muchas comorbilidades médicas por lo que parte de los objetivos incluyen la
prevención y el tratamiento de dichas situaciones.
Tabla 1.5 Hitos característicos, Nivel IV GMFCS
Edad Características
< 2 años
Sostiene la cabeza, pero precisa apoyo completo de tronco en sedestación.
Voltea de prono a supino y es posible que de supino a prono.
2-4 años
Tras colocarlo, mantiene sedestación con apoyo en manos.
Requiere adaptaciones (ayudas especiales) para sedestación y bipedestación.
Puede desplazarse distancias cortas por arrastre, volteo o gateo sin disociación.
4-6 años
Necesita adaptación del asiento para el buen control de tronco en sedestación y en uso libre de las manos.
Se sienta en la silla y se levanta de ella con ayuda del adulto o apoyo en una superficie estable.
En el mejor de los casos, puede desplazarse cortas distancias con andador o ayuda del adulto. Dificultades para girar o mantener el equilibrio en superficies desiguales. En la comunidad necesita que lo transporten.
Puede ser autónomo para desplazarse con silla de ruedas electrónica.
6-12 años
Puede mantener las habilidades de desplazamiento previas o depender totalmente de silla de ruedas. En casa puede realizar desplazamientos a nivel de suelo, por medio arrastre, gateo o rodar.
Precisa asientos adaptados y apoyo personal para la mayoría de las transferencias
Puede ser autónomo para desplazarse con silla de ruedas electrónica.
Las limitaciones en la movilidad requieren adaptaciones que le permitan participar en las actividades físicas o deportivas, incluyendo la ayuda personal y/o dispositivos autopropulsados.
Utiliza una silla para desplazarse en la mayoría de contextos.
Capítulo 1
27
12-18 años
Se necesita la ayuda física de una o dos personas para las transferencias, pero puede apoyar parte de su peso sobre las piernas para ayudar en dichas transferencias.
En interiores pueden andar distancias cortas con ayuda de otra persona o con silla, o una vez colocado en andador con soporte corporal.
Las limitaciones en la movilidad requieren adaptaciones que le permitan participar en las actividades físicas o deportivas, incluyendo la ayuda personal y/o dispositivos autopropulsados.
El tratamiento rehabilitador de la PC se lleva a cabo a través de técnicas de fisioterapia y
terapia ocupacional que orientan su actuación con diferentes enfoques: biomecánico,
neurodesarrollante, conductivo o de terapia restrictiva, entre otros. El tratamiento
rehabilitador también puede incluir intervenciones logopédicas, manejo del
posicionamiento, ortesis y ayudas técnicas o terapias de realidad virtual.
La fisioterapia consiste en estiramientos pasivos, técnicas pasivo reflexivas o de masaje y
técnicas de estimulación eléctrica. Los tratamientos basados en el neurodesarrollo tratan
de inhibir la actividad neuronal refleja anormal y facilitar los movimientos automáticos
normales siguiendo la secuencia natural del desarrollo de posturas ideadas para reducir la
espasticidad, al facilitar las reacciones de enderezamiento y equilibrio [17]. Estas terapias
usualmente se combinan con entrenamientos de fuerza mediante resistencia progresiva.
Lamentablemente la programación de terapias, en función de la frecuencia, la duración,
intensidad y calendario óptimo de intervenciones no suele tener relación con la evidencia
científica, sino en los factores económicos, sociales junto con el estado anímico del niño y
de los familiares, debido al estrés que pueden provocar dichas terapias; por lo que la
mayoría de las terapias se programan en días alternos, máxime si se ha observado mejora
de la funcionalidad con el tratamiento y el niño no muestra perdidas de esta cuando el
programa involucra periodos de descanso [18].
Tabla 1.6 Hitos característicos, Nivel V GMFCS
Edad Características
< 2 años Sin control anti gravitatorio de cabeza y tronco (prono o sedestación)
No se voltea sin ayuda
2-4 años
Las limitaciones funcionales para sedestación o bipedestación no pueden compensarse con adaptaciones o tecnología asistida
Sin movilidad independiente. Se les transporta en silla manual en todos los contextos.
Las transferencias exigen una asistencia personal completa.
La terapia ocupacional, se dirige fundamentalmente a las áreas específicas de las
actividades básicas cotidianas, la función manual y la posición funcional en sedestación.
De igual forma se utilizan técnicas sensivomotoras de estimulación dirigidas a mejorar las
habilidades oromotoras y las técnicas de posicionamiento que mejora el control oral motor
Marco Teórico
28
[19]. En los últimos años el entrenamiento utilizando realidad virtual ha mostrado mejoras
en las habilidades motoras y visuoespaciales, además de reducir el tedio de las terapias
convencionales promoviendo simulaciones en las que el niño pueda jugar e identificar
similitudes con sus actividades de vida diarias. [20].
La PC no es un padecimiento neurodegenerativo, es decir, las lesiones en el cerebro no
progresan con el tiempo y son permanentes, mas no es el caso de las alteraciones motrices
derivadas de dichas lesiones. La espasticidad, distonía muscular y el mal funcionamiento
de la periferia nerviosa en las extremidades, provocan que el individuo presente posturas
inadecuadas para la realización de sus actividades en el día a día, por lo que la temprana
detección, junto con los dispositivos de ayuda ortopédica ayudaran a evitar, en la medida
de lo posible, que dichas posturas se vuelvan patrones necesarios para sus actividades
cotidianas. En este sentido, es primordial hacer una correcta valoración de los trastornos
primarios y secundarios que el individuo presente, para poder determinar las prioridades en
el tratamiento del padecimiento. Desarrollar una correcta sedestación y un adecuado
proceso de marcha son algunas de las prioridades que los terapeutas buscan atender en
niños con PC, ya que estas repercuten de forma directa en la calidad de vida del infante y
en la proyección a futuro de la misma. Es por ello, que cualquiera que pretenda involucrarse
en la rehabilitación y terapia de niños que presentan esta condición debe conocer y
comprender el proceso por el cual se desarrolla el ciclo de marcha y poder relacionar las
anormalidades y limitaciones del aparato locomotor, que se presentan para los diferentes
tipos de PC infantil [21].
Tabla 1.7 Clasificación general MACS
Nivel Características
I
Manipula objetos fácilmente y con éxito.
Ninguna restricción de la independencia ni limitación en actividades de la vida diaria.
Limitaciones para algunas actividades que requieren velocidad y precisión.
II
Manipula la mayoría de los objetos, pero con alguna reducción en la calidad o la velocidad de ejecución.
Se pueden evitar ciertas actividades, o conseguirse con dificultad, o emplearse formas alternativas de ejecución.
Usualmente no hay restricción en la independencia de las actividades de la vida diaria.
III
Manipula los objetos con dificultad, necesita ayuda para preparar o modificar las actividades.
La ejecución es lenta y el éxito es limitado en su calidad.
Las actividades solo son realizadas independientemente si antes han sido organizadas o adaptadas.
IV
Manipula una selección de objetos fáciles de usar y solo en situaciones adaptadas
Requiere soporte continuo y equipo adaptado para logros parciales de la actividad.
Capítulo 1
29
V
No manipula objetos y tiene capacidad muy limitada para ejecutar acciones más sencillas.
Requiere asistencia total.
1.2 Ciclo de Marcha Humana
El proceso de la marcha humana es uno de los más complejos que se afrontan en el
aprendizaje de nuevas habilidades durante la vida, si bien, resulta algo cotidiano y simple
una vez que es adoptado por completo, durante la etapa de desarrollo locomotriz de dicha
habilidad se ven involucrados diversos factores posturales y de control muscular, que
permiten una evolución satisfactoria del tránsito por gateo a la marcha bípeda eficiente, al
grado, que se aplica un movimiento corporal uniforme tanto del tren superior como de las
extremidades inferiores para realizar este proceso en el día a día. A continuación, se explica
brevemente en que consiste este ciclo y las definiciones de los hitos clásicos en el estudio
de la biomecánica de la marcha junto con la variación de los ángulos de las articulaciones
corporales implicadas en el proceso.
El ciclo de marcha es la secuencia de acontecimientos que tiene lugar entre dos
repeticiones consecutivas de uno (cualquiera) de los sucesos de la marcha, habitualmente
se adopta como inicio del ciclo el instante en que alguno de los pies entra en contacto con
la superficie; por conveniencia, durante el desarrollo de este trabajo se adopta como
principio del ciclo el contacto del talón del pie derecho con la superficie. Por consecuencia,
el ciclo termina con el siguiente apoyo de talón del mismo pie, a esto también se le conoce
como zancada. Por su parte, el miembro izquierdo experimentara la misma serie de
acontecimientos que el derecho, solo que desplazados en el tiempo por medio ciclo [22].
Durante un ciclo de marcha completo, cada pierna pasa por una fase de apoyo, durante la
cual el pie se encuentra en contacto con el suelo, y por una fase de oscilación en la cual
el pie se encuentra en el aire, al tiempo que avanza como preparación al siguiente apoyo.
La fase de apoyo comienza con el contacto inicial y finaliza con el despegue del antepié
(parte distal de la planta del pie). La fase de oscilación transcurre desde el instante del
despegue del antepié hasta el siguiente contacto con la superficie. En condiciones normales
y a la velocidad espontáneamente adoptada por el sujeto, la fase de apoyo constituye
alrededor de un 60% del ciclo de marcha. Por otro lado, la fase de oscilación representa el
40% restante del ciclo. Lo mismo ocurre para el miembro contralateral (miembro opuesto al
referido en el momento ya sea el izquierdo o el derecho, según sea el caso), desplazado
en el tiempo en un 50% del ciclo de marcha. De ello se deduce, la existencia de dos fases
de apoyo bipodal o de doble apoyo. Al intervalo durante el cual tan solo un miembro se
encuentra en contacto con el suelo se le denomina periodo de apoyo monopodal. En la
Figura 1.3, se puede observar como dicho periodo coincide con el tiempo de oscilación del
miembro contralateral. Así mismo, el tiempo total del apoyo de un pie es igual a la suma del
periodo de apoyo monopodal y del apoyo bipodal.
La longitud de paso para cualquiera de los miembros se determina midiendo la distancia,
en la dirección de la progresión, entre el apoyo inicial de los estos. Es decir, la longitud de
Marco Teórico
30
paso izquierdo será la aquella medida entre los puntos de contacto inicial del pie derecho y
el del apoyo inicial del pie derecho. Análogamente, la longitud de paso derecho se considera
la distancia entre los puntos de contacto inicial del pie izquierdo y el de contacto inicial del
pie derecho; siendo la suma de ambas, la longitud total de la zancada. Se define como
anchura o ancho de paso a la separación lateral que existe entre los apoyos de ambos
pies y usualmente es medida entre los puntos medios de cada talón.
Figura 1.3 Ciclo de marcha humano [22].
Si se quiere contar con la totalidad del cuadro descriptivo de la marcha humana es
necesario tomar mediciones que no dependan exclusivamente de la longitud, esto debido
a que el ciclo de marcha se considera en función del tiempo en el que se realiza, para ello
se tomaran dos medidas especiales en este proceso. A la primera de estas se le conoce
como cadencia, la cual se define como la cantidad de pasos efectuados durante un
intervalo de tiempo y cuya medida más común está dada en pasos/min. En general, se
utiliza una prueba de 120 pasos para determinar el valor de la cadencia.
𝐶𝑎𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠
𝑚𝑖𝑛] =
2[𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠]𝑥 60[𝑠]
𝑑𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑧𝑎𝑛𝑐𝑎𝑑𝑎[𝑠]𝑥1[𝑚𝑖𝑛]= (
120[𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠]
𝑑𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑧𝑎𝑛𝑐𝑎𝑑𝑎[𝑚𝑖𝑛])
Por último, la velocidad de la marcha descrita como el desplazamiento de posición del
cuerpo en la dirección de la progresión de marcha en un intervalo de tiempo. Aunque para
el análisis de marcha se suele adoptar la velocidad media, calculada como:
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 [𝑚
𝑠] =
𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑧𝑎𝑛𝑐𝑎𝑑𝑎[𝑚] 𝑥 𝑐𝑎𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠𝑚𝑖𝑛 ]
120
Capítulo 1
31
La marcha humana esta descrita por medio de la conjunción armónica de los movimientos
articulares que comprenden los diferentes segmentos corporales del sistema musculo-
esquelético, por lo que el conocer el funcionamiento individual de las articulaciones
involucradas en este proceso, representa una mejor comprensión del conjunto durante el
ciclo de marcha, en función de sus hitos clásicos, descritos con anterioridad.
En el siguiente apartado, se describe la cinemática articular de las principales articulaciones
involucradas en el ciclo de marcha junto con los rangos de movimiento que estas presentan.
1.3 Cinemática articular
Para describir las posiciones y movimientos realizados por el cuerpo humano es necesario
determinar el sistema de referencia del mismo además de la terminología normalmente
utilizada para la descripción anatómica. El sistema cartesiano mostrado en la Figura 1.4
está compuesto por el plano frontal o coronal, el plano sagital o lateral, y por último el
plano trasversal. Cada plano divide el cuerpo en dos hemisferios, el plano sagital divide al
cuerpo entre izquierda y derecha, el plano trasversal en inferior y superior y el plano frontal
en anterior y posterior. Las piernas son inferiores mientras que los brazos son superiores,
la nariz es anterior mientras que los talones son posteriores, esto solo por mencionar
algunos ejemplos de cómo se utilizan estos términos anatómicos [23]. Al eje que se forma
de la intersección del plano sagital y el plano frontal se le conoce como línea media del
cuerpo, a toda parte cercana a esta línea media se le dice medial, a aquella más alejada
de ella se les llama lateral. Por último, se dice que algo es proximal cuando se encuentra
cercano al resto del cuerpo, en sentido contrario distal se refiere a que está más alejado del
resto del cuerpo [24]. En la Figura 1.5 se observa como la cadera y el hombro son
proximales mientras que el pie y los dedos de la mano son distales.
Figura 1.4 Definición de los planos corporales y definición de términos en función del centro de gravedad [23].
Marco Teórico
32
Durante el estudio del proceso de marcha la movilidad de las extremidades inferiores son
las que generan el desplazamiento del cuerpo, a la vez que las extremidades superiores
sirven para estabilizar y hacer eficiente el movimiento. La cadera es la articulación proximal
de los miembros inferiores cuyo movimiento representa un enlace con el movimiento del
tren superior, compuesto por el tronco y brazos, y cuyo movimiento articular más destacado
recae tanto en la pelvis como en la cintura escapular u hombro. En la parte media de la
pierna se encuentra la rodilla y distal a ella el tobillo, este se encarga de enlazar el
movimiento de la pierna con el pie y las distintas articulaciones que en él se encuentran.
Para efectos de este trabajo se considera al pie rígido, es decir no se considera el
movimiento articular que existe en las articulaciones que lo componen, por lo que solo se
describirá la cinemática articular de la cadera, rodilla y tobillo.
Figura 1.5 Definiciones anatómicas. a) Direcciones corporales en el plano sagital, b) Pierna izquierda vista
normal al plano frontal, c) Brazo izquierdo visto normal al plano frontal [23].
1.3.1 Cadera
Al efectuarse el contacto inicial la cadera se encuentra flexionada (Figura 1.6)
aproximadamente 30°. Durante la fase de apoyo monopodal esta se extiende hasta
alcanzar un valor cercano a los 10°, al llegar la preparación del miembro para la oscilación
y a lo largo de la misma, la cadera se flexiona hasta los 35° y ahí comienza a extenderse
hasta momentos previos al contacto inicial del miembro contralateral, momento en el que
su posición de aducción-abducción es neutra. Para el final del apoyo bipodal alcanza su
máxima aducción, aproximadamente 5°, y se abduce hasta un máximo aproximado de 10°
a lo largo del resto de la fase de apoyo monopodal. Al comenzar el despegue de los dedos
repentinamente se abduce a lo largo de la fase de oscilación, preparando el siguiente
contacto inicial.
Nótese que los movimientos rotacionales de la cadera son altamente variables entre
individuos durante la marcha, en el contacto inicial, se encuentra rotada externamente en
Capítulo 1
33
un valor aproximado de 5° manteniendo esta posición durante la respuesta a la carga (el
momento en que se transfiere el peso del cuerpo del miembro contralateral a aquel que
realiza la fase de apoyo monopodal, el cual se encuentra completamente extendido) y
durante el inicio de la parte media de la fase de oscilación.
Figura 1.6 Movimientos de la cadera y de la rodilla [25].
Conforme se continua la consecución de movimiento del miembro oscilante, la cadera rota
internamente hasta situarse a 2° de la posición neutra en la mitad de la fase de apoyo
monopodal. En este punto, invierte su dirección y rota externamente a medida que el talón
comienza a elevarse, hasta alcanzar su pico de rotación externa de 15° al iniciar la fase de
oscilación. Mientras que el miembro oscilante sobrepasa la extremidad contralateral, que
se encuentra en apoyo monopodal, la cadera rota internamente hasta los 3° y después
oscila entre 3° y 5° de rotación externa al llegar al término de la fase de oscilación.
Prácticamente, y con excepción de un pequeño periodo durante la fase de oscilación, la
cadera no alcanza posiciones de rotación interna durante la marcha (Figura 1.7)
Figura 1.7 Desplazamientos angulares de la cadera en sus tres ejes en una muestra de 25 hombres y 4
mujeres entre 15 y 35 años. a) Flexión (<0) y extensión (>0), b) Abducción (<0) y Aducción (>0), c) Rotación
externa (<0) y rotación interna (>0) [26].
Marco Teórico
34
1.3.2 Rodilla
Al efectuarse el contacto inicial, la rodilla se encuentra extendida casi completamente,
entonces gradualmente se flexiona hasta alcanzar su primer pico de flexión, de
aproximadamente 20° al aproximarse a la fase media del apoyo monopodal. A partir de este
punto, la rodilla se extiende casi por completo e inicia una nueva flexión hasta alcanzar
alrededor de 40°, al iniciar la preparación para la fase oscilante. Una vez se consigue el
despegue de los dedos, la rodilla continúa flexionándose hasta su segundo pico de flexión,
este puede variar entre los 60° y 70°, al llegar a la mitad de la fase oscilante, entonces se
extiende de nueva cuenta para preparar el siguiente contacto inicial (Figura 1.8).
Figura 1.8 Desplazamientos angulares de la rodilla en los tres ejes en una muestra de 25 hombres y 4
mujeres entre 15 y 35 años. a) Extensión (<0) y flexión (>0), b) Abducción (<0) y aducción (>0), c) Rotación
externa (<0) e interna (>0) [26].
En general la rodilla es bastante estable, respecto a la aducción-abducción, durante la fase
de apoyo monopodal, esto debido a la presencia de restricciones óseas en la posición
relativamente extendida de la rodilla. Sn embargo, este alineamiento esquelético
característico para cada persona, juega un papel primordial en los movimientos de
aducción-abducción de rodilla, por lo que estos varían de acuerdo a la morfología de cada
persona, de tal suerte, que la descripción generalizada que se presenta a continuación es
en función del muestreo mencionado en la descripción de la Figura 1.8.
La rodilla permanece en una posición de aducción (varo) a lo largo de la fase de apoyo
monopodal, pero fluctúa en un margen de 2 a 3° sobre la posición neutra. Al llegar a la
preparación para la oscilación, justo cuando el miembro contralateral inicia la trasferencia
de la carga, la rodilla puede abducirse (se mueve hacia valgo) hasta 10°, para luego
recuperar su posición de abducción en la parte final de la oscilación.
En el caso de la rotación interna y externa de la rodilla suele haber variaciones de los
valores que publican los laboratorios de marcha, debido a las compensaciones que ocupan
para el cálculo articular para solventar la diferencia de movimiento de los marcadores
optométricos utilizados en los ensayos. Aunque los rangos de desplazamiento relativo y los
patrones globales de movimiento son similares [22]. Esto permite identificar de forma
generalizada su comportamiento cinemático durante la marcha normal. En un inicio la rodilla
se mantiene en una posición de rotación externa a lo largo de la fase de apoyo monopodal,
fluctuando entre los 10 y 20°. Estos movimientos rotacionales de la rodilla se encuentran
Capítulo 1
35
fuertemente ligados a los de flexión y extensión, durante los periodos en los que la rodilla
se encuentra flexionada, está rota internamente; mientras que en los periodos en que
efectúa la extensión, hace rotación externa. Durante estos movimientos de rotación entran
en juego los ligamentos cruzados anterior y posterior, así como la particularidad ósea de
los cóndilos femorales y el platillo femoral (Figura 1.9).
Figura 1.9 Estructura de la rodilla a) vista lateral de la rodilla se observa al platillo del fémur(hueso superior)
hacer contacto con la meseta tibial (hueso inferior), b) vista anterior de la rodilla sin el tendón patelar, el
menisco lateral y el medial se apoyan en la superficie superior de la tibia [26].
1.3.3 Tobillo
Cuando el contacto inicial ocurre, la articulación del tobillo está en posición neutra o
ligeramente en flexión plantar de 3 a 5°. A partir de ahí, hasta la respuesta a la carga, el
tobillo realiza flexión dorsal (se flexiona) hasta un máximo de 15° mientras la extremidad
inferior rota anterior y medialmente sobre la extremidad inferior de apoyo. Durante la fase
de apoyo monopodal y la preparación para la oscilación, el tobillo hace flexión plantar hasta
aproximadamente 15°, mientras que el peso del cuerpo se transfiere hacia el miembro
contralateral (transferencia de la carga). Inmediatamente tras el despegue de los dedos, el
tobillo hace una rápida dorsiflexión hacia la posición neutra para lograr la elevación de los
dedos y luego comienza a flexionar plantarmente durante la parte final de la fase de
oscilación, como preparación para el contacto inicial (Figura 1.10).
1.4 Tronco y pelvis
Al producirse el contacto inicial la pelvis sufre una elevación en el lado del miembro portante
de aproximadamente 7° respecto al miembro contralateral, en este punto se produce una
rotación anterior de 5° sobre el eje normal al plano sagital. Conforme llega la respuesta a la
Marco Teórico
36
carga, esta se encuentra rotada posteriormente en un valor aproximado de 5° y gira
anteriormente hasta un máximo de 5° sobre el eje normal al plano sagital, para así recuperar
su inclinación neutra respecto al miembro contra lateral cuando se prepara al miembro
oscilante para su contacto con el suelo; en este punto de la fase de apoyo monopodal la
pelvis rota posteriormente hasta su valor máximo en el momento previo al despegue de los
dedos. El rango total de inclinación contralateral es de entre 6° y 10°, el del giro anterior-
posterior ronda entre los 3° y 5°, mientras que la rotación anterior-posterior oscila entre los
8 y 10° dependiendo de la fisionomía de la persona (Figura 1.11).
Figura 1.10 a) Movimientos del tobillo en el plano sagital, b) Desplazamiento angular del tobillo en el plano
sagital en una muestra de 25 hombres y 4 mujeres entre 15 y 35 años, flexión dorsal (<0) y flexión plantar (>0)
[26].
Las rotaciones de los segmentos del tronco dependen del movimiento de la cintura
escapular, básicamente estos movimientos son un reflejo, aunque atenuado, de los
movimientos de rotación de la pelvis, en dirección opuesta o desfasados respecto a esta. A
manera de ejemplo, si se comparan las gráficas a) y c) de la Figura 1.12 contra sus similares
de la Figura 1.13, se puede observar que durante el contacto inicial el tronco rota hacia
atrás 3° mientras que la pelvis rota hacia adelante alrededor de 5°. Este efecto de similitud
ocurre durante el resto del ciclo, mostrando así, una marcada relación de codependencia
entre los movimientos de ambas articulaciones.
Figura 1.11 Movimientos de la pelvis durante la marcha. a) Elevación-caída contralateral, b) Inclinación
anterior-posterior, c) Rotación anterior-posterior [22].
Capítulo 1
37
1.5 Gasto energético y optimización de la energía.
La energía utilizada por una persona durante la marcha se puede dividir en tres partes. La
primera, consiste en la energía consumida por los músculos a medida que aceleran y
desaceleran el tronco y las extremidades en diferentes direcciones. Por su parte, la segunda
se compone de la energía adicional requerida por el corazón y los demás músculos
involucrados en el proceso de adquisición de oxígeno, para generar la activación de los
músculos requeridos para el movimiento de los segmentos corporales durante la marcha
junto con la energía utilizada para mantener la postura erecta. Por último, se tiene el
metabolismo basal, que no es más que la mínima cantidad de energía que un individuo
consume al encontrarse en completo reposo.
Figura 1.12 Desplazamientos articulares de la pelvis en sus tres ejes en una muestra de 25 hombres y 4
mujeres entre 15 y 35 años. a) Inclinación posterior (<0) y anterior (>0), b) Elevación (>0) y caída (<0)
contralateral, c) Rotación anterior (>0) y posterior (<0) [26].
Figura 1.13 movimientos del tronco durante la marcha en una muestra de 25 hombres y 4 mujeres entre 15 y
35 años. a) Inclinación anterior (>0) y posterior (<0), b) Elevación (>0) y caída (<0) contralateral, c) Rotación
anterior (>0) y posterior (<0) [26].
En general, la energía requerida durante la marcha se puede expresar en dos formas, la
energía utilizada por unidad de tiempo, y la energía utilizada por unidad de distancia. Dado
que el gasto energético está asociado a la cantidad de oxigeno necesario durante alguna
actividad, a estas lecturas se les conoce como consumo de oxígeno y costo de oxigeno
respectivamente [27].
Marco Teórico
38
El consumo de oxigeno 𝐸𝑊, tiene unidades de Wall por kilogramo de masa corporal y está
dado por:
𝐸𝑊 = 2.23 + 1.26𝑉2
Donde 𝑉 es la velocidad promedio de marcha en metros por segundo, esta energía incluye
tanto al metabolismo basal como al gasto energético por la actividad de marcha. Por simple
inspección de la formula se infiere que en este método mientras menor sea la velocidad
promedio de la marcha, menor será la energía consumida por segundo. Por otro lado, el
costo de oxigeno conserva una menor relación con la velocidad de marcha y está dado por:
𝐸𝑚 =2.23
𝑉+ 1.26𝑉
En donde 𝐸𝑚 es la energía consumida en Joule por metro, por kilogramo de masa corporal
y 𝑉 es la velocidad media de marcha en metros por segundo. En este caso, se observa que
el consumo de energía por metro recorrido será mayor para valores de velocidad tanto bajos
como elevados, que si se utiliza una velocidad moderada en el desplazamiento.
Las ecuaciones anteriores entregan valores promedio para adultos, sin embargo, estos
pueden variar en función de la edad, sexo, superficie de marcha, calzado entre otros. De
cualquier forma, estos valores se toman como base comparativa para estudios de consumo
energético en la marcha de diferentes patologías. En la Tabla 1.8 y la Tabla 1.9 se muestran
los rangos aproximados de los parámetros generales correspondientes a niños de
diferentes edades durante la modalidad de marcha libre.
Para disminuir el costo energético y lograr un mayor grado de eficiencia en la marcha,
nuestro organismo cuenta con diversos mecanismos de optimización de la energía
minimizando el desplazamiento del centro de gravedad durante la locomoción. Existen dos
formas de intercambio de energía que se llevan a cabo durante el ciclo de marcha, las
conversiones entre energía cinética y potencial, y trasferencias de energía entre segmentos
corporales.
Tabla 1.8 Parámetros normales de marcha en niños de 1 a 4 años de edad [28].
Edad (años)
Cadencia (pasos/min)
Tiempo del ciclo (s)
Longitud de paso
(m)
Velocidad (m/s)
1 127-223 0.54-0.94 0.29-058 0.32-0.96 1.5 126-212 0.57-0.95 0.33-0.66 0.39-1.03 2 125-201 0.60-096 0.37-0.73 0.45-1.09
2.5 124-190 0.63-0.97 0.42-0.81 0.52-1.16 3 123-188 0.64-0.98 0.46-0.89 0.58-1.22
3.5 122-186 0.65-0.98 0.50-0.96 0.65-1.29 4 121-184 0.65-0.99 0.54-1.04 0.67-1.32
Capítulo 1
39
Tabla 1.9 Parámetros normales de marcha en niños de 5 a 12 años de edad [28].
Edad (años)
Cadencia (pasos/min)
Tiempo del ciclo (s)
Longitud de paso
(m)
Velocidad (m/s)
5 119-180 0.67-1.01 0.59-1.10 0.71-1.37 6 117-176 0.68-1.03 0.64-1.16 0.75-1.43 7 115-172 0.70-1.07 0.69-1.22 0.80-1.48 8 113-169 0.71-1.06 0.75-1.30 0.82-1.50 9 11-166 0.72-1.08 0.82-1.37 0.83-1.53 10 109-162 0.74-1.10 0.88-1.45 0.85-1.55 11 107-159 0.75-1.12 0.92-1.49 0.86-1.57 12 105-156 0.77-1.14 0.96-1.54 0.88-1.60
El centro de gravedad del tronco se encuentra en su nivel más bajo durante la fase de apoyo
bipodal, en este punto, alcanza su máxima velocidad hacia adelante, lo que se traduce en
términos energéticos como una energía potencial mínima mientras que la energía cinética
es máxima. Después el tronco se eleva por encima de la pierna de apoyo, reduciendo su
velocidad al llegar a la primera mitad de la fase de apoyo monopodal, logrando transformar
parte de su energía cinética en energía potencial. En sentido contrario, reduce su altura e
incrementa su velocidad, al trascurrir el resto de la fase de apoyo monopodal (Figura 1.14)
Figura 1.14 Energía total del tronco y sus componentes cinética y potencial. Se observa la evolución simétrica
de dichas componentes, lo que demuestra un intercambio entre ambos tipos de energía [6].
Este no es el único ejemplo de intercambio de energía durante la consecución del
movimiento. La rotación en contra fase de la pelvis y la cintura escapular, permite almacenar
energía potencial por deformación de partes blandas, para después ser liberada al invertirse
el movimiento. De igual forma, el balanceo de los brazos de forma simétrica, en
contraposición con los miembros inferiores, equilibra el momento angular total del
organismo y supone un factor de suavizado en los movimientos de cabeza y del tronco.
Marco Teórico
40
Cabe mencionar, que los cambios en la energía mecánica en todo el cuerpo, resultan
inferiores a los cambios producidos en torso, muslo y pierna, mostrando así la transferencia
de energía entre segmentos corporales, esto, gracias a las estructuras articulares de los
mismos y que los músculos se comportan como bandas elásticas [29].
En lo que respecta a la minimización del desplazamiento del centro de gravedad, se han
identificado 6 mecanismos fundamentales orientados a disminuir la amplitud de las
oscilaciones que este presentaría en ausencia de los mismos. A estas adaptaciones del
organismo para el sistema locomotor se les denomina determinantes de la marcha [30].
1. Rotación pélvica
La rotación de la pelvis alrededor del eje normal al plano transversal, disminuye la
amplitud en la extensión y flexión de la cadera provocando una reducción del
desplazamiento vertical de la misma.
2. Caída pélvica.
La caída y elevación de la pelvis respecto al miembro contralateral, genera una
inclinación del eje normal al plano sagital, dicha inclinación provoca que el nivel de
la cadera del miembro portante se encuentre por encima del correspondiente al
centro de masa de la pelvis, reduciendo así la amplitud del desplazamiento vertical
del tronco.
Figura 1.15 Determinantes de la marcha. a) Rotación pélvica, b) Caída pélvica [25].
3. Flexión de la rodilla,
Durante la parte media de la fase de apoyo monopodal, la rodilla se flexiona para
acortar la longitud del mimbro portante y reducir la oscilación vertical de la cadera.
4. Contacto mediante el talón (rodillo del tobillo).
Al producirse el contacto inicial mediante el talón, se alarga la longitud efectiva del
miembro en el instante en que la altura de la cadera se encuentra en su punto
mínimo esto contribuye a disminuir el máximo ángulo de flexión de la misma.
5. Despegue con el antepié.
Capítulo 1
41
Incrementa la longitud del miembro portante en un punto en que la altura de la
cadera se encuentra disminuyendo. La combinación de este determinante con los
dos anteriores disminuye considerablemente la amplitud de oscilación de la cadera,
y se suele referir a ella como coordinación de los mecanismos de rodilla, tobillo
y pie.
6. Rodilla en valgo.
Permite reducir la anchura de paso y en consecuencia reduce el desplazamiento
lateral de la pelvis.
En condiciones normales, el ciclo de marcha cuenta con los seis determinantes, la
combinación de ellos reduce en la mitad las excursiones del centro de gravedad en el plano
sagital y hasta un 40% en el plano trasversal, esto se traduce en una suave transición del
tronco y una mejora en la fluidez del movimiento de las extremidades durante la marcha
[31].
Figura 1.16 Determinantes de la marcha. a) Coordinación de los mecanismos e rodilla, tobillo y pie, b) Rodilla
en valgo [25].
Figura 1.17 Rodillo del talón. a) Acción del rodillo del talón bajo la acción del tibial anterior. b) Progresión del
apoyo del talón al tobillo, controlado por el tríceps sural. c) Progresión del apoyo del tobillo al antepié,
propiciado por contracción potente del tríceps sural.
Marco Teórico
42
1.6 Marcha en infantes
El proceso de marcha descrito con anterioridad corresponde al patrón de marcha normal
de un adulto, el cual, tiene una progresión especifica de mejora conforme se pasa de la
niñez a la adolescencia, que es cuando se alcanza dicho patrón. Por ello, es de suponerse
que existen diferencias notables del patrón de marcha de un adulto al de un infante. A
continuación, se presentan a manera de lista las diferencias más relevantes de la marcha
durante la infancia respecto a la etapa adulta.
1. Mayor amplitud de paso, también llamada base de la marcha.
2. Menor velocidad y longitud de zancada, el tiempo del ciclo también es más corto.
Por ende, se tienen valores de la cadencia mayores.
3. Los infantes menores, realizan el contacto inicial con la planta completa del pie, a
diferencia del adulto quien lo realiza con el talón.
4. La flexión de rodilla durante la fase de apoyo monopodal es mucho menor en los
infantes.
5. El infante tiende a rotar externamente la pierna completa durante la fase de
oscilación.
6. En el infante, es ausente el movimiento de balanceo en contraposición de los brazos.
Estas características se adquieren conforme se madura a diferentes edades. Las numero
3, 4 y 5 de la lista cambian al patrón adulto de marcha a la edad de 2 años, mientras que
las numero 1 y 6 lo hacen aproximadamente a los 4 años de edad. Por su parte, el tiempo
del ciclo de marcha, la velocidad y la longitud de zancada aumentan progresivamente
conforme pasan los años, alcanzando sus valores normales aproximadamente a los 15
años [28]. En condiciones normales, la mayoría de los niños inicia la marcha poco antes del
año y medio de edad.
Por obvias razones, las dimensiones antropométricas de los infantes son menores a las de
un adulto. Esta diferencia abismal de estatura y de la longitud de los miembros deriva en la
menor longitud de zancada, no obstante, se compensa con la consecución de los pasos en
un menor tiempo, aunque por mucho con una menor velocidad de marcha. En la Tabla 1.8
y la Tabla 1.9 se puede observar el cambio gradual de estos valores conforme aumenta la
edad, si bien, en el estudio se pondera la edad como el marcador de distinción entre valores,
es preciso mencionar que estos se relacionan de forma directa con el aumento en la longitud
de las extremidades, la estatura e inclusive el peso de la muestra característica. El cambio
en la estatura que se ve reflejado en la longitud de paso, aumenta rápidamente hasta la
edad de 4 años, después de la cual se vuelve más lento.
Con respecto a la duración del ciclo de marcha, también aumenta conforme lo hace la edad,
aumentando la cadencia, pero es alrededor de los 7 años cuando esta alcanza valores
dentro del rango promedio de los que presenta la población adulta con patrones normales
de marcha [32]. En niños de menor edad la etapa de oscilación ocupa un menor porcentaje
del ciclo de marcha que en los adultos, esto minimiza el tiempo invertido en la parte más
Capítulo 1
43
inestable de la etapa de apoyo monopodal. Estos tiempos se normalizan conforme el niño
alcanza los 4 años de edad,
Por último, el ancho de paso se mide en función del porcentaje que este ocupa entre talones
respecto al ancho de la pelvis; al año de edad, la base de la marcha abarca alrededor del
70% y disminuye hasta el 45% al alcanzar los 3 años y medio de edad, este se mantiene
constante hasta los 7 años. Aunque no se cuenta con un estudio que estime el valor
promedio del porcentaje entre ancho de pelvis y ancho de paso en adultos con patrones
normales de marcha, los expertos estiman que este oscila alrededor del 30% [28].
Si bien, el patrón de marcha alcanza valores normales al llegar a los 7 años de edad, es
hasta la adolescencia que culmina su desarrollo. En un inicio, no existe diferencia entre
sexos, pero es durante este periodo que el patrón de marcha de la mujer cambia,
principalmente reduciendo el ancho de paso provocando un mayor contoneo de cadera
durante la fase de apoyo monopodal.
El estudio de los patrones normales de marcha abre la puerta al estudio de aquellos que
han sido afectados por alguna patología, utilizando los primeros como base comparativa
para identificar las anormalidades que se presentan durante el ciclo de marcha. En la
siguiente sección se habla sobre las anomalías más comunes que se presentan en la
locomoción.
1.7 Anormalidades de la marcha.
Las anormalidades de la marcha en general son provocadas por espasticidad, debilidad,
muscular, exceso de tono muscular, deficiencia en la activación muscular, o como
compensaciones, ya sean funcionales o por intervención quirúrgica. Estas suelen
detectarse por examen visual, aunque es común detectar parte de ellas por técnicas de
electromiografía. Estas anomalías se reflejan como errores en la posición y en el
desplazamiento angular de las articulaciones durante el ciclo de marcha, afectando las
distintas etapas de este, siendo las desviaciones en el plano sagital de cada articulación,
las más notorias y las de mayor impacto en el desarrollo del ciclo; aunque es un hecho, que
cada articulación presentara errores en todos los planos sobre los que tengan movimiento
rotacional.
Durante la marcha, las anormalidades más comunes que puede presentar el tronco en el
plano sagital son la inclinación anterior y posterior del mismo. La primera consiste en
flexionar el tronco hacia adelante durante la fase de apoyo monopodal, esta inclinación se
presenta como compensación a una deficiente activación de los músculos extensores de
rodilla, al comienzo del apoyo monopodal. En condiciones normales, cuando se produce la
respuesta a la carga, la línea de acción sobre la que actúa la fuerza de reacción ejercida
por el suelo pasa por detrás del eje de rotación de la rodilla, provocando un momento
externo que tiende a flexionar la rodilla, entonces el cuádriceps se contrae provocando un
momento extensor que se oponga a la reacción ejercida por el suelo. Cuando el cuádriceps
es débil o su actividad es deficiente, la línea de acción sobre la que actúa la fuerza de
Marco Teórico
44
reacción ejercida por el suelo pasa por enfrente del eje de la rodilla provocando
hiperextensión de la rodilla[31], (Figura 1.18 a).
La inclinación posterior del tronco se presenta como compensación a una activación
deficiente de los músculos extensores al iniciar la fase de apoyo monopodal. Al contrario
de lo que ocurre con la rodilla, en condiciones normales, la línea de acción sobre la que
actúa la fuerza de reacción ejercida por el suelo cuando ocurre la respuesta a la carga,
pasa por enfrente del eje de rotación de la rodilla. Esto genera un momento externo que
tiende a flexionar el tronco hacia adelante, es ahí cuando se activan los músculos
extensores de la cadera para oponerse al momento externo. Al presentarse una actividad
deficiente de estos músculos, El cuerpo compensa, echando el tronco hacia atrás, lo que
manda a la línea de acción de la fuerza de reacción por el suelo por detrás del eje de
rotación de la cadera [31], (Figura 1.18 b).
Figura 1.18 Anormalidades del tronco y la pelvis durante la marcha. a) Inclinación anterior. b) Inclinación
posterior. c) Lordosis lumbar exagerada [25].
A lo largo de la marcha normal, y como se mencionó en la sección 1.4 se suscita una
inclinación anterior de la pelvis en el plano sagital, provocando una ligera contracción de la
zona lumbar en la columna, a esto se le conoce como lordosis lumbar. Cuando la persona
presenta una contractura en flexión de la cadera, limita la amplitud de desplazamiento
posterior del fémur durante el final de la fase de apoyo monopodal, provocando una
disminución en la longitud de la zancada. Para compensar esa limitación, la pelvis aumenta
su inclinación anterior, obteniendo así, una exagerada lordosis lumbar. De igual forma, la
lordosis lumbar exagerada se presentará si existe alguna debilidad en los músculos
extensores de cadera o espasticidad en sus músculos flexores, junto con una excesiva
caída de la cadera respecto al miembro contralateral [25], (Figura 1.18 c).
Durante el ciclo de marcha se requiere que los miembros inferiores tengan cierta longitud
funcional en las distintas etapas del ciclo, por ejemplo, durante la fase de apoyo monopodal
el miembro portante debe tener una mayor longitud funcional para que el miembro oscilante
pueda trasladarse hacia adelante. Algunas patologías impiden que la longitud funcional de
los miembros sea la óptima para la consecución del movimiento, a lo que se le conoce como
discrepancia en la longitud del miembro [33]. Existen diversos patrones que ya sea solos
Capítulo 1
45
o en combinación de los mismos, permiten compensar esta discrepancia en la longitud
funcional. La circunducción consiste en realizar el movimiento del miembro oscilante de
forma curva y lateral al cuerpo, en lugar de trasladarlo solo hacia el frente. La elevación de
cadera es otra compensación a la discrepancia en la longitud funcional, al contraer los
músculos de la espina y de la pared abdominal lateral se eleva la cadera del lado del
miembro oscilante, aunque esto provoca una exageración en la caída pélvica del miembro
contralateral. Suele aparecer cuando hay marcha lenta y debilidad de los isquiotibiales, esto
provoca una extensión prematura de los tendones de la rodilla por lo que el miembro es
demasiado largo al llegar a la parte final de la fase de balanceo [34].
Figura 1.19 Anormalidades de la marcha. a) Circunducción. b) Elevación de cadera [25].
La marcha de puntillas es una compensación que consiste en exagerar la flexión de
cadera y rodilla para levantar el pie más de lo normal. De igual forma, la elevación sobre
el antepié busca aumentar la distancia entre el pie oscilante y el suelo, por medio de una
variación en la parte media del apoyo monopodal, iniciando prematuramente el despegue
del talón y dejando el apoyo sobre los dedos del pie desde la parte media del apoyo
monopodal [35]. En la Figura 1.20 se muestra cómo funcionan ambas compensaciones.
A nivel de la articulación de la rodilla se pueden presentar desviaciones en cualquiera de
sus tres planos, siendo las anormalidades en el plano sagital y en el frontal la más notables.
En el plano sagital, a lo largo del ciclo de marcha, la rodilla se encuentra extendida casi por
completo en dos instantes, al momento del contacto inicial y al momento del despegue del
talón. Cuando al menos en uno de estos momentos la extensión de la rodilla falla y se
mantiene en flexión, se dice que existe una excesiva flexión de rodilla. Esta anormalidad
reduce la longitud funcional del miembro portante por lo que es común que el individuo
compense, ya sea con circunducción o elevación de cadera. Así como la extensión de rodilla
durante el ciclo de marcha se puede ver afectada en diferentes patologías, la flexión de
rodilla que se produce en la parte media de la fase de apoyo monopodal también puede ser
Marco Teórico
46
remplazada por una extensión de rodilla, a lo que se dice que hay una excesiva extensión
de rodilla o hiperextensión [31].
En el plano frontal las anormalidades que se presentan en la rodilla consisten en
desviaciones exageradas de la tibia respecto a la base de bipedestación, cuando la
desviación tiende a desplazar la rodilla lateral al centro del cuerpo se le llama varo, si el
desplazamiento es medial, es decir, hacia la línea media del cuerpo se dice que está en
valgo. Estos desplazamientos angulares se dan de forma normal durante la marcha, sin
embargo, cuando existe una abducción exagerada se produce el valgo, que es
acompañado de una rotación interna de la cadera. En el caso del varo, se nota que la
distancia de separación entre las rodillas es mayor a la que existe entre los pies,
modificando así la base de la marcha [22], (Figura 1.21).
Figura 1.20 Anormalidades de la marcha. a) Marcha de puntillas. b) Elevación sobre el antepié [25].
La articulación del tobillo juega un papel importante para proporcionar la longitud funcional
necesaria al iniciar la fase de balanceo y para preparar el contacto inicial del pie utilizando
para ambos casos, la flexión dorsal. Cuando existe debilidad, parálisis de los músculos
tibiales anteriores o espasticidad en el tríceps sural, se presenta una caída abrupta del
antepié durante la fase de balanceo, evitando que los dedos libren el suelo para la
trayectoria, lo que se ve como un arrastre del pie contra la superficie. Al presentarse esta
anormalidad se dice que el individuo muestra inadecuado control de dorsiflexión o pie
equino Esta condición afecta en mayor medida al miembro portante durante la etapa de
respuesta a la carga, ya que, en este punto la dorsiflexión sirve para resistir el momento
externo generado por la flexión plantar. En el caso de la fase de balanceo existe la
posibilidad, cuando se cuenta con espasticidad, de que la dorsiflexión ocurra pese a la
debilidad muscular, debido a un reflejo primario de retracción flexor que es inherente a la
flexión de cadera y rodilla generada para despegar el miembro del suelo y durante el
balanceo del mismo.
Capítulo 1
47
Figura 1.21 anormalidades de la marcha. a) Rodilla en valgo. b) Rodilla en varo.
En lo que respecta al contacto del pie, el rodillo de talón se puede ver afectado si el contacto
inicial no se realiza con el propio talón, provocando variaciones en el brazo de palanca
causando una repercusión directa en la base del apoyo sobre la que actúa la fuerza de
reacción ejercida por el suelo. Cuando hay debilidad en el tríceps sural o espasticidad en el
tibial anterior, se produce una dorsiflexión exagerada en donde la respuesta a la carga
reside completamente sobre el talón, reduciendo la fase de apoyo al no existir progresión
de la carga al antepié. En el caso contrario, cuando se presenta el pie equino, el contacto
inicial se realiza ya sea con el antepié o con la planta del pie, dependiendo de la gravedad
de la afectación. Al no realizarse la primera parte del rodillo de talón, el punto de apoyo para
producir el momento no es sólido y se reduce la longitud de la zancada del individuo. Al
igual que en la rodilla, el tobillo también puede presentar las anomalías de valgo (inversión
excesiva) o varo (eversión excesiva) y en algunos casos combinarse con el apoyo del talón
o del antepié, siendo el equino-varo la combinación más común [25]. En la Figura 1.22 se
muestran las anomalías descritas para el apoyo del pie.
Las anomalías no son excluyentes entre sí, ya que las extremidades inferiores se
comportan como una cadena cinemática para la consecución de la marcha. Esto implica
que, si existe una anomalía en alguna de las articulaciones, los eslabones que convergen
en la misma se verán afectados, y estos a su vez, tendrán un efecto en las articulaciones
subsecuentes. En este sentido, durante la combinación del movimiento articular del tobillo,
rodilla, cadera, pelvis y el tren superior que conforman tanto la fase de oscilación como la
fase de apoyo, el cuerpo tiende a compensar las anomalías con movimientos fuera de lo
común en las articulaciones restantes. Al analizar un cuadro clínico en específico, al
conjunto de variaciones entre anomalías y compensaciones que son identificadas en el
individuo se le denomina el patrón de marcha de dicha patología.
Marco Teórico
48
Figura 1.22 Anomalías del pie durante el contacto inicial. a) Dorsiflexión excesiva, apoyo con el talón. b)
Flexión plantar excesiva, apoyo con los dedos del pie. c) Equino varo, apoyo con la parte lateral del pie [25].
1.8 Patrones de marcha en la PC.
En el caso de la PC, las técnicas de estudio y análisis de la marcha han permitido establecer
parte de los patrones característicos para los tipos más comunes de PC. Los especialistas
han sido capaces de describir y clasificar en grupos las anormalidades de la marcha que
caracterizan estos patrones con respecto al patrón normal de marcha infantil. Como se
mencionó en el apartado 1.1 , los dos tipos más comunes de PC infantil son la diparesia y
la hemiparesia espástica, ambas tienen pronósticos de deambulación variados cayendo
entre los grupos I y III de la escala GMFC. En el caso de la Tetraparesia, el pronóstico de
deambulación no es tan favorable, no obstante, el patrón de marcha se puede describir
como una doble hemiparesia para aquellos casos en los que la marcha es posible. La
mayoría de las anomalías que alteran de forma significante la marcha en infantes con PC,
se presentan en el plano sagital, de ahí que los patrones que se describen a continuación
para la diparesia espástica y hemiparesia espástica tienen sus clasificaciones en función
de las anomalías que se presentan en este plano.
En la diparesia espástica el infante deambula con cierta independencia, aunque en su andar
son notarias las desviaciones que el miembro afectado presenta y aquellas
compensaciones que el cuerpo realiza para llevar a cabo el movimiento. Dentro de las
anormalidades comunes para este tipo de PC se encuentra la marcha de puntillas, rigidez
y flexión excesiva de rodilla, cadera flexionada e inclinación anterior de la pelvis,
normalmente acompañada de lordosis lumbar [36]. La presencia de estas desviaciones,
limita la motricidad y los parámetros de la marcha de los infantes en comparación con los
rangos normales de aquellos que no sufren de esta condición, siendo las más notorias, la
reducción en la velocidad de la marcha y el aumento en el gasto de energía para la misma.
De acuerdo con el estudio realizado por el equipo de J.M, Rodda en el Hospital Real para
Niños de Parkville, la diparesia espástica cuenta con un patrón de marcha que se clasifica
en cinco grupos diferentes, cada uno en función de la posición en la que se encuentran el
tobillo, rodilla, cadera y pelvis [7].
Capítulo 1
49
Los niños clasificados en el grupo I se observa el tobillo en equino, la rodilla se extiende en
su totalidad o sufre un grado moderado de hiperextensión y la cadera tiene capacidad de
extenderse por completo mientras que la pelvis se encuentra en un rango normal o inclinada
anteriormente.
En el caso del grupo II, el tobillo se encuentra en posición de equino al final de la fase de
apoyo. La rodilla y cadera sufren excesiva flexión al comienzo de la fase de apoyo para
extenderse en un ángulo variable, más nunca por completo, al alcanzar la parte final del
apoyo monopodal. Al igual que en el grupo anterior, la pelvis se encuentra dentro del rango
normal o inclinada anteriormente.
Para el grupo III, el tobillo cuenta con el rango normal de movimiento, pero tanto la rodilla
como la cadera mostraran excesiva flexión a lo largo de la fase de apoyo. La pelvis se
encuentra en valores normales o con ligera inclinación anterior.
En lo que respecta al grupo IV, el tobillo tiene excesiva dorsiflexión a lo largo del apoyo
monopodal, rodilla y cadera mostraran excesiva flexión mientras que en la pelvis se observa
un rango normal de movimiento o inclinación posterior.
Por último, en el grupo V se muestra un patrón de marcha asimétrico entre las dos
extremidades inferiores, mientras que una de ellas sigue el patrón de cualquiera de los
grupos anteriores la otra mostrara otro diferente de este.
En la Figura 1.23 se muestra una vista del plano sagital de los cinco grupos, nótese que la
clasificación tiene una secuencia decreciente del pie equino, aunque una tendencia
ascendente respecto a la contractura de músculos y tendones proximales. De igual forma,
en el grupo I la fuerza de reacción ejercida por el suelo pasa por enfrente de la rodilla y se
desplaza progresivamente hasta hallarse por detrás de ella en el grupo IV.
Figura 1.23 Representación de la clasificación de Roda para el patrón de marcha de la diparesia espástica en
el plano sagital [7].
Los grupos musculares clave en la diparesia espástica son los flexores de cadera y rodilla,
así como los de flexión plantar del tobillo ya sea que sufran de contracturas o espasticidad
Marco Teórico
50
[37]. Las alteraciones en el plano sagital por contracción de músculos interactúan con las
alteraciones torsionales del plano trasversal, por lo que no es raro que los patrones le
acompañen varo y valgo de rodilla o tobillo junto con debilidad y la influencia de un pobre
control selectivo motor. En lo referente al contacto inicial del pie, los grupos I y II al estar en
equino lo realizan con el antepié, por lo que las ortesis de tobillo-pie o AFO, por sus siglas
en inglés, son utilizadas para normalizar el contacto inicial. Para el grupo III el contacto
inicial es normal, aunque se dota al individuo de una ortesis AFO sólida para favorecer una
correcta alineación de la tibia, la cual se ve afectada por la excesiva flexión de rodilla y
mejorar la alineación de la fuerza de reacción del suelo [38]. En el grupo IV la dorsiflexión
excesiva en el tobillo provoca que el contacto inicial sea con el talón (hueso calcáneo), lo
que evita la progresión de la fuerza de reacción del talón al tobillo y del tobillo al antepié, lo
que se corrige con una ortesis AFO para reacción del suelo o GRAFO por sus siglas en
ingles [39].
En la hemiparesia espástica solamente un lado del cuerpo es afectado mientras que el otro
es normal o casi normal, por lo que la mayoría de las personas con esta condición son
capaces de caminar. Pese a que la afectación principal suele estar en la extremidad inferior,
las personas que desarrollan la marcha, lo hacen con una posición característica del brazo
afectado, manteniéndolo de forma fija en flexión e inmóvil durante el movimiento. A la par
de los problemas que los individuos experimentan para mover y controlar las extremidades,
gran parte de ellos tiene problemas para mantener el balance debido a un defecto en la
“imagen del cuerpo” que hace que cerebro tienda a ignorar al lado afectado. De acuerdo
con el estudio realizado por el equipo de T. F. Winters en el Hospital para Niños Newington
de Connecticut, el patrón de marcha característico para niños y adultos jóvenes con
hemiparesia espástica se puede clasificar en cuatro grupos [8].
Los sujetos clasificados dentro del grupo I básicamente presentan un solo problema, que
consiste en la caída del pie durante la fase de balanceo, anormalidad que fue descrita con
anterioridad como pie equino. Como compensación al contacto inicial del pie con excesiva
flexión plantar, el cuerpo realiza la marcha de puntillas acompañada de una exagerada
lordosis lumbar.
En el grupo II los sujetos no solo cuentan con el pie en posición en equino, sino que también
muestran contracturas dinámicas y estáticas (pie de página: las contracturas estáticas son
aquellas que persisten durante todas las etapas del ciclo de marcha, si la contractura es
intermitente dentro del ciclo de marcha se les conoce como contracturas dinámicas) de los
músculos en la pantorrilla, manteniendo al pie en flexión plantar a lo largo de todo el ciclo
de marcha. A diferencia del grupo I y dado que la flexión plantar permanece durante la fase
de apoyo monopodal, al llegar a la mitad de la fase se genera un momento externo que
genera hiperextensión en la rodilla y una leve inclinación anterior del tronco.
Para los individuos del grupo III, además de tener la caída del pie y las contracturas en la
pantorrilla, estos sufren de hiperactividad muscular de cuádriceps e isquiotibiales. Esto
provoca reducción en el rango total de movimiento de la rodilla y minimiza la flexión de la
misma durante la fase de oscilación, en consecuencia, incrementa la longitud funcional de
la pierna durante el balanceo del miembro el cual se compensa mediante elevación del
Capítulo 1
51
antepié en el miembro portante. Así como en el grupo II, el individuo presenta
hiperextensión de rodilla en la parte media del apoyo monopodal, excesiva flexión de cadera
y exagerada lordosis lumbar.
En el grupo IV existe un mayor grado de participación neurológica. Los individuos, además
de contar con las anormalidades en la marcha del grupo III, tienen un rango reducido de
movimiento en la cadera debido a la hiperactividad de los aductores y el psoas iliaco (Figura
1.24). La cadera no tiene capacidad de extenderse por completo, entonces para conservar
la longitud de la zancada se genera una inclinación pélvica anterior y exagerada lordosis
lumbar al alcanzar la parte final de la fase de apoyo.
Figura 1.24 Músculos anteriores de la cadera.
De la descripción de los grupos se entiende que cada uno presenta las anomalías del
anterior junto con nuevas variaciones y que la secuencia de la gravedad en la condición es
ascendente conforme se va del grupo I al grupo IV. Al igual que en la diparesia espástica el
pie en posición de equino se controla por medio de una ortesis AFO, no obstante, en la
hemiparesia espástica el uso de ortesis se combina con correcciones del tipo quirúrgicas
en la mayoría de los casos, las cirugías pueden ir desde el alargamiento de tendones hasta
la transferencia y alargamiento de músculos. Las desviaciones en el plano trasversal se
pueden presentar en tobillo llevando el posicionamiento del pie de equino a equino varo.
Si se analizan ambas clasificaciones se puede ver que contrario a como ocurre en el caso
de la diparesia, el equino no reduce su gravedad, sino que es persistente para todos los
grupos de la clasificación de la hemiparesia. Otra diferencia recae en la inclinación del
tronco durante la marcha, en el caso de la hemiparesia, esta aparece de forma anterior en
respuesta a la rodilla en hiperextensión que presentan los individuos clasificados del grupo
II en adelante, mientras que en la diparesia solo se presenta de forma ligera y posterior
durante la marcha agazapada en el grupo IV. Aunque en la diparesia el movimiento de la
pelvis es normal, la posibilidad de que se presente en algunos casos una inclinación anterior
Marco Teórico
52
de la misma, deja como constante para ambos patrones de marcha la exageración en la
lordosis lumbar producida durante la misma.
Como se puede observar la PC es un padecimiento complejo compuesto de múltiples
afectaciones que van desde problemas cognitivos, hasta alteraciones del sistema locomotor
y en la propiocepción del individuo. Al existir una amplia gama de combinación de las
distintas afectaciones que pueden ocurrir dentro de las clasificaciones utilizadas para este
padecimiento, se dificulta la concepción de un sistema que pretenda rehabilitar de forma
genérica al universo de pacientes agrupado dentro de esta enfermedad. No obstante, el
estudio de las similitudes que hay entre los diversos patrones de marcha presentes para
dicha patología permite establecer parámetros efectivos de marcha para el sistema. Por su
parte, debe resaltarse la importancia que tiene la consideración del costo de oxígeno para
definir los parámetros de esfuerzo ejercido y duración de la terapia en función de las
capacidades físicas para cada individuo.
53
ESTADO DEL ARTE
En este capítulo se describen algunos de los
desarrollos académicos y comerciales que se enfocan
en la rehabilitación de la marcha humana, una breve
revisión sobre las patentes otorgadas por organismos
nacionales e internacionales y por último la legislación
normativa vigente en el país, sobre la generación de
equipo médico, todo esto como un primer
acercamiento al planteamiento del problema de
diseño.
2
Capítulo 2
55
CAPÍTULO 2 Estado del Arte
Dada la naturaleza repetitiva del proceso de rehabilitación de la marcha patológica, con el
paso de los años, esta se ha convertido en un área de explotación importante para la
implementación de sistemas mecánicos y robóticos que faciliten la tarea de fisioterapeutas
en la conducción de las terapias por suspensión del peso corporal (BWS por sus siglas en
ingles). A mediados del siglo XX, innumerables investigadores, universidades y centros de
investigación se han dedicado a la tarea de generar una amplia gama de desarrollos
académicos y prototipos que tengan aplicación en el análisis y rehabilitación de la marcha
humana, algunos de los cuales, sirvieron como base para el diseño y construcción de los
sistemas comerciales de mayor uso en la actualidad por hospitales y centros médicos
alrededor de todo el mundo. En este capítulo se presenta una breve reseña sobre los
dispositivos desarrollados en el ámbito académico, sistemas comerciales y patentes, que
se considera cuentan con características funcionales de valor, para el desarrollo del
presente trabajo, junto con la legislación normativa vigente en México y Colombia para el
desarrollo de equipo médico, sobre la que se basa el mismo.
2.1 Desarrollos Académicos.
En la Universidad de California en Estados Unidos, W. E. Ichinose y su equipo de
investigadores desarrollaron 3 sistemas que se han utilizado para estudio y rehabilitación
pasiva de la marcha. El manipulador de asistencia pélvica (PAM por sus siglas en inglés)
se compone por un BWS, una banda caminadora y un arreglo de 2 brazos robóticos, cada
uno con tres cilindros neumáticos que se fijan a un soporte posicionado por detrás de la
columna del individuo, ambos brazos mantienen una posición angulada para brindar acceso
al terapeuta por detrás y desde ambos lados. Cuenta con cinco grados de libertad,
permitiendo los movimientos de rotación, oblicuidad, arriba-abajo, adelante-atrás e
izquierda-derecha [40]. PAM utiliza un control por pre-alimentación que compara los
movimientos del individuo con los rangos de un sujeto saludable previamente establecidos
en el sistema. Para complementar el manipulador de cadera, diseñaron la órtesis de
marcha operada neumáticamente (POGO, por sus siglas en inglés) que por medio de dos
actuadores neumáticos se encarga de realizar los movimientos de las extremidades
inferiores, colocando uno entre la pelvis y el tobillo y el segundo entre la rodilla y el primer
actuador [41]. Los cilindros están adaptados para funcionar también como potenciómetros
lineales, sensores miden la longitud de estos y utilizan la información para que el software
solucione la cinemática del sistema. POGO utiliza control no lineal de seguimiento de
fuerza, regulando el flujo de aire que entra y sale de los actuadores. En la Figura 2.1 se
muestra el uso combinado de los sistemas para terapias por BWS. Pese a que la
reproducción y seguimiento de las trayectorias de la cadera de sujetos saludables con PAM
era considerada bastante buena sin carga, nunca se logró que pudiera guiar de forma
adecuada la cadera de los pacientes [42].
Estado del Arte
56
De tal suerte, que para mejorar este aspecto, el equipo de Ichinose desarrollo la
herramienta robótica de asistencia ambulatoria para rehabilitación humana ARTHuR
[43],
Figura 2.1 Combinación de los dispositivos PAM y POGO [41].
ARTHuR (Figura 2.2) utiliza de actuadores neumáticos lineales y un servomotor ubicado en
la articulación de la rodilla, además de un sistema de cilindros adaptados a un soporte sobre
el BWS que permite el movimiento del torso durante la rehabilitación. El sistema se encarga
de realizar los movimientos de rodilla y tobillo en el plano sagital. La trayectoria se programa
de forma directa, el terapeuta mueve de forma manual las extremidades del paciente, el
movimiento angular de los actuadores es guardado en el sistema y se reproduce
cíclicamente al ponerse en marcha la secuencia de terapia. Los actuadores tienen la
capacidad para mover con fuerza excesiva al paciente, por lo que sus desarrolladores
modelaron y crearon un sistema para monitorear la fuerza en los cilindros con un control de
posición en tiempo real que evite suceda esta situación.
Figura 2.2 Sistema robótico ARTHuR [44].
Capítulo 2
57
Dentro de otros sistemas que llaman la atención se encuentra el exoesqueleto para
extremidades inferiores LOPES, desarrollado por la Universidad de Twente en Holanda,
como una opción para la rehabilitación de pacientes victimas de accidente cerebro vascular
ACV [45]. El sistema está compuesto por un brazo robótico de dos eslabones, uno para
cada pierna, que se fija a la cadera y rodilla de la extremidad inferior correspondiente,
mientras el individuo, suspendido por un sistema BWS, simula la marcha normal en una
banda caminadora. El sistema cuenta con cinco grados de libertad, rotación de pelvis,
cadera y rodilla en el plano sagital, rotación de pelvis en el plano trasversal y rotación de
cadera en el plano frontal, mientras que la articulación del tobillo se deja libre al movimiento
del sujeto. LOPES utiliza una serie de cables Bowden como actuadores electromecánicos
y un arreglo de resortes que eliminan el efecto no lineal de las cargas generadas por los
cables Bowden. Por otra parte, LOPES funciona en dos modalidades, la modalidad libre
permite el movimiento de las extremidades sin que el paciente sienta resistencia alguna
ofrecida por el dispositivo. En la segunda modalidad, el dispositivo asume la carga y efectúa
los movimientos que el paciente es incapaz de realizar por su cuenta. Los datos adquiridos
de los movimientos angulares en las articulaciones durante la modalidad libre son
comparados contra los datos de marcha de un sujeto saludable, esta comparación sirve
para efectuar el control por impedancia para compensar las diferencias angulares
articulares en los miembros durante la modalidad de carga. Sin embargo [46], el uso del
dispositivo no muestra diferencias significativas al momento de comparar las señales
electromiográficas y los patrones de marcha con los sujetos saludables, aunque bajo uso
constante se sabe que incrementa la inclinación pélvica y altera la activación muscular de
los miembros inferiores debido a la propia inercia del dispositivo [47].
Figura 2.3 Exoesqueleto para extremidades inferiores LOPES [45].
Otro desarrollo importante, como parte de las aplicaciones generadas en el Hospital
Universitario Balgrist en Suiza para el centro de cuidado parapléjico ParaCare, el grupo de
investigación liderado por G. Colombo diseño la ortesis propulsada para marcha (DGO
por sus siglas en inglés) compuesta por dos brazos robóticos que se encargan de mover
las extremidades inferiores guiando el movimiento de cadera y rodilla en el plano sagital. El
individuo se encuentra suspendido por arneses en un sistema BWS para que simule la
marcha sobre una banda caminadora (Figura 2.4a). Cada brazo robótico es planar con dos
Estado del Arte
58
articulaciones rotacionales, cuyos eslabones son ajustables para adaptarse a las
dimensiones del miembro inferior, fijándose al mismo, en cadera y rodilla [48]. El sistema
controla la posición angular de las articulaciones y la velocidad de la marcha en función de
los parámetros y el patrón de marcha deseados por el terapeuta. Para estabilizar el tronco
del sujeto en posición vertical y limitar el movimiento del DGO al plano sagital, se fija el
dispositivo a un paralelogramo soportado sobre un marco sujeto a la banda caminadora
(Figura 2.4b). El paralelogramo rota sobre el eje vertical y dota de balance al sujeto además
de soportar por completo el peso del DGO, evitando que este recaiga sobre el paciente.
Figura 2.4 Sistema DGO. a) Entrenamiento de marcha en paciente parapléjico sobre banda caminadora. b)
Paralelogramo giratorio para soporte del sistema [48].
La universidad de Delaware, en Estados Unidos, alberga una de las investigaciones que ha
cambiado el paradigma sobre el nivel de participación de los individuos sujetos a terapias
automatizadas para rehabilitación de marcha. El equipo de S. K. Agrawal, propuso la
ortesis de balance por gravedad (GBO por sus siglas en inglés) el cual es un dispositivo
pasivo que carece de actuación mecánica alguna, que no sea la propia que imprime el
individuo que la utiliza, esto, bajo la premisa de que el uso de actuadores externos para
mover las piernas, inhibe los movimientos espontáneos del sujeto [49]. El dispositivo se
compone por un brazo de 2 eslabones que utiliza un eslabonamiento en paralelogramo a la
altura de la articulación de la rodilla, en el que resortes ubicados en la región lumbar y del
muslo, ayudan a realizar la flexión y extensión de cadera junto con la flexión de rodilla.
Básicamente, pretende mantener constante la energía potencial del sistema.
El desarrollo de GBO sirvió como base para que junto con Agrawal, S.K. Banala y
compañía, desarrollaran el exoesqueleto activo para pierna (ALEX) [50]. Alex se
compone por una caminadora que sirve de base para soportar el dispositivo, el tronco de la
ortesis que cuenta con 4 grados de libertad, traslación vertical y lateral, rotación sobre un
eje vertical y rotación sobre un eje perpendicular al plano sagital. El tronco del individuo se
sujeta al tronco del dispositivo por medio de una abrazadera a nivel de la cadera. Un brazo
de dos eslabones, con 3 grados de libertad, rotación de rodilla y cadera en el plano sagital,
además de aducción –abducción de cadera, se sujeta a la extremidad inferior a la altura del
muslo y de la espinilla. Por ultimo un segmento para el pie que se inserta en el calzado del
Capítulo 2
59
individuo y se une a la ortesis en el segmento de la pantorrilla, el cual cuenta con un grado
de libertad que permite la rotación en el plano sagital del tobillo.
Figura 2.5 Sistema de rehabilitación GBO. a) Eslabón en paralelogramo y compensación de gravedad por
resortes. b) Evaluación del sistema sobre banda caminadora con plataformas de fuerza [51].
De todos los grados de libertad con los que cuenta el dispositivo solo la rotación de rodilla
y cadera en el plano sagital son actuados de forma mecánica por medio de actuadores
lineales, mientras que el resto son sostenidos de forma pasiva por medio de resortes. El
sistema cuenta con una pantalla que brinda retroalimentación visual al sujeto sobre la
trayectoria descrita al momento por sus extremidades, comparada con la trayectoria base
que debiera seguir. Debido a que la estructura de la ortesis se basa en balance por
gravedad, el dispositivo no solo es ligero si no, que también requiere que sus actuadores
generen menor fuerza en comparación con los demás dispositivos. A pesar de que cuenta
con actuación externa, ALEX aplica una estrategia de terapia distinta, en donde el
dispositivo brinda asistencia al individuo en función de que tanto la necesite para generar
el movimiento [52].
Figura 2.6 Exoesqueleto activo de pierna ALEX [50].
Hasta el momento solo se han mencionado dispositivos basados en exoesqueletos o de
tipo órtesis robótica, los cuales se basan en un enfoque lateral para el movimiento del
Estado del Arte
60
miembro inferior, es decir, los actuadores que realizan el movimiento de la pierna se
encuentran ubicados al costado de la misma, permitiendo así, simular la marcha en un
ambiente de terreno plano por medio de bandas caminadoras. En décadas recientes, se ha
estudiado el efecto de este enfoque de terapia y su repercusión en los pacientes al
enfrentarse a condiciones reales de marcha y la limitación que tienen los patrones de
marcha enseñados cuando se agregan variaciones de terreno. La poca adaptabilidad que
muestran, repercute directamente en los criterios de evaluación para deambulación libre del
individuo. Es por ello que algunos investigadores han desarrollado dispositivos con un
enfoque de manipulación distal del miembro inferior, conocidos como sistemas basados en
placas de pie [53].
En el Departamento de Robótica y Automatización del Instituto Fraunhofer para producción
de sistemas y diseño de tecnologías en colaboración con el Departamento de Rehabilitación
Neurológica del Hospital Universitario Charité, en Alemania, el equipo de H. Schmidt y S.
Hesse, desarrollo el entrenador de marcha mecanizado (MGT por sus siglas en inglés)
[54], que se basa en un sistema BWS y una manivela modificada con un sistema de
engranes planetarios que se utiliza para actuar dos placas largas, sobre las cuales, se
colocan los pies del sujeto. Estas, se encargan de trasmitir el movimiento al paciente,
básicamente funciona como una elíptica (Figura 2.7 b). El sistema está diseñado para que
las rodillas del paciente no se encuentren fijas a ninguna parte mecánica, con la intención
de que el terapeuta tenga la posibilidad de realizar contacto físico con estas y pueda hacer
correcciones menores en la cinemática de las mismas (Figura 2.7 a).
Figura 2.7 Entrenador de marcha mecanizado MGT. a) Manipulación de rodilla por parte del terapeuta, b)
Mecanismo efector para placas de pie [53].
Dado que la trayectoria del pie durante la marcha en el MGT era considerablemente distinta
a la descrita por un sujeto en condiciones normales, el equipo llevo la investigación a otro
nivel, con la intención de que el dispositivo fuera reprogramable a diferentes trayectorias
para obtener mejores resultados en las terapias conducidas para diferentes ambientes, el
Capítulo 2
61
resultado fue el dispositivo conocido como Hapticwalker [55]. El sistema se compone por
dos módulos robóticos de 3 grados de libertad, cada uno de los cuales, se encarga de
realizar el movimiento del respectivo pie, en el plano sagital. Los módulos robóticos
funcionan por medio de dos motores lineales que se mueven de forma independiente sobre
un riel horizontal común, pero conectados entre sí, por un mecanismo de manivela biela
corredera. El brazo del robot se enlaza a la biela quien le proporciona el movimiento de
rotación a la placa de pie que tiene por efector final (Figura 2.8b). Si ambos motores se
mueven hacia adelante o hacia atrás sin que exista variación en la distancia entre ellos, el
brazo se mueve solo en el eje horizontal. Cuando la distancia entre ambos actuadores no
es constante durante este movimiento, el brazo obtiene movimiento en el eje vertical. El
sujeto es montado sobre las placas de pie y estabilizado por medio de un sistema BWS,
donde se deja el movimiento del tronco libre al paciente, Las dimensiones del dispositivo
son considerables, aunque tiene capacidad de generar múltiples trayectorias
reconfigurables a cada paciente, además de contar con un sistema de realidad virtual que
facilita la interacción del sujeto y la conducción de la terapia.
Figura 2.8 a) Sistema de rehabilitación Hapticwalker. b) Composición de los módulos robóticos [55].
Una alternativa al sistema Hapticwalker fue presentada por el grupo de investigación de B.
Novandy de la Universidad Nacional Gyeongsang (GNU por sus siglas en ingles), en
Corea del Sur. El Prototipo propuesto por Novandy, está compuesto por un sistema BWS,
un dispositivo para locomoción de miembros superiores, dos plataformas para locomoción
de miembro inferior, y un dispositivo deslizante para mover las plataformas de pie [56]. El
dispositivo deslizante utiliza un mecanismo de banda dentada para mover ambas
plataformas que se encuentran montadas en lados opuestos del mismo, este se utiliza para
brindar el movimiento de traslación horizontal de la trayectoria descrita por el pie durante la
marcha. Cada plataforma de pie funciona como efector final y utiliza un mecanismo de dos
actuadores lineales ubicados de forma paralela entre sí, que se unen a las placas de pie
por medio de articulaciones rotacionales. Además, la placa de pie cuenta con una
articulación prismática que permite regular a la distancia entre los apoyos de los actuadores
lineales. La plataforma se encarga de aportar las incursiones verticales del pie en su
Estado del Arte
62
trayectoria de marcha sobre el plano sagital, junto con la rotación en flexión plantar y dorsal
del tobillo. Aunque las plataformas son capaces de soportar el peso completo del paciente,
el sistema BWS se utiliza para dar estabilidad y soporte del tronco y asumir la carga debida
al peso del sujeto. El dispositivo para locomoción de miembros superiores se compone de
dos péndulos, uno para cada brazo, que se accionan por un servomotor a través de un
sistema de poleas (Figura 2.9). Cada péndulo cuenta con un mango para que el individuo
lo empuñe, y así, brindar el movimiento de braceo característico de la marcha. El sistema
cuenta con una interfaz de realidad virtual que interactúa en función al movimiento del
paciente en el dispositivo, donde a partir de ambientes virtuales tipo videojuego, el individuo
realiza tareas para alcanzar objetivos específicos como, subir escaleras, bajar pendientes
o esquivar obstáculos y llegar a un determinado lugar en el mapa.
Figura 2.9 Sistema de rehabilitación por realidad virtual desarrollado en GNU. a) Prototipo del sistema. b)
Representación esquemática de los mecanismos efectores de miembros superiores e inferiores [57].
La colaboración entre el Centro de Procesamiento Avanzado de la Información de la
Universidad de Rutgers y la Universidad de Medicina y Odontología de New Jersey permitió
que el equipo de R.F Boian y D.E. Deutsch desarrollaran el dispositivo Rutgers para
rehabilitación de tobillo por medio de realidad virtual, el cual utiliza una plataforma de
Stewart de seis grados de libertad, a modo de “Joystick”, para cada pie [58]. El paciente, se
encuentra sentado sobre una silla elevada de forma que una pantalla LCD queda de frente
a él (). La pantalla se utiliza para presentar al usuario terapias de rehabilitación de tobillo a
través de dos videojuegos en los que se simula el manejo de un bote o un avión a lo largo
Capítulo 2
63
de diversos ambientes. En primera instancia, el dispositivo registra el rango de movimiento
con el que cuenta el individuo para cada tobillo, esto para que el terapeuta pueda determinar
los parámetros de la simulación en función de las capacidades del paciente. Durante la
simulación el dispositivo recolecta la información correspondiente a los tres ángulos de
orientación del tobillo, la posición en tres coordenadas de la plataforma junto con la fuerza
y el torque aplicados sobre ella. Esta información es procesada y traducida en los
movimientos del vehículo dentro del videojuego en el que el usuario deberá alcanzar cierto
número de metas específicas.
Figura 2.10 Dispositivo de Rutgers para rehabilitación de tobillo. a) Integración del dispositivo con el sistema
de realidad virtual. b) Detalle del dispositivo de tobillo [58]
Como puede observarse hay más de una aproximación al problema de rehabilitar la
marcha, cada una con sus pros y sus contras. Los sistemas presentados tienen como grupo
objetivo individuos con enfermedades del sistema nervioso central (ESNC), como son
sobrevivientes de accidente cerebro vascular (ACV) o personas con lesión de columna
vertebral (LCV) entre otras, donde los patrones de marcha hemipléjica son comunes. La
mayoría de los sistemas han sido utilizados en ensayos clínicos con resultados
prometedores lo que ha permitido que algunos de ellos sirvan de base para los sistemas
comerciales que se utilizan en la actualidad. A continuación, se hace una descripción de los
mismos.
2.2 Sistemas Comerciales
A partir del año 2000 a la fecha se han desarrollado dispositivos de uso comercial capaces
de simular la marcha humana con un buen grado de precisión. Dentro de los sistemas
comerciales utilizados con mayor frecuencia para esta tarea, se encuentra el
Reoambulator (Figura 2.11 a) desarrollado por la empresa Motorika Ltd. y comercializado
en Estados Unidos como Autoambulator por Healthsouth Co [59]. El sistema original fue
sacado al mercado en el año 2004 y estaba compuesto por un sistema BWS, una banda
caminadora, dos brazos robóticos de tipo planar y con dos grados de libertad rotacionales
cada uno, un sistema de cómputo y un monitor con interfaz táctil. El sistema BWS se utiliza
para levantar al paciente y colocarlo de forma estable sobre la banda caminadora
soportando su peso corporal, en donde se fijan los brazos robóticos a las extremidades por
Estado del Arte
64
medio de bandas anchas de velcro a la altura del muslo y del tobillo. El sistema de cómputo,
se encarga de controlar el movimiento independiente de cada ortesis junto con el porcentaje
del peso corporal que soporta el sistema BWS y la velocidad de la banda caminadora.
Durante la terapia, el terapeuta no realiza interacción física con el paciente, no obstante, se
encarga de fijar los parámetros de funcionamiento del sistema y de supervisar la conducción
de la terapia por medio de la pantalla táctil.
Figura 2.11 Sistema Reoambulator. a) Sistema original [60]. b) Sistema moderno [61].
En la actualidad, el sistema ha sido ampliamente mejorado y se le han añadido módulos
que permiten mejorar la experiencia de pacientes y fisioterapeutas con el mismo (Figura
2.11 b). El modulo multitareas provee al paciente de diversos escenarios de realidad virtual
a través de una pantalla LCD. Por medio de sensores se monitorea el movimiento del
paciente y se proyecta un avatar virtual en la pantalla en tiempo real. Este módulo es
utilizado para que el paciente realice tareas en las que se incluyen movimientos específicos
de las extremidades superiores, con la intención de facilitar su rehabilitación motriz y
cognitiva. Por último, se le agrego un módulo de análisis de marcha para aquellos pacientes
que no necesitan de asistencia por parte de los brazos robóticos para caminar. En esta
modalidad se utiliza la pantalla LCD para brindar retroalimentación visual al paciente sobre
la posición actual y la deseada de los pasos que este va dando. El terapeuta cuenta con la
posibilidad de variar durante la terapia la frecuencia, amplitud y longitud de paso deseados.
Reoambulator puede ser utilizado para uso pediátrico siempre y cuando las longitudes de
las extremidades inferiores del infante se encuentren dentro de los limites telescópicos de
los eslabones que componen los brazos robóticos.
El sistema Lokomat, perteneciente a la empresa suiza Hocoma AG, es el resultado de los
avances en control y de mejora de los dispositivos que en un inicio conformaron el sistema
DGO. Además de modificar su estética, el sistema fue adaptado para operar en función de
los diferentes módulos con los que este cuente en el momento (Figura 2.12 a). El modulo
base consiste en la banda caminadora y el sistema BWS, después se tiene el modulo
efector de movimiento compuesto por la ortesis propulsada para los miembros inferiores, la
combinación de estos tiene como resultado la forma simple del sistema.
Capítulo 2
65
Figura 2.12 Configuraciones del sistema Lokomat. a) Lokomat pro con módulo de realidad virtual [60]. b)
Exosqueleto de uso pediátrico con módulo de realidad virtual [62].
Las formas avanzadas del sistema consisten en el uso de tres módulos alternativos. El
primero es el módulo de realidad virtual, a grandes rasgos, consiste en una pantalla LCD
que se encarga de presentar ambientes virtuales para la realización de tareas específicas
durante la conducción de la terapia. Al igual que en el Reoambulator, existe un sistema de
sensores que permiten monitorear en tiempo real los movimientos del paciente y
presentarlos en pantalla por medio de un avatar virtual. El segundo es el módulo FreeD, el
cual se utiliza para añadir los movimientos de pelvis y tronco a la simulación de marcha y
habilitar al sistema para realizar trayectorias sinusoidales. El ultimo modulo consiste en la
versión pediátrica de la ortesis propulsada que permite realizar terapias en niños cuya edad
ronde los 4 años en adelante (Figura 2.12 b) [62]. Tanto el exosqueleto para adultos como
su versión pediátrica, cuentan con dispositivos para medición de señales electromiográficas
y espasticidad de los principales grupos musculares de las extremidades inferiores.
Cabe mencionar, que Lokomat es el sistema comercial de mayor uso a nivel mundial y ha
sido objeto de múltiples estudios clínicos para evaluar su comportamiento en el tratamiento
de ciertas enfermedades del sistema nervioso central [63-70]. De igual forma, es de resaltar
la evolución que han sufrido sus algoritmos de control, pasando originalmente de un control
por impedancia mecánica a un control adaptativo, en la búsqueda de mejorar la cooperación
del paciente para producir el movimiento del exosqueleto [71].
EL sistema G-EO [72], de la empresa alemana Reha technologies GMBH, es el sucesor
del Hapticwalker desarrollado por S. Hesse. G-EO utiliza el enfoque de manipulación distal
del miembro inferior, por medio de placas de pie como efectores finales. Aunque el
mecanismo motriz se basa en el principio de dos correderas que se deslizan sobre un riel
común, utilizado por el Hapticwalker, en G-EO el riel se encuentra a nivel de piso y no lateral
al pie del sujeto (Figura 2.13). Las correderas se definen como principal y relativa y se
enlazan entre sí por medio de articulaciones rotacionales, con dos barras rígidas de
diferentes longitudes. Tanto la barra larga (balancín) como la corta (biela) se fijan en uno
de sus extremos a las correderas principal y relativa, respectivamente. El extremo libre de
Estado del Arte
66
la biela se conecta al balancín por medio de un pivote ubicado cerca de la parte media del
mismo. Al extremo libre del balancín se fija la placa de pie que cuenta con un actuador
rotacional para emular la flexión plantar y la dorsiflexión del tobillo. La corredera principal
es accionada por medio de una trasmisión de banda dentada mientras que el movimiento
relativo de la otra corredera es accionado vía un tornillo sin fin. El movimiento de la
corredera principal sobre la guía, proporciona a la placa de pie el desplazamiento horizontal
en el plano sagital correspondiente a la longitud de paso, al tiempo que el movimiento
vertical lo aporta el efecto tijera producido en el balancín debido al desplazamiento relativo
de las correderas, Figura 2.13 b.
Figura 2.13 Sistema G-EO. a) Uso pediátrico del dispositivo [73]. b) mecanismo efector de placas de pie [72].
G-EO cuenta con un sistema BWS para levantar al paciente, un barandal frontal y
pasamanos laterales para que el individuo pueda apoyarse con los brazos como mejor le
plazca. Los movimientos de tronco y pelvis se dejan libres a la voluntad y capacidades del
individuo.
En la Tabla 2.1 se muestran parte de las especificaciones técnicas pertenecientes a
Reoambulator, Lokomat y G-EO.
Tabla 2.1 Datos técnicos de los sistemas comerciales [61, 73, 74].
Especificación técnica Reoambulator Lokomat G-EO
Largo 313 cm 330- 400 cm 406 cm
Ancho 120 cm 185-197 cm 124 cm
Altura 219-287 cm 259-294 cm 240-280 cm
Peso 850 kg 1100 Kg 900 Kg
Ancho de la banda 70 cm 50 Cm N/A
Largo de la banda 130 cm 150 cm N/A
Velocidad máx. de la banda
Con ortesis 3.5 Km/h 3.2 Km/h N/A
Sin ortesis 10 Km/h 10 Km/h N/A
Distancia entre brazos Básico 24-61 cm 29-51 cm N/A
Pediátrico N/A 17-28 cm N/A
Capítulo 2
67
Velocidad N/A N/A 0-2.3 Km/h
Cadencia N/A N/A 70 pasos/min
Longitud de paso N/A N/A 0-55 cm
Altura de paso N/A N/A 0-20 cm
Peso máx. del paciente 150 Kg 135 Kg 150 Kg
Altura del paciente 90-190 cm máx. 2oo cm máx. 205 cm
Longitud de fémur del paciente
Básico N/D 350-470 cm N/A
Pediátrico N/A 210-350 cm N/A *N/A- No aplica, N/D- información no disponible.
En el caso de G-EO no existe un límite mínimo de estatura requerida para la utilización del
sistema, lo que permite su uso pediátrico sin necesidad de variar o adicionar módulos al
mismo, como ocurre con Lokomat, esto se atribuye al enfoque de manipulación distal por
placas de pie que utiliza. Por otro lado, este requiere de adaptar una ortesis al sistema
cuando se trata a pacientes que necesiten de soporte adicional en la articulación de la
rodilla, cosa que no ocurre con los sistemas basados en exoesqueletos, no obstante, al
mantener las extremidades inferiores libres de fijación mecánica, el terapeuta puede
interactuar con ellas, tal y como ocurre con el MGT.
Aun cuando la revisión del estado del arte de los sistemas de rehabilitación de marcha
permite explorar las distintas soluciones tecnológicas existentes para la conducción de
terapias automatizadas, se realizó adicionalmente, una búsqueda en las bases de datos de
las oficinas de patentes nacionales e internacionales referente a este tipo de sistemas. con
el ánimo de complementar la información obtenida de los sectores académico y comercial.
2.3 Patentes
Las patentes son derechos exclusivos concedidos a una invención que aporte una nueva
manera de hacer algo o sea una nueva solución técnica a un problema, es decir, se aplican
tanto a procedimientos como productos. En este sentido, las patentes otorgan protección
para que estos no sean confeccionados, utilizados, distribuidos o vendidos comercialmente
sin el consentimiento del titular de la patente y son concedidas por oficinas nacionales o
regionales [75]. En México, el Instituto Mexicano de la Propiedad Intelectual (IMPI) es el
encargado de otorgar las patentes.
Para el desarrollo del presente trabajo se consultaron las bases de datos del IMPI (patentes
con prefijo MX), la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual (WIPO por sus
siglas en inglés, patentes con prefijo WO), la Oficina Europea de Patentes (EPO por sus
siglas en inglés, patentes con prefijo EP) y la Oficina de Patentes y Marcas de los
Estados Unidos (USPTO por sus siglas en inglés, patentes con prefijo US). A continuación,
se presenta una breve descripción de aquellas que se considera cuentan con
características de valor para el desarrollo del mismo.
Solo se encontró una solicitud de patente ante el IMPI referente a sistemas de rehabilitación
motriz por suspensión del peso corporal para personas con discapacidad, a nombre del
Estado del Arte
68
Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey Campus Puebla. La
invención, consiste en un sistema multifuncional de entrenamiento. El paciente es
suspendido por un sistema BWS sobre una banda caminadora. El peso del paciente es
soportado por el BWS donde se puede variar el porcentaje de carga que este debe asumir.
A los costados del marco que comprende el sistema BWS se ubica un sistema de poleas
para realizar ejercicios por levantamiento de peso con los brazos. No existe un dispositivo
efector para ninguna de las extremidades corporales [76]. Véase Figura 2.14.
Figura 2.14 Sistema para fortalecimiento motriz de extremidades corporales [76].
En el Instituto Nacional de la Propiedad Intelectual de Argentina se encontró la solicitud
de registro para patentes independientes AR071041 A1 que describe un dispositivo para
educación y rehabilitación de marcha y desarrollo del equilibrio. El sistema basado en
placas de pie consiste en dos mecanismos de manivela biela corredera (MBC) que
producen el avance y retroceso de las placas. El movimiento de la manivela es aprovechado
para accionar un sistema de doble bisagra con levas ubicadas en sus extremos finales
(Figura 2.15), estas se encargan de cambiar la inclinación del pie al llegar a los límites de
carrera anterior y posterior [77]. El dispositivo está diseñado para ser utilizado en conjunto
con algún sistema BWS.
Figura 2.15 Mecanismo MBC utilizado en AR071041 A1 [77].
Capítulo 2
69
La patente US8905951 B12 emitida para la empresa Restorative Therapies, Inc. describe
un dispositivo que también se basa en placas de pie y utiliza un mecanismo de MBC para
actuar las extremidades inferiores durante terapias por suspensión de peso corporal [78]. A
diferencia del dispositivo argentino, este utiliza servomotores en las placas para simular la
flexión dorsal y plantar del pie, ver Figura 2.16 a.
Figura 2.16 a) Sistema patentado por Restorative Therapies Inc [78]. b) Sistema de plataformas móviles MIT
Skywalker [79].
La patente US8684890 B2 otorgada a C. Bosecker et al, describe un dispositivo para
rehabilitación pasiva de la marcha basado en suspensión del peso corporal [79]. El sistema
no busca actuar las extremidades inferiores si no que ataca el problema variando la
superficie sobre la que el individuo camina. En lugar de utilizar una banda caminadora el
dispositivo utiliza dos plataformas pivotadas, con una banda trasportadora (conveyor) cada
una, como superficie para simular el suelo. El sujeto mueve las extremidades de forma libre
hasta que el miembro oscilante hace la transición a la fase de apoyo al producirse el
contacto inicial con el talón. En ese momento, el convoyar transporta la extremidad, ahora
portante, hacia atrás simulando la fase de apoyo monopodal. Una vez que el individuo
realiza el despegue de talón, inicia su transición a la fase de oscilación y la plataforma se
inclina hacia abajo provocando que exista un despegue entre la superficie y el pie del
individuo para que este oscile el miembro hasta llevarlo a la preparación del contacto inicial,
la plataforma regresa a posición horizontal y se reinicia el ciclo. Este proceso se hace
desfasado entre las dos plataformas y de forma alternante, ver Figura 2.16 b.
La patente con número de publicación WO086035 A1 otorgada a la Universidad
Northeastern de Boston, describe un exoesqueleto extremidades inferiores utilizado para
controlar la caída y elevación pélvica de un individuo durante la marcha en terreno plano
[80]. El exoesqueleto se compone de dos brazos planares no actuados, uno para cada
Estado del Arte
70
pierna y articulados a la altura de cadera y rodilla, y un actuador pélvico a modo de cinturón
que se conecta con los mismos (Figura 2.17 a). El exoesqueleto es suspendido por un
sistema BWS que se encuentra soportado sobre un riel aéreo (Figura 2.17 b). El actuador
pélvico utiliza un control por impedancia para controlar dos actuadores por medio de cable
borden que se encargan de proporcionar la caída y elevación a la pelvis.
Figura 2.17 Exosqueleto utilizado en WO086035 A1. b) Configuración del BWS [80].
La patente US0137553 A1 otorgada a P&S Mechanics Co. homologa en los Estados
Unidos a la patente KR0123518 emitida por la Oficina de la Propiedad Intelectual de
Corea del Sur y describe un sistema robótico para rehabilitación de marcha sobre banda
caminadora por suspensión del peso corporal [81]. La invención está compuesta por un
exosqueleto para extremidades inferiores con actuación de cadera, rodilla y tobillo por
medio de motores eléctricos, una banda caminadora y un dispositivo para elevación de
carga. En la Figura 2.18 se observa la composición del sistema.
Figura 2.18 Sistema diseñado por P&S Mechanics Co [81].
Capítulo 2
71
Las patentes US7556606 B2 y US7803125 B2 otorgadas al Instituto Tecnológico de
Masachussets [82] y al Instituto de Rehabilitación de Chicago [83] respectivamente,
corresponden a sistemas similares entre y describen dispositivos de tipo andadera para
terapias pasivas de marcha sobre suelo. Los sistemas utilizan suspensión parcial del peso
para apoyar al individuo, quien no recibe actuación alguna por parte de estos. El individuo
deambula libremente dentro de sus capacidades con la seguridad y soporte que brindan las
andaderas, las cuales son auto propulsadas en función de la intencionalidad de movimiento
del sujeto, lo que les permite asumir la carga de su propio peso y que este no sea arrastrado
por el usuario (Figura 2.19).
Figura 2.19 Sistemas tipo andadera. a) Dispositivo desarrollado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts
[82]. b) Dispositivo desarrollado en el Instituto de Rehabilitación de Chicago [83].
Por último, se tienen aquellas patentes que están relacionadas a los desarrollos académicos y sistemas
comerciales citados en las secciones 2.1 y 2.2. En las Tabla 2.2,
Tabla 2.3 y Tabla 2.4 se enlistan dichas patentes.
Tabla 2.2 Patentes relacionadas con los trabajos citados en las secciones 2.1 y2.2 .
Sistema Datos Patente Reivindicación Ref.
ALEX
No. Patente US8147436 B2 Diseño de la ortesis propulsada, marco sobre el que se soporta, controlador de seguimiento de ruta, controlador PD de puesta a punto y controlador de campo de fuerza.
[84] Fecha de publicación 03/04/2012
Beneficiario Universidad de Delaware
GBO
No. Patente US7544155 B2
Dispositivo tipo ortesis de balance por gravedad.
[85] Fecha de publicación 09/06/2009
Beneficiario Universidad de Delaware
G-EO
No. Patente WO136160 A1
Sistema para rehabilitación de extremidades inferiores por suspensión de peso corporal.
[86] Fecha de publicación 02/12/2010
Beneficiario Reha Technologies GMBH
Estado del Arte
72
No. Patente WO012961 A1 Ortesis de soporte de rodilla y tobillo adaptable a un dispositivo de rehabilitación de extremidades inferiores.
[87] Fecha de publicación 23/01/2014
Beneficiario Reha Technologies GMBH
PAM
No. Patente US7125388 B1
Dispositivo y método de rehabilitación robótica de marcha por medio de movimiento óptimo de la cadera.
[88] Fecha de publicación 24/10/2006
Beneficiario Regentes de la Universidad de California
Tabla 2.3 Patentes relacionadas con los trabajos citados en las secciones 2.1 y2.2 .
Sistema Datos Patente Reivindicación Ref.
Lokomat
No. patente US681223 B1 Sistema y método para terapia automatizada de marcha por suspensión de peso corporal sobre banda caminadora.
[89] Fecha de publicación 23/11/2014
Beneficiario Hocoma AG
No. patente US0239613 A1 Dispositivo y proceso para ajustar la altura de levante y la fuerza que actúa sobre un peso.
[90] Fecha de publicación 27/04/2005
Beneficiario Hocoma AG
No. patente WO040554 A1 Dispositivo para ajustar el esfuerzo de medios elásticos alrededor de predeterminada tensión o posición.
[91] Fecha de publicación 10/04/2008
Beneficiario Hocoma AG
No. patente EP1772134 A1 Dispositivo y método para terapia automatizada en banda caminadora por medio de control de fuerza en el tronco.
[92] Fecha de publicación 11/04/2007
Beneficiario Eidgenössische Technische
No. patente WO091857 A1 Método de control para dispositivos robóticos de tipo exosqueleto.
[93] Fecha de publicación 19/08/2010
Beneficiario Eidgenössische Technische
Gracias a la revisión de patentes se encontraron dispositivos con enfoques diferentes a los
presentados en secciones anteriores. Llama la atención el hecho de que los dispositivos
cuyas patentes fueron publicadas en los últimos 5 años muestran una tendencia a la
rehabilitación pasiva y buscan en la medida de lo posible que el individuo sea quien realice
el trabajo sin que exista agente externo que lo provoque. Otro dato interesante, es la forma
en que las empresas no solo protegen a los diseños, sino que también protegen sus
metodologías y formas de control incluso sin la necesidad de registrar un dispositivo en
específico para ellas, como se puede ver en la patente WO095857 A1 asociada a Lokomat
Capítulo 2
73
o la WO107716 A2 de Honda Motor Co [94], en donde se describe un controlador genérico
para sistemas robóticos de tipo exosqueleto de uso en humanos. De igual forma, se observa
una predominancia reciente de los sistemas adaptativos capaces de modificar las
trayectorias de sus efectores finales en función de la intencionalidad de movimiento del
usuario e incluso definidas dentro de determinados parámetros por él mismo.
Tabla 2.4 Patentes relacionadas con los trabajos citados en las secciones 2.1 y2.2.
Sistema Datos Patente Reivindicación Ref.
ARTHuR
No. patente US6796926 B2 Mecanismo para la manipulación y medición de extremidades inferiores durante la marcha sobre banda caminadora por suspensión de peso corporal.
[95]
Fecha de publicación 28/09/2004
Beneficiario Regentes de la universidad de california
GNU
No. patente KR100841177 Entrenador robótico de marcha con actuación de extremidades superiores y método de rehabilitación por control de velocidad y cadencia de paso en función del braceo.
[96]
Fecha de publicación 18/06/2008
Beneficiario Universidad nacional Gyeongsang
Reoambulator
No. patente US6689075 B2 Ortesis propulsada de marcha y método de utilización.
[59] Fecha de publicación 10/02/2004
Beneficiario Healthsouth Co.
No. patente WO009011 Mejora al sistema de suspensión parcial de peso corporal.
[97] Fecha de publicación 29/01/2004
Beneficiario Healthsouth Co.
No. patente US7066181 B2 Sistema y configuración de arneses para suspensión de peso corporal.
[98] Fecha de publicación 27/06/2006
Beneficiario Healthsouth Co.
2.4 Legislación Normativa.
Al momento de diseñar dispositivos en el ámbito académico, en un inicio, se suele omitir
las implicaciones que conllevan los procesos de manufactura y la transición del proyecto en
lo que respecta a su integración al sector industrial y al ámbito social. Si bien, esto permite
idealizar el alcance del proyecto y facilitar las etapas de análisis y diseño de los sistemas
involucrados, a la postre, dicha transición se ve afectada por retrasos originados debido a
correcciones o ajustes en el diseño del producto final y métodos de fabricación, en la
búsqueda de adecuar los mismos a los estándares y normativas que rigen la industria a
nivel nacional e internacional. Con base en lo anterior, a continuación, se describe la
legislación normativa y estándares aplicables vigentes a nivel nacional e internacional,
como parte de la revisión del contexto en el que se ve inmerso el desarrollo de sistemas
para rehabilitación de marcha.
Estado del Arte
74
De acuerdo con Ley General de Salud de los Estados Unidos Mexicanos, se define como
Equipo Médico, a todos aquellos aparatos, accesorios e instrumental para uso específico,
destinados a la atención médica, quirúrgica o a procedimientos de exploración, diagnóstico,
tratamiento y rehabilitación de pacientes, así como aquellos para efectuar actividades de
investigación biomédica [99]. De igual forma, establece que el equipo médico es
considerado como insumo para la salud y, por lo tanto, está sujeto a control sanitario por
parte de la Secretaria de salud a través del Reglamento General de Insumos para la
Salud [100], el cual específica, que para su producción, venta y distribución los equipos
médicos requieren de registro sanitario. La Comisión Federal para la Protección contra
Riesgos Sanitarios (COFEPRIS), es la dependencia encargada de emitir y gestionar
dichos registros sanitarios, para ello, verifican que los equipos cumplan con las Normas
Oficiales Mexicanas (NOM) emitidas por la Secretaria de Economía mediante la
Dirección General de Normas.
En lo referente a equipo médico, se cuenta con la NOM 241 SSA1 2012- Buenas prácticas
de fabricación para establecimientos dedicados a la fabricación de dispositivos
médicos [101], en donde se establecen los requisitos que deben reunir los procesos, desde
el diseño de la instalación, desarrollo, obtención, preparación, mezclado, producción,
ensamblado, manipulación, envasado, acondicionamiento, estabilidad, análisis, control,
almacenamiento y distribución de los dispositivos médicos comercializados en el país, en
función del tipo de insumo a fabricar, y que tiene por objetivo asegurar que estos se cumplan
consistentemente con los requerimientos de calidad y funcionalidad para ser utilizados por
el consumidor final o paciente.
Por otro lado, se encuentra la NOM 137 SSA1 2008-Etiquetado de dispositivos médicos
[102], en donde se establecen los requisitos mínimos, que sirven para comunicar la
información a los usuarios, que deberá contener el etiquetado de los dispositivos médicos,
de origen nacional o extranjero, que se comercialicen o destinen a usuarios dentro del
territorio nacional.
Aun cuando no existen en el país normas específicas para el diseño de equipo médico,
para obtener el registro sanitario se debe presentar ante COFEPRIS, como parte del archivo
técnico del dispositivo, los diagramas de ensamble y funcionamiento de las distintas partes
que lo comprenden, los estudios clínicos realizados con pacientes que validen la eficiencia
y seguridad en la utilización del mismo y la certificación que avale la aplicación de la NOM
241 SSA1 2012, entre otros registros [103].
Para el trámite de registro sanitario la COFEPRIS reconoce como válidos los certificados
de buenas prácticas emitidos en Australia, Brasil, Canadá, EUA y países afiliados a la
Agencia Europea de Medicinas. Por su parte, el registro sanitario puede ser otorgado en
México por medio de los acuerdos de equivalencia realizados con la Health Canada (HC),
Administración de Drogas y Alimentos de EUA (FDA por sus siglas en inglés) y el Buro
de Seguridad Farmacéutica y de Alimentos del Japón, siempre que el equipo médico
cuente con el registro o aprobación en cualquiera de ellos.
Capítulo 2
75
Para el caso de Colombia, los registros sanitarios para dispositivos médicos son emitidos
por el Ministerio de Salud y Protección Social a través de las Secretarias Distritales de
Salud, los cuales se rigen por el Decreto 4725 2005 por el cual se reglamenta el régimen
de registros sanitarios, así como los permisos de comercialización y vigilancia sanitaria de
los dispositivos médicos para uso humano. Análogo a lo que ocurre con COFEPRIS en
México, las Secretarias Distritales de Salud se encargan de verificar que los equipos
médicos cumplan lo establecido en las Normas Técnicas Colombianas (NTC), emitidas
por el Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación (ICONTEC), para que
puedan obtener el registro sanitario. Las normas Técnicas colombianas existentes en
materia de equipo médico son las NTC-ISO 13485 [104] y NTC-ISO 14971 [105], publicadas
en el 2006 y 2012 respectivamente, las cuales son adaptaciones al idioma de las normas
ISO-13485 [106] e ISO 14971 [107] de la Organización Internacional de Normalización
(ISO por sus siglas en ingles).
La norma ISO 13485 especifica los requisitos para un sistema de gestión de calidad en una
organización que necesita demostrar su capacidad para proveer dispositivos médicos y
servicios relacionados que satisfacen consistentemente los requisitos del cliente y aquellos
requisitos regulatorios aplicables, mientras que la norma ISO 14971 especifica un proceso
para que el fabricante identifique los peligros asociados a los dispositivos médicos, a través
de técnicas de estimación y análisis de los riesgos que se presentan a lo largo del ciclo de
vida del proyecto.
La normatividad aplicable para insumos de la salud, en específico equipo médico, está
orientada a organizaciones cuyos procesos de fabricación son establecidos en la búsqueda
de comercialización en masa para dichos productos, sin embargo, resulta destacable la
introducción del análisis de riesgos sanitarios como parte integral en el diseño de ingeniería
del producto y de procesos, siendo esta la parte más difícil de incluir para las empresas en
sus sistemas de gestión de calidad orientadas a la validación final del producto, a raíz de la
publicación de la ISO 14971 (Figura 2.20).
Figura 2.20 Modelo para diseño y desarrollo del producto con inclusión de la gestión de riesgos como los
datos de entrada propuesto en la ISO 14971. Fuente: Det Norske Veritas AS.
En el caso de los sistemas de rehabilitación de marcha este análisis de riesgo debe
orientarse, desde el diseño del sistema, a prevenir lesiones o cualquier situación de daño
Estado del Arte
76
al paciente u operario durante la conducción de la terapia, por lo que los manuales de
instalación y funcionamiento detallados, así como sistemas de alerta y paros de emergencia
del sistema, deberán ser evaluados con retroalimentación de la parte médica, de tal forma,
que se evite en la medida de lo posible la ocurrencia de tales riesgos. A su vez, se debe ser
cauteloso al momento de elegir los componentes perecederos, o consumibles, y
refacciones que formarán parte del sistema, teniendo en cuenta el deterioro y los ciclos de
vida de los mismos para una adecuada programación en los mantenimientos preventivos
que habrán de asegurar un correcto funcionamiento de los equipos.
Resulta obvio que los distintos sistemas presentados a lo largo de este capítulo tienen entre
si ventajas y desventajas en lo que respecta a su uso para la rehabilitación de marcha de
diferentes patologías, no solo dentro de los desarrollos académicos sino también entre los
sistemas comerciales, esto debido a que fueron diseñados para grupos específicos de
pacientes con ESNC. Aun cuando el patrón de marcha de estas enfermedades tiene como
similitud alteraciones correspondientes a la diplejía o a la hemiplejia, existen limitantes
claras para la utilización de estos dispositivos en la rehabilitación de infantes con PC. Es
por ello que, al realizar un análisis del aporte obtenido de la revisión del estado del arte a la
exploración de soluciones que conlleven a la generación del concepto del sistema
propuesto en el presente trabajo, se debe considerar enfáticamente la información relevante
referente a este padecimiento descrito en el Capítulo 1. De igual forma, la información
presentada en este capítulo sirve como preámbulo para el desarrollo del proceso de diseño,
como parte de los parámetros de entrada, por parte de fuentes secundarias de información,
que ayudaran a determinar las necesidades que deberá cubrir el sistema.
77
DISEÑO DEL CONCEPTO
En este capítulo se presentan tanto los parámetros de
entrada, como el proceso para la obtención de los
requerimientos de diseño y el diseño conceptual del
sistema propuesto en el presente trabajo.
3
Capítulo 3
79
CAPÍTULO 3 Diseño del Concepto
Tal y como se mencionó en la metodología utilizada para el presente trabajo (Figura 2), la
obtención del diseño conceptual del sistema que aquí se propone, se basa en el manejo y
procesamiento de los requerimientos técnicos, obtenidos de la metodología QFD, a partir
de las necesidades identificadas para el sistema.
La Figura 3.1 muestra de forma esquemática el proceso utilizado para la generación del
concepto. Nótese que, para tal proceso, se cuenta con dos parámetros de entrada. La
entrada correspondiente a la fuente de información primaria, consiste en los datos
obtenidos por entrevista directa con la parte médica, en este caso, por el Dr. Alejandro
Medina Salas miembro del departamento de rehabilitación del Instituto Nacional de
Pediatría de la Ciudad de México. Así mismo, la entrada correspondiente a las fuentes de
información secundarias comprende los datos obtenidos de la investigación del contexto
mostrados a lo largo de los capítulos I y II.
Figura 3.1 Representación esquemática del proceso para la obtención del concepto del sistema.
La metodología QFD utilizada se basa en el modelo conocido como Blitz QFD [108], en el
cual, a partir de las fuentes de información primarias y secundarias se obtuvieron las
necesidades del sistema y fueron caracterizadas en requisitos del cliente, por medio de
diagramas de afinidad. Una vez definidos los requisitos del cliente, se utilizó la herramienta
de Procesamiento Analítico de Jerarquías (AHP por sus siglas en inglés) [109], para
priorizar dichos requisitos, que servirán de entrada para la casa de la calidad y de esta
forma obtener los requerimientos de diseño. Por último, conforme se obtuvieron las metas
de diseño se utilizó la herramienta del árbol de funciones con la finalidad de concretar el
diseño conceptual del sistema. En este capítulo se muestran los resultados obtenidos del
desarrollo descrito para la generación del concepto.
Diseño del Concepto
80
3.1 Metodología QFD.
El QFD se desarrolló en el Japón hacia el final de la década de 1960, coincidentemente con
la introducción de productos japoneses originales. Desde sus inicios fue considerada parte
del herramental de la gestión total de la calidad, conocida en aquel país como Total Quality
Control (TQC), y fue diseñada específicamente para la creación de nuevas aplicaciones y
productos. En aquellos años el público comenzaba a valorar la importancia de la calidad
del diseño, y esta valoración sirvió como una palanca motivadora para la creación del QFD.
[108].
El QFD pretende traducir los requisitos del cliente en características cualitativas, para poder
traducirlas al lenguaje de la organización y así determinar cuál es el diseño del proceso
mejorado.
El objetivo primordial del QFD es la mejora de la calidad de los productos, por lo que algunos
aspectos esenciales del QFD pueden señalarse como:
El QFD es una metodología para planificar el proceso de diseño eslabonando al
cliente con las empresas.
Los datos iniciales del proceso de diseño son los requerimientos y expectativas
de los clientes. Esto significa escuchar la voz del cliente.
Los requerimientos y expectativas de los clientes deben traducirse en metas de
diseño plenamente mensurables.
El QFD utiliza gráficos para desplegar información relevante.
El QFD permite identificar las herramientas de diseño apropiadas al problema
en el proceso de solución.
3.1.1 Necesidades del Sistema.
Se han clasificado las necesidades del sistema en 2 tipos, aquellas obtenidas de la parte
médica y aquellas obtenidas de la investigación del contexto realizada.
En función de la parte médica se tienen:
Que sea para terapias por suspensión del peso corporal.
Adaptable a individuos de 2 años de edad.
Que pueda soportar individuos con peso máximo de 80 kg.
Elementos para que el sujeto se apoye sobre sus antebrazos.
Fácil manejo para el operario.
Mantenga en postura erguida al sujeto durante la marcha.
Capítulo 3
81
Que las dimensiones sean reducidas.
Que cuente con sistemas de instrumentación para espasticidad y
electromiografía.
Capacidad de realizar diferentes trayectorias para el miembro inferior.
Por otro parte, las necesidades obtenidas en función de la investigación realizada son:
Guiar el movimiento de marcha del miembro inferior.
Guiar los movimientos de marcha del tren superior.
Dispositivo adaptable a sujetos de múltiples medidas antropométricas.
Variación del gasto energético efectuado por el paciente.
Interacción amigable con el usuario.
Interacción amigable con el paciente.
En donde se define al paciente como el individuo al cual se le realizara la terapia de
rehabilitación, y al usuario como el especialista encargado de la conducción y supervisión
de la terapia.
3.1.2 Requisitos del cliente
En la Tabla 3.1 se muestran los resultados para los diagramas de afinidad de tres niveles
utilizados para caracterizar las necesidades del sistema.
Tabla 3.1 Diagrama de afinidad de las necesidades del sistema.
Nivel I Nivel II Nivel III
Emular movimientos
corporales
Mover extremidades inferiores
Emular trayectoria normal
Emular de trayectorias especiales
Aportar soporte estructural
Mover tren superior
Mover extremidades superiores
Aportar apoyo en los antebrazos
Mover pelvis
Adaptable a distintas medidas corporales
2 años como edad mínima del paciente
Suspensión parcial de peso corporal
Variar de la carga de trabajo Soportar un peso de 80 kg
Diseño del Concepto
82
Interacción con el usuario
Mostrar información al usuario
Enviar datos
Cambiar parámetros de funcionamiento
Adquirir datos
Enviar datos
Realizar análisis de marcha Detectar nivel de espasticidad
Detectar activación muscular
Interacción con el paciente
Mostrar simulación visual del movimiento
Interactuar en ambientes de realidad virtual
Mostrar trayectorias real y deseada
Utilizando la clasificación de Kano,[], y en función de la información contenida en la Tabla
3.1, se determinaron los requisitos del cliente como se muestra en la Tabla 3.2.
Tabla 3.2 Requisitos del cliente.
Factores Requerimientos cliente
Básicos
Emulación marcha
Movimiento del tren superior
Soporte del peso corporal
Adaptabilidad antropométrica
Interacción amigable con el especialista
Deseables
Interacción amigable con el usuario
Variación del gasto energético
Dimensiones reducidas
Trayectorias especiales
Soporte estructural de miembros inferiores
Instrumentación especializada
3.1.3 Jerarquización de los requisitos del cliente.
Para la jerarquización de los requisitos del cliente se utilizó la herramienta AHP que consiste
en la generación de dos matrices, la primera es conocida como matriz de pareo, la cual
pretende comparar los requisitos contra ellos mismos en función de una escala de
ponderación. La segunda es conocida como matriz de normalización brinda los valores de
la prioridad o peso de los requerimientos.
Para simplificación de los resultados, a cada requisito del cliente se les asignó un ítem
correspondiente a las primeras 11 letras del alfabeto de la siguiente forma:
A-Emulación de marcha.
B-Movimiento del tren superior.
C-Suspensión del peso corporal.
Capítulo 3
83
D-Adaptabilidad antropométrica.
F-Interacción amigable con el usuario.
G-Interacción amigable con el paciente.
H-Variación del gasto energético.
I-Dimensiones reducidas.
J-Trayectorias especiales.
K-Soporte estructural de miembros inferiores.
L-Instrumentación especializada.
De la Tabla 3.3 a la Tabla 3.5 , se muestran los valores obtenidos para dichas matrices
junto con la escala de ponderación normalmente utilizada. Los valores que se muestran en
la última fila de la Tabla 3.5 corresponden al peso en porcentaje que tiene cada uno de los
requisitos del cliente y serán utilizados para la casa de la calidad, mientras que los de la
última columna corresponden a la sumatoria de los valores de cada fila de la Tabla 3.4.
Tabla 3.3 Valores numéricos para la ponderación de los requisitos del cliente.
Ponderación
1 3 5 7 9
Los elementos columna y renglón tienen la misma
importancia
El elemento columna es
ligeramente más importante que el elemento renglón
El elemento columna es más
importante que el elemento renglón
El elemento columna es
fuertemente más importante que el elemento renglón
El elemento Columna es muy fuertemente más importante que el elemento renglón
Tabla 3.4 Matriz de pareo AHP.
Req. A B C D E F G H I J K
A 1 1 1/3 1 1/5 1/5 1/5 1/9 1/3 1/9 1/9
B 1 1 1 9 1/5 1/5 1/9 1/9 1/3 1/9 1/9
C 3 1 1 9 1/7 1/7 1/3 1/7 1/9 1/9 1/9
D 1 1/9 1/9 1 1/9 1/9 1/9 1/9 1/9 1/9 1/9
E 5 5 7 9 1 1/3 1/3 1/5 1/3 1/9 1/7
F 5 5 7 9 3 1 1/3 1/5 1/3 1/7 1/7
G 5 9 3 9 3 3 1 1/5 1/3 1/5 1/5
H 9 9 7 9 5 5 5 1 1/3 1/3 1/3
I 3 3 9 9 3 3 3 3 1 1/7 1/3
J 9 9 9 9 9 7 5 3 7 1 1/3
K 9 9 9 9 7 7 5 3 7 3 1
Diseño del Concepto
84
Tabla 3.5 Matriz de normalización AHP.
A B C D E F G H I J K ∑
A 0.217 0.217 0.072 0.217 0.043 0.043 0.043 0.024 0.072 0.024 0.024 4.600
B 0.076 0.076 0.076 0.683 0.015 0.015 0.008 0.008 0.025 0.008 0.008 13.178
C 0.199 0.066 0.066 0.596 0.009 0.009 0.022 0.009 0.007 0.007 0.007 15.095
D 0.333 0.037 0.037 0.333 0.037 0.037 0.037 0.037 0.037 0.037 0.037 3.000
E 0.176 0.176 0.246 0.316 0.035 0.012 0.012 0.007 0.012 0.004 0.005 28.454
F 0.161 0.161 0.225 0.289 0.096 0.032 0.011 0.006 0.011 0.005 0.005 31.152
G 0.147 0.265 0.088 0.265 0.088 0.088 0.029 0.006 0.010 0.006 0.006 33.933
H 0.176 0.176 0.137 0.176 0.098 0.098 0.098 0.020 0.007 0.007 0.007 51.000
I 0.080 0.080 0.240 0.240 0.080 0.080 0.080 0.080 0.027 0.004 0.009 37.476
J 0.132 0.132 0.132 0.132 0.132 0.102 0.073 0.044 0.102 0.015 0.005 68.333
K 0.130 0.130 0.130 0.130 0.101 0.101 0.072 0.043 0.101 0.043 0.014 69.000
%. 0.166 0.138 0.132 0.307 0.067 0.056 0.044 0.026 0.037 0.015 0.012 1.000
Como se puede observar en la tabla 3.5 la adaptabilidad antropométrica y la emulación
normal de marcha tienen mayor porcentaje de importancia para el cliente, a diferencia de
los sistemas de instrumentación especializada y el soporte estructural para las
extremidades inferiores quienes muestran los pesos más bajos.
3.1.4 La Casa de la Calidad.
Para poder conformar la casa de la calidad, se definieron las características cualitativas o
los “como’s” correspondientes a los “que´s” que en este caso son los requisitos del cliente.
La tabla 3.6 muestra a manera de listado dichas características cualitativas.
Tabla 3.6 Características cualitativas o “como’s”.
Características Cualitativas
Trayectoria marcha normal
Mecanismo efector de torso
Peso máximo soportado (kg)
Dimensiones variables para el paciente
interfaz visual
Dimensiones de la maquina (m)
Trayectoria tipo escaladora
Elementos tipo ortesis
Electromiografía
Medición de espasticidad
Diversas modalidades de carga
Adquisición y presentación de datos
Capítulo 3
85
Mientras que la figura 3.2 muestra el resultado obtenido para la primera matriz de la casa
de la calidad “que’s vs como´s”.
Figura 3.2 Matriz "que´s vs como's".
Por su parte en la figura 3.3 se presenta el resultado de la matriz “como’s vs como’s”.
Diseño del Concepto
86
Figura 3.3 Matriz "como's vs como's".
3.1.5 Establecimiento de las Metas de Diseño.
A partir de los resultados presentados en las secciones anteriores, se establecen como
metas para el diseño del sistema las siguientes:
El sistema debe contar con un dispositivo efector para miembros inferiores.
El sistema debe contar con dispositivo(s) para generar movimiento del tren
superior.
Los dispositivos deben ser adaptables a diferentes medidas antropométricas para
personas dentro de un rango de entre los 2 y los 12 años de edad.
El sistema debe soportar individuos cuyo peso máximo sea 80 kg.
El sistema se debe prestar a una interacción amigable tanto con el usuario como
con el paciente.
Capítulo 3
87
Los dispositivos del sistema deben tener la posibilidad de seguir trayectorias
diferentes a las descritas normalmente durante el ciclo de marcha.
El sistema debe dotar al paciente con equipo de apoyo de extremidades
superiores y soporte estructural para las inferiores.
El sistema debe contar con diversas modalidades de carga que permitan regular
el gasto energético despedido por el paciente.
En la medida que se cumplan las metas de diseño, se cubrirán los requisitos del cliente, sin
embargo, no debe olvidarse que tanto los sistemas de instrumentación especializada para
mediciones electromiográficas y de espasticidad, así como los aditamentos de soporte
estructural para las extremidades inferiores, resultan ser factores deseables o excitantes
para el cliente, por lo que no se debe sacrificar las características primordiales del sistema
en la búsqueda de satisfacer estas necesidades. Por otra parte, la capacidad del sistema a
conducir las extremidades del paciente por múltiples trayectorias no solo resulta ser un
factor excitante para el cliente, sino que también abre la puerta a los enfoques de
rehabilitación en función de la necesidad que se contemplaron durante el capítulo II y que
darán al sistema la posibilidad de estar a la par con los sistemas de uso comercial descritos
en la sección 2.2 .
3.2 Generación del concepto
Haciendo uso de las metas de diseño y los resultados del diagrama de afinidad de la sección
3.1.2 se define el árbol de las funciones que deberá desarrollar el sistema. En la figura xxxx
se muestra dicha herramienta.
Diseño del Concepto
88
Figura 3.4 Árbol de funciones del sistema propuesto.
Hágase notar, que las sub funciones del diagrama de árbol coinciden con los argumentos
de los niveles II y III establecidos en el diagrama de afinidad, de tal suerte, que se asegura
el cumplimiento de las necesidades del sistema establecidas en la sección 0. De igual
forma, la evaluación de las sub funciones permite establecer el concepto del sistema por
medio de la estructura modular y la representación esquemática que se muestran en la figx
y figx.
Figura 3.5 Distribución modular para el sistema propuesto.
Capítulo 3
89
Figura 3.6 Representación esquemática del sistema propuesto.
Como se observa en la Figura 3.6 el sistema propuesto está compuesto por un dispositivo
BWS, que se encargara de elevar al paciente sobre la estructura principal por medio de
arneses. Los movimientos para que el paciente emule la marcha normal, se realizaran a
través de 3 módulos de accionamiento motriz. El primero, consiste en un dispositivo efector
para cada una de las extremidades inferiores, los otros dos actuaran en conjunto al realizar
movimientos en pelvis y brazos para brindar el movimiento del tren superior del individuo.
El apoyo del dispositivo efector para las extremidades tendrá como zona de sujeción para
su efector final los antebrazos del paciente. El sistema propuesto, cuenta con un módulo de
interfaz visual con el usuario y otro para el paciente. La estructura principal, envía
información al módulo de adquisición de datos con destino a la interfaz del usuario, la cual
servirá para fijar los parámetros establecidos para el ciclo de funcionamiento del sistema.
La información recabada de dichos parámetros será la entrada para el sistema de control
de movimiento que se encargará de enviar las señales a los módulos de accionamiento
motriz. Nótese que el flujo de información será bilateral entre la interfaz del paciente y la
estructura principal de la misma forma en que habrá comunicación entre los módulos de
adquisición de datos, la interfaz del usuario y el sistema de control de movimiento.
Dado que el proyecto es demasiado ambicioso se ha optado por dividirlo en tres etapas
para su realización: Diseño del Concepto; Diseño detallado del sistema; Manufactura,
Implementación y Pruebas de Laboratorio.
Para realizar el planteamiento del problema, después de la revisión de los sistemas para rehabilitación neuro-motora desarrollados a nivel académico y a nivel comercial, se usó el Despliegue de la Función de Calidad (QFD por sus siglas en inglés) como una herramienta para establecer de forma adecuada lo requerimientos técnicos con los que debe contar el sistema. El diseño del concepto se realizó a partir de los resultados de la metodología QFD para traducir las necesidades del sistema, dadas por el usuario y el personal médico especializado, en los requerimientos técnicos que deberá cubrir el mismo al concluir el proceso de diseño del concepto.
La metodología de diseño aplicada al detalle del sistema parte del análisis del comportamiento del sistema de interés, determinado a partir de la configuración estructural del mismo y de sus algoritmos de control; estableciendo una descripción matemática de los parámetros que permitan obtener la solución del problema de diseño de manera integral. El enfoque de diseño concurrente a utilizar integra varias estrategias de diseño integral, como lo es establecer el proceso de diseño mediante uno o varios problemas de optimización numérica, que son resueltos a partir de diversas técnicas heurísticas dada la complejidad de su solución.
En general, la evaluación del diseño implica la utilización de diferentes herramientas de
software que permiten evaluar el desempeño del mismo mediante simulación numérica,
antes de pasar a las fases de diseño detallado, manufactura e integración. Así, se utiliza
Solid Works para el diseño de las piezas, mientras que se realiza la simulación numérica y
se evaluará su desempeño a partir del análisis del movimiento, acoplando el módulo de
SimMechanics de Matlab con la geometría diseñada en Solid Works a partir de la dinámica
del sistema. Y para evaluar la operación del sistema, el modelo de SimMechanics de Matlab
se interconecta con el modelo del sistema de control evaluado en el módulo de Simulink de
MatLab, emulando una maqueta virtual del sistema.
La característica principal de la metodología a utilizar es que permite una adecuada
selección de los mecanismos a diseñar en cada etapa del sistema de rehabilitación y la
posibilidad de permitir su reconfiguración con base en las dimensiones antropomórficas de
los usuarios para los cuales está destinado, de esta manera se atienden los casos de
pacientes con edades entre 2-12 años. En el caso de este proyecto, se utiliza el enfoque
concurrente orientado a permitir la reconfiguración del sistema.
Actualmente se requiere que los mecanismos sean diseñados bajo el enfoque de diseño
concurrente, lo cual permite que al final del diseño se tengan mecanismos reconfigurables
y controlables fácilmente. Para lograrlo es posible a partir del análisis matemático del
mecanismo, tanto cinemático como dinámico, obtener la síntesis dimensional del mismo
adecuada para una característica de trabajo específica, a partir del planteamiento de un
problema de optimización numérica o heurística. E incluso es posible realizar la elección
Caso de Estudio
92
del material y de las dimensiones más adecuadas del mecanismo, planteando también el
análisis de esfuerzos del sistema, como un problema a resolver por optimización.
Debido a que generalmente los problemas de optimización en ingeniería son muy complejos
y/o de alta dimensionalidad, la utilización de métodos de programación matemática no es
eficiente, ya que se deben cumplir condiciones necesarias y suficientes que implican que
las funciones sean diferenciables; por ello se propone como parte de la metodología de
diseño la utilización de técnicas heurísticas para la solución de problemas en ingeniería,
esta metodología cambia radicalmente el paradigma de diseño que solo utiliza
metodologías de diseño mecánico convencionales.
Referencias
94
Referencias [1] E. Wood and P. Rosenbaum, "The gross motor function classification system for
cerebral palsy: a study of reliability and stability over time," Developmental Medicine & Child Neurology, vol. 42, pp. 292-296, 2000.
[2] N. Paneth, T. Hong, and S. Korzeniewski, "The descriptive epidemiology of cerebral palsy," Clinics in perinatology, vol. 33, pp. 251-267, 2006.
[3] K. Himmelmann, E. Beckung, G. Hagberg, and P. Uvebrant, "Bilateral spastic cerebral palsy—prevalence through four decades, motor function and growth," European Journal of Paediatric Neurology, vol. 11, pp. 215-222, 2007.
[4] M. J. Vincer, A. C. Allen, K. Joseph, D. A. Stinson, H. Scott, and E. Wood, "Increasing prevalence of cerebral palsy among very preterm infants: a population-based study," Pediatrics, vol. 118, pp. e1621-e1626, 2006.
[5] G. R. Robaina Castellanos, S. d. l. C. Riesgo Rodríguez, and M. S. Robaina Castellanos, "Evaluación diagnóstica del niño con parálisis cerebral," Revista Cubana de Pediatría, vol. 79, pp. 0-0, 2007.
[6] E. Espinosa, O. Arroyo, P. Martín, D. Ruiz, and J. Moreno, "Parálisis cerebral," in Guía esencial de rehabilitación infantil M. M. Panamericana, Ed., ed, 2010.
[7] J. Rodda, H. Graham, L. Carson, M. Galea, and R. Wolfe, "Sagittal gait patterns in spastic diplegia," Journal of Bone & Joint Surgery, British Volume, vol. 86, pp. 251-258, 2004.
[8] T. Winters, J. Gage, and R. Hicks, "Gait patterns in spastic hemiplegia in children and young adults," J Bone Joint Surg Am, vol. 69, pp. 437-441, 1987.
[9] T. D. Sanger, D. Chen, D. L. Fehlings, M. Hallett, A. E. Lang, J. W. Mink, et al., "Definition and classification of hyperkinetic movements in childhood," Movement Disorders, vol. 25, pp. 1538-1549, 2010.
[10] O. ICIDH II, "International classification of Impairment, Activity and Participation," Geneva: World Health Organization. Trad. it.: ICIDH, vol. 2, 1980.
[11] C. Morris and D. Condie, "Recent developments in healthcare for cerebral palsy: implications and opportunities for orthotics," Copenhagen: International Society for Prosthetics and Orthotics, 2009.
[12] J. M. Landgraf, L. Abetz, and J. E. Ware, Child Health Questionnaire (CHQ): A user's manual: Health Institute, New England Medical Center Boston, MA, 1996.
[13] G. Garra, A. J. Singer, B. R. Taira, J. Chohan, H. Cardoz, E. Chisena, et al., "Validation of the Wong‐Baker FACES pain rating scale in pediatric emergency department patients," Academic Emergency Medicine, vol. 17, pp. 50-54, 2010.
[14] H. K. Graham, A. Harvey, J. Rodda, G. R. Nattrass, and M. Pirpiris, "The functional mobility scale (FMS)," Journal of Pediatric Orthopaedics, vol. 24, pp. 514-520, 2004.
[15] C. DeMatteo, M. Law, D. Russell, N. Pollock, P. Rosenbaum, and S. Walter, "The reliability and validity of the Quality of Upper Extremity Skills Test," Physical & Occupational Therapy in Pediatrics, vol. 13, pp. 1-18, 1993.
[16] A.-C. Eliasson, L. Krumlinde-Sundholm, B. Rösblad, E. Beckung, M. Arner, A.-M. Öhrvall, et al., "The Manual Ability Classification System (MACS) for children with cerebral palsy: scale development and evidence of validity and reliability," Developmental Medicine & Child Neurology, vol. 48, pp. 549-554, 2006.
[17] B. Bobath, "The very early treatment of cerebral palsy," Developmental Medicine & Child Neurology, vol. 9, pp. 373-390, 1967.
[18] J. Espinosa, "Enfoque terapeutico de la paralisis cerebral," in Guía esencial de rehabilitación infantil, M. M. Panamericana, Ed., ed, 2010.
Capítulo 4
95
[19] A. S. Majnemer, L.; Eliasson, A. C., Occupational therapy management of children with cererbal palsy. Copenhagen: Interntional society for prosthetics and orthotics, 2009.
[20] M. Sandlund, S. McDonough, and C. HÄGER‐ROSS, "Interactive computer play in rehabilitation of children with sensorimotor disorders: a systematic review," Developmental Medicine & Child Neurology, vol. 51, pp. 173-179, 2009.
[21] J. R. Gage, P. A. Deluca, and T. S. Renshaw, "Gait analysis: principles and applications," The Journal of Bone & Joint Surgery, vol. 77, pp. 1607-1623, 1995.
[22] J. P. Sánchez-Lacuesta, Jaime et all., Biomecánica de la marcha humana normal y patológica. Valencia-España: Martin Impresores, 1993.
[23] A. Tözeren, Human body dynamics: classical mechanics and human movement: Springer Science & Business Media, 2000.
[24] R. Huston, Principles of biomechanics: CRC press, 2008. [25] M. W. Whittle, Gait analysis: an introduction: Butterworth-Heinemann, 2014. [26] M. Nordin and V. H. Frankel, Basic biomechanics of the musculoskeletal system:
Lippincott Williams & Wilkins, 2012. [27] M. W. Whittle, Gait analysis, an introduction: Elsevier, 2007. [28] D. H. Sutherland and R. Olshen, The development of mature walking: Cambridge
University Press, 1988. [29] D. A. Winter, A. O. Quanbury, and G. D. Reimer, "Analysis of instantaneous energy
of normal gait," Journal of biomechanics, vol. 9, pp. 253-257, 1976. [30] V. T. Inman and H. D. Eberhart, "The major determinants in normal and pathological
gait," The journal of bone & joint surgery, vol. 35, pp. 543-558, 1953. [31] J. Perry and J. R. Davids, "Gait analysis: normal and pathological function," Journal
of Pediatric Orthopaedics, vol. 12, p. 815, 1992. [32] F. N. Todd, L. Lamoreux, S. R. Skinner, M. E. Johanson, R. St Helen, S. Moran, et
al., "Variations in the gait of normal children. A graph applicable to the documentation of abnormalities," The Journal of Bone & Joint Surgery, vol. 71, pp. 196-204, 1989.
[33] B. Gurney, "Leg length discrepancy," Gait & posture, vol. 15, pp. 195-206, 2002. [34] J. M. S. Corner, Lower limb ortothics. New York: New York University Postgraduate
Medical School, 1986. [35] J. M. S. Corner, Lower limb orthotics. New York: New York University Postgraduate
Medical School, 1985. [36] F. Miller, K. W. Dabney, and M. Rang, "Complications in cerebral palsy treatment,"
in Complications in pediatric orthopaedic surgery. vol. 1995, JB Lippincott Company, Ed., ed Philadelphia, 1995, pp. 477-544.477.
[37] D. L. Damiano, K. Dodd, and N. F. Taylor, "Should we be testing and training muscle strength in cerebral palsy?," Developmental Medicine & Child Neurology, vol. 44, pp. 68-72, 2002.
[38] P. B. Butler and A. V. Nene, "The biomechanics of fixed ankle foot orthoses and their potential in the management of cerebral palsied children," Physiotherapy, vol. 77, pp. 81-88, 1991.
[39] E. D. Harrington, R. S. Lin, and J. Gage, "Use of the anterior floor reaction orthosis in patients with cerebral palsy," Ortho Prosthet, vol. 37, pp. 34-42.3734, 1984.
[40] D. Aoyagi, W. Ichinose, S. Harkema, D. Reinkensmeyer, and J. Bobrow, "An assistive robotic device that can synchronize to the pelvic motion during human gait training," in Rehabilitation Robotics, 2005. ICORR 2005. 9th International Conference on, 2005, pp. 565-568.
[41] D. Aoyagi, W. E. Ichinose, S. J. Harkema, D. J. Reinkensmeyer, and J. E. Bobrow, "A robot and control algorithm that can synchronously assist in naturalistic motion during body-weight-supported gait training following neurologic injury," Neural
Referencias
96
Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol. 15, pp. 387-400, 2007.
[42] K. Kubo, T. Miyoshi, A. Kanai, and K. Terashima, "Gait rehabilitation device in central nervous system disease: a review," Journal of Robotics, vol. 2011, 2011.
[43] J. L. Emken, J. H. Wynne, S. J. Harkema, and D. J. Reinkensmeyer, "Robotic device for manipulating human stepping," IEEE Transactions on robotics, vol. 22, 2006.
[44] D. J. Reinkensmeyer, D. Aoyagi, J. L. Emken, J. A. Galvez, W. Ichinose, G. Kerdanyan, et al., "Tools for understanding and optimizing robotic gait training," Journal of rehabilitation research and development, vol. 43, 2014.
[45] J. F. Veneman, R. Kruidhof, E. E. Hekman, R. Ekkelenkamp, E. H. Van Asseldonk, and H. Van Der Kooij, "Design and evaluation of the LOPES exoskeleton robot for interactive gait rehabilitation," Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol. 15, pp. 379-386, 2007.
[46] E. Van Asseldonk, R. Ekkelenkamp, J. F. Veneman, F. Van der Helm, and H. Van der Kooij, "Selective control of a subtask of walking in a robotic gait trainer (LOPES)," in Rehabilitation Robotics, 2007. ICORR 2007. IEEE 10th International Conference on, 2007, pp. 841-848.
[47] E. H. Van Asseldonk, J. F. Veneman, R. Ekkelenkamp, J. H. Buurke, F. C. Van der Helm, and H. van der Kooij, "The effects on kinematics and muscle activity of walking in a robotic gait trainer during zero-force control," Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol. 16, pp. 360-370, 2008.
[48] G. Colombo, M. Joerg, R. Schreier, and V. Dietz, "Treadmill training of paraplegic patients using a robotic orthosis," Journal of rehabilitation research and development, vol. 37, pp. 693-700, 2000.
[49] S. K. Agrawal and A. Fattah, "Theory and design of an orthotic device for full or partial gravity-balancing of a human leg during motion," Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol. 12, pp. 157-165, 2004.
[50] S. K. Banala, S. K. Agrawal, and J. P. Scholz, "Active Leg Exoskeleton (ALEX) for gait rehabilitation of motor-impaired patients," in Rehabilitation Robotics, 2007. ICORR 2007. IEEE 10th International Conference on, 2007, pp. 401-407.
[51] S. K. Agrawal, S. K. Banala, A. Fattah, V. Sangwan, V. Krishnamoorthy, J. P. Scholz, et al., "Assessment of motion of a swing leg and gait rehabilitation with a gravity balancing exoskeleton," Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol. 15, pp. 410-420, 2007.
[52] S. K. Banala, S. H. Kim, S. K. Agrawal, and J. P. Scholz, "Robot assisted gait training with active leg exoskeleton (ALEX)," Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol. 17, pp. 2-8, 2009.
[53] H. Schmidt, C. Werner, R. Bernhardt, S. Hesse, and J. Krüger, "Gait rehabilitation machines based on programmable footplates," Journal of neuroengineering and rehabilitation, vol. 4, p. 2, 2007.
[54] S. Hesse and D. Uhlenbrock, "A mechanized gait trainer for restoration of gait," Journal of rehabilitation research and development, vol. 37, pp. 701-708, 2000.
[55] H. Schmidt, "HapticWalker-A novel haptic device for walking simulation," in Proc. of'EuroHaptics, 2004.
[56] B. Novandy and J. Yoon, "A VR navigation of a 6-DOF gait rehabilitation robot with upper and lower limbs connections," in Humanoid Robots, 2008. Humanoids 2008. 8th IEEE-RAS International Conference on, 2008, pp. 592-597.
[57] J. Yoon, B. Novandy, C.-H. Yoon, and K.-J. Park, "A 6-DOF gait rehabilitation robot with upper and lower limb connections that allows walking velocity updates on various terrains," Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, vol. 15, pp. 201-215, 2010.
Capítulo 4
97
[58] R. Boian, C. Lee, J. Deutsch, G. Burdea, and J. Lewis, "Virtual reality-based system for ankle rehabilitation post stroke," in Proc. 1st Int. Workshop Virtual Reality Rehabilitation, 2002, pp. 77-86.
[59] R. G. West, "Powered gait orthosis and method of utilizing same," ed: Google Patents, 2004.
[60] I. Díaz, J. J. Gil, and E. Sánchez, "Lower-limb robotic rehabilitation: literature review and challenges," Journal of Robotics, vol. 2011, 2011.
[61] Get back on your feet [En línea]. Available: http://www.motorika.com/ [62] Lokomat. Available: https://www.hocoma.com/world/en/products/lokomat/ [63] E. B. Martínez, "Análisis de la espasticidad, el arco de movimiento y el control de
cadera y rodilla en niños con parálisis cerebral después del uso de ortesis robótica," Rev Mex Med Fis Rehab, vol. 25, pp. 54-62, 2013.
[64] M. Wirz and R. Rupp, "Clinical application of a robotic device for locomotion," in Converging Clinical and Engineering Research on Neurorehabilitation, ed: Springer, 2013, pp. 973-975.
[65] P. Verazaluce-Rodríguez, P. Rodríguez-Martínez, S. Neri-Gámez, and R. Hernández-Aquino, "Evolución de la marcha en pacientes con parálisis cerebral y desplazamiento asistido, mediante su entrenamiento con equipo de asistencia robótica," Rehabilitación, vol. 48, pp. 3-8, 2014.
[66] D. L. Llorente and C. K. Robles, "Experiencia de la terapia con lokomat en pacientes portadores de parálisis cerebral y síndromes atáxicos, instituto de rehabilitación infantil teletón concepción Chile," Revista Médica Clínica Las Condes, vol. 25, pp. 249-254, 2014.
[67] M. Alcobendas-Maestro, A. Esclarín-Ruz, and R. Casado-López, "Lokomat Training, Cervical versus Thoracic Spinal Cord Injuries: Comparative Study," in Converging Clinical and Engineering Research on Neurorehabilitation, ed: Springer, 2013, pp. 229-231.
[68] A. Meyer-Heim, C. Ammann-Reiffer, A. Schmartz, J. Schaefer, F. H. Sennhauser, F. Heinen, et al., "Improvement of walking abilities after robotic-assisted locomotion training in children with cerebral palsy," Archives of disease in childhood, vol. 94, pp. 615-620, 2009.
[69] M. Pajaro-Blazquez, R. Shetye, J. Gallegos-Salazar, and P. Bonato, "Robotic-Assisted Gait Training in Children with Cerebral Palsy in Clinical Practice," in Converging clinical and engineering research on neurorehabilitation, ed: Springer, 2013, pp. 29-33.
[70] I. Borggraefe, J. S. Schaefer, M. Klaiber, E. Dabrowski, C. Ammann-Reiffer, B. Knecht, et al., "Robotic-assisted treadmill therapy improves walking and standing performance in children and adolescents with cerebral palsy," european journal of paediatric neurology, vol. 14, pp. 496-502, 2010.
[71] R. Riener, L. Lünenburger, S. Jezernik, M. Anderschitz, G. Colombo, and V. Dietz, "Patient-cooperative strategies for robot-aided treadmill training: first experimental results," Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, vol. 13, pp. 380-394, 2005.
[72] S. Hesse, A. Waldner, and C. Tomelleri, "Research Innovative gait robot for the repetitive practice of floor walking and stair climbing up and down in stroke patients," J NeuroEngineering and Rehabilitation, vol. 7, 2010.
[73] G-EO System. Available: http://www.rehatechnology.com/g-eo-system.html [74] Technical datasheet lokomat Pro. Available:
https://www.hocoma.com/world/en/products/lokomat/ [75] Patentes. Available: http://www.wipo.int/patents/es/
Referencias
98
[76] R. Cuen Rochin, J. Harper Rochin, and S. Robles Casolco, "Sistema de fortalecimiento motriz para extremidades corporales," México Patent MX2013001108 A, 2013.
[77] C. J. Urquiza, "Dispositivo para la educacion y rehabilitacion de marcha y desarrollo del equilibrio.," Argentina Patent AR071041 2010.
[78] A. Barriskill and S. Simcox, "Motorized functional electrical simulation step and stand trainer," USA Patent US8905951 B2, 2014.
[79] C. J. Bosecker and H. I. Krebs, "Dinamic lower limb rehabilitation robotic apparatus and method of rehabilitating human gait," USA Patent US8684890 B2, 2014.
[80] M. Pietrusisnki and C. Mavroidis, "Orthopedic lower body exoskeleton for control of pelvic obliquity during gait over ground.," USA Patent WO086035 A1, 2013.
[81] T. Y. Kim and D. C. Lee, "Walking training apparatus," USA Patent US01375531 A1, 2013.
[82] H. I. Krebs, N. Hogan, and M. Roberts, "Pelvis interface," USA Patent US7556606 B2, 2009.
[83] J. Santos-Munne, A. Makhlin, E. Lewis, and e. al., "Walking and balance exercise device," USA Patent US7803125 B2, 2010.
[84] S. K. Agrawal, "Powered Orthosis," USA Patent US8147436 B2, 2012. [85] S. K. Agrawal, S. K. Banala, and A. Fattah, "Gravity balanced orthosis apparatus,"
USA Patent US7544155 B2, 2009. [86] S. Hesse, R. Waldner, C. Tomelleri, and J. Waldner, "Device for therapeutically
treating and/or training the lower extremities of a person.," DE Patent WO136160 A1, 2010.
[87] "Device for therapeutic treatment and system for device assisted locomotion therapy with such device," DE Patent WO012961 A1, 2014.
[88] D. J. Reinkesmeyer, S. J. Harkema, R. V. Edgerton, J. Bobrow, and C. Y. Wang, "Robbotic gait rehabilitation by optmal motion of the hip," USA Patent US7125388 B1, 2006.
[89] G. Colombo, J. Mathias, and P. Hustettler, "Device an method for automating treadmill therapy," USA Patent US6821233 B1, 2004.
[90] G. Colombo, R. Bucher, and R. Riener, "Device and process for adjusting the height off and the relief force acting on a weight," USA Patent US0239613 A1, 2005.
[91] G. Colombo and R. Bucher, "Device for adjusting the prestress of an elastiic means around a determinated tension or position," CH Patent WO040554A1, 2008.
[92] R. Riener, "Device and method for an automatic treadmill therapy," CH Patent EP1772134 A1, 2007.
[93] R. Riener, H. Vallery, and A. Duschau-Wicke, "Method to control a robot device and robot device," CH Patent WO091857 A1, 2010.
[94] B. Dariush, "An exoskeleton controller for a humanexoskeleton system," USA Patent WO107776 A2, 2006.
[95] D. J. Reinkesmeyer and J. H. Whine, "Mechanism for manipulating and measuring legs during stepping," USA Patent US6796926 B2, 2004.
[96] J. W. Yoon and B. Novandy, "WALKING TRAINING ROBOT HAVING AN UPPER LIMB LINKING DEVICE, WHICH IS ABLE TO REALIZE MORE NATURAL WALKING REHABILITATION BY CONTROLLING THE WALKING SPEED ACCORDING TO THE MOTION OF UPPER LIMBS," South Korea Patent KR100841177, 2008.
[97] R. G. West, "IMPROVED POWERED GAIT ORTHOSIS AND METHOD OF UTILIZING SAME," USa Patent WO009011 B2, 2004.
[98] R. G. West, "Body support harness " USa Patent US7066181 B2, 2004. [99] L. LXIII, "Ley General de Salud," H, Congreso de la Union, 04 de noviembre 2015.
Capítulo 4
99
[100] S. de Salud, "Reglamento de Insumos para la Salud," Publicado en el Diario Oficial de la Federación, vol. 4, 14 de Marzo 2014.
[101] D.G.N., "Buenas prácticas de fabricación para establecimientos dedicados a la fabricación de dispositivos médicos," vol. NOM 241-SSA1-2012, ed. Diario Oficial de la Federación de los Estados Unidos Mexicanos, 2012.
[102] D.G.N., "Etiquetado de dispositivos médicos," vol. NOM 137 SSA1 2008, ed. Diario Oficial de la Federación de los Estados Unidos Mexicanos, 2008.
[103] C. Comisión Federal para la Protección contra Riesgos Sanitarios, "Lineamientos para obtener el registro sanitario de un dispositivo médico asi como la autorización para la modificaci+on a las condiciones de registro," ed. http://www.cofepris.gob.mx/AS/Documents/RegistroSanitarioMedicamentos/req_dm.pdf.
[104] ICONTEC, "Dsipositivos médicos, sistemas de gestión de la calidad- Requisitos para propositos regulatorios.," vol. NTC-ISO 13485, ed: Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación ICONTEC, 2006.
[105] ICONTEC, "Dispositivos médicos, Aplicacion de la gstión del riesgo a los dispositivos médicos y reactivos de diagnostico in vitro.," ed: Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación ICONTEC, 2012.
[106] ISO, "Medical devices- Quality management system- Requirements for regulatory purposes," vol. ISO 13485, ed: Internatioal Standard Organization ISO, 2003.
[107] ISO, "Medical devices- Application of risk manangement to medical devices," vol. ISO 14971, ed: International Standard Organization, 2007.
[108] V. Bosch and F. Tamayo, "Blitz QFD: Un vistazo relámpago al poder del QFD," Asociación Latinoamericana de QFD.
[109] A. L. d. QFD. (2002). Herramientas QFD, Analytic Hierarchy Process.
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