Tesis (Ingeniero Biomédico)

Los accidentes cerebrovasculares son uno de los mayores causantes de discapacidad en el mundo. Quienes sufren de esta condición, adquieren una discapacidad que incluye hemiparesia, pérdida de movimiento muscular y perdida de sensibilidad. Para el tratamiento de estas limitaciones, especialmente en el área de la mano, se han implementado equipos robóticos como los exoesqueletos de asistencia enfocados en la recuperación progresiva de la función motora. Numerosos estudios describen el desarrollo de exoesqueletos de mano diseñados en Soft-Robotics para terapias de rehabilitación de pacientes post-ACV y asistencia en actividades de la vida diaria. Su diseño en materiales blandos cuenta con una alta compatibilidad con el cuerpo humano, permitiendo que el sistema de actuación sea cómodo y con un bajo riesgo de tensiones dolorosas y cizalladuras.

El proyecto PrExHand (Affordable and Modular Prosthetics and Exoskeletons for Hand Rehabilitation and Assistance, IAPP18-19/264 ), desarrollado por el centro de investigación en biomecatrónica (CB) de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito en colaboración con University College London y financiado por la Royal Academy of Engineering (RAE), busca la creación de un exoesqueleto de mano de bajo costo, modular, en pro de la rehabilitación y asistencia de la mano en personas post-ACV. El presente proyecto se centró en la evaluación del exoesqueleto de acción neumática, fabricado con estructuras textiles para la rehabilitación de mano.
En el presente proyecto se busca evaluar el uso clínico del Exoesqueleto PrExHand en usuarios no patológicos para determinar la funcionalidad y usabilidad de este, y de esa manera, establecer los requerimientos de mejora que serán implementados en una próxima versión del dispositivo. Para cumplir dicho objetivo, inicialmente se evaluó el tiempo de actuación del exoesqueleto y el ángulo máximo de flexión alcanzado por este con el fin de analizar el grado de interferencia de los usuarios en la actuación del dispositivo.

Posteriormente, se diseñó y ejecutó un protocolo de evaluación de funcionalidad en interacción con usuarios sanos conformado por tres pruebas de funcionalidad y un cuestionario de interacción dividido en dos preguntas generales, donde se analizó la capacidad del dispositivo de realizar las tareas asignadas en cada prueba y la satisfacción de los usuarios con éste. Adicionalmente, se evaluó la presencia y reiteración de movimientos compensatorios generados por el usuario durante el uso del exoesqueleto. A continuación, se diseñó un protocolo de evaluación del exoesqueleto en interacción con pacientes post-ACV, para su futura implementación, una vez realizadas las mejoras establecidas al dispositivo dentro del presente proyecto. Dichas mejoras fueron determinadas a partir de la ejecución del análisis de la funcionalidad y usabilidad de este.

Los resultados obtenidos indicaron un tiempo de 11 segundos de actuación para alcanzar la máxima flexión del dispositivo en interacción con un usuario. Este fue un valor considerablemente elevado en comparación con los requerimientos de diseño teóricos, debido a la velocidad de actuación de la bomba de aire, cuya capacidad no es suficiente para realizar una flexión de los dedos en un tiempo de 2 segundos. Además, el exoesqueleto disminuyó un 51.5 % la capacidad de flexión de los dedos en interacción con usuarios al permitir únicamente 30.9° de inclinación. A pesar de esto, a partir del análisis funcional se corroboró la capacidad del dispositivo de ejecutar diversas tareas que requieren de agarres de fuerza y precisión, logrando levantar tanto objetos grandes de un peso de 450 gr como objetos pequeños como clips y monedas.

La evaluación de usabilidad determinó que los usuarios estuvieron satisfechos con el tamaño, peso y facilidad de colocación del exoesqueleto, sin embargo, la disminución del nivel de satisfacción en cuanto a la funcionalidad y facilidad de utilización de este estableció un punto de mejora para ambos criterios. Adicionalmente, la presencia de movimientos compensatorios durante la ejecución del 88.8 % de las tareas y la evidencia de lesiones leves en el área localizada de la muñeca, indicó otra necesidad de mejora en el diseño del dispositivo en el ajuste de esta área.

Finalmente, con el diseño del protocolo de evaluación de funcionalidad con pacientes post-ACV se expuso la necesidad del diseño de un protocolo de selección preliminar de pacientes para asegurar que la población objetivo pueda realizar las tareas asignadas y se disminuya el riesgo de eventos adversos. A partir del desarrollo de esta tesis se concluyó que la versión actual del exoesqueleto, si bien, cuenta con funcionalidad en aspectos como la capacidad de agarrar objetos de diferentes tamaños y una fuerza suficiente para levantar objetos cotidianos, es necesaria la implementación de mejoras de diseño como la disminución del tiempo de actuación, el uso de sensores para el análisis del rango de movimiento alcanzado por los actuadores y la implementación de un sistema de control para aumentar la eficiencia del dispositivo.