DISEÑO DE UN SISTEMA ROBÓTICO PARA REHABILITACIÓN …

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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

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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

54

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

78

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.

90

CONCLUSIONES

5

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.

Capítulo 4

93

Referencias

94

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