Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 2005; 2: 18-18 (más artículos en esta revista)

Smart rehabilitación dispositivos portátiles

BioMed Central
Constantinos Mavroidis (mavro@coe.neu.edu) [1], Jason Nikitczuk (jasonn@coe.neu.edu) [1], Brian Weinberg (shwagg01@yahoo.com) [1], Gil Danaher (gdanaher @ coe. Neu.edu) [1], Katherine Jensen (kjensen@coe.neu.edu) [1], Philip Pelletier (ppelleti@coe.neu.edu) [1], Jennifer Prugnarola () [jprugnar@coe.neu.edu 1], Ryan Stuart (rstuart@coe.neu.edu) [1], Roberto Arango (robaran@yahoo.com) [1], Matt Leahey (mleahey@coe.neu.edu) [1], Robert Pavone (pavone . R@neu.edu) [1], Andrew Provo (provo.a @ neu.edu) [1], Dan Yasevac (yazy33@hotmail.com) [1]
[1] Department of Mechanical & Industrial EngineeringNortheastern University360 Huntington Avenue, Boston MA 02115, USA

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Resumen
Antecedentes

La mayoría de los actuales dispositivos portátiles de órtesis y rehabilitación tirantes proporcionar estabilidad, precisa aplicar presión, o ayudar a mantener la alineación de las articulaciones con la capacidad de monitorización en tiempo real de los movimientos del paciente y sin fuerzas y la capacidad de tiempo real de los ajustes aplicados fuerzas Y mociones. La mejora de la tecnología ha permitido avances en que estos dispositivos se pueden diseñar para aplicar una forma de resistir a la tensión movimiento de la articulación. Estos dispositivos inducir una recuperación más rápida y más eficaz a restablecer la correcta biomecánica y la mejora de la función muscular. Sin embargo, su deficiencia es la imposibilidad en que se ha de ajustar en tiempo real, que es la forma ideal de la mayoría de un dispositivo para la rehabilitación. Esto introduce una segunda clase de dispositivos más allá de ortesis pasiva. Está compuesto de "activos" o de los dispositivos de potencia, y aunque más complicado en el diseño, que son definitivamente los más versátiles. Un activo o potencia órtesis, por lo general emplea algún tipo de actuador (s).

Métodos

En este artículo presentamos varios de los nuevos avances en el ámbito de la rehabilitación de los dispositivos inteligentes que se han desarrollado por la Northeastern University Laboratorio de Robótica y Mecatrónica. Todos ellos son compactos, portátiles y dispositivos portátiles y cuenta con re-programable, en tiempo real controlados desde el computador funciona como el tema central detrás de su funcionamiento. La información sensorial y el ordenador de control de los tres dispositivos descritos para hacer muy eficiente y versátil de los sistemas que representan toda una nueva generación de dispositivos portátiles de rehabilitación. Sus aplicaciones van desde la asistencia activa de la rehabilitación para ejercer la resistencia, e incluso tienen aplicaciones en la formación de andar. Los tres dispositivos descritos son: a transportables movimiento pasivo continuo codo dispositivo, cascos y electro-reológicas de fluidos dispositivo basado en la resistencia a la rodilla, y los cascos y la biorretroalimentación y la estimulación eléctrica de rodilla dispositivo.

Resultados

Las pruebas de laboratorio de los dispositivos demostrado que eran capaces de cumplir con sus objetivos de diseño. Los prototipos de dispositivos portátiles de rehabilitación que aquí se presenta no demuestran que estos conceptos son capaces de la realización de su venta en el comercio, pero no portátiles homólogos exposición.

Conclusión

Smart, dispositivos portátiles con la capacidad de monitorización en tiempo real y el ajuste abierto una nueva era en la rehabilitación, donde el proceso de recuperación podría ser mejorado espectacularmente.

Introducción

Durante las últimas décadas una gran cantidad de trabajo se ha realizado para el desarrollo de dispositivos para acelerar la recuperación de lesiones, operaciones y otras complicaciones. Muchos de los dispositivos y los métodos han salido de este trabajo. Se trata de una división general del proceso de recuperación en varias fases.

En las primeras etapas de la terapia, la rehabilitación pasiva es a menudo un método preferido para reducir la inflamación, aliviar el dolor, y el restablecimiento de la amplitud de movimiento. Este consiste en mover la extremidad con el resto de los músculos pasiva y con frecuencia implica dispositivos como Pasiva Continua de Movimiento (CPM) máquinas. La siguiente etapa de la rehabilitación es a menudo un activo movimiento de la fase de asistencia, que implica el uso de la asistencia externa para ayudar a los músculos en movimiento el conjunto, a fin de restablecer el control neuromuscular. Diferentes métodos son utilizados actualmente para este fin, con inclusión de diversos tirantes, ortesis, y las grandes máquinas. El objetivo final de las etapas en que regresan a la normalidad de una persona a través de actividades de la resistencia ejercicios que se suelen centrado en la recuperación de la fuerza muscular. Isocinética máquinas son bien conocidas, los sistemas ideales para lograr este objetivo final.

En este artículo presentamos una recopilación de varios de los nuevos desarrollos en el área de portátiles y dispositivos inteligentes de rehabilitación, está siendo desarrollado por la Northeastern University Laboratorio de Robótica y Mecatrónica. Los dispositivos que se presentarán en el presente documento son:

A) un movimiento pasivo continuo transportables dispositivo ideal para casi cualquier aspecto de la rehabilitación de las etapas anteriores del codo,

B) un electro-reológicas de fluidos dispositivo basado en ejercicios de resistencia y control de la rodilla;

C) la biorretroalimentación y la estimulación eléctrica para el dispositivo de asistencia activa de los ejercicios de la rodilla.

Los dispositivos presentados extenderse a lo largo de las tres fases de las mencionadas en la rehabilitación y la exposición de muchas ventajas sobre la tecnología actual. Los tres dispositivos se han desarrollado para aumentar la eficiencia en los ejercicios de rehabilitación mientras restantes compacto y portátil. En cada caso, la capacidad de la tecnología actual se han tenido en cuenta y cada uno de los dispositivos está diseñado para tener características similares. La diferencia más notable sin embargo, entre esta nueva generación de dispositivos de rehabilitación y en la actualidad su equipo usado es muy adaptable, versátil y reprogramable naturaleza. Ordenador de control es intrínseca a la concepción de cada uno de los dispositivos presentados en este trabajo y es un tema central detrás de su funcionamiento. Esto hace de herramientas de gran eficacia para una amplia gama de aplicaciones. Más concretamente, las ventajas de nuestra avanzada ortosis se pueden dividir en cuatro categorías principales: costo, portabilidad, en tiempo real, capacidades, y la versatilidad.

Costo

La rehabilitación de los dispositivos avanzados diseñados resolver varias cuestiones con los costos con la tecnología de hoy en día. Cada prototipo inicial de viabilidad cayó poco menos de $ 2000 para construir. Con todos los componentes eléctricos y sensorial que deben añadirse a cada dispositivo por un último funcional y la comercialización, se estima a un costo aproximado de $, 3500. Un estado de la técnica, Isokinetic Máquina controlada por ordenador, tales como el Sistema de Biodex Pro 3, se puede comprar por más de $ 40000. Es evidente que las comparaciones de costos directos orden de la utilización de los dispositivos más avanzados de rehabilitación de la rehabilitación de máquinas comparables. Indirectamente, el menor tamaño de los dispositivos avanzados de la rehabilitación también hace bajar los costos mediante la eliminación de las preocupaciones con el tiempo de almacenamiento, portabilidad, y el peso. Rehabilitación máquinas son inherentemente grandes y requieren una permanente o semi-permanente de la configuración. Las instalaciones capaces de albergar un dispositivo junto con el personal necesario para el funcionamiento de ellos se encuentra en una gran desventaja económica para el uso de estas instalaciones más pequeñas mucho más compactas avanzadas de los dispositivos de rehabilitación. Numerosos dispositivos, a un costo general inferior que una sola máquina, puede ser almacenado en algo tan simple como un armario. Los dispositivos podrían ser fácilmente transportados por los pacientes para su uso en el hogar y, para ahorrar tiempo y dinero en los costosos viajes a instalaciones especializadas.

Portabilidad

La característica más importante de este dispositivo es el hecho de que se trata de un portátil de forma portátiles y de la rehabilitación. El compacto y ligero, características avanzadas de la rehabilitación de estos dispositivos les permiten ser utilizados en un promedio silla, mientras que de pie, o quizás incluso durante ambulatoria moción. Su aplicación está limitada sólo por la capacidad del usuario, es decir, más débil que los pacientes pueden utilizar para ejercicios de resistencia más fuertes mientras que los pacientes pueden utilizarlo tanto peso para la capacitación, así como la debida formación de andar. Igualmente digno de mención es la nueva capacidad de los pacientes para tener el dispositivo con ellos y el ejercicio en su tiempo, desde la comodidad de su propio hogar u oficina, o para su utilización durante sus rutinas de todos los días. Todos los ejercicios que se está grabando, un terapeuta físico podría simplemente descargar los datos a distancia y analizar la eficacia y eficiencia de los dispositivos, sin necesidad de volver a examinar al paciente la instalación médica.

Real-Time habilidades

La capacidad de las máquinas de rehabilitación para funcionar en tiempo real, es lo que los separa de sus homólogos menos eficiente, la ortosis convencionales. La inclusión de esta funcionalidad es intrínseca a la utilización de compactas avanzadas de actuadores y sensores inteligentes en nuestros portátiles y dispositivos inteligentes de rehabilitación. Son fácilmente controlados desde el computador, y puede reaccionar en el orden de milisegundos. Con este tipo de control, un régimen de rehabilitación puede ser perfectamente adaptada a cada paciente individual de las necesidades de una forma muy sencilla. Lo ideal sería que, con circuito cerrado de control, información de los sensores que permiten a un ordenador para calcular la eficiencia de cada ejercicio y modificar en tiempo real en consecuencia para alcanzar niveles óptimos de rehabilitación.

Versatilidad

Probablemente, la única ventaja de la mayoría de estos dispositivos se debe a su versatilidad. Con capacidades comparables a los de hoy en día las máquinas de rehabilitación y una funcionalidad similar a varios tipos diferentes de estas máquinas, el carácter de estas avanzadas ortosis por sí solo los hace igual de versátil. Sin embargo, debido a todas sus fortalezas y ventajas adicionales, incluyendo el tamaño, portabilidad, y en tiempo real de la computadora de control, las aplicaciones de estos dispositivos va más allá de las de la tecnologías competidoras. En el ámbito de la rehabilitación, estos avanzados ortosis podría ser una herramienta valiosa en el desarrollo de nuevos regímenes de ejercicios y rehabilitación. Con un control completo y tunability del dispositivo, de cualquier tipo de complejo algoritmo de la definición de la propuesta o la resistencia de la rodilla del paciente puede ser fácilmente implementado. Plenario nuevos conceptos en la rehabilitación o entrenamiento con pesas podría ser desarrollado utilizando este dispositivo como un instrumento de investigación, proporcionando toda la fuerza y la retroalimentación necesaria para cualquier tipo de investigación. Para más complicado médica discapacidad, por ejemplo en el caso de corrección de andar en pacientes con accidente cerebrovascular, tanto el análisis y la aplicación de los nuevos métodos desarrollados también pueden ser fácilmente realizadas. Otras posibles aplicaciones, mostrando la extrema versatilidad de este dispositivo, incluye simulaciones de la realidad virtual y la formación atlética, como en remo y levantamiento de peso.

Portable movimiento pasivo continuo codo dispositivo
Descripción

Un dispositivo transportable codo rehabilitación para su uso en todo el proceso de rehabilitación del paciente con trauma grave codo fue diseñado, construido, probado y optimizado. El aparato tiene tres ajustes - pasiva, activa y ortesis. Este dispositivo consta de un motor de CC, caja de cambios, codificador, de embrague y de freno situado en una unidad portátil, que se adjunta a través de un eje flexible con un encoder absoluto ubicado en un codo corsé. En el pasivo escenario, el dispositivo se mueve el antebrazo sobre el codo común de recuperar el rango de movimiento. Actúa como un "inteligentes" máquina de movimiento pasivo continuo sensor de retroalimentación constante, porque permite que el dispositivo para llevar a la paciente del máximo rango de movimiento durante cada ciclo. Par motor y la velocidad del movimiento pasivo se controla a través de la corriente y voltaje, respectivamente, dibujado por el motor. En el ajuste activo, de resistencia variable se aplica utilizando el freno. Ambos ajustes son controlados, supervisados y registrados mediante un programa de LabVIEW en un ordenador personal, con protocolo específico definido por un médico, fisioterapeuta o entrenador de atletismo. CPM máquinas disponibles en la actualidad no son transportables, no sentido de la paciente rango de movimiento y no permiten un ajuste activo. Mediante la combinación de tres diferentes funciones (modo activo, el modo pasivo y ortesis) del dispositivo en una unidad de transporte, la próxima generación de dispositivos de rehabilitación del codo se ha creado.

Significado y Antecedentes

Después de la cirugía, accidente cerebrovascular u otras lesiones de codo, de un paciente rango de movimiento es reducida debido al trauma sufrido en ese lugar. El aumento de los usuarios del rango de movimiento es el primer paso para una recuperación total. Esto se logra a través de movimiento pasivo, donde el antebrazo del paciente está obligado a la flexión y extender, seguido de entrenamiento de fuerza. En este punto, la mayoría de los médicos o terapeutas físicos comenzar a usar un movimiento pasivo continuo (CPM) máquina. Un CPM máquina mueve el antebrazo sobre el codo para recuperar el conjunto del paciente rango de movimiento. Lamentablemente, la actual CPM máquinas a menudo implican un complicado establecer, no son portátiles, y lo que es más importante son ineficientes. Su ineficiencia se debe a que no puede reconocer cuando el usuario de la amplitud de movimiento se ha incrementado. La máquina debe ser de control permanente y reiniciar manualmente para incrementar aún más la amplitud de movimiento. Otra preocupación es la posibilidad de obligar a los pacientes del brazo de su pasado, la amplitud de movimiento resulta en un mayor daño a la articulación. La amplitud de movimiento sólo puede ser aumentado en incrementos muy pequeños y el movimiento sobre el codo es no productivo, una vez que el rango preestablecido se logra. Hay varias patentes que cubren la gama de dispositivos de rehabilitación del codo [1 - 6]. Varias empresas como Breg, Dyna ferulización, Ultra Flex, Biodex CPM y la Bledsoe Extender Arm Brace tienen productos en el mercado que inmovilizar la lesión del codo y preparar para la rehabilitación [7 - 12]. Sin embargo, la única dispositivos portátiles que están disponibles, ya sea de primavera de la tensión en contra de una contractura en el codo para lograr el aumento de movimiento o de bloqueo de los mecanismos para restringir el movimiento y evitar más lesiones. Actualmente no hay disponible en el comercio que son los dispositivos portátiles y de proporcionar el movimiento pasivo necesario en las etapas iniciales de la rehabilitación del codo.

Diseño y Prototipo

Un vestibles y portátiles CPM dispositivo que detecte en el paciente aumenta la amplitud de movimiento y al mismo tiempo aumenta su rango de movimiento se ha desarrollado en nuestro laboratorio. El paciente y el movimiento de torsión límites se introducen en un ordenador interfaz. El programa entonces monitorea y controla todos los componentes del dispositivo, el usuario aumenta progresivamente el rango de movimiento alrededor de la articulación dentro de la gama de par y movimiento. A través de los sentidos de entrada, el ordenador detecta cuando el usuario de la resistencia muscular ha llegado a su límite y las señales de un retroceso en la dirección del movimiento, lo que permite un máximo de la amplitud de movimiento que se alcance de manera rápida y eficiente, sin daño para el paciente.

Este nuevo dispositivo transportable codo rehabilitación también segura y eficiente ayuda en el resto de todo el proceso de rehabilitación, incluidos los corsés de la articulación y la construcción de la masa muscular. El dispositivo cuenta con la configuración ajustable para cada fase de rehabilitación. El movimiento pasivo establecimiento, como se ha mencionado, los usos constante sensor de retroalimentación que permite el dispositivo a aumentar progresivamente el usuario del rango de movimiento. El dispositivo también es capaz de aplicar la resistencia variable sobre el codo común de construir una vez que la masa muscular del paciente ideal amplitud de movimiento que se ha logrado. Este modo es muy similar a Isokinetic máquinas. Por último, el dispositivo es también capaz de actuar como una llave de simple: o bien, en lugar de bloqueo para impedir que el usuario se mueva de su brazo, o retirarse por completo para proporcionar apoyo mediolateral. La combinación de los tres modos de configuración ajustable dentro de cada modo, permite que este dispositivo para ser utilizado a través de todo el proceso de rehabilitación de una variedad de las lesiones del codo.

El codo dispositivo es ligero, fácilmente transportable y programable. Un CAD prestación del aparato y de sus componentes puede verse en la Figura 1.

El dispositivo puede ser dividido en dos subsistemas. El primero es el corsé usado por el paciente. Está diseñado en torno a un Primer Orthomerica Codo Sistema corsé e incluye un codificador óptico, en las mediciones de velocidad y posición y un archivo adjunto de un punto del eje flexible. Este eje flexible conecta a la llave de la segunda subsistema, una mesa de reunión unidad de disco que proporciona la funcionalidad del dispositivo. También alberga un motor de CC, un embrague controlado eléctricamente y magneto-resistivos de líquido de frenos, y está diseñado para caber en una mochila. El eje flexible permite al usuario moverse libremente mientras el dispositivo está en uso y separa fácilmente del corsé, que proporciona el paciente con un corsé de protección codo a seguir la rutina diaria cuando no esté en uso.

La combinación de motor-caja de cambios ofrece la moción pasiva ejercicio para el paciente para aumentar su rango de movimiento. Un limitador de corriente fijado en el cuadro de control de motor se asegura de que el paciente no sea superior a su rango de movimiento. La actual medición se convierte a la resistencia de par en el ordenador y, una vez que el límite se supera preprogramados; el motor de dirección se invierte

Entre el motor y el eje flexible es el control eléctrico de embrague. Sirve principalmente como una medida de seguridad para el paciente. Retirarse si el usuario golpea la parada interruptor, si la corriente es superior a los motores limitados niveles, o cuando se activa la función está en uso. Esta función activa funciones con el uso de un fluido magneto-resistivas (MRF) de freno. El freno es fabricado por Lord Corporation y cuenta con un diseño simple pero robusto, alto par, y un funcionamiento silencioso. Proporciona suave, y controlable resistencia a la paciente para la construcción del tejido muscular y fuerza en el codo conjunta. El MDL y el freno de motor en la línea de montaje también se pueden utilizar en combinación. Esto proporciona al usuario un extra impulso de la moción después de que hayan utilizado la característica de resistencia a su máximo rango de movimiento activo o de la asistencia.

El dispositivo se construyó para análisis de factibilidad. La Figura 2 muestra la asamblea plenaria. El dispositivo tiene un rango de movilidad de 155 grados. El motor, caja de cambios (1:134 relación de engranes), y el embrague combinación resultó ser capaces de producir 10 N m de par motor. MR El freno se encontró que tienen una capacidad máxima de resistencia de torsión de 5,6 N m. Todas estas características se pueden encontrar figuran en el cuadro 1.

El motor, codificador, freno, embrague y son controlados a través de un programa de LabVIEW 7,0 en el PC. La interfaz de usuario es simple, y utiliza los controles de la pestaña que permite al usuario seleccionar, ya sea activo o pasivo. En el ajuste activo, el usuario los insumos necesarios para el par de resistencia y de ejercicio puede ver una trama en tiempo real la posición de las articulaciones y nivel de resistencia. Entradas en el pasivo establecimiento incluir el número de repeticiones, la velocidad, y el mínimo y máximo de ángulos. El usuario puede ver en tiempo real la posición de las parcelas y el par se está aplicando a su conjunto durante el ejercicio de rutina. El gráfico de interfaces de usuario para el movimiento pasivo puede verse en la Figura 3.

Electro-reológicas de fluidos basada en la resistencia del dispositivo de rodilla
Descripción

Este dispositivo tiene como objetivo demostrar la viabilidad de la utilización de electro-Rheological de fluidos (FER) actuadores en ortosis, la creación de una nueva generación de dispositivos de rehabilitación. ERFs son los fluidos que la experiencia cambios dramáticos en las propiedades reológicas, como la viscosidad o el límite de elasticidad, en presencia de un campo eléctrico. Usando el control eléctrico propiedades reológicas de ERFs, actuadores compacto con una capacidad de suministro de alta resistiva pares de torsión en un controlables y sintonizar la moda, se han desarrollado. Este estudio implica el diseño, fabricación y pruebas de una órtesis FER basada en la rodilla y el dispositivo innovador que utiliza actuadores FER. La órtesis de rodilla se consigue a través de una norma con un corsé de diseño y artes policéntrico bisagra sistema. Junto a esto son dos planos de la Plata FER actuadores, habida cuenta de que el nombre de su conjunto característico de placas planas paralelas de actuación para permitir que el fluido. El total de rodilla órtesis sistema está diseñado para resistir hasta el 25,4% de un promedio de la rodilla humana capacidad de par y ser controlados en tiempo real. El objetivo de este trabajo es proveer una forma mucho más eficiente de los medios de rehabilitación más de la media de órtesis, mientras que se pongan en venta las máquinas para el dominio de la rehabilitación, todo ello en una más pequeña, más simple, más económico y eficiente diseño.

Significado y Antecedentes

Un dispositivo de órtesis por definición estricta es un dispositivo mecánico especializado que apoya o suplementos debilitado o anormal de las extremidades o de las articulaciones. La mayoría de estos dispositivos pueden clasificarse como pasivo, en el sentido de la resistencia o el apoyo que prestan no se modifica en tiempo real. La Comisión de Medicina Deportiva de la Academia Americana de Cirujanos Ortopédicos ha clasificado estos tipos de frenos, específicamente utilizado para la rodilla, en cuatro categorías: profilácticos, de rehabilitación, funcional y patelofemoral. Todos proporcionan estabilidad, de aplicación precisa de presión, y / o ayudar a mantener la alineación de la articulación de la rodilla en conjunto constantes.

Algunos de los diseños más innovadores de permitir la torsión que deben aplicarse en la articulación de la rodilla y la nueva tecnología ha mejorado su eficiencia, al permitir la par que se han de ajustar. Sin embargo, la falta de capacidades en tiempo real es una desventaja significativa para estos dispositivos que limita su eficacia general en la rehabilitación. La inclusión de componentes activos ha sido un método ampliamente aceptado de mejorar esta deficiencia.

Este aparentemente pequeño además tiene inconvenientes aunque considerable. La aplicación de los elementos activos aumenta el tamaño, costo, el peso, y otras características relacionadas. Igualmente importantes son las preocupaciones con el control y la retroalimentación sensorial, en la que también se considere necesario, con la adición de componentes activos. Todos estos combinados, junto con el evidente objetivo de hacer que el sistema lo más eficiente y beneficioso para una persona durante la rehabilitación como sea posible, la fuerza de sus diseños para ir más allá de la de un orthosis portátiles, y más aún una máquina.

En términos de la rehabilitación, los métodos más eficaces conocidos hoy son estas máquinas de rehabilitación. Por lo general, son utilizados para la rehabilitación y el fortalecimiento de los pacientes, los sujetos, al tiempo que los atletas y las mediciones cuantitativas de su rendimiento. Proporcionan alta de resistencia y, a veces, las fuerzas de asistencia, proporcionando al mismo tiempo una singular adaptación de la rehabilitación régimen a casi cualquier persona. Esta capacidad aumenta dramáticamente su dominio como una herramienta de rehabilitación. Sus servicios se han limitado principalmente a las oficinas de sólo terapia física, sin embargo, como resultado directo de su cizalla tamaño, peso y costo.

Electro-reológicas de fluidos (ERFs) son los fluidos que la experiencia cambios dramáticos en las propiedades reológicas, tales como viscosidad, en presencia de un campo eléctrico. Willis M. Winslow primera explica el efecto en los años 1940 utilizando dispersiones de aceite de los polvos finos [13]. Los líquidos se realizan a partir de las suspensiones de una base de fluidos aislantes y las partículas del orden de una décima a cien micras (en tamaño). La fracción volumétrica de las partículas es de entre 20% y 60%. El electro-reológicas efecto, a veces llamado el efecto Winslow, se cree que deriva de la diferencia en las constantes dieléctricas del fluido y las partículas. En presencia de un campo eléctrico, las partículas, debido a un dipolo inducido momento, en un reorganizar de manera más organizada, o la formación de cadenas a lo largo de las líneas de campo. Estas cadenas de alterar la viscosidad del FER, límite de elasticidad, y otras propiedades, lo que permite cambiar el FER a la coherencia de la de un líquido a algo que es viscoelástico, como un gel. FER suele responder a los cambios en los campos eléctricos en cuestión de sólo una o dos milisegundos. Buena reseña de la FER fenómeno puede encontrarse en [14, 15].

El control de un fluido de propiedades reológicas ofrece la promesa de muchas posibilidades en ingeniería, en especial de actuación y control de la mecánica de movimiento. Dispositivos que se basan en los sistemas hidráulicos pueden beneficiarse de la FER rápido tiempo de respuesta y la reducción de la complejidad del dispositivo. Su sólida-como el de propiedad, en presencia de un campo puede ser usado para transmitir las fuerzas en una amplia gama y han encontrado una serie de aplicaciones. Una lista de las muchas aplicaciones prácticas de ingeniería y de ERFs puede encontrarse en [16]. Nuestro equipo ha desarrollado varios prototipos de FER basada lineales y rotativas de accionamiento elementos [17, 18], que puede aplicarse controlable fuerzas y pares de torsión de resistencia, como el Plano de la Plata (PF) actuador rotativo concepto que es el principal componente de la FER accionados rodilla Orthosis se describe a continuación.

Diseño y Prototipo

La FER rodilla dispositivo posee la capacidad de proporcionar gran precisión las fuerzas de resistencia con pleno control en tiempo real al mismo tiempo totalmente portátil y portátiles. Estas características lo convierten en un aparato ideal para muchas aplicaciones. Para los ejercicios de rehabilitación activa que reemplaza la necesidad de demasiado engorroso y razonablemente máquinas obsoletas, por seguir siendo un sistema portátil de peso ligero que es capaz de todas las fuerzas de la misma, el control, y mucho más. Del mismo modo, se sustituye la necesidad de que las grandes máquinas de levantamiento de peso. Para los efectos del paso de la formación, como el accidente cerebrovascular en pacientes con hiper dificultades, es un dispositivo viable clínica. A través de los sensores integrados en el dispositivo, la computadora de control en bucle cerrado, y la formación clínica superar estas discapacidades son, proporcionando en tiempo real la resistencia que limita el movimiento y soporta el peso del usuario, a la reconversión de un buen andar. Además, la portabilidad del dispositivo añade una nueva dimensión a la rehabilitación y el ejercicio en general, en donde el paciente se encuentra en posición de tomar una poderosa máquina isocinética casa, al trabajo, de vacaciones, o en cualquier otro lugar pueden viajar.

El diseño de este innovador dispositivo consta de tres subsistemas principales - un actuador FER basada resistivo, un sistema de artes de pesca, y el marco estructural corsé. La FER basada actuadores de resistencia, que proporcionan un sesgo de la fuerza para la articulación de la rodilla, sea cual sea la simulación de las fuerzas deseado, consisten en la rotación de electrodos paralelos múltiples platos y se les llama Flat Plate resistiva actuadores. Que se adjuntan a través de un sistema de artes de pesca a un nivel corsé como se ha visto en la prestación de CAD Figura 4.

Varios circular placas de cobre (que se muestra en la Figs. 5a y 5b] se encuentran paralelos entre sí, sobre un eje fijo. En un paralelo, el eje concéntrico, son otro conjunto de placas de cobre, que se encuentran paralelas y se alternan con las placas fijas. Esta última serie de placas puede rotar relativo a la placas fijas, y la pequeña diferencia entre las placas contiene FER. La aplicación de un campo eléctrico a través de la brecha hace que el fluido de propiedades a cambio (en cuestión de milisegundos), lo que resulta en un aumento en el rendimiento de estrés. El cambio altera la física de fluidos a partir de la coherencia de aceite fino a la de un gel espeso. Esta propiedad se usa para el control de las fuerzas de resistencia de la FER PF actuador. El electrodo de placas de cobre con una interior y otra exterior Radio, r i r y o, respectivamente, y una brecha de d entre placas puede verse en la Figura 5a. Basándose en las dimensiones de las variables r i, r o, y d el diseño de la FP de resistencia actuador puede ajustarse para producir un dispositivo con capacidad de resistencia de los pares de torsión necesario para cualquier aplicación. Figura 5b muestra el montaje de un múltiple Flat Plate-FER elemento en CAD.

Toda la FER asamblea se ubica en una carcasa de focas que en el líquido y asigna a la caja de cambios. La caja de cambios transmite y multiplica el par de salida de la FP de resistencia actuadores mientras que los apoyan en la estructura. El marco es un corsé off-the-shelf rodilla corsé con todas las características necesarias para el dispositivo. Cuenta con una bisagra policéntrico, el tirante método cómodo, y un peso ligero, rígido marco. Incluido en el diseño óptico se codificadores para medir el ángulo, velocidad y aceleración de la rodilla.

Un primer prototipo del diseño fue construido para el análisis de factibilidad. El actuador final fue rápida utilizando un prototipo de 3D Systems Viper 2000i 2 máquina. Se banco de prueba y se encontró a un par motor máximo de resistencia de 9,16 m. N A Don Joy 4TITUDE ™ rodilla corsé fue donado por la empresa Don Joy Ortopedia, ligeramente desmontadas y mecanizado para permitir la conexión de la caja de cambios y el actuador. Una relación de engranes de 1:1.67 lo que se utilizó un dispositivo de resistencia de aproximadamente 30,16 m. N El último sistema de éxito demostrado con precisión controlable y fácil sistema de la rodilla para resistir movimiento. En el cuadro 2 un resumen de las características del dispositivo y el actuador parámetros se pueden encontrar. A continuación se presentan varias imágenes del prototipo-ups y cerca de algunas de las partes individuales (Figs. 6, 7, 8].

Hasta el momento se realizaron pruebas para verificar la capacidad de los actuadores. Desde dos actuadores se utilizaron idénticos, la verificación de uno de estos actuadores sería teóricamente tan exacta como la creación de un duplicado de un conjunto humano de rodilla con el fin de probar todo el dispositivo. El par medio de salida de la tensión en cada actuador se trazan y en comparación con la predicción teórica de la ecuación de resultados. Figura 9 fue el resultado y las dos figuras muestran una muy estrecha semejanza. La precisión en los resultados, por lo tanto, sugieren que el sistema propuesto es capaz de las fuerzas deseado.

Biorretroalimentación y la estimulación eléctrica de rodilla dispositivo
Descripción

Una ortesis de rodilla que se pueden utilizar en múltiples etapas de la rehabilitación mediante el uso de diversas técnicas de terapia fue desarrollado por nuestro equipo. Después de la cirugía de rodilla la mayoría de los pacientes atrofia de los músculos y, en algunos casos, el daño de los nervios. Para superar estos problemas fisioterapeutas han recurrido a la utilización de la estimulación eléctrica (E-Stim) y el biofeedback (EMG) como los métodos preferidos de tratamiento. Estas formas de terapia para ayudar a aumentar el rango de movimiento de la rodilla y mejorar la reeducación neuromuscular. Mediante la incorporación de estas unidades, junto con un codificador giratorio, en un post-operatorio corsé es posible monitorear el progreso de la paciente de manera unificada controlada por ordenador. También permite al paciente para llevar a cabo la rehabilitación mientras caminaba en un corsé estable que promueve adecuado de andar. Una interfaz gráfica de usuario se construyó en LabView para supervisar las distintas unidades de detección de la biorretroalimentación ortesis de rodilla.

Significado y Antecedentes

Durante la terapia física, el control de movimiento articulado y el ejercicio es fundamental en el éxito de la terapia física. Controlados moción beneficios los ligamentos, huesos, y tejidos blandos y evita que se conviertan degenerativas. Resistencia ejercicios de ayudar a construir masa muscular y restaurar la funcionalidad de las extremidades. Dispositivos tales como los dos anteriormente mencionados son ideales para estos dos casos. Sin embargo existen sistemas alternativos, que utilizan métodos muy diferentes para la superación de la misma en los aspectos de rehabilitación. Estos incluyen la biorretroalimentación y la estimulación electrónica.

Estimulación Eléctrica (E-Stim) es un tratamiento de rehabilitación que estimula los nervios enviando una corriente eléctrica a través de la piel. En la rehabilitación de la cirugía de rodilla E-Stim lo general se usa para activar los músculos alrededor de la rodilla a los fines de reeducación neuromuscular. En las primeras etapas post-operatorio la E-Stim se utiliza para la rehabilitación activa, que estimula el nervio motor de los músculos del paciente sin esfuerzo. En la secundaria las etapas de la terapia con E-Stim se utiliza en activo con ayuda de movimiento, donde los pacientes utiliza sus músculos junto con la estimulación externa para mover el conjunto. E-Stim también se puede utilizar en el ejercicio de los músculos también.

Biofeedback aplicadas por el Grupo de Gestión Ambiental es un dispositivo que monitoriza la actividad muscular. La retroalimentación proporciona información valiosa acerca de los progresos y el rendimiento muscular. Los datos de este dispositivo permite a los terapeutas a adquirir una mejor comprensión de la forma en que el paciente está respondiendo al tratamiento. Esto significa que la terapia puede ser mejor adaptada a la persona.

Después de la cirugía de rodilla muchos pacientes atrofia de los músculos y, en algunos casos, el daño de los nervios. Para superar estos problemas, los terapeutas físicos se han convertido al uso de la biorretroalimentación y la estimulación eléctrica como los métodos preferidos de tratamiento. Estas formas de terapia para ayudar a aumentar el rango de movimiento de rodilla, así como reducir el dolor, hinchazón, y el total de tiempo de recuperación.

Diseño y Prototipo

Una ortesis de rodilla que combina la estimulación eléctrica con la información sensorial de biorretroalimentación y otros sensores se ha desarrollado tal y como se muestra esquemáticamente en la Figura 10. La información de la biorretroalimentación y un codificador giratorio se alimentan a una computadora. La computadora compara la información GGA a los datos que reciba del codificador lineal. Si detecta un bio-señal que se envía desde el cerebro a la pierna, pero no hay movimiento en el corsé, la E-Stim se activa para ayudar a la paciente. Toda la información recogida por los sensores se presenta a la operadora dentro de una interfaz gráfica, donde también es posible ajustar las opciones de personalización adecuada de los ejercicios (ver Figura 11 para una captura de pantalla de esta interfaz).

La flexibilidad y la computadora de control de este dispositivo se traduce en una valiosa herramienta autónoma para una variedad de ejercicios de rehabilitación. El sistema, tal y como se describe, puede ser usado en lugar de o en combinación con cualquier ejercicio de rehabilitación pasiva o activa-asistida (los dos anteriores de rehabilitación post-operatorio etapas). Con la adición de los pies, el cual se coloca debajo de la suela del zapato del paciente, el sistema puede ser utilizado para ayudar a caminar y recuperar la debida movilidad. Cuando se ejerce presión sobre el cambio, se dispara la estimulación eléctrica en el cuádriceps, así como el tibialis anterior, para prestar asistencia en estas situaciones como a los que sufren de gota pie debido a daño de los nervios. Además, el sistema cuenta con el añadido de los beneficios que permite al paciente para realizar las maniobras a pie estable mientras que el uso de una ortesis (promover una distribución más adecuada de andar) y establece una manera fácil de controlar sus progresos.

Un prototipo fue desarrollado para demostrar el concepto propuesto, como se muestra en la figura 12. Este prototipo utiliza un Don Joy TROM rodilla corsé como marco para el dispositivo. El relleno de este corsé fue adaptado para permitir que el e-estimulantes y EMG electrodos que se respeten los lugares adecuados en la pierna. Polietileno corsé apoya Asimismo, se incorporaron a la secciones superior e inferior de la ortesis. Esto añade la estabilidad y hace que el corsé significativamente más fáciles de poner. Además, la bisagra en el corsé se modificó de forma que un 1 / 4 "de diámetro del eje gira con la sección inferior de la ortesis. Un Renco codificador giratorio se adjunta a la presente eje de manera que el ángulo y la velocidad de la rodilla corsé podría determinarse. El cableado de la e-estimulantes, el GGA y el codificador giratorio está cubierto por una costumbre de cableado conductos situados a lo largo de los raíles del corsé. Una vez que el cableado sale de las llaves es conectada a una caja de control, que alberga la totalidad de la electrónica. Esto incluye la unidad de ProComp Infiniti biorretroalimentación, la Respond II e-estimul unidad, así como dos relés de estado sólido. Esta caja de control también está conectado a un ordenador personal. Figura 13 es una fotografía de la caja de control con los componentes etiquetados.

Una interfaz gráfica de usuario en Labview es el responsable de controlar la respuesta del sistema (ver figura 11]. La información de la EMG biofeedback y el codificador giratorio se alimentan a un ordenador a través de Labview. El ordenador comparará el EMG información a los datos que reciba del codificador giratorio. Si se detecta una señal que se envía desde el cerebro a la pierna, pero no hay movimiento en el corsé, el e-estimul será activado para ayudar a la paciente. Esto ayudará a re-educar al sistema neuro-muscular. Esta información se presentará al operador con una interfaz gráfica. Al controlar el funcionamiento de la e-estimul ajustable a través de puntos de ajuste en el programa de laboratorio de vista físico terapeuta será capaz de aplicar el dispositivo durante todo el proceso de rehabilitación.

El dispositivo ha sido probado para garantizar todos los componentes fueron coordinadas correctamente. El sujeto de prueba fue instruido para realizar una constante extensión de la rodilla, como se muestra en la figura 14. En el ensayo, el tema trata de hacer extensiones de la pierna sentado con la ayuda del corsé. En este ejercicio el sujeto se sienta en el borde de una mesa y los intentos de extender su parte inferior de la pierna horizontal. Cuando el tema llega a un punto en que no puede ampliar su tramo más bajo su propio poder, el EMG biofeedback sentidos estos datos. Entonces, la lógica de los controles comparar las lecturas con la información del codificador giratorio. Si el Grupo de Gestión Ambiental las señales se encuentran por encima del umbral establecido y este es el codificador giratorio es estacionaria entonces, el e-estimulantes se dispara. El e-estimul causas del cuádriceps contrato para ayudar a los sujetos a alcanzar la plena extensión. Como estábamos en un ensayo sujeto sano, el umbral se fijó a un valor bajo para que el e-estimulantes se inició en el medio del ejercicio. Figs. 15a-d muestra los resultados de una de estas pruebas. Una vez llegando a su máximo punto, el Grupo de Gestión Ambiental se considera unidad de la detección de los músculos tratando de avanzar con ningún movimiento registrado por el codificador. Esto desencadenó la E-Stim dispositivo actual y se envió al músculo, forzando el músculo para completar el movimiento de extensión. Todos los procesos trabajado correctamente las bases para un trabajo muy versátil y eficiente sistema.

Conclusión

Los diseños de los tres sistemas descritos implican el engranaje de la norma, mecánica y soluciones novedosas, la nueva era. Además de ser los innovadores dispositivos fueron diseñados con un par de cosas en mente. Compacidad y la portabilidad se deseara competir con el equipo actual que se encuentra actualmente muy grande, permanente, y tedioso de configurar y utilizar. Esto era, obviamente, se reunió en cada caso, en que los tres dispositivos portátiles, puede ser transportado fácilmente y de la participación de control del ordenador, que simplifica considerablemente su utilización. Por último, los prototipos de dispositivos portátiles de rehabilitación que aquí se presenta no demuestran que estos conceptos son capaces de la realización de su venta en el comercio, pero no portátiles homólogos exposición. Después de esta prueba de viabilidad, análisis de la eficacia de estos dispositivos es evidente la próxima fase.

Los tres dispositivos, habrá un nuevo diseño y la construcción para optimizar su funcionamiento, a fin de proceder a los ensayos humanos. Colaboraciones con grandes empresas se han establecido para el desarrollo de los frenos especializados para estos proyectos. Además, colaboraciones y ya existen disposiciones para las pruebas en humanos Spaulding Rehabilitation Hospital ubicado en Boston, Massachusetts. Si estas pruebas tienen éxito, que abrirán la puerta a una nueva era en la rehabilitación, donde el proceso de recuperación puede ser mejorado mediante el uso de toda una nueva generación de dispositivos de rehabilitación.

Agradecimientos

Un agradecimiento especial a Paul Canavan y Sue Lowe, de la Northeastern University Departamento de Terapia Física; Médicos Joel Stein y Paolo Bonato, de la Spaulding Rehabilitation Hospital, en Boston, MA, y el doctor Peter Gerbino de Children's Hospital en Boston MA, por sus consejos y aportaciones Sobre los proyectos.