BR102012011165A2 - Estrutura robótica aplicada para reabilitação do membro inferior - Google Patents

Abstract

ESTRUTURA ROBÓTICA APLICADA PARA REABILITAÇÃO DO MEMBRO INFERIOR. Atuada por cabos aplicada à reabilitação do membro inferior do corpo humano, a fim de auxiliar nas sessões de recuperação de pacientes, capaz de realizar todos os movimentos do membro inferior, isoladamente ou de forma combinada, atuando nas articulação do quadril, joelho e tornozelo. Formada por barras, motores responsáveis por exercer a tração dos cabos fixados em uma órtese colocada no paciente. Acoplado a cada motor há um encoder, uma polia com cabo e uma célula de carga. Para o sistema de controle da estrutura, têm-se placas de controle e um computador para servir de interface gráfica para o profissional que utilizar o equipamento. Para acomodação do paciente, faz-se uso de uma cadeira com encosto reclinável tanto para as costas do paciente como para seu membro inferior. O controle da estrutura para a sessão de reabilitação é feito sobre a técnica de "learning by demonstration", que significa aprendizagem por demostração. Tal controle também pode ser empregado em atletas que queiram aperfeiçoar o movimento para uma determinada atividade. Para ganho de força, pode-se utilizar um sistema que exerça reação contrária ao sentido de movimentação desejado pelo paciente, estimulado assim o membro.

Description

“ESTRUTURA ROBÓTICA APLICADA PARA REABILITAÇÃO DO MEMBRO INFERIOR”

A presente invenção refere-se a uma estrutura robótica paralela atuada por cabos aplicada à reabilitação do membro inferior do corpo humano, a fim 5 de auxiliar nas sessões de recuperação de pacientes. A estrutura é capaz de realizar todos os movimentos do membro inferior, isoladamente ou de forma combinada, atuando nas articulações do quadril, joelho e tornozelo. Através de pequenas modificações, essa estrutura pode ser aplicada à reabilitação do membro superior.

O trabalho dos profissionais (terapeutas e médicos) durante as sessões

de reabilitação em pacientes vítimas de lesões, oriundas de queda, acidentes, acidente vascular cerebral (AVC) ou qualquer outro fator que comprometa a movimentação dos membros inferiores, é uma tarefa que pode demandar esforço físico e muitas vezes necessitar de ajudantes para realizar as sessões, 15 se tornando uma tarefa cansativa. Tem-se também que em muitas vezes não se tem aparelhos que auxiliem a realização de exercícios repetitivos e em posições incômodas, o que poderia ajudar nas sessões.

A criação de uma estrutura robótica aplicada para reabilitação dos membros inferiores pode auxiliar nas sessões de recuperação de movimentos 20 do corpo humano. A estrutura proposta visa proporcionar melhores condições de trabalho aos profissionais, bem como dar condições para uma recuperação rápida e eficiente aos pacientes. Assim, ela proporcionará também um tratamento pós-traumático capaz de começar o quanto antes, até mesmo quando o paciente ainda não for capaz de se levantar, visando obter maiores 25 índices de recuperação dos movimentos do membro comprometido, diminuindo dores, trazendo conforto e qualidade de vida nas atividades diárias dos pacientes.

Dispositivos robóticos são largamente utilizados na reabilitação de pacientes com algum tipo de limitação no movimento dos membros inferiores. Existem vários documentos de patentes que abordam estruturas e dispositivos que auxiliam na recuperação e treinamento do membro inferior, trabalhando as articulações do quadril, joelho e tornozelo. Pode-se observar, contudo, que não há muitos trabalhos realizados utilizando cabos em estruturas robóticas para reabilitação dos membros inferiores.

O documento de patente Pl 9604457-8 A, por exemplo, consiste em um

aparelho que propõe a reabilitação fisiológica dos membros inferiores e superiores, sendo acionado pelo próprio usuário, também para a realização de sessões de ginástica passiva. Para reabilitação do membro inferior, o aparelho contém pedais acionados por motores elétricos, onde o usuário faz movimentos circulares, como o pedalar em uma bicicleta. De forma semelhante, o documento de patente Pl 0419200-1 A retrata um aparelho rotativo de reabilitação tanto para braços quanto para pernas, o qual pode ser adaptado às necessidades do usuário, de acordo com sua lesão, porte físico e plano de recuperação. Seu modelo contempla em exercícios cíclicos circulares da extremidade corporal estimulada, enquanto trabalha também movimentos de flexão e extensão. No membro inferior, trabalham-se as articulações do quadril e joelho. É o próprio usuário quem impulsiona o equipamento, trabalhando então de forma ativa. Entretanto, ambas as patentes não são atuadas por cabos, não trabalham as articulações de forma independente, e não exercitam todos os tipos de movimentos do membro inferior.

A patente US 6.416.448 B1 refere-se a um equipamento para terapia e treinamento de movimento da articulação do joelho, com apoio para perna e guia para a execução do movimento, contendo uma conexão rotativa conectada por um dispositivo articulado, na qual é possível escolher a 25 amplitude do movimento da articulação do joelho ajustando as posições finais do movimento de rotação ou através do ajuste da altura da articulação de rotação ou do eixo de rotação do equipamento. Outro documento de patente conhecido, o US 5.901.581 A, descreve um aparelho de reabilitação de múltiplos graus de liberdade, agindo na articulação do tornozelo, joelho e 30 quadril do paciente, através de exercícios realizados pelo paciente de forma passiva, sendo que o equipamento inclui um mecanismo móvel deslizante capaz de se mover em uma direção e distância pré-determinada. Tais dispositivos, entretanto, não trabalham movimentos de adução/abdução do quadril do paciente, e não são capazes de operar toda a faixa de amplitude das articulações do paciente, como os movimentos de flexão/extensão do quadril, 5 pois são mais voltados à realização de movimentos cíclicos e alternados, como o movimento executado ao pedalar uma bicicleta.

O documento de patente Pl 1000499-8 A2 mostra um equipamento mecanizado controlado eletronicamente para tratamento do movimento de flexão plantar e dorsal do tornozelo, de forma passiva, onde o paciente pode 10 realizar os movimentos sem o acompanhamento do profissional responsável, mas seguindo as recomendações médicas. Apesar de esse equipamento ter a vantagem do paciente não necessitar do acompanhamento do profissional a todo instante, o mesmo apenas trabalha a articulação do tornozelo, em movimentos de flexão plantar e dorsal, atingindo apenas um movimento 15 específico.

O documento de patente Pl 0511345-8 A apresenta um dispositivo de exercício e movimento, destinado a pessoas paraplégicas ou que tenham deficiência motora, permitindo o usuário passar da posição sentada para posição em pé e também realizar exercícios de caminhar, ativos ou passivos. 20 Porém é um dispositivo destinado somente à reabilitação do caminhar, não trabalhando outros tipos de movimento do membro inferior.

O documento de patente Pl 1000960-4 A2 traz um dispositivo que pode ser utilizado na reabilitação em pacientes com disfunção nos membros inferiores, direcionado a induzir movimentos de caminhada, desenvolver 25 equilíbrio e treinar músculos, sendo ajustável a diferentes pacientes. O pé do paciente é fixo em um par de barras que se deslocam fazendo a movimentação de um passo de caminhada. Outro documento de patente semelhante, o US 2011/0288455 A1 relata um equipamento robótico que auxilia na reabilitação do membro inferior do paciente na fase de marcha, ajudando-o a reproduzir o 30 movimento de caminhar. Esse equipamento é capaz de sustentar o corpo do indivíduo que não consegue manter-se em pé, possibilitando que o mesmo caminhe sobre uma esteira fixa. Já a patente US 7.744.546 B2 apresenta um dispositivo para reabilitação do membro inferior, permitindo ao usuário exercitar ambos os membros inferiores de forma independente, sendo capaz de detectar mudanças no ângulo das articulações e nas cargas impostas nos membros, 5 para assim determinar os parâmetros do exercício que deve ser repassado ao paciente.

Outro aparelho, relatado no documento de patente US 2006/0128537 A1, é destinado a ajudar no movimento de caminhada natural de pacientes que não conseguem suportar o peso total ou parcial de seu corpo. A carga de peso 10 que o paciente deve suportar é definida através do ângulo de inclinação de apoio do paciente, imposto pelo equipamento. Destinados a auxiliar na recuperação da força e equilíbrio durante o caminhar, esses 4 equipamentos não auxiliam na execução de movimentos isolados do membro inferior, e não englobam todos os tipos de movimento do membro inferior.

Outra patente, a US 7.190.141 B1 retrata um dispositivo que consiste em

um exoesqueleto modular fixado no membro inferior do paciente durante a reabilitação. O dispositivo utiliza atuadores acionados na fase de levantar e caminhar na fase de reabilitação, fornecendo força ao usuário, controlando pelo menos uma articulação do paciente. Por se tratar de um exoesqueleto, o 20 dispositivo é uma estrutura robótica serial, distanciando do modelo proposto de uma estrutura robótica paralela atuada por cabos, além de ser destinado a fornecer força ao paciente, não tratando da recuperação da amplitude de movimentos do paciente.

O documento de patente US 5.181.289 A consiste em uma cama com 25 um mecanismo composto por cursores, barras verticais, elementos de suporte e barras laterais, equipado com um trilho de acoplamento acima das barras laterais. O paciente conecta seu membro inferior por meio de uma corda que passa pela polia e a puxa com as mãos, assim, exercitando o membro inferior de forma passiva e membro superior de forma ativa. Pode-se também trabalhar 30 apenas os braços, fazendo exercícios alternados, da maneira que se desejar.

Este dispositivo é limitado a pequenos tipos de movimentos do membro inferior, basicamente flexão/extensão do quadril.

Semelhante ao documento de patente US 5.181.289 A, a patente US 7.878.959 B2 consiste em uma cama de exercício e reabilitação do membro superior como também do membro inferior, permitindo a execução de 5 movimentos alternados e incrementando a possiblidade de realizar movimentos rotativos com o membro inferior, como o pedalar em uma bicicleta. Porém, não reproduz todos os movimentos do membro inferior em toda sua amplitude.

Pode-se citar o documento de patente US 5.501.656 A como exemplo de uma estrutura atuada por cabos destinada à reabilitação, a qual relata um 10 aparelho de suporte ao movimento do braço que auxilia pessoas que possuem alguma deficiência na execução de movimentos do braço. O sistema proposto manipula o braço com cordas tanto na vertical como na horizontal. A utilização de mecanismos paralelos torna possível manipular o braço em vários graus de liberdade por meio de materiais macios, como cordas, não sendo necessária a 15 utilização de nenhum mecanismo pesado sobre o paciente. Esse equipamento é destinado ao membro superior, não sendo utilizado no membro inferior.

Há também uma estrutura robótica atuada por cabos paralelos para reabilitação do membro inferior (HOMMA K., FUKUDA O., NAGATA, Y., Study of a Wire-driven Leg Rehabilitation System, Proceedings of the IEEE/RSJ, Intl. Conference on Intelligent Robots and Systems EPFL, Lausanne1 Switzerland, pp. 1451-1456, October 2002) que propõe um sistema com o objetivo de realizar treinamentos de múltiplos graus de liberdade com a perna do paciente. O sistema consiste em uma cama, quadros, cabos, polias, atuadores e um controlador. O paciente se deita na cama, e tem seu membro inferior levantado por meio de cabos posicionados em quadros ao redor de seu corpo. Inicialmente, construiu-se um sistema com apenas 1 grau de liberdade, para movimentos de extensão e flexão da articulação do joelho. Foi projetado em seqüência um dispositivo de 2 graus de liberdade, sendo os movimentos de flexão e extensão das articulações do quadril e joelho o alvo principal do sistema experimental. Foram utilizados no sistema unidades de rolamento que se movem ao longo de trilhos para manter constante a direção da tensão do cabo.

Outro sistema (HOMMA K., FUKUDA O., NAGATA, Y., USUBA, M., Study of a Wire-driven Leg Rehabilitation System - Human Subject Experiments using a 4-DOF Experimental System, Proceedings of the IEEE/RSJ, International Conference on Intelligent Robots and Systems, Sendai, Japan, pp. 1668-1673, 2004) que apresenta uma melhoria do sistema anterior, passa a contemplar 4 graus de liberdade, sendo os movimentos de estudo: flexão/extensão, abdução/adução, rotação interna/externa da articulação do quadril; e flexão/extensão da articulação do joelho. Os resultados obtidos experimentalmente mostraram que o sistema utilizado é capaz de realizar movimentos de 4 graus de liberdade para diferentes posturas do paciente. Sendo também que o mesmo faz com que o indivíduo se sinta menos constrangido, por sua estrutura que utiliza cabos paralelos ser amigável ao homem (alta segurança e facilidade de uso), fator que foi verificado através de um questionário respondido pelos pacientes. Entretanto, o dispositivo apresenta como desvantagem seu grande tamanho físico, dificultando o uso clínico do equipamento. Se reduzir o seu tamanho, reduz-se também a amplitude de movimento do mecanismo. O dispositivo também não aborda todos os tipos de movimento do membro superior, não atuando na articulação do tornozelo.

O principal objetivo da ESTRUTURA ROBÓTICA APLICADA PARA REABILITAÇÃO DO MEMBRO INFERIOR, presente invenção, é auxiliar os profissionais durante as sessões para recuperação e treinamento dos movimentos do membro inferior do paciente em específico o quadril, o joelho e 25 o tornozelo, não envolvendo o pé. Desse modo, a estrutura poderá auxiliar na recuperação dos pacientes, antecipando o início do tratamento para reabilitação dos membros inferiores, fornecendo uma ferramenta de trabalho alternativa aos profissionais da área.

A estrutura também visa garantir o bem-estar do paciente durante o tratamento, proporcionando conforto e segurança para paciente e profissional, alcançando altos níveis de recuperação dos movimentos do membro afetado, uma vez que a estrutura é capaz de realizar todos os movimentos do quadril, joelho e tornozelo, de forma isolada ou combinada, abrangendo toda a faixa de variação dos ângulos de cada articulação, de acordo com a amplitude de cada movimento realizado. Através de pequenas modificações no tamanho da 5 estrutura e posicionamento dos motores, pode-se utilizar a estrutura proposta para treinamento, ganho de força e reabilitação do movimento do membro superior do corpo humano, contemplando os movimentos das articulações do ombro, cotovelo e punho, de forma isolada ou combinada, em toda a sua amplitude de movimentação.

A presente invenção pode ser melhor compreendia quando analisada

juntamente com as figuras e descrição acompanhados neste documento.

A FIGURA 1 mostra a estrutura robótica aplicada para reabilitação do membro inferior.

A FIGURA 2 retrata o modelo da cadeira utilizada juntamente com a estrutura para acomodação e conforto do paciente.

A ESTRUTURA ROBÓTICA APLICADA PARA REABILITAÇÃO DO MEMBRO INFERIOR mostrada na FIGURA 1 é configurável, pois a mesma pode ser facilmente montada e desmontada, seu tamanho pode ser modificado para melhor acomodação do paciente e do local físico onde for montada, a 20 posição e quantidade de motores presentes podem ser alteradas sem modificar sua função, além de poder ser fabricada em diversos materiais, como alumínio, plástico, madeira ou qualquer outro material semelhante, em formato de gaiola. Formada por barras (E1) que permitem flexibilidade na montagem do equipamento, podendo ser montada e desmontada facilmente através de 25 travas (E2), havendo também rodas em sua base (E3) com possibilidade de travamento de posição, sendo possível transportá-la sem dificuldade. É composta de 4 a 6 motores (E4) responsáveis pela movimentação do membro inferior, fixados na estrutura mostrada na FIGURA 1, podendo ser posicionados na estrutura em diversas posições, de acordo com o movimento a ser 30 reproduzido. Os motores são responsáveis por exercer a tração dos cabos (E5) fixados em uma órtese (OI) colocada no paciente para imobilização do membro inferior e também para fixação dos cabos no paciente que pode ficar deitado ou sentado na cadeira (C1), sendo definida a quantidade de motores de acordo com o movimento a ser executado na estrutura. Acoplado a cada motor há um encoder (E6), uma polia com cabo (E7) e há uma célula de carga 5 (E8) entre cada motor e o ponto de fixação da órtese (01) no paciente para medir as tensões nos cabos durante a execução do movimento.

Na FIGURA 2 para acomodação do paciente, faz-se uso de uma cadeira (C1) com encosto reclinável tanto para as costas do paciente (C2) como para seu membro inferior (C3), onde cada apoio pode ser rebatido de forma 10 independente através de dobradiças (C4). A cadeira possui rodas em sua base (C5) com possibilidade de travamento de posição, facilitando o posicionamento do paciente no interior da estrutura antes da terapia.

Para o sistema de controle da estrutura, têm-se placas de controle e um computador/notebook para servir de interface gráfica para o profissional que 15 utilizar o equipamento. O controle da estrutura para a sessão de reabilitação é feito sobre a técnica de “learning by demonstration”, que significa aprendizagem por demonstração, onde o profissional da saúde realizará o movimento a ser repetido com o membro do paciente e o computador armazenará pontos da trajetória descrita e repetirá o movimento o número de 20 vezes que for desejado. Tal controle também pode ser empregado em atletas que queiram aperfeiçoar o movimento para uma determinada atividade. Para ganho de força, pode-se utilizar um sistema que exerça reação contrária ao sentido de movimentação desejado pelo paciente, estimulando assim o membro.

Claims (7)

1. ESTRUTURA ROBÓTICA APLICADA PARA REABILITAÇÃO DO MEMBRO INFERIOR caracterizada por ser formada por barras (E1) com travas (E2), pés de suporte com rodas (E3) e travas de posição, encoders (E6), possui cabos (E5) saindo das polias (E7) acopladas a motores (E4) ,células de carga (E8), conectados a uma órtese (01) colocada no paciente, composta também por uma cadeira (C1) com encostos para as costas (C2) e perna (C3) reclináveis e rebatíveis de forma independente através de dobradiças (C4), com rodas em seus pés (C5) com possibilidades de travamento para controle de posição no interior da estrutura.

2. ESTRUTURA ROBÓTICA de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelas barras (E1) serem fabricadas em alumínio, plástico, madeira ou material semelhante.

3. ESTRUTURA ROBÓTICA de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se em forma de gaiola.

4. ESTRUTURA ROBÓTICA de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos motores (E4) serem fixados na estrutura robótica com posicionamento regulável ao longo da estrutura de acordo com o movimento a ser reproduzido e em número que varia de 4 a 6.

5. ESTRUTURA ROBÓTICA de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizada por realizar sessões de terapia para treinamento, ganho de força e reabilitação de movimento do membro inferior do corpo humano, contemplando todos os tipos de movimentos existentes nas articulações do quadril, joelho e tornozelo, em toda a sua amplitude, abrangendo toda a 25 amplitude de movimentação de cada articulação, de acordo com a faixa de variação dos ângulos de cada junta, podendo realizar movimentos isolados ou combinados.

6. ESTRUTURA ROBÓTICA de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizada por através de pequenas modificações no tamanho da estrutura e posicionamento dos motores, realizar sessões de terapia para treinamento, ganho de força e reabilitação de movimento do membro superior do corpo humano, contemplando todos os tipos de movimentos existentes nas articulações do ombro, cotovelo e punho, em toda a sua amplitude, abrangendo toda a faixa de variação de movimentação dos ângulos de cada articulação, podendo realizar movimentos isolados ou combinados.

7. ESTRUTURA ROBÓTICA de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizado por possuir um sistema de controle da estrutura que utiliza a técnica de “learning by demonstration", composto por placas de controle e um computador/notebook que servem de interface gráfica para o profissional.