WO2006064074A1 - Dispositivo ortésico dinámico para la monitorización, diagnóstico y supresión de temblor patológico - Google Patents

Dispositivo ortésico dinámico para la monitorización, diagnóstico y supresión de temblor patológico Download PDF

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WO2006064074A1
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tremor
orthotic device
orthotic
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electronic device
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Jose Luis Pons Rovira
Eduardo Rocon De Lima
Andres Felipe Ruiz Olaya
Ramon Ceres Ruiz
Leopoldo Calderon Estevez
Juan Manuel Belda-Lois
Javier Sanchez Lacuesta
Ricard Barbera Guillem
Jaime Prat Pastor
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Instituto de Biomecanica de Valencia CSIC
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Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Instituto de Biomecanica de Valencia CSIC
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Measuring devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb
    • A61B5/1101—Detecting tremor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
    • A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
    • A61B5/6824—Arm or wrist

Definitions

  • the present invention relates to biomechanical or biomedical devices for the monitoring, diagnosis and validation of control strategies, both active and passive, to suppress pathological tremor, specifically in the upper limb. As such, they are applicable in the orthoprosthetic industry and in the rehabilitation and medical treatment.
  • Pathological tremor is a strongly disabling symptom characterized by rhythmic and involuntary contractions of the muscles of the human body. Tremor can affect different parts of the body. These rhythmic oscillations are superimposed on the patient's voluntary movement. The amplitude and frequency characteristics of trembling oscillations depend on the type of tremor, whether at rest, postural or kinetic. In addition, for the same patient these characteristics may be altered depending on the activity or conditions that he develops or that he is subjected to.
  • the frequency of these oscillations varies depending on the type of tremor and the pathology.
  • the commonly accepted range ranges from 2 Hz to 12 Hz.
  • the concept of isolation of the trembling movement task is based on the insertion of a serial device between the human body and the task. This approach can be done electronically or mechanically.
  • a clinically established procedure to reduce the amplitude of the tremor is the application of biomechanical loads to the affected limb and is based on orthotic devices or orthotics (E. Rocon, JM Belda-Lois, JJ. Sanchez-Lacuesta, JLPons, Pathological Tremor management: modeling, compensatory technology and evaluation, Technology and Disability, 16, pp. 3-18, 2004).
  • the application of biomechanical loads can be implemented in both active and passive systems.
  • the actuators In active systems, the actuators generate a movement in the member of equal amplitude but in the opposite direction to the trembling movement, thus subtracting the tremor of the global movement of the member. In passive systems, the actuators apply resistive mechanical loads, whether dissipative or inertial.
  • Non-portable braces can be portable or non-portable.
  • Non-portable braces are subject to the affected limb and to a platform attached to the floor (which may be the floor itself, the wheelchair, a table, etc.).
  • Portable braces are attached only to the patient's arm. The way in which both approaches exert the loads on the arm for the suppression of the tremor is radically opposite.
  • the portable orthoses eliminate the tremor between consecutive elements of the kinematic chain of the arm.
  • Non-portable braces eliminate tremor by applying loads from the floor to the arm.
  • the Neater Eater commercial device we can highlight the Neater Eater commercial device, the MIT damped joystick, the CEDO controlled energy dissipation orthosis and the MED energy dissipation modulated arm.
  • the ideal solution is to apply biomechanical loads only to the trembling movement.
  • these devices apply a dissipative biomechanical load independently of the type of tremor that affects the patient.
  • This load is also independent of the type of movement on which it is applied, be it voluntary, trembling or a combination of both.
  • the upper member has as its main function to allow the hand to perform its functions and can reach any point of space, especially any point on the individual's body surface, so that it is possible to approximate, manipulate and move objects, from the body and / or towards it.
  • the kinematic chain formed by the shoulder, the elbow, the forearm, the wrist and the hand has a high degree of mobility, as well as distal capacity for grip with an infinite number of positions and functions.
  • the upper limb is one of the most anatomically and physiologically complex parts of the body.
  • the upper limb is very important because it is capable of developing cognitive, expression and manipulation activities, and intervenes in the exploratory functions of the environment and in all reflex motor acts.
  • the objectives of the upper limb orthoses should be:
  • An orthotic orthosis or platform is defined as a medical device that acts externally to a segment of the human body in order to establish some type of functional compensation.
  • Postural or passive orthoses represent the common form of action of the orthoses of the upper limb, whose main objective is to preserve the functional position of the hand (E. Viosca and others, Guide to the use and prescription of custom orthopedic products, IBV Publications , 1999).
  • a dynamic orthosis can be defined as a group of articulated splints that, through the use of various dynamic devices, manage to improve the functionality of some member.
  • the dynamic orthoses have independent sections in the forearm, wrist, hand and finger segments, to which various joint components are added to obtain the movement and functionality of the limb.
  • a good fixing effect is required as a prerequisite.
  • two different aspects can be considered:
  • the patent presented refers to an ambulatory orthotic platform for monitoring, diagnosis of tremor and validation of control strategies, both active and passive, for the suppression of pathological tremor while preserving natural movement.
  • the device is developed around an articulated structure that allows to support a set of sensors and actuators necessary for the realization of the tasks of monitoring, diagnosis and application of control strategies.
  • the architecture of the platform is formed by a computer program for the management, configuration and presentation of the information of the system of help to the diagnosis and cancellation of the tremor, a programmable device for the execution of the algorithms of acquisition of the signal of the sensors and control of the orthosis, the algorithms for the acquisition, interpretation of the signal of the sensors and activation of the actuators, electronic circuits for the interface between the sensors and actuators with the programmable device, the structure of the orthosis and power supplies for the actuators, in addition to the actuators themselves.
  • the present invention faces the problem of providing new orthotic devices or dynamic orthoses for the evaluation, diagnosis and treatment of human patients with pathological tremor in limbs or upper limbs.
  • the present patent refers to a dynamic orthotic device with a rigid or elastic structure for fixing actuators and sensors, thus enabling the application of different control strategies for Ia suppression of tremor on three joints of the human upper limb (shoulder, elbow and wrist).
  • the structure of the orthotic device can be flexible (textiles or elastic materials) when used as a tool for objectification, monitoring and / or diagnosis of tremor, in which case it does not include the actuators but the rest of the elements.
  • the application of an external force provides the orthotic with a corrective effect. Secondly, it collaborates in the maintenance of a correct alignment of the different segments involved.
  • This orthosis is based on the application of internal stresses, that is, the force is applied between consecutive segments of the member to suppress the tremor of three joints. Efforts can be resistive, dissipative, inertial or those resulting from active control strategies.
  • This device also allows implementing various control strategies, both active and passive, for the suppression of tremor in the joints responsible for flexion / extension of the wrist, flexion extension of the elbow, in addition to the prone-supination of the forearm, so that independent control strategies can be applied to each of these joints by, for example, the use of the method protected in Spanish patent P200302927 (biomechanical method and device for cancellation of pathological tremor) that protects a control strategy for active cancellation of pathological tremor
  • This method could be programmed in the orthosis controller object of this patent.
  • the sensors would be used to capture user movement.
  • An algorithm would allow the determination of the main frequency of the tremor. This information would be used to generate the counter movement that cancels the tremor.
  • the use of this dynamic orthotic device is related, on the one hand, with an objectification, evaluation and diagnosis tool for patients with pathological tremors under normal conditions or to whom any tremor suppression strategy is applied and, on the other hand, with a tool for the treatment of such patients with tremors.
  • the pathological tremor to which the object of the present invention can be applied (both in its aspect of objectification, evaluation and diagnosis, as in its cancellation slope) is the tremor of rest (characteristic of Parkinson's disease), the postural tremor (characteristic of the essential tremor) and the kinetic or intentional tremor (of multiple etiology).
  • Biomechanical data are obtained from a multiplicity of relative or absolute kinematic and / or kinetic sensors. • It offers direct information on the torque and / or tremor power of each joint of the upper limb, which allows us to estimate the contribution of each joint. on the total movement of the tremor in the entire kinematic chain of the upper limb,
  • the scheme of this group of passive orthoses serves as a basic module on which new components can be added.
  • the orthosis facilitates the interface between the tremor suppression system without external reference and the upper limb. This approach has the following advantages:
  • an object of the present invention constitutes a dynamic orthotic device useful for the monitoring, diagnosis and suppression of pathological tremor in any of its variants of the human upper limb, hereinafter orthotic device or orthosis of the present invention, constituted basically by the following components (Figure 1): a) An orthotic structure with joints (1) for the flexion-extension of the elbow, prone-supination of the forearm and flexo-extension of the wrist that It allows the coupling of a set of actuators for the application of forces (4) and sensors (2, 3), responsible for the interface between the actuators (4) of the orthosis and the upper limb of the patient, consisting of: i.
  • a multiplicity of sensors that allow obtaining the kinematic information of the human arm ii.
  • a multiplicity of rotary actuators that allow acting on the affected organ b)
  • Electric power module (5) connected to the electronic device described in b) and capable of converting the command signal from b) into a power signal for the actuator control
  • An external device connected to the electronic device described in b) capable of providing an interface to access all the functionalities of the orthotic platform that allows: i. The adjustment of the parameters of the control strategies, ii. The definition of the orthosis mode of operation, iii. The presentation of the variables measured by the orthosis, iv. The trembling movement analysis, v. The presentation of diagnoses, vi. Storage of the data acquired by the orthosis, vii. Report generation, and viii. The communication with the orthosis.
  • a particular object of the invention is the orthotic device of the invention in which the sensors used to measure the kinematic variables (angular position, speed and acceleration) of ai) are inertial sensors capable of operating in a minimum frequency range between 0 Y 30 Hz, and among others, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, belonging to the following group: goniometers, gyroscopes and accelerometers and force. Tremors have been described up to a maximum frequency of 17-20 Hz, so the range up to 30 Hz is conservative and includes all possible tremors. In the example, a sensor that goes beyond is used.
  • Another particular object of the invention constitutes the orthotic device of the invention in which the sensors used to measure the kinetic variables described in a.ii) are force sensors capable of operating in a minimum frequency range between 0 and 30 Hz, and among others, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, belonging to the following group: set of strain gauges mounted on the Wheatstone Bridge configuration.
  • Another particular object of the invention constitutes the orthotic device of the invention in which the rotary actuators of a.iii) are motors for producing the earthquake canceling action, and among others, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, belonging to the following group: ultrasonic motors and a set of DC motor and reducer.
  • ultrasonic motors and a set of DC motor and reducer.
  • a flat DC motor has been used as an example of a DC motor and reducer.
  • Another particular object of the invention constitutes the orthotic device of the invention in which the programmable electronic device of b) is capable of acquiring signals from the sensors, processing them, analyzing them and generating a control signal of the actuators and implementing strategies for tremor monitoring and identification based on an algorithm in the domain of frequency or time, among others, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, belonging to the following group: IEEE-1057 standard, Kalman filter and the Benedict-Bordner filter (JM Belda-Lois, J. Sanchez-Lacuesta, MJ Vivas-Broseta, E. Rocon, L. Bueno, JL Pons, Tremor movement analysis techniques: an approach towards ambulatory systems, Asistive Technology - Shaping the future , pp. 827-831, 2003).
  • a particular embodiment of the orthotic device of the invention is that in which the programmable electronic device of b) belongs to the next group: a microcontroller, a microprocessor, a DSP or a computer running some real-time operating system.
  • the orthotic device of the present invention can be coupled or adapted by one skilled in the art to other existing embodiments of the market, such as, for example, the method protected by the Spanish patent P200301767 can be used as the tremor cancellation algorithm executed by the programmable electronic device described in point 1.b).
  • Another particular object of the invention constitutes the orthotic device of the invention in which the external device of d) is capable of communicating with the programmable electronic device of b) functioning as a configuration tool capable of: a) adjusting the parameters of the control strategies executed by the electronic device of b), and b) define the mode of operation of the orthosis.
  • Another particular object of the invention constitutes the orthotic device of the invention in which the external device of d) functions as an interface tool between the orthotic device and the observer capable of: a) presenting the variables measured by the orthosis, b ) analyze the trembling movement, c) present diagnoses based on the measured values, d) store the data acquired by the orthosis, and e) generate reports on the experiments performed.
  • Another particular object of the invention constitutes the orthotic device of the invention in which the external device d) can operate in both modes, that is, as a configuration and interface tool.
  • Another particular embodiment of the orthotic device of the invention is that in which the external device d) belongs to the following group: a computer, a PDA and a Pocket PC.
  • Another particular object of the invention constitutes the orthotic device of the invention in which the communication between the programmable electronic device of b) and the external device of d) is carried out, among other means, by way of illustration and without limiting the scope of the invention, belonging to the following group: through cables using TCP / IP communication protocols or serial, wirelessly using Bluetooth technology, Baking technology, Wifi technology and IrDA infrared technology.
  • Another particular object of the present invention is the dynamic orthotic device of the invention in which the structure thereof is not rigid but is flexible (textiles or elastic materials).
  • This alternative of the device would be used as a tool for the objectification, monitoring and / or diagnosis of tremor, in which case it also does not include the actuators although the rest of the elements.
  • the platform object of this patent has three different practical operating modes:
  • the platform acts as a system of measurement and characterization of tremor both qualitatively and quantitatively. In this way it does not offer any kind of opposition to the patient's movement, be it this voluntary or trembling movement. In this mode of operation the platform works in real time, allowing reading, processing the data and recording the tremor for different specific tasks to be performed by the patient. That way it behaves as a tool for acquiring and analyzing tremor signals and can be used as an aid for medical diagnosis (the type and degree of tremor a patient is suffering) and to observe the progress of a treatment.
  • the platform acts as a device capable of mechanically damping the effects caused by the tremor, applying forces on the upper limb to compensate for the vibrations caused by the tremor and stabilize the user's voluntary movement. It is important to highlight that in this mode the platform allows the evaluation of the operation of the control strategy through the reading of the sensor signals. In this way, the reduction, or not, of the effects of the tremor on the upper limb can be seen.
  • another object of the present invention constitutes the use of the orthotic device of the present invention, hereinafter used of the orthotic device, in the monitoring and diagnosis of human patients with pathological tremors in normal conditions or to which any strategy of applying them is applied. suppression of tremor and, in addition, in the treatment of human patients with tremors.
  • the pathological tremor to which the object of the present invention can be applied belongs, among others, for illustrative purposes and without limiting the scope of The present invention, to the following group: resting tremor (characteristic of Parkinson's disease), postural tremor (characteristic of essential tremor) and kinetic or intentional tremor (of multiple etiology).
  • FIG. 1 The figure schematically represents the architecture of the proposed orthotic device.
  • Block 1 represents the rigid structure with joints for the elbow, prono-supination of the forearm and flexion extension.
  • Blocks 2 and 3, respectively, represent the kinematic and kinetic sensors coupled to this rigid structure.
  • Block 4 represents the rotary actuators coupled to the rigid structure that allow acting on the affected organ.
  • the block 5 represents an electric power module connected to the programmable electronic device characterized by converting the command signal into a power signal for the actuator control.
  • Block 6 represents a programmable electronic device characterized by executing different control strategies for the suppression of the tremor and capable of generating control signals for the actuator government and of communicating with an external device.
  • Block 7 represents an external device connected to the electronic device capable of providing an interface to access all the functionalities of the orthotic platform and present the data in an appropriate way to the clinicians.
  • the block 8 represents the communication between block 6 and block 7 that can be implemented both wirelessly (Bluetooth, Oven, Wifi or IrDA) and through cables (TCP / IP, serial cable).
  • FIG. 1 Orthosis for cancellation of tremor at the level of the elbow.
  • the figure schematically illustrates the rigid structure for the elbow joint. Coupled to this rigid structure are a set of kinematic and kinetic sensors in addition to a rotary actuator that allow acting on the elbow joint.
  • Example 1 Development of an orthotic solution for cancellation of tremor at the level of the elbow.
  • an orthosis for the cancellation of the tremor at the elbow level is described.
  • the orthotic is formed by a rigid articulated structure that allows supporting a set of sensors and actuators to implement control strategies for the tremor cancellation (Figure 2).
  • two gyroscopes located on the rigid structure on both sides of each joint and offering information on the absolute angular velocity of the segments (arm and forearm) in the plane of motion of the joint are used as kinematic sensors.
  • the frequency range of measurement is between 0 and 50 Hz, thus covering the entire frequency range of possible tremors.
  • the kinetic sensors used in this example for measuring the interaction force between the orthosis and the member are strain gauges.
  • the gauges are responsible for the measurement of the cancellation torque applied by the motors on the structure of the orthotic platform, therefore, they are mounted on the structure so that they measure only the force perpendicular to the motor axis, in this way their measurements They are not influenced by forces originating in unwanted directions.
  • the strain gauges are connected in a Wheatstone Bridge circuit in a combination of four active gauges (full bridge).
  • As an actuator a flat DC motor and reducer assembly is used to generate the earthquake cancellation torque in the joint of interest.
  • the total torque that can be generated by the geared motor assembly is 8 Nm but is limited through the energy delivered by the power module to the engine at 3 Nm, enough to counteract the average torque of the tremor at this level without the possibility of cause damage to the user.
  • a strategy of identification and monitoring of tremor is implemented according to the method described in Spanish patent P200301767.
  • the sampling frequency selected for the identification loop is 1 KHz. Whenever the selected strategy grants the estimate with a delay of a single sample, the delay of the estimate is reduced to 1 ms, negligible compared to the intrinsic frequency of the tremor that is between 2 and 12 Hz.
  • a dynamic model of the upper limb is able to estimate in real time the torque and power values of the tremor in each joint. With this model it is possible to evaluate the contribution of each arm joint on the tremor in the limb of the arm.
  • the method for obtaining arm kinematics is the method of homogeneous transformation matrices (Fu, KS; González, R. C; Lee, CS G; Robotics: control, sensing, vision, and intelligence. McGraw-Hill, Inc. New York, NY, USA, 1997).
  • the model developed is based on the Denavit-Hartenberg parameterization.
  • the parameters related to the dynamics of the member have been obtained through the corrections of Leva to the biomechanical tables of Zatsiorsky and Selyyanoy (VM Zatsiorsky and VN Seluyanov and LG Chugunova, Methods of determining mass-inertial characteristics of human body segments, in Contemporary problems of biomechanics, CRC Press, pp. 272-291, 1990).
  • VM Zatsiorsky and VN Seluyanov and LG Chugunova Methods of determining mass-inertial characteristics of human body segments, in Contemporary problems of biomechanics, CRC Press, pp. 272-291, 1990.
  • Newton's recursive algorithm has been used so that the implementation of the estimation algorithms is allowed in a modular way.
  • a personal computer is used as an external device responsible for the implementation of the user interface.
  • the user interface is programmed in the object-oriented programming language Visual C ++. Communication between the control computer and the interface computer is done through cables using the TCP / IP communication protocol.

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Abstract

La patente que se presenta se refiere a una plataforma ortésica ambulatoria para Ia monitorización, diagnóstico de temblor y validación de estrategias de control, tanto activas como pasivas, para Ia supresión del temblor patológico al tiempo que preserva el movimiento natural. El dispositivo se desarrolla en torno a una estructura articulada que permite soportar un conjunto de sensores y actuadores necesarios para Ia realización de las tareas de monitorización, diagnóstico y aplicación de estrategias de control.

Description

TÍTULO
DISPOSITIVO ORTÉSICO DINÁMICO PARA LA MONITORIZACIÓN,
DIAGNÓSTICO Y SUPRESIÓN DE TEMBLOR PATOLÓGICO
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere a dispositivos biomecánicos o biomédicos para Ia monitorización, diagnóstico y validación de estrategias de control, tanto activas como pasivas, para suprimir el temblor patológico, específicamente en el miembro superior. Como tales, son de aplicación en Ia industria ortoprotésica y en Ia rehabilitación y tratamiento médico.
ESTADO DE LA TÉCNICA
El temblor patológico es un síntoma fuertemente discapacitante caracterizado por contracciones rítmicas e involuntarias de los músculos del cuerpo humano. El temblor puede afectar a distintas partes del organismo. Estas oscilaciones rítmicas están superpuestas al movimiento voluntario del paciente. Las características de amplitud y frecuencia de las oscilaciones temblorosas dependen del tipo de temblor, sea este de reposo, postural o cinético. Además, para un mismo paciente estas características pueden verse alteradas en función de Ia actividad o condiciones que desarrolle o a que esté sometido.
La frecuencia de estas oscilaciones varía en función del tipo de temblor y de Ia patología. El rango comúnmente aceptado oscila entre 2 Hz y 12 Hz.
El tratamiento clásico del temblor es Ia medicación y Ia estimulación eléctrica talámica o subtalámica. Algunos trabajos muestran que el tratamiento médico por medicación fracasa en un 85 por ciento de los casos y los tratamientos por estimulación son efectivos en un mayor número de casos pero implican una intervención quirúrgica delicada que no está indicada para un buen número de pacientes potenciales (E. Rocon, J. M. Belda-Lois, JJ. Sanchez-Lacuesta, J.L.Pons, Pathological Tremor management: modelling, compensatory technology and evaluation, Technology and Disability, 16, pp. 3- 18, 2004). Estos hechos han promovido el desarrollo de dispositivos para el tratamiento alternativa del temblor patológico. Existen en Ia actualidad varios sistemas que han logrado resultados significativos en Ia reducción del temblor o de sus efectos. Existen dos aproximaciones básicas para este tratamiento:
• Aislamiento de Ia tarea del movimiento tembloroso • Reducción de Ia amplitud del temblor
El concepto de aislamiento de Ia tarea del movimiento tembloroso está basado en Ia inserción de un dispositivo en serie entre el cuerpo humano y Ia tarea. Esta aproximación se puede realizar electrónicamente o de forma mecánica. Un procedimiento establecido clínicamente para reducir Ia amplitud del temblor es Ia aplicación de cargas biomecánicas al miembro afectado y está basado en dispositivos ortésicos u ortesis (E. Rocon, J. M. Belda-Lois, JJ. Sanchez-Lacuesta, J.L.Pons, Pathological Tremor management: modelling, compensatory technology and evaluation, Technology and Disability, 16, pp. 3- 18, 2004). La aplicación de cargas biomecánicas puede ser implementado tanto en sistemas activos como en sistema pasivos.
En sistemas activos, los actuadores generan un movimiento en el miembro de igual amplitud pero en el sentido contrario al movimiento tembloroso, sustrayendo así el temblor del movimiento global del miembro. En los sistemas pasivos, los actuadores aplican cargas mecánicas resistivas, sean estas disipativas o inerciales.
Estas ortesis pueden ser portátiles o no portátiles. Las ortesis no portátiles están sujetas al miembro afecto y a una plataforma sujeta el suelo (que puede ser el propio suelo, Ia silla de ruedas, una mesa, etc). Las ortesis portátiles están sujetas únicamente al brazo del paciente. El modo en que ambas aproximaciones ejercen las cargas en el brazo para Ia supresión del temblor es radicalmente opuesto. Las ortesis portátiles eliminan el temblor entre elementos consecutivos de Ia cadena cinemática del brazo. Las ortesis no portátiles eliminan el temblor aplicando las cargas desde el suelo al brazo. Entre los sistemas no portátiles más representativos podemos destacar el dispositivo comercial Neater Eater, el joystick amortiguado del MIT, Ia ortesis controlada de disipación de energía CEDO y el brazo modulado de disipación de energía MED. Existe un menor número de soluciones portátiles para Ia supresión del temblor. Entre ellas destaca el "Viscous Beam", una ortesis pasiva para Ia supresión del temblor de flexo-extensión de muñeca que funciona aplicando un sistema con fricción viscosa paralelamente a Ia muñeca. Sin embargo, su diseño mecánico restringe los movimientos de prono-supinación y desviación radial-cubital de Ia muñeca.
La solución ideal consiste en aplicar cargas biomecánicas únicamente al movimiento tembloroso. Sin embargo, en todas las realizaciones descritas en el estado de Ia técnica estos dispositivos aplican una carga biomecánica disipativa de forma independiente al tipo de temblor que afecta al paciente. Esta carga es además independiente del tipo de movimiento sobre el que se aplica, ya sea voluntario, tembloroso o una combinación de ambos. Como consecuencia el paciente nota también una carga resistiva ante su movimiento intencional. El miembro superior tiene como función principal permitir que Ia mano realice sus funciones y pueda alcanzar cualquier punto del espacio, especialmente cualquier punto de Ia superficie corporal del individuo, de forma que sea posible aproximar, manipular y mover objetos, desde el cuerpo y/o hacia el mismo. Por eso, Ia cadena cinemática formada por el hombro, el codo, el antebrazo, Ia muñeca y Ia mano, tiene un alto grado de movilidad, así como capacidad distal de prensión con un infinito número de posiciones y funciones. El miembro superior es una de las partes del cuerpo más complejas anatómica y fisiológicamente.
Además, el miembro superior es muy importante pues es capaz de desarrollar actividades cognoscitivas, de expresión y de manipulación, e interviene en las funciones exploratorias del entorno y en todos los actos motores reflejos.
Así pues, cualquier alteración o patología que afecte el rango de movimiento de los miembros superiores, su fuerza muscular, sensibilidad y/o Ia integridad de su piel, alterará el funcionamiento de los mismos. Por ello, los objetivos de las ortesis del miembro superior deberán ser:
• Mantener Ia alineación articular,
• Asistir al movimiento deficitario, • Incrementar la coordinación y Ia función en varias tareas,
• Mantenimiento de Ia funcionalidad de Ia mano, y
• Prevención de las restricciones.
Una ortesis o plataforma ortésica es definida como un dispositivo médico que actúa exteriormente a un segmento del cuerpo humano con el fin de establecer algún tipo de compensación funcional. Las ortesis posturales o pasivas representan Ia forma común de actuación de las ortesis del miembro superior, que tiene como principal objetivo preservar Ia posición funcional de Ia mano (E. Viosca y otros, Guía de uso y prescripción de productos ortoprótesicos a medida, Publicaciones IBV, 1999).
Cuando una ortesis aplica algún tipo de fuerza sobre el cuerpo humano con Ia finalidad de mejorar Ia funcionalidad de algún miembro, esta ortesis es clasificada como ortesis dinámica. Una ortesis dinámica se puede definir como un grupo de férulas articuladas que, mediante Ia utilización de diversos dispositivos dinámicos, consiguen mejorar Ia funcionalidad del algún miembro. Las ortesis dinámicas cuentan con secciones independientes en los segmentos del antebrazo, muñeca, mano y dedos, a las que se les añade diversos componentes articulares para obtener el movimiento y Ia funcionalidad del miembro. Para que las ortesis funcionales dinámicas puedan desarrollar las funciones antes reseñadas se necesita conseguir un buen efecto de fijación como requisito previo. Respecto a este efecto de fijación se puede considerar dos aspectos diferentes:
1. La fijación de Ia ortesis sobre el segmento corporal al que se dirige, y 2. La fijación necesaria para que actúen los elementos dinámicos.
La fijación de Ia ortesis sobre el miembro superior se consigue utilizando una serie de cinchas de sujeción, que permiten aplicar fuerzas distribuidas a Io largo de los diferentes segmentos corporales implicados. Por otro lado, para que los elementos dinámicos desarrollen su acción, es necesario disponer de una base, o estructura rígida (Ia propia ortesis), que sirva de punto de aplicación de aquellas fuerzas externas que provocan el efecto dinámico.
En el estado de Ia técnica existen algunas patentes cuyo objetivo es el desarrollo de ortesis dinámicas para el miembro superior. Tal es caso de Ia patente US4180870 (Universal-orthese, Radulovic R., Karisik M., Wolfer K.R.) que se centra en el desarrollo de una ortesis universal para el miembro superior cuya función es asistir los movimientos del hombro y del codo en pacientes con algún tipo de debilidad en el miembro superior. Éste también es el objetivo de Ia patente US6179799 (Orthosis for supination and pronation of the wrist, Doran R.E.), con Ia diferencia de que el movimiento asistido es el movimiento de prono-supinación del antebrazo. La principal desventaja de estos dispositivos es Ia incapacidad de aplicar fuerzas controlables externamente en cada una de las articulaciones en que actúan. Además, no están dotadas de sensores para evaluar o medir el comportamiento del miembro superior. La medida de los movimientos del miembro superior es el objetivo de otras patentes. Un ejemplo es Ia patente US6334852B1 (Joint movement monitoring system, Seyl V.C.), que se centra en el desarrollo de una ortesis de miembro superior para Ia medición de varios movimientos de Ia articulación en Ia muñeca de su usuario. En el estado de Ia técnica también existen algunos dispositivos cuyo objetivo es el amortiguamiento del movimiento tembloroso a través de pesas, patentes US6458089 (Methods and devices for reducing trembling, Ziv-Av A.), US5058571 (Hand-held gyroscopic device, Hall; W.D.) y US6695794B2 (Active tremor control system, Kaiser; K.W., Hall; G. E.). Este tipo de dispositivos se caracteriza por poseer una masa que oscila en contrafase al movimiento tembloroso, cancelando de esta manera el temblor. Esta carga mecánica es independiente del tipo de movimiento realizado por el paciente (voluntario, tembloroso o una combinación de ambos). Como consecuencia el paciente siente una carga resistiva ante su movimiento intencional y por tanto una falta de confort. Otros inconvenientes son que estos tipos de dispositivos deben ser ajustados a las características de cada paciente y además, son capaces de controlar el temblor solamente en una dirección previamente definida.
En resumen, no existe en el estado de Ia técnica dispositivos ortésicos que: - permitan Ia aplicación específica de cargas en función de las características concretas del tipo de temblor (frecuencias y amplitudes variables) ni de las características particulares en un instante determinado del temblor en un paciente, que por Io general serán distintas a las de cualquier otro instante.
- sean capaces de aplicar cargas biomecánicas, activas o pasivas, al movimiento tembloroso en el mismo nivel en que es producido, o sea, en Ia articulación del miembro.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Breve descripción de Ia invención
La patente que se presenta se refiere a una plataforma ortésica ambulatoria para Ia monitorización, diagnóstico de temblor y validación de estrategias de control, tanto activas como pasivas, para Ia supresión del temblor patológico al tiempo que preserva el movimiento natural. El dispositivo se desarrolla en torno a una estructura articulada que permite soportar un conjunto de sensores y actuadores necesarios para Ia realización de las tareas de monitorización, diagnóstico y aplicación de estrategias de control.
La arquitectura de Ia plataforma está formada por un programa informático para Ia gestión, configuración y presentación de Ia información del sistema de ayuda al diagnóstico y cancelación del temblor, un dispositivo programable para Ia ejecución de los algoritmos de adquisición de Ia señal de los sensores y control de Ia ortesis, los algoritmos para Ia captación, interpretación de Ia señal de los sensores y activación de los actuadores, circuitos electrónicos para Ia interfaz entre los sensores y actuadores con el dispositivo programable, Ia estructura de Ia ortesis y fuentes de alimentación para los actuadotes, además de los propios actuadores.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención se enfrenta al problema de proporcionar nuevos dispositivos ortésicos u ortesis dinámicas para Ia evaluación, el diagnóstico y tratamiento de pacientes humanos con temblor patológico en extremidades o miembros superiores.
La presente patente se refiere a un dispositivo ortésico dinámico de estructura rígida o elástica para Ia fijación de actuadores y sensores que posibilitan así Ia aplicación de diferentes estrategias de control para Ia supresión del temblor sobre tres articulaciones del miembro superior humano (el hombro, el codo y Ia muñeca). Opcionalmente, Ia estructura del dispositivo ortésico puede ser flexible (textiles o materiales elásticos) cuando se emplea como herramienta de objetivación, monitorización y/o diagnóstico del temblor, en cuyo caso no incluye los actuadores aunque si el resto de elementos. La aplicación de una fuerza externa (a través de un actuador externo) proporciona a Ia ortesis un efecto corrector. Secundariamente colabora en el mantenimiento de una correcta alineación de los diferentes segmentos implicados.
Esta ortesis está basada en Ia aplicación de esfuerzos internos, es decir, Ia fuerza se aplica entre segmentos consecutivos del miembro para suprimir el temblor de tres articulaciones. Los esfuerzos pueden ser resistivos, disipativos, inerciales o los resultantes de estrategias de control activas.
Este dispositivo también permite implementar diversas estrategias de control, tanto activas como pasivas, para Ia supresión del temblor en las articulaciones responsables de Ia flexo/extensión de Ia muñeca, flexo extensión del codo, además de Ia prono-supinación del antebrazo, de manera que se pueda aplicar estrategias de control independientes en cada una de estas articulaciones mediante, por ejemplo, Ia utilización del método protegido en Ia patente española P200302927 (método y dispositivo biomecánico de cancelación de temblor patológico) que protege una estrategia de control para Ia cancelación activa de temblor patológico. Este método podría ser programado en el controlador de Ia ortesis objeto de esta patente. Los sensores se emplearían para capturar el movimiento del usuario. Un algoritmo permitiría Ia determinación de Ia frecuencia principal del temblor. Esta información se emplearía para generar el movimiento en contrafase que cancela el temblor.
La utilización de este dispositivo ortésico dinámico se relaciona, por un lado, con una herramienta de objetivación, evaluación y diagnóstico de pacientes con temblores patológicos en condiciones normales o a los que se les aplique cualquier estrategia de supresión del temblor y, por otro lado, con una herramienta para el tratamiento de dichos pacientes con temblores. El temblor patológico al que se puede aplicar el objeto de Ia presente invención (tanto en su vertiente de objetivación, evaluación y diagnóstico, como en su vertiente de cancelación) es el temblor de reposo (característico de Ia enfermedad de Parkinson), el temblor postural (característico del temblor esencial) y el temblor cinético o intencional (de múltiple etiología).
Las principales ventajas de este dispositivo ortésico dinámico objeto de esta patente pueden ser resumidas como:
• Es un dispositivo portátil, no invasivo y ambulatorio (puede funcionar sin Ia necesidad de referencias externas),
• Se obtienen datos biomecánicos a partir de una multiplicidad de sensores cinemáticos y/o cinéticos relativos o absolutos, • Ofrece información directa del par y/o potencia del temblor de cada articulación del miembro superior, Io que nos permite estimar Ia contribución de cada articulación sobre el movimiento total del temblor en toda Ia cadena cinemática del miembro superior,
• Ofrece información directa de Ia contribución de cada articulación sobre el movimiento tembloroso total, y
• No limita el rango y Ia libertad del movimiento del miembro superior.
El esquema de este grupo de ortesis pasivas sirve como módulo básico sobre el que se puede añadir nuevos componentes. La ortesis facilita Ia interfaz entre el sistema de supresión del temblor sin referencia externa y el miembro superior. Esta aproximación presenta las siguientes ventajas:
- La ortesis facilita Ia interfaz con el miembro,
- Proporciona alineación entre Ia articulación y Ia ortesis,
- - Proporciona una estructura rígida que permite Ia aplicación de par para cancelación del temblor, y - - Los límites del rango de movimiento resultan en una seguridad adicional.
Así, un objeto de Ia presente invención Io constituye un dispositivo ortésico dinámico útil para Ia monitorización, diagnóstico y supresión de temblor patológico en cualquiera de sus variantes del miembro superior humano, en adelante dispositivo ortésico u ortesis de Ia presente invención, constituida básicamente por los siguientes componentes (Figura 1 ): a) Un estructura ortésica con articulaciones (1) para Ia flexo-extensión del codo, prono-supinación del antebrazo y flexo-extensión de Ia muñeca que permite el acoplamiento de un conjunto de actuadores para Ia aplicación de esfuerzos (4) y sensores (2, 3), responsable de Ia interfaz entre los actuadores (4) de Ia ortesis y el miembro superior del paciente, compuesta por: i. Una multiplicidad de sensores que permiten obtener Ia información cinemática del brazo humano, ii. Una multiplicidad de sensores que permitan obtener Ia información cinética sobre Ia fuerza de interacción entre el brazo y Ia estructura descrita en a), y iii. Una multiplicidad de actuadotes rotativos que permiten actuar sobre el órgano afectado; b) Un dispositivo electrónico programable responsable de Ia ejecución de diferentes estrategias de control para Ia supresión del temblor basado en las lecturas de los sensores descritos en los puntos a. i) y a.ii), de Ia generación de señales de control para el gobierno de los actuadores descritos en a. iii) y de Ia comunicación con un dispositivo externo (8). c) Modulo eléctrico de potencia (5) conectado al dispositivo electrónico descrito en b) y capaz de convertir Ia señal de comando proveniente de b) en una señal de potencia para el gobierno de los actuadores, y d) Un dispositivo externo conectado al dispositivo electrónico descrito en b) capaz de proveer una interfaz para acceder a todas las funcionalidades de Ia plataforma ortésica que permita: i. El ajuste de Io parámetros de las estrategias de control, ii. La definición de modo de operación de Ia ortesis, iii. La presentación de las variables medidas por Ia ortesis, iv. El análisis del movimiento tembloroso, v. La presentación de diagnósticos, vi. Almacenamiento de los datos adquiridos por Ia ortesis, vii. Generación de informes, y viii. Ia comunicación con Ia ortesis. Un objeto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ortésico de Ia invención en el que los sensores utilizados para medir las variables cinemáticas (posición, velocidad y aceleración angulares) de a.i) son sensores inerciales capaces de funcionar en un rango mínimo de frecuencias entre 0 y 30 Hz, y entre otros, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia invención, pertenecientes al siguiente grupo: goniómetros, giroscopios y acelerómetros y de fuerza. Se han descrito temblores hasta una frecuencia máxima de 17-20 Hz, por Io que el rango hasta 30 Hz es conservador y comprende todos los posibles temblores. En el ejemplo, se emplea un sensor que va más allá.
Otro objeto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ortésico de Ia invención en el que los sensores utilizados para medir las variables cinéticas descritos en a.ii) son sensores de fuerza capaces de funcionar en un rango mínimo de frecuencias entre 0 y 30 Hz, y entre otros, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia invención, pertenecientes al siguiente grupo: conjunto de galgas extensométricas montadas en Ia configuración de Puente de Wheatstone.
Otro objeto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ortésico de Ia invención en el que los actuadores rotativos de a.iii) son motores para producir Ia acción canceladora del temblor, y entre otros, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia invención, pertenecientes al siguiente grupo: motores ultrasónicos y un conjunto de motor de corriente continua y reductor. Como una realización concreta de Ia invención se ha utilizado un motor DC plano como ejemplo de motor de corriente continua y reductor. Otro objeto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ortésico de Ia invención en el que el dispositivo electrónico programable de b) es capaz de adquirir señales de los sensores, procesarlas, analizarlas y generar una señal de control de los actuadores y de implementar estrategias de seguimiento e identificación del temblor basadas en un algoritmo en el dominio de Ia frecuencia o del tiempo, entre otros, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia invención, pertenecientes al siguiente grupo: estándar IEEE-1057, Filtro de Kalman y el Filtro de Benedict-Bordner (J. M. Belda-Lois, J. Sanchez- Lacuesta, M. J. Vivas-Broseta, E. Rocon, L. Bueno, J. L. Pons, Tremor movement analysis techniques: an approach towards ambulatory systems, Asistive Technology - Shaping the future, pp. 827-831 , 2003).
Una realización particular del dispositivo ortésico de Ia invención es aquel en el que el dispositivo electrónico programable de b) pertenece al siguiente grupo: un microcontrolador, un microprocesador, un DSP o un ordenador ejecutando algún sistema operativo de tiempo real.
El dispositivo ortésico de Ia presente invención puede acoplarse o adaptarse por un experto en Ia materia a otras realizaciones existentes del mercado, como por ejemplo puede utilizarse el método protegido por Ia patente española P200301767 como el algoritmo de cancelación del temblor ejecutado por el dispositivo electrónico programable descrito en el punto 1.b).
Otro objeto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ortésico de Ia invención en el que el dispositivo externo de d) es capaz de comunicarse con el dispositivo electrónico programable de b) funcionando como una herramienta de configuración capaz de: a) ajustar los parámetros de las estrategias de control ejecutadas por el dispositivo electrónico de b), y b) definir el modo de operación de Ia ortesis. Otro objeto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ortésico de Ia invención en el que el dispositivo externo de d) funciona como una herramienta de interfaz entre el dispositivo ortésico y el observador capaz de: a) presentar las variables medidas por Ia ortesis, b) analizar el movimiento tembloroso, c) presentar diagnósticos basados en los valores medidos, d) almacenar los datos adquiridos por Ia ortesis, y e) generar informes sobre los experimentos realizados.
Otro objeto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ortésico de Ia invención en el que el dispositivo externo d) puede operar en ambos modos, es decir, como una herramienta de configuración y de interfaz. Otra realización particular del dispositivo ortésico de Ia invención es aquel en el que el dispositivo externo d) pertenece al siguiente grupo: un ordenador, una PDA y un Pocket PC.
Otro objeto particular de Ia invención Io constituye el dispositivo ortésico de Ia invención en el que Ia comunicación entre el dispositivo electrónico programable de b) y el dispositivo externo de d) se realiza, entre otros medios, a título ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia invención, pertenecientes al siguiente grupo: a través cables utilizando protocolos de comunicación TCP/IP o seriales, de manera inalámbrica utilizando Ia tecnología Bluetooth, Ia tecnología Hornero, Ia tecnología Wifi y Ia tecnología de infrarrojos IrDA.
Otro objeto particular de Ia presente invención es el dispositivo ortésico dinámico de Ia invención en que Ia estructura del mismo no es rígida sino que es flexible (textiles o materiales elásticos). Esta alternativa del dispositivo se emplearía como herramienta para Ia objetivación, monitorización y/o diagnóstico del temblor, en cuyo caso además no incluye los actuadores aunque si el resto de elementos.
Por otro lado, Ia plataforma objeto de esta patente posee tres modos operativos prácticos distintos:
1.- Monitorización - Ia plataforma actúa como un sistema de medida y caracterización del temblor tanto cualitativa como cuantitativamente. De esta manera no ofrece ningún tipo de oposición al movimiento del paciente, sea este movimiento voluntario o tembloroso. En este modo de operación Ia plataforma trabaja en tiempo real, permitiendo leer, procesar los datos y registrar el temblor para diferentes tareas específicas a realizar por el paciente. De esa manera se comporta como una herramienta de adquisición y análisis de señales de temblor y puede ser usado como una ayuda para el diagnóstico médico (el tipo y grado de temblor que padece un paciente) y para observar el progreso de un tratamiento.
2.- Intervención Pasiva - Ia plataforma actúa como un dispositivo capaz de amortiguar mecánicamente los efectos causados por el temblor, aplicando fuerzas sobre el miembro superior para compensar las vibraciones originadas por el temblor y estabilizar el movimiento voluntario del usuario. Es importante resaltar que en este modo Ia plataforma permite Ia evaluación del funcionamiento de Ia estrategia de control a través de Ia lectura de las señales de los sensores. De esa manera se puede apreciar Ia reducción, o no, de los efectos del temblor sobre el miembro superior.
3.- Intervención Activa - Ia plataforma suprime el temblor como un sistema dinámico, generando señales disipativas proporcionales a Ia intensidad del temblor. Como en el modo Intervención Pasiva, en este modo Ia plataforma también permite Ia evaluación del funcionamiento de Ia estrategia de control a través de Ia lectura de las señales de los sensores, permitiendo así que se aprecie la reducción, o no, de los efectos del temblor sobre el miembro superior. Este tipo de intervención está basada en el método descrito en Ia patente P200301767.
Así, otro objeto de Ia presente invención Io constituye Ia utilización del dispositivo ortésico de Ia presente invención, en adelante utilización del dispositivo ortésico, en Ia monitorización y diagnóstico de enfermos humanos con temblores patológicos en condiciones normales o a los que se les aplique cualquier estrategia de supresión del temblor y, además, en el tratamiento de enfermos humanos con temblores. El temblor patológico al que se puede aplicar el objeto de Ia presente invención (tanto en su vertiente de objetivación, evaluación y diagnóstico, como en su vertiente de cancelación-tratamiento) pertenece, entre otros, a titulo ilustrativo y sin que limite el alcance de Ia presente invención, al siguiente grupo: el temblor de reposo (característico de Ia enfermedad de Parkinson), el temblor postural (característico del temblor esencial) y el temblor cinético o intencional (de múltiple etiología).
EXPLICACIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS
Figura 1.- La figura representa esquemáticamente Ia arquitectura del dispositivo ortésico propuesto. El bloque 1 representa Ia estructura rígida con articulaciones para el codo, prono-supinación del antebrazo y flexo- extensión. Los bloques 2 y 3, respectivamente, representan los sensores cinemáticos y cinéticos acoplados a ésta estructura rígida. El bloque 4 representa los actuadores rotativos acoplados a Ia estructura rígida que permiten actuar sobre el órgano afectado. El bloque 5 representa un módulo eléctrico de potencia conectado al dispositivo electrónico programable caracterizado por convertir Ia señal de comando en una señal de potencia para el gobierno de los actuadores. El bloque 6 representa un dispositivo electrónico programable caracterizado por ejecutar diferentes estrategias de control para Ia supresión del temblor y capaz de generar señales de control para el gobierno de actuadores y de comunicarse con un dispositivo externo. El bloque 7 representa un dispositivo externo conectado al dispositivo electrónico capaz de proveer una interfaz para acceder a todas las funcionalidades de Ia plataforma ortésica y presentar los datos de una forma apropiada a los clínicos. El bloque 8 representa la comunicación entre el bloque 6 y el bloque 7 que puede ser implementada tanto de manera inalámbrica (Bluetooth, Hornero, Wifi or IrDA) como a través de cables (TCP/IP, serial cable).
Figura 2.- Ortesis para cancelación del temblor a nivel del codo. La figura ilustra esquemáticamente Ia estructura rígida para Ia articulación del codo. Acoplados a ésta estructura rígida están un conjunto de sensores cinemáticos y cinéticos además de un actuador rotativo que permiten actuar sobre Ia articulación del codo.
EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
Ejemplo 1.- Desarrollo de una solución ortésica para cancelación del temblor a nivel del codo.
Como una realización particular de Ia presente invención se describe una ortesis para Ia cancelación del temblor a nivel del codo. La ortésis está formada por una estructura rígida articulada que permite soportar un conjunto de sensores y actuadores para implementar las estrategias de control para Ia cancelación del temblor (Figura 2).
En este ejemplo se emplean como sensores cinemáticos dos giroscopios situados sobre Ia estructura rígida a ambos lados de cada articulación y que ofrecen información sobre Ia velocidad angular absoluta de los segmentos (brazo y antebrazo) en el plano de movimiento de Ia articulación. El rango frecuencial de medida está comprendido entre 0 y 50 Hz, cubriendo así todo el rango frecuencial de los posibles temblores.
Los sensores cinéticos empleados en este ejemplo para Ia medición de Ia fuerza de interacción entre Ia ortesis y el miembro son galgas extensométricas. Las galgas son responsables de Ia medida del par de cancelación aplicado por los motores sobre Ia estructura de Ia plataforma ortésica, por Io tanto, están montadas sobre Ia estructura de manera que miden solamente Ia fuerza perpendicular al eje del motor, de esta forma sus medidas no son influenciadas por fuerzas originadas en direcciones indeseadas. Las galgas extensiométricas están conectadas en un circuito de Puente de Wheatstone en una combinación de cuatro galgas activas (puente completo). Como actuador se utiliza un conjunto motor DC plano y reductor para generar el par de cancelación del temblor en Ia articulación de interés. El par total que puede ser generado por el conjunto motoreductor es de 8 N.m pero está limitado a través de Ia energía entregada por el modulo de potencia al motor a 3 N.m, suficiente para contrarrestar el par medio del temblor a este nivel sin Ia posibilidad de causar daños al usuario.
Todos los algoritmos utilizados para Ia cancelación del temblor fueron implementados utilizando los entornos de programación Matlab y RealTime Workshop. Los algoritmos son ejecutados por un ordenador personal sobre el Kernell de tiempo real xPCTarget. Este ordenador incorpora tarjetas de adquisición de Ia suficiente velocidad de captura y resolución, en este caso 200 Khz. y 12 bits respectivamente, además de una tarjeta de red con puerto de comunicación TCP/IP.
Se implementa una estrategia de identificación y seguimiento del temblor de acuerdo con el método descrito en Ia patente española P200301767. La frecuencia de muestreo seleccionada para el lazo de identificación es de 1 KHz. Toda vez que Ia estrategia seleccionada otorga Ia estimación con un retardo de una única muestra, el retardo de Ia estimación se reduce a 1 ms, despreciable en comparación con Ia frecuencia intrínseca del temblor que está comprendida entre 2 y 12 Hz.
Además, se implementa un modelo dinámico del miembro superior capaz de estimar en tiempo real los valores de par y potencia del temblor en cada articulación. Con este modelo es posible evaluar Ia contribución de cada articulación del brazo sobre el temblor en Ia extremidad del brazo. El método para Ia obtención de Ia cinemática del brazo es el método de las matrices de transformación homogénea (Fu, K. S.; González, R. C; Lee, C. S. G; Robotics: control, sensing, visión, and intelligence. McGraw-Hill, Inc. New York, NY, USA, 1997). El modelo desarrollado está basado en Ia parametrización Denavit- Hartenberg. Para modelar Ia dinámica del brazo humano fue utilizada una combinación entre el modelo cinemático, desarrollado mediante Ia técnica de matrices de transformación y parámetros antoprométricos humanos extraídos de las tablas de Leva (P. de Leva, Adjustments to Zatsioorsky-Seluyanov's segment inertia parameters, Journal of Biomechanics, 29, 9, pp. 1223-1230, 1996). Los parámetros relacionados a Ia dinámica del miembro (centro de masa, masa del miembro, matriz de inercia) han sido obtenidos a través de las correcciones de Leva a las tablas biomecánicas de Zatsiorsky and Selyyanoy (V.M. Zatsiorsky and V.N. Seluyanov and L.G. Chugunova, Methods of determining mass-inertial characteristics of human body segments, en Contemporary problems of biomechanics, CRC Press, pp. 272-291 , 1990). Para Ia implementación del modelo desarrollado se ha utilizado el algoritmo recursivo de Newton de manera que se permite Ia implementación de los algoritmos de estimación de una forma modular. Como dispositivo externo responsable por Ia implementación de Ia interfaz con el usuario se utiliza un ordenador personal. La interfaz con el usuario está programada en el lenguaje de programación orientado a objetos Visual C++. La comunicación entre el ordenador de control y el ordenador de interfaz es realizada a través de cables utilizando el protocolo de comunicación TCP/IP.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- Dispositivo ortésico dinámico útil para Ia monitorización, diagnóstico y supresión de temblor patológico en cualquiera de sus variantes caracterizado porque comprende: a) Una estructura con articulaciones rígidas para el codo, prono- supinación del antebrazo y flexo-extensión de Ia muñeca que permite el acoplamiento de un conjunto de actuadores y sensores compuesta por: i.- Una multiplicidad de sensores de las señales eléctricas correspondientes a movimientos temblorosos que permiten obtener Ia información cinemática del brazo humano, ii.- Una multiplicidad de sensores de las señales eléctricas correspondientes a movimientos temblorosos que permiten obtener Ia información cinética sobre Ia fuerza de interacción entre el brazo y Ia estructura descrita en punto a), y iii. Una multiplicidad de actuadores rotativos que permiten actuar sobre el órgano afectado; b) Un dispositivo electrónico programable responsable de Ia ejecución de diferentes estrategias de control para Ia supresión del temblor basado en las lecturas de los sensores descritos en los puntos a. i) y a.ii), de Ia generación de señales de control para el gobierno de los actuadotes descritos en a.iii) y de Ia comunicación con un dispositivo externo de d); c) Modulo eléctrico de potencia conectado al dispositivo electrónico descrito en b) capaz de convertir Ia señal de comando proveniente de b) en una señal de potencia para el gobierno de los actuadores; y d) Un dispositivo externo conectado al dispositivo electrónico descrito en b) capaz de proveer una interfaz para acceder a todas las funcionalidades de Ia plataforma ortésica y de presentar los datos de una forma apropiada.
2.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque los sensores utilizados para medir las variables cinemáticas de a. i) son sensores inerciales capaces de funcionar en un rango mínimo de frecuencias entre 0 y 30 Hz.
3.- Disposi tivo ortésico según Ia reivindicación 2 caracterizado porque los sensores inerciales pertenecen al siguiente grupo: giroscopios, goniómetros, acelerómetros y de fuerza.
4.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque los sensores utilizados para medir las variables cinéticas descritos en a.ii) son sensores de fuerza capaces de funcionar en un rango mínimo de frecuencias entre 0 y 30 Hz.
5.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 4 caracterizado porque los sensores de fuerza son un conjunto de galgas extensométricas montadas en Ia configuración de Puente de Wheatstone.
6.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque los actuadores rotativos de a.iii) son motores ultrasónicos.
7.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque los actuadores rotativos de a.iii) son un conjunto de motor de corriente continua y reductor.
8.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 7 caracterizado porque el motor de corriente continua es un motor DC plano.
9.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 7 caracterizado porque el reductor acoplado al motor de corriente continua es un reductor plano.
10.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque el dispositivo electrónico programable de b) es capaz de adquirir señales de los sensores, procesarlas, analizarlas y generar una señal de control de los actuadotes y de implementar estrategias de seguimiento e identificación del temblor.
11.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 9 caracterizado porque las estrategias están basadas en un algoritmo en el dominio de Ia frecuencia o del tiempo.
12. Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 10 caracterizado el algoritmo pertenece al grupo siguiente: estándar IEEE-1057, Filtro de Kalman y el Filtro de Benedict-Bordner.
13.- Dispositivo ortésico según las reivindicaciones 9 a Ia 11 caracterizado porque el dispositivo electrónico programable pertenece al siguiente grupo: un microcontrolador, un microprocesador, un DSP y un ordenador ejecutando algún sistema operativo de tiempo real.
14.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque el dispositivo externo de d) es capaz de comunicarse con el dispositivo electrónico programable de b) funcionando como una herramienta de configuración capaz de: a) ajustar los parámetros de las estrategias de control ejecutadas por el dispositivo electrónico de b), y b) definir el modo de operación de Ia ortesis.
15.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque el dispositivo externo de d) funciona como una herramienta de interfaz entre el dispositivo ortésico y el observador capaz de: f) presentar las variables medidas por Ia ortesis, g) analizar el movimiento tembloroso, h) presentar diagnósticos basados en los valores medidos, i) almacenar los datos adquiridos por Ia ortesis, y j) generar informes sobre los experimentos realizados.
16.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque el dispositivo externo d) puede operar en ambos modos según las reivindicaciones 13 y 14.
17.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque el dispositivo externo d) pertenece al siguiente grupo: un ordenador, una PDA o un Pocket PC.
18.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque Ia comunicación entre el dispositivo electrónico programable de b) y el dispositivo externo de d) se realiza a través cables utilizando protocolos de comunicación
TCP/IP o seriales.
19.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque Ia comunicación entre el dispositivo electrónico programable de b) y el dispositivo externo de d) se realiza de manera inalámbrica utilizando Ia tecnología
Bluetooth.
20.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque Ia comunicación entre el dispositivo electrónico programable de b) y el dispositivo externo de d) se realiza de manera inalámbrica utilizando Ia tecnología Wifi.
21.- Dispositivo ortésico según Ia reivindicación 1 caracterizado porque Ia comunicación entre el dispositivo electrónico programable de b) y el dispositivo externo de d) se realiza de manera inalámbrica utilizando Ia tecnología de infrarrojos IrDA.
22.- Dispositivo ortésico según las reivindicaciones 1 a Ia 21 caracterizado porque Ia estructura del mismo es flexible, preferentemente de materiales textiles o materiales elásticos y no incluye los actuadores.
23.- Utilización del dispositivo ortésico según las reivindicaciones 1 a Ia 22 en Ia monitorización y diagnóstico de temblores de enfermos humanos o para Ia evaluación del efecto de medicamentos sobre el temblor.
24.- Utilización del dispositivo ortésico según las reivindicaciones 1 a Ia 22 en el tratamiento de temblores de enfermos humanos.
25.- Utilización según Ia reivindicación 23 y 24 caracterizada porque el temblor patológico pertenece al siguiente grupo: el temblor de reposo (característico de Ia enfermedad de Parkinson), el temblor postural (característico del temblor esencial) y el temblor cinético o intencional (de múltiple etiología).
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