WO2014006563A2 - Sistema e método para estimulação proprioceptiva, monitorização e caracterização de movimento - Google Patents

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Virgílio António FERRO BENTO
João Paulo TRIGUEIROS DA SILVA CUNHA
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Definitions

  • the present concerns a system for proprioceptive stimulation, monitoring and characterization of movement in the area of motor neuro-rehabilitation.
  • Robotic devices allow continuous repetition of specific motor tasks, assisting the patient in his correct execution.
  • they are devices of high cost of production and operation, requiring specialized human resources, which prevents ambulatory use and democratization. For this reason they offer a reduced exposure to treatment and therefore a lower possibility of overall health gains, which has been demonstrated in clinical studies.
  • its use is promising in more restricted cases, as it allows the continuous training of specific daily tasks such as opening a door, a bottle, among others.
  • SWORD Stroke Wearable Operative Rehabilitation Devices
  • SWORD the method and system referred to herein as SWORD will have lower production costs and require less human resources for operation resulting in easier dissemination by the patients in need thereof, enhancing the possible gains in Cheers.
  • SWORD may be used in integrated marketable products (intervention / monitoring) as envisaged in the original device design, or may be applied separately in devices directed solely to vibratory stimulation or the quantification and monitoring of movement quality.
  • the main application for this type of products is health, namely neurorehabilitation.
  • Potential users are, on the one hand, healthcare institutions that treat neurological patients, namely rehabilitation centers and neurology departments, and, on the other, the patients themselves.
  • the pathologies that may benefit from this technology are for example strokes, head and spinal cord injuries, post-neurosurgery injuries, all with high annual incidence, prevalence and impact on quality-adjusted life years (QALYs). ).
  • Another segment is that of basic or clinical scientific activity, where variations of products developed as a tool for administering standardized vibratory stimuli and as outpatient motor quantification instruments may be presented. It is a smaller segment but important in the medium term for the possible benefits in extending applications and validating clinical indications for this technology.
  • the outpatient motion quantification system can also be applied to products targeting playful market segments (eg dance, video games, interactive TV, 3D cinema) in the field of sports and improved motor performance in competition.
  • the present invention brings together several novel features in the field of neurorehabilitation.
  • SWORD rehabilitation paradigm underlying the use of the method and system referred to herein as SWORD, thus their outpatient use will allow for increased training intensity, the monitored repetition of tasks and their feedback to the patient, family member and responsible physician, meeting all the conditions that enable the achievement of effective functional recovery.
  • Robotic devices allow continuous repetition of specific motor tasks, assisting the patient in their correct execution. However, they are devices of high cost of production and operation, requiring specialized human resources, which prevents ambulatory use and democratization. Because of this they offer a reduced exposure to treatment and consequently a lower possibility of overall health gains, which has been shown in clinical studies.
  • US5575761 (A) describes a device for variable vibrating massage of various parts of the human body.
  • US6093164 (A) describes a sleeve for low frequency and diffuse vibratory application to the limbs.
  • US6878122 (B2) describes a robotic motor facilitation and simulation device through vibratory stimuli in the affected body areas.
  • WO2008094485 (A2) describes a portable device for applying vibration and thermal variations on painful areas of the human body.
  • WO2010028042 (A1) describes a portable device for applying vibration and thermal variations on painful areas of the human body.
  • US2010004709 (A1) describes a device for enhancing cerebral perfusion by stimulating the peripheral nerves with various stimuli and vibrating the head.
  • ⁇ enable the device network to act in synchronous or asynchronous mode, using a predefined pacing sequence that will be programmed in the clinical setting and defined according to the clinician's guidelines;
  • ⁇ provide feedback to the patient, at the moment, and to the clinical staff thereafter, on the quality of movement performed after actuation. It is important to note that "quality of movement” is understood to mean its parameterization as translation and orientation of the limb in space and not just quantification of translation, as if it were an actigraph;
  • the proposed device is innovative not only in its specifications but also in its approach to rehabilitation. According to the most recent revisions of current stroke rehabilitation paradigms, the method and system referred to herein as SWORD is established as a new approach.
  • SWORD is established as a new approach.
  • the performance of vibratory stimuli either continuously or at predefined intervals is not studied as a neurorehabilitation technology, but its excitatory capacity of the CNS (Central Nervous System) has already been proven.
  • CNS Central Nervous System
  • FIG. 1 Example of modular system integration referred to herein as SWORD for the upper limb.
  • Control module proprioceptive stimulation and movement quantification in the arm region
  • Control, proprioceptive stimulation and movement quantification module located in the forearm region
  • FIG. 1 Constituent units of each modular element of the system referred to herein as SWORD.
  • Proprioceptive intervention unit Figure 3 Internal Functioning of the Constituent Units of each System Module referred to herein as SWORD.
  • Stimulation or actuation unit (7)
  • Figure 4 Example of arrangement of modules and stimulation elements on the upper limb.
  • Figure 5 Example of arrangement of modules and stimulation elements on the lower limb.
  • Figure 6 Example of arrangement of modules and stimulation elements on the trunk. 19. Control, proprioceptive stimulation and movement quantification module in the trunk region, namely abdomen
  • Figure 7 Example of the conceptual model of the earth axis system and the module used for the estimation of the rotation matrix.
  • SWORD allows for high intensity training due to its outpatient use, aims to repeat specific tasks, and is unique in being able to provide biofeedback in terms of the characterization of movement performed in terms of of its quality and quantity.
  • SWORD Compared to the complex, high-tech robotic devices, the method and system referred to herein as SWORD requires less human resources to operate and can more easily be disseminated to patients in need, enhancing potential health gains.
  • the integration and communication between the stimulation and quantification systems allow the dynamic configuration of both components.
  • each unit consists of segmental modules. Each of these modules consists of Units, each with a main function. Finally, each unit consists of several blocks, which articulate according to the function performed by the respective unit.
  • SWORD The system referred to herein as SWORD is usually composed of several interconnected modules. Each module is responsible for proprioceptive stimulation and characterization of movement of a body segment. The number of modules to be used in each individual depends on the body segments to be stimulated and from which it is intended to collect quantitative and qualitative information on ambulatory movement. Communication between modules takes place so ⁇ bi - directional. All modules communicate with each other and share information regarding the pacing mode in use and the movement performed. In this way each module is aware of the current and past state of the other modules, thus allowing a dynamic configuration of the proprioceptive stimulus to be used. This communication methodology allows the proprioceptive stimulus to be applied only to the body member responsible for the erroneous execution of the motor task.
  • the transmitted biofeedback is thus likely to be directed to only a part and not to most body elements, notifying the user in detail of the location of the error. Additionally, such communication is essential in order to update the biomechanical model at each time point, since there is a direct dependency relationship between the various body elements.
  • Each of the individual modules (e.g. 1, 2, 3, 4, 17, 18,
  • the main module (1) is the one that is closest to the body's center of gravity and integrates the information collected by all modules of that limb and that controls the stimulation mode at the level of each module. distal and defines whether simultaneous, random or programmed pacing should occur.
  • each module the system is usually composed of three overlapping and interconnected components as shown in Figure 2: a continuous motion monitoring and quantization unit (5); a global control, communication and synchronization unit between modules (6); and a stimulation or actuation unit (7).
  • a continuous motion monitoring and quantization unit (5) a global control, communication and synchronization unit between modules (6)
  • a stimulation or actuation unit (7) The internal components of each unit, how each unit operates and how they are interconnected are described below and in Figure 3.
  • this may occur wired or wirelessly, depending on the wearable solution chosen. If communication and synchronization between modules is wireless, this is done through low power elements to maximize device autonomy.
  • the modules may be described as follows:
  • Control module proprioceptive stimulation and quantification of movement situated in the shoulder girdle (1). At the level of movement characterization, this module is responsible for the characterization of movement performed by the shoulder. This module has primacy of control over the surrounding modules, denoted by 2 and 3. At the communication level, module 1 is responsible for synchronizing proprioceptive modes of operation 2 and 3. Control module, proprioceptive stimulation and movement quantification located in the arm region (2). At the movement characterization level, this module is responsible for the movement characterization performed by the arm. Its proprioceptive mode of operation is synchronized through the interface with module 1.
  • Control module proprioceptive stimulation and quantification of movement located in the forearm region (3).
  • this module is responsible for the characterization of movement performed by the forearm. Its proprioceptive mode of operation is synchronized through the interface with module 1.
  • Control module proprioceptive stimulation and quantification of movement located in the hand region (not shown in figure 4). At the level of movement characterization, this module is responsible for the characterization of movement performed by the hand. Its proprioceptive mode of operation is synchronized through the interface with module 1.
  • the modules can be described as follows:
  • Control module proprioceptive stimulation and quantification of movement in the thigh region (17).
  • this module is responsible for the characterization of movement performed by the thigh. Depending on the selected location typology, this may be the element control or have its proprioceptive mode of operation synchronized via the interface with another module.
  • Control module proprioceptive stimulation and quantification of movement in the knee and leg region (18).
  • this module is responsible for the characterization of movement performed by the leg. Its proprioceptive mode of operation is synchronized through the interface with the remaining modules (e.g. 17 and 19), depending on the selected location typology.
  • Control module proprioceptive stimulation and quantification of movement located in the ankle region (not shown in figure 5). At the level of movement characterization, this module is responsible for the characterization of movement performed by the ankle. Its proprioceptive mode of operation is synchronized through the interface with the other modules, depending on the selected location typology.
  • Control module proprioceptive stimulation and quantification of movement located in the foot region (not shown in figure 5). At the level of movement characterization, this module is responsible for the characterization of movement performed by the foot. Its proprioceptive mode of operation is synchronized through the interface with the other modules, depending on the selected location typology. In certain situations, additional modules located in the head, thorax or abdomen region may be required (figure 6) and work seamlessly with the other modules, allowing the collection of overall body movement information, including fall detection, and also allowing integrated patterns of upper, lower limb and trunk stimulation. Its components will be the same as the other modules and their mode of operation as well.
  • the system can operate on the upper limb only, lower limb only, trunk only, head only or with all possible segmental components or combinations between them.
  • Each continuous motion monitoring and quantitation unit (5) contains gyros (8), accelerometers (9), magnetometers (10), sensory fusion block (11) and a motion characterization block (12) and is responsible for all the collection of kinetic data of the respective segment and its processing, for transfer to the Global Control Unit, communication and synchronization between modules (6).
  • Each global control, communication and synchronization unit between modules (6) contains a general control block (13) and a communication and synchronization block (14).
  • the Stimulation or Actuation Unit (7) contains a proprioceptive stimulus definition and control block (15) and proprioceptive stimulation elements (16), the latter being over the site or sites of the human body to be stimulated.
  • the quantification and movement characterization unit (5) through the interface with the global control unit (6) allows to define the type of motion. stimulus to be applied by the Proprioceptive Intervention Unit (7), depending on the position of the segment and body and the executed movement was the preset or not.
  • Elements 8, 9, 10 are kinetic (quantitative and qualitative) information gathering structures that project to their data in the sensory fusion block (11).
  • Movement qualification is defined as the characterization of limb displacement in space in terms of translation and rotation. This qualification is obtained by merging the measurements from the magnetometers (10), accelerometers (9) and gyros (8) incorporated into the device using stochastic estimators. The movement made is later compared to patient-trained movement in a clinical setting at block level 13. Parameterization of trained movement is achieved by using the device referred to herein as SWORD in combination with classical rehabilitation therapy. This information is stored in block 13.
  • the sensory fusion block (11) represents the mathematical algorithm that from three independent measurements (acceleration, angular rotation and magnetic field) calculates the translation and rotation in space of the module and the body segment to which it is associated.
  • This block 11 receives unidirectional information from elements 8, 9 and 10 and projects it into block 12.
  • the mathematical algorithm underlying the sensory fusion block is based on the estimation of a rotation matrix (23) between two axes. refer to the ground reference axis system and the rotating module axis system ( Figure 7). Therefore, the estimated rotation for the module will always be referenced to the earth axis system.
  • the rotation matrix (23) that transforms the ground axis system into the module axis system (and vice versa) is obtained by discrete integration in time of gyro measurements (8) for angular rotation.
  • the estimation of the error present in the measurements from the gyroscope results from the geometric comparison between the earth axis system and the reference vectors obtained through the magnetometer (12) and the accelerometer (9).
  • the noise present in the angular rotation measurements will also be present in the ground axis system, since it is obtained by multiplying the rotation matrix (23) with the module axis system.
  • both error components obtained are applied to a proportional-integral type controller which will result in error-free angular rotation measurements that can be used for discrete time integration of the rotation matrix (23). .
  • the rotation matrix may be transformed into Euler or quaternion angles.
  • the motion characterization block 12 represents the mathematical algorithm combining the rotation and translation measurements from the sensory fusion block 11 with the description of the user's representative biomechanical system. This block outputs the vectors that mathematically describe the movement performed. This block 12 receives unidirectional information from block 11 regarding the translation and rotation in space of the segment to be characterized in terms of movement. Block 12 receives and sends information to and from block 13.
  • the mathematical algorithm transforms, through rotation and translation operations, each vector element of the biomechanical system.
  • the transformer element represents the rotation of a reference axis in three-dimensional space and may exist in the form of quaternions, rotation matrices or Euler angles. The transformed element may be any position of interest of the biomechanical system defined in three-dimensional space.
  • Block 13 ( Figure 3) is the global control block responsible for aggregating and analyzing the information received by the three blocks 12,14 and 15.
  • Block 13 receives and sends information to blocks 12,14 and 15.
  • This information, by Each module level is of two types: internal to the module, when it comes from blocks 12 and 15; and external to the module (coming from other modules) when coming from block 14 responsible for communication and synchronization between modules.
  • the information received at block level 13 relates to the characterization of the movement of the other body segments to be rehabilitated.
  • the information sent to block 13 refers to the motion characterization of the segment relative to the module.
  • the movement performed characterized by the dynamics of the points of interest defined and calculated in the motion characterization block 12, is compared with the metrics of a normal motor execution.
  • Information regarding the deviation in the quality of movement performed is transformed into a proprioceptive stimulus, specified according to the body element that caused abnormally executed movement.
  • Block 13 sends to block 15 the dynamic definition of the proprioceptive stimulus to be applied.
  • Block 15 interfaces between block 13 and proprioceptive stimulation elements (16).
  • the stimulation is vibration based, it will adapt the signal from the microcontroller to to be conveniently replicated in its topology by vibration motors.
  • this may occur wired or wirelessly, depending on the wearable solution chosen.
  • the communication / synchronization between the modules is wireless, it is made through low consumption elements to maximize the device autonomy.
  • Main modules are, for example, the shoulder module for the upper limb and the thigh module for the lower limb.
  • the remaining modules communicate with each other through an internal communication network. All modules incorporate a transmitter and receiver.
  • the main modules incorporate information storage systems.
  • Extra-module communication occurs between the main modules and the clinician analysis software responsible for the therapeutic plan.
  • This communication takes place in a bi-directional manner and provides data on ambulatory use of the device by the user. It also allows configuring the network of modules in terms of movement characterization and stimulus definition according to the therapeutic plan specified by the clinician.
  • the internal communication network exchanges information regarding the rotation and translation of each sensory element in three-dimensional space, so that in the motion characterization block (12) of each module a mapping of the various body segments in a model is possible. complete biomechanical, capable of representing the dynamics of movement.
  • the exchange of information between modules also includes the definition of proprioceptive stimulus that is being applied in each module. This component allows proprioceptive stimulation in a rhythmic manner, since each module knows the sequence and timing of each proprioceptive stimulus in each module.
  • the device also allows its quick configuration through communication between the main module and a personal computer, using specifically developed software for this purpose.
  • the pacing mode can be set to continuous or intermittent and if the latter is selected, the actuation interval can be set.
  • Another possibility is to configure the amplitude of the stimuli, if they are vibratory, and occur synchronously or asynchronously in all modules. It is also possible to visualize in this software the movements made by the patient after the stimulus actuation and its evaluation when compared with the movements made in the clinical environment.
  • the dynamic configuration of the module network located on the upper limb is carried out e.g. by the main module placed on the shoulder.
  • the dynamic configuration of the module network in the lower limb is done for example. by the main module placed on the thigh.
  • the main modules are responsible for the aggregation of information from the network which, combined with the previous definition of therapy, allows the proprioceptive stimulus to be better adapted to the situation.
  • the prior definition of Therapy is performed by the software available to the clinician who synchronizes with the network through both main modules.
  • Each module includes in a preferred embodiment a portable power source that will allow the device to be used for several hours or more. Total autonomy will depend on the device's configuration in relation to its mode of operation. Batteries can be included in the same package as the modules and preferably can be recharged via a USB connection to a computer or to an electrical outlet (using a specific adapter).
  • Devices for stimulus application eg, vibratory, tactile, thermal, painful, among others.
  • the stimulus is of the vibratory type, it can be performed by means of vibration motors controlled at the stimulus amplitude and frequency through the voltage applied to its terminals.
  • the definition of the stimulus is made by combining three variables: frequency of vibration, amplitude of vibration and interval between the actuation of stimuli. If the actuation mode is specified as continuous, the definition of the stimulus will only depend on two variables: vibration frequency and vibration amplitude.
  • the positioning of the proprioceptive acting elements will depend on the configuration selected and the limb to be rehabilitated: the upper limb or the lower limb.
  • SWORD new clinical decision algorithms
  • SWORD allows for a radical change.
  • devices with the following characteristics:
  • proprioceptive and movement quantification and qualification ⁇ integrated into easy-to-wear garment for people with hemiparesis due to central nervous system injury
  • the present invention will thus allow outpatient use combining the possibility of vibratory stimulation and the continuous characterization of movement by the deficient body part and the provision of information collected to the patient and to the attending clinicians through specific software.

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Abstract

Sistema e método para estimulação proprioceptiva, monitorização e caracterização de movimento que compreende: um componente para intervenção proprioceptiva e outro para caracterização de movimento. Os dois componentes estão acoplados de forma a poderem ser utilizados (vestidos) em ambulatório sobre os membros superior e inferior do lado do corpo que apresenta o défice motor. Este dispositivo pode ser aplicado na área da saúde, nomeadamente em neurorreabilitação, em áreas de actividade cientifica básica ou clinica, em produtos dirigidos a segmentos de mercado lúdicos (e.g. dança, videojogos, TV interactiva, cinema 3D) e na área de desporto e melhoria de performance motora em competição. 0 sistema compreende um módulo principal para controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento (1), módulos de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento (2, 3) e elementos de estimulação proprioceptiva (16).

Description

DESCRIÇÃO
"SISTEMA E MÉTODO PARA ESTIMULAÇÃO PROPRIOCEPTIVA,
MONITORIZAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE MOVIMENTO"
Domínio técnico da invenção
A presente diz respeito a um sistema para estimulação proprioceptiva, monitorização e caracterização de movimento, na área da neuro-reabilitação motora.
Antecedentes da Invenção
A recuperação espontânea após uma doença como por exemplo um acidente vascular cerebral (AVC) é normalmente limitada, o que torna as terapias de reabilitação essenciais para a obtenção de ganhos funcionais. As aplicações de tecnologia aos métodos de reabilitação motora e neurológica focam-se sobretudo em dispositivos de estimulação electromagnéticos e robóticos (concorrentes) .
Para a estimulação electromagnética existem diferentes paradigmas de aplicação. No entanto, os resultados (recuperação motora) obtidos em ensaios clínicos são modestos quando comparados com terapias de reabilitação clássica baseadas em repetição de tarefas específicas. Devido à natureza dos estímulos eléctricos, quer invasivos como não invasivos, estes apenas podem ser aplicados sob supervisão clínica, o que elimina a hipótese de uso ambulatório, diminuindo a intensidade de reabilitação.
Os dispositivos robóticos permitem a repetição contínua de tarefas motoras específicas, auxiliando o paciente na sua execução correcta. No entanto, são dispositivos de elevado custo de produção e de operação, necessitando de recursos humanos especializados, o que impede o uso ambulatório e a democratização. Por esta razão oferecem uma diminuída exposição ao tratamento e, consequentemente, uma menor possibilidade de ganhos globais em saúde, o que tem vindo a ser demonstrado em estudos clínicos efectuados. No entanto, o seu uso é promissor em casos mais restritos, já que permite o treino contínuo de tarefas específicas do dia-a- dia como por exemplo abrir uma porta, um frasco, entre outras .
0 método e sistema de reabilitação baseado na presente invenção (que será a partir de agora designado por SWORD - Stroke Wearable Operative Rehabilitation Devices) permitem uma alta intensidade de treino devido ao seu uso ambulatório, visa a repetição de tarefas específicas, e é o único capaz de fornecer biofeedback .
Ainda em comparação com os engenhos robóticos complexos e de alta tecnologia, o método e sistema aqui referido como SWORD terá custos de produção mais baixos e requer menos recursos humanos para operação resultando numa mais fácil disseminação pelos doentes que dela necessitem, potenciando os possíveis ganhos em saúde.
0 método e sistema aqui referido como SWORD pode ser utilizada em produtos comercializáveis integrados (intervenção/ monitorização) , como previsto na concepção original do dispositivo, ou ser aplicada separadamente em dispositivos dirigidos apenas à estimulação vibratória ou à quantificação e monitorização da qualidade de movimento. A principal aplicação para este tipo de produtos é a área da saúde, nomeadamente a neurorreabilitação . Os potenciais utilizadores são, por um lado, as instituições de saúde que tratam doentes neurológicos, nomeadamente centros de reabilitação e departamentos de Neurologia e, por outro, os próprios doentes. As patologias que podem beneficiar com esta tecnologia são por exemplo os AVC, traumatismos cranioencefálicos e medulares, as lesões pós neurocirurgia, todas com elevada incidência anual, prevalência e impacto em morbilidade medida por anos de vida ajustados pela qualidade (quality adjusted life years - QALYs) .
Na Europa, segundo dados da OMS, os serviços de saúde gastam cerca de 5% do seu orçamento com o tratamento de doentes com AVC e o valor anual de Anos de Vida Perdidos Ajustados por Incapacidade (DALYs - Disability Adjusted Life Years) situa-se entre 5 a 9 anos por cada 1000 habitantes .
Um outro segmento é o da actividade cientifica básica ou clinica, onde podem ser apresentadas variações de produtos desenvolvidas como ferramenta de administração de estímulos vibratórios padronizados e como instrumentos de quantificação motora em ambulatório. É um segmento de menor dimensão mas importante a médio prazo pelos possíveis benefícios na extensão de aplicações e validação de indicações clínicas para esta tecnologia.
O sistema de quantificação de movimento em ambulatório pode ser também aplicado em produtos dirigidos a segmentos de mercado lúdicos (e.g. dança, videojogos, TV interactiva, cinema 3D) , na área do desporto e melhoria de performance motora em competição. A presente invenção reúne várias características inéditas no âmbito da neurorreabilitação .
Comparado com o estado da técnica, permite:
■ aumentar o tempo de reabilitação sem aumento dos custos de produção nos sistemas de saúde
■ poupar tempo e dinheiro aos cuidadores e familiares
■ um novo conjunto de protocolos de tratamento seguros, práticos e confortáveis
■ um dispositivo fácil de operar e com uma curva de aprendizagem muito rápida
■ ganhos individuais e colectivos em saúde
■ ganhos de produtividade nos serviços de reabilitação
■ dar origem a um sistema de produtos evolutivos comercializáveis e complementares entre si.
Descrição do estado da técnica
Os métodos de reabilitação existentes no estado da técnica que permitem a obtenção de melhores resultados ao nível da recuperação funcional partilham pelo menos uma das seguintes características:
■ alta intensidade de treino
■ terapia baseada na repetição de tarefas motoras específicas e
■ feedback do desempenho obtido.
Estas três características estão presentes em simultâneo no paradigma de reabilitação subjacente ao uso do método e sistema aqui referido como SWORD, assim, o seu uso ambulatório permitirá um aumento da intensidade de treino, a repetição monitorizada de tarefas e o respectivo feedback para o doente, familiar e médico responsável, reunindo todas as condições que potenciam a obtenção de recuperação funcional efectiva.
Ainda relativamente ao estado da técnica actual, as aplicações de tecnologia aos métodos de reabilitação motora e neurológica focam-se sobretudo em dispositivos de estimulação electromagnética e robóticos (concorrentes) .
Para a estimulação electromagnética existem diferentes paradigmas de aplicação, no entanto, os resultados (recuperação motora) obtidos em ensaios clínicos são modestos quando comparados com terapias de reabilitação clássica baseadas em repetição de tarefas específicas. Devido à natureza dos estímulos eléctricos, quer invasivos ou não invasivos, estes apenas podem ser aplicados sob supervisão clínica o que elimina a hipótese de uso ambulatório, diminuindo a intensidade de reabilitação.
Os dispositivos robóticos permitem a repetição contínua de tarefas motoras específicas, auxiliando o paciente na sua execução correcta. No entanto, são dispositivos de elevado custo de produção e de operação, necessitando de recursos humanos especializados, o que impede o uso ambulatório e a democratização. Devido a este facto oferecem uma diminuída exposição ao tratamento e consequentemente uma menor possibilidade de ganhos globais em saúde, o que tem vindo a ser demonstrado em estudos clínicos efectuados.
De seguida são descritos alguns documentos pertencentes ao estado da técnica da presente invenção. 0 documento US5575761 (A) descreve um dispositivo para massagem vibratória variável de várias partes do corpo humano .
0 documento US6093164 (A) descreve uma manga para aplicação vibratória de baixa frequência e difusa nos membros.
0 documento US6878122 (B2) descreve um dispositivo robótico de facilitação e simulação motora através de estímulos vibratórios nas áreas do corpo afectadas.
0 documento WO2008094485 (A2) descreve um dispositivo portátil para aplicação de vibração e variações térmicas em zonas dolorosas do corpo humano.
0 documento WO2010028042 (Al) descreve um dispositivo portátil para aplicação de vibração e variações térmicas em zonas dolorosas do corpo humano.
0 documento US2010004709 (Al) descreve um dispositivo para aumentar a perfusão cerebral através da estimulação dos nervos periféricos com vários estímulos e vibração da cabeça .
Nenhum dos documentos descritos anteriormente contém todo o conjunto de características presentes na invenção aqui descritas como:
■ a utilização de estímulos vibratórios como fonte de actuação não invasiva, com o objectivo de estimular de forma proprioceptiva o Sistema Nervoso Central danificado ; ■ disponibilizar os estímulos vibratórios de forma contínua e/ou intervalada com a possibilidade de modelação em amplitude e frequência de acordo com as especificações do responsável clínico;
■ possibilitar a actuação da rede de dispositivos em modo síncrono ou assíncrono, sendo utilizado para este último caso uma sequência pré-definida de estimulação que será programada em ambiente clínico e definida segundo as directrizes do clínico responsável;
■ fornecer feedback ao doente, no momento, e ao corpo clínico posteriormente, da qualidade do movimento executado após actuação. É importante referir que se entende por "qualidade do movimento" a sua parametrização enquanto translação e orientação do membro no espaço e não a quantificação apenas da translação, como se de um actígrafo se tratasse;
■ elementos de actuação distanciados dos módulos de controlo ;
■ uso ambulatório.
O dispositivo proposto é inovador não só nas suas especificações, mas também na sua abordagem à reabilitação. De acordo com as mais recentes revisões dos paradigmas de reabilitação vigentes na área dos acidentes vasculares cerebrais, o método e sistema aqui referido como SWORD estabelece-se como uma abordagem nova. A actuação de estímulos vibratórios quer de forma contínua ou em intervalos pré-definidos não é objecto de estudo enquanto tecnologia de neurorreabilitação, tendo no entanto, já sido provada a sua capacidade excitatória do SNC (Sistema Nervoso Central) . A combinação da actuação de estímulos vibratórios com a avaliação da resposta do doente representa uma inovação adicional .
Considera-se assim que o dispositivo e métodos propostos correspondem a uma tecnologia única em fase emergente.
Descrição dos Desenhos
Figura 1 - Exemplo de integração modular do sistema aqui referido como SWORD para o membro superior.
1. Módulo principal localizado no ombro para controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento das estruturas da cintura escapular
2. Módulo de Controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do braço
3. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do antebraço
4. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região da mão
Figura 2 - Unidades constituintes de cada elemento modular do sistema aqui referido como SWORD.
5. Unidade de quantificação e caracterização de movimento
6. Unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos
7. Unidade de intervenção proprioceptiva Figura 3 - Funcionamento interno das Unidades constituintes de cada Módulo do sistema aqui referido como SWORD.
Unidade de quantificação e monitorização continua de movimento (5) :
8. Giroscópio
9. Acelerómetro
10. Magnetómetro
11. Bloco de fusão sensorial
12. Bloco de caracterização de Movimento
Unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) :
13. Bloco de controlo geral
14. Bloco de comunicação e sincronização
Unidade de estimulação ou actuação (7) :
15. Bloco de controlo proprioceptivo e definição de estimulo
16. Elementos de estimulação proprioceptiva
Figura 4 - Exemplo de disposição dos módulos e elementos de estimulação sobre o membro superior.
Figura 5 - Exemplo de disposição dos módulos e elementos de estimulação sobre o membro inferior.
17. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região da coxa
18. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do joelho e perna
Figura 6 - Exemplo de disposição dos módulos e elementos de estimulação sobre o tronco. 19. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do tronco, nomeadamente abdómen
Figura 7 - Exemplo do modelo conceptual do sistema de eixos da terra e do módulo, usado para a estimação da matriz de rotação .
20. Eixo xx do sistema de eixos da terra.
21. Eixo yy do sistema de eixos da terra.
22. Eixo zz do sistema de eixos da terra.
23. Matriz de rotação que transforma os sistema de eixos da terra no sistema de eixos do módulo e vice-versa .
24. Eixo xx do sistema de eixos do módulo
25. Eixo zz do sistema de eixos do módulo.
26. Eixo yy do sistema de eixos do módulo.
Descrição detalhada do invento
O método de reabilitação baseado no dispositivo aqui referido como SWORD, permite uma alta intensidade de treino devido ao seu uso ambulatório, visa a repetição de tarefas especificas, e é o único por ser capaz de fornecer biofeedback em termos da caracterização do movimento efectuado em termos da sua qualidade e quantidade.
Ainda em comparação com os engenhos robóticos complexos e de alta tecnologia, o método e sistema aqui referido como SWORD requer menos recursos humanos para operação e pode com maior facilidade ser disseminada pelos doentes que dela necessitem, potenciando os possíveis ganhos em saúde. 0 paradigma de reabilitação subjacente ao objecto da invenção, o método e sistema aqui referido como SWORD, baseia-se na aplicação extracorporal de estímulos proprioceptivos em modo intermitente ou contínuo, de natureza vária (vibratórios, térmicos, pressão) , sobre as principais articulações do lado afectado, por um lado, e na correcta quantificação e qualificação de todo o tipo de movimento realizado em ambulatório durante e após a actuação do estímulo. A integração e comunicação entre o sistema de estimulação e o de quantificação permitem a configuração dinâmica dos dois componentes.
É ainda possível a exportação de dados de monitorização contínua de movimento para suporte à decisão terapêutica em medicina de reabilitação.
0 sistema pode ser descrito segundo vários níveis de complexidade. Ao nível macroestrutural é constituído por módulos segmentares. Cada um destes módulos é composto por Unidades, cada uma com uma função principal. Por fim, cada unidade é composta por vários blocos, que se articulam de acordo com a função desempenhada pela respectiva unidade.
Descrição detalhada da macro-estrutura do sistema
0 sistema aqui referido como SWORD é habitualmente composto por vários módulos interligados entre si. Cada módulo é responsável pela estimulação proprioceptiva e caracterização do movimento de um segmento corporal. 0 número de módulos a utilizar em cada indivíduo depende dos segmentos corporais que se pretendem estimular e dos quais se pretenda recolher informação quantitativa e qualitativa do movimento realizado em ambulatório. A comunicação entre módulos decorre de forma bi¬ direccional. Todos os módulos comunicam entre si e partilham informações relativas ao modo de estimulação em uso e o movimento efectuado. Desta forma, cada módulo tem conhecimento do estado actual e passado dos outros módulos, permitindo assim uma configuração dinâmica do estimulo proprioceptivo a usar. Esta metodologia de comunicação permite aplicar o estimulo proprioceptivo apenas ao membro corporal responsável pela execução errónea da tarefa motora. 0 biofeedback transmitido é assim passível de ser direccionado apenas a uma parte e não à generalidade dos elementos corporais, notificando o utilizador de forma detalhada da localização do erro. Adicionalmente, tal comunicação é essencial por forma a actualizar o modelo biomecânico em cada instante temporal, visto haver uma relação de dependência directa entre os vários elementos corporais .
Cada um dos módulos individuais (e.g. 1, 2, 3, 4, 17, 18,
19) está dedicado à estimulação de determinado segmento do corpo humano e à recolha de informação cinética desse mesmo segmento conforme a figura 1. Esta informação é comunicada entre módulos conforme a figura 1 exemplifica para o membro superior. Em cada módulo esta comunicação é estabelecida pela unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6).
O módulo principal (1) é aquele que se encontra mais próximo do centro de gravidade corporal e que integra a informação recolhida por todos os módulos desse membro e que comanda o modo de estimulação ao nível de cada módulo distai e define se deve ocorrer estimulação simultânea, aleatória ou segundo padrões pré-estabelecidos programados.
Ao nivel de funcionamento interno de cada módulo, o sistema é composto habitualmente por três componentes sobrepostos e interligados conforme a figura 2: uma unidade de quantificação e monitorização continua de movimento (5) ; uma unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6); e uma unidade de estimulação ou actuação (7) . Os componentes internos de cada unidade, o modo de funcionamento de cada um e como se interligam estão descritos abaixo e na figura 3.
Ao nivel da comunicação entre módulos, esta poderá ocorrer com ou sem fios, dependendo da solução vestivel escolhida. No caso da comunicação e sincronização entre os módulos ser sem fios, esta é feita através de elementos de baixo consumo por forma a maximizar a autonomina do dispositivo.
Assim, para o membro superior (figura 4), por exemplo, os módulos podem descrever-se da seguinte forma:
Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na cintura escapular (1) . Ao nivel da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pelo ombro. Este módulo tem primazia de controlo sobre os Módulos que o circundam, denotados por 2 e 3. Ao nivel da comunicação, é o módulo 1 responsável pela sincronização dos modos de operação proprioceptiva de 2 e 3. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do braço (2) . Ao nivel da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pelo braço. O seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com o módulo 1.
Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do antebraço (3) . Ao nivel da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pelo antebraço. O seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com o módulo 1.
Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região da mão (não representado na figura 4) . Ao nivel da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pela mão. O seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com o módulo 1.
Para o membro inferior (figura 5) , por exemplo, os módulos podem descrever-se da seguinte forma:
Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região da coxa (17) . Ao nivel da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pela coxa. Dependendo da tipologia de localização seleccionada, poderá ser o elemento principal de controlo ou ter o seu modo de operação proprioceptivo sincronizado através da interface com outro módulo.
Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do joelho e perna (18) . Ao nivel da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pela perna. O seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com os restantes módulos (e.g. 17 e 19), dependendo da tipologia de localização seleccionada.
Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do tornozelo (não representado na figura 5) . Ao nivel da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pelo tornozelo. O seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com os restantes módulos, dependendo da tipologia de localização seleccionada .
Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do pé (não representado na figura 5) . Ao nivel da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pelo pé. O seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com os restantes módulos, dependendo da tipologia de localização seleccionada. Em determinadas situações podem ser necessários módulos adicionais localizados na região da cabeça, tórax ou abdómen (figura 6) e funcionam de modo integrado com os restantes módulos, permitindo a recolha de informação global sobre o movimento corporal, nomeadamente a detecção de quedas e permitindo ainda padrões integrados de estimulação do membro superior, inferior e tronco. Os seus componentes serão os mesmos dos restantes módulos e o seu modo de funcionamento também.
De acordo com as necessidades, o sistema pode operar apenas no membro superior, apenas no membro inferior, apenas no tronco, apenas na cabeça ou com todos os componentes segmentares possíveis ou combinações entre eles.
Em função das necessidades de recolha de informação cinética ou de estimulação, pode existir economia de módulos ao nível de cada segmento. Nesta situação, mantém- se a posição dos elementos de estimulação proprioceptiva (16), mas o número total de módulos por sistema pode ser menor .
Descrição detalhada das unidades constituintes dos módulos
Cada unidade de quantificação e monitorização contínua de movimento (5) contém giroscópios (8), acelerómetros (9), magnetómetros (10), bloco de fusão sensorial (11) e um bloco de caracterização de movimento (12) e é responsável por toda a recolha de dados cinéticos do respectivo segmento e seu processamento, para transferência para a Unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) . Cada unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) contém um bloco de controlo geral (13) e um bloco de comunicação e sincronização (14) .
A Unidade de estimulação ou actuação (7) contém um bloco de controlo proprioceptivo e definição de estímulos (15) e elementos de estimulação proprioceptiva (16), estando estes últimos sobre o local ou locais do corpo humano que se pretendem estimular.
Conforme descrito na figura 1 e 2 a articulação entre as várias unidades constituintes de cada módulo segue o seguinte modelo: a Unidade de quantificação e caracterização de movimento (5) através da interface com a Unidade de controlo global (6) permite definir o tipo de estímulo a aplicar pela Unidade de intervenção proprioceptiva (7) , dependendo da posição do segmento e corporal e do movimento executado ter sido o predefinido ou não .
Descrição detalhada dos elementos e blocos que compõem as unidades em cada módulo
Os elementos 8, 9, 10 são estruturas de recolha de informação cinética (quantitativa e qualitativa) , que projectam a seus dados no bloco de fusão sensorial (11) . Define-se como qualificação de movimento a caracterização do deslocamento do membro no espaço em termos de translação e de rotação. Esta qualificação é obtida através da fusão das medidas provenientes dos magnetómetros (10), acelerómetros (9) e giroscópios (8) incorporados no dispositivo, usando para esse feito estimadores estocásticos . O movimento efectuado é posteriormente comparado com o movimento treinado pelo paciente em ambiente clinico ao nivel do bloco 13. A parametrização do movimento treinado é obtida através da utilização do dispositivo aqui referido como SWORD em combinação com a terapia clássica de reabilitação. Esta informação é armazenada no bloco 13.
O bloco de fusão sensorial (11) representa o algoritmo matemático que a partir de três medições independentes (aceleração, rotação angular e campo magnético) calcula a translação e rotação no espaço do módulo e do segmento corporal a que este esta associado. Este bloco 11 recebe informação, de forma unidireccional, dos elementos 8, 9 e 10 e projecta-a no bloco 12. O algoritmo matemático subjacente ao bloco de fusão sensorial baseia-se na estimação de uma matriz de rotação (23) entre dois eixos de referência, que dizem respeito ao sistema de eixos de referência na terra e o sistema de eixos do módulo em rotação (figura 7) . Assim sendo, a rotação estimada para o módulo será sempre referenciada ao sistema de eixos da terra. A matriz de rotação (23) que transforma o sistema de eixos na terra no sistema de eixos do módulo (e vice-versa) é obtida através da integração discreta no tempo das medidas do giroscópio (8) referentes à rotação angular. Caso as medidas provenientes do giroscópio (8) fossem livres de ruido, esta operação matemática seria suficiente para estimar a rotação do módulo no espaço tri-dimensional . No entanto, como tal não sucede, será necessário estimar o ruido presente nas medidas do giroscópio por forma a haver uma consequente compensação do mesmo. Após esta compensação, obtêm-se as medidas do giroscópio livres de erro, e, logicamente, a matriz de rotação (23) decorrente da integração em tempo discreto das medidas do giroscópio (8) estará também livre de erro.
A estimação do erro presente nas medidas provenientes do giroscópio resulta da comparação geométrica entre o sistema de eixos da terra com os vectores de referência obtidos através do magnetómetro (12) e do acelerómetro (9) . 0 ruido presente nas medidas da rotação angular estará também presente no sistema de eixos da terra, visto que este é obtido através da multiplicação da matriz de rotação (23) com o sistema de eixos do módulo.
Embora as medidas provenientes de ambos os blocos contenham também ruido, este será sempre independente do verificado nas medidas do giroscópio (8) . Para estimar o erro nas medidas da rotação angular referentes a (22), este é comparado com o vector gravitico obtido pelo bloco do acelerómetro (9) . A comparação é efectuada através do produto externo, o que nos dará a magnitude e direcção do erro presente nas medidas da rotação angular. De forma análoga, para estimar o erro presente nas medidas de rotação angular relativas a (20) e (21) do sistema de eixos da terra, este é comparado com o vector do campo magnético obtido pelo bloco do magnetómetro. A comparação é também efectuada usando o produto externo entre ambos os vectores. Para finalizar o processo de compensação, ambas as componentes de erro obtidas são aplicadas num controlador do tipo proporcional-integral de onde resultarão as medidas de rotação angular livres de erro e que poderão ser usados na integração discreta no tempo da matriz de rotação (23) . Dependendo da notação requerida para representar a rotação tri-dimensional do módulo no espaço, a matriz de rotação poderá ser transformada em ângulos de Euler ou quaterniões. Este processo de compensação de erro apresenta as vantagens de ser eficiente a nivel do tempo de processamento requerido, passível de ser implementado num microcontrolador a operar em tempo real. Outra vantagem está na sua proficiência na estimação do erro presente nas medidas do giroscópio.
0 bloco de caracterização de movimento (12) representa o algoritmo matemático que combina as medidas de rotação e translação provenientes do bloco de fusão sensorial (11) com a descrição do sistema biomecânico representativo do utilizador. Este bloco apresenta como saída os vectores que descrevem de forma matemática o movimento executado. Este bloco 12 recebe informação de forma unidireccional do bloco 11 relativa à translação e rotação no espaço do segmento a caracterizar em termos de movimento. 0 bloco 12 recebe e envia informação de e para o bloco 13. 0 algoritmo matemático transforma, através das operações de rotação e translação, cada elemento vectorial do sistema biomecânico. 0 elemento transformador representa a rotação de um eixo de referência no espaço tridimensional e pode existir na forma de quaterniões, matrizes de rotação ou ângulos de Euler. 0 elemento transformado poderá ser qualquer posição de interesse do sistema biomecânica definida no espaço tridimensional .
0 bloco 13 (figura 3) é o bloco de controlo global responsável pela agregação e análise da informação recebida pelos três blocos 12,14 e 15. 0 bloco 13 recebe e envia informação para os blocos 12,14 e 15. Esta informação, ao nível de cada módulo é de dois tipos: interna ao módulo, quando provém dos blocos 12 e 15; e externa ao módulo (proveniente de outros módulos) quando provém do bloco 14 responsável pela comunicação e sincronização entre módulos. A informação recebida ao nivel do bloco 13 é relativa à caracterização do movimento dos outros segmentos corporais a reabilitar. A informação enviada para o bloco 13 refere- se à caracterização de movimento do segmento relativo ao módulo .
A lógica interna é estabelecida através do uso de um microcontrolador que é o constituinte principal do bloco de controlo geral (13) da Unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) .
O movimento efectuado, caracterizado pelas dinâmicas dos pontos de interesse definidos e calculados no bloco de caracterização de movimento (12), é comparado com as métricas de uma execução motora considerada normal. A informação relativa ao desvio na qualidade do movimento executado é transformada num estimulo proprioceptivo, especificado de acordo com o elemento corporal que provocou um movimento executado de forma anormal .
O bloco 13 envia para o bloco 15 a definição dinâmica do estimulo proprioceptivo a aplicar. O bloco 15 efectua a interface entre o bloco 13 e os elementos de estimulação proprioceptiva (16).
O bloco de controlo proprioceptivo e definição de estimulo
(15) adapta o sinal modulado proveniente do bloco de controlo geral (13) por forma a ser obtida uma eficiente transdução para os elementos de estimulação proprioceptiva
(16) . No caso da estimulação ser de base vibratória, adaptará o sinal proveniente do microcontrolador em termos de corrente por forma a ser convenientemente replicado na sua topologia pelos motores de vibração.
Descrição detalhada dos modos de comunicação entre módulos e com o exterior
Ao nivel da comunicação com os módulos, esta poderá ocorrer com ou sem fios, dependendo da solução vestivel escolhida. No caso da comunicação/sincronização entre os módulos ser sem fios, esta é efectuada através de elementos de baixo consumo por forma a maximizar a autonomia do dispositivo.
Entendem-se por módulos principais, por exemplo, o módulo colocado no ombro, no caso do membro superior, e o módulo colocado na coxa no caso do membro inferior. Os restantes módulos comunicam entre eles através de uma rede interna de comunicação. Em todos os módulos está incorporado um transmissor e receptor. Nos módulos principais estão incorporados sistemas de armazenamento de informação.
A comunicação extra-módulos ocorre entre os módulos principais e o software de análise do clinico responsável pelo plano terapêutico. Esta comunicação ocorre de forma bi-direccional e permite obter os dados relativos ao uso ambulatório do dispositivo por parte do utilizador. Permite também configurar a rede de módulos em termos da caracterização de movimento e definição do estimulo de acordo com o plano terapêutico especificado pelo clinico. A rede de comunicação interna troca informação relativa à rotação e translação de cada elemento sensorial no espaço tri-dimensional , por forma a ser possível no bloco de caracterização de movimento (12) de cada módulo um mapeamento dos vários segmentos corporais num modelo biomecânico completo, passível de representar as dinâmicas de movimento. A troca de informação entre módulos contempla também a definição de estímulo proprioceptivo que está a ser aplicada em cada módulo. Esta componente permite a estimulação proprioceptiva de forma ritmada, visto que, cada módulo conhece a sequência e temporização de cada estímulo proprioceptivo, em cada módulo.
Descrição detalhada das possibilidades de parametrização e configuração do sistema
O dispositivo permite também a sua rápida configuração através da comunicação entre o módulo principal e um computador pessoal, usando para esse efeito um software desenvolvido especificamente. A nível da configuração do dispositivo, é possível definir o modo de estimulação entre contínuo ou intermitente e se for seleccionado este último, será possível configurar o intervalo de actuação. Outra possibilidade é a configuração da amplitude dos estímulos, se estes forem do tipo vibratório, e se ocorrem de forma síncrona ou assíncrona em todos os módulos. É também possível visualizar neste software os movimentos efectuados pelo paciente após actuação do estímulo e a respectiva avaliação quando comparados com os movimentos efectuados em ambiente clínico. A configuração dinâmica da rede de módulos situada no membro superior é efectuada por ex. pelo módulo principal colocado no ombro. A configuração dinâmica da rede de módulos situada no membro inferior é efectuada por ex. pelo módulo principal colocado na coxa. Os módulos principais são responsáveis pela agregação da informação proveniente da rede que, combinada com a definição prévia da terapêutica permite adequar melhor o estímulo proprioceptivo à situação. A definição prévia da terapêutica é efectuada pelo software ao dispor do clinico que efectua a sincronização com a rede através de ambos os módulos principais.
Descrição detalhada da alimentação energética do sistema
Cada módulo inclui numa realização preferencial uma fonte de energia portátil que permitirá o uso do dispositivo por várias horas ou mais. A autonomia total dependerá da configuração do dispositivo em relação ao seu modo de actuação. As baterias podem ser incluídas no mesmo encapsulamento dos módulos e preferencialmente permitem ser recarregadas através de uma ligação USB a um computador ou a uma tomada eléctrica (através do uso de um adaptador específico) .
Descrição detalhada dos possíveis estímulos proprioceptivos e sua localização
Dispositivos para aplicação do estímulo (e.g., vibratório, táctil, térmico, doloroso, entre outros). No caso do estímulo ser do tipo vibratório, este pode ser efectuado por meio de motores de vibração controlados ao nível da amplitude e frequência do estímulo através da tensão aplicada aos seus terminais. A definição do estímulo é efectuada através da combinação de três variáveis: frequência de vibração, amplitude de vibração e intervalo entre a actuação de estímulos. Se o modo de actuação for especificado como contínuo, a definição do estímulo passará a depender apenas de duas variáveis: frequência de vibração e amplitude de vibração. 0 posicionamento dos elementos de actuação proprioceptiva dependerá da configuração seleccionada e do membro a reabilitar: o membro superior ou o membro inferior. Uma possibilidade será, para o caso de serem utilizados estímulos de natureza vibratória, a colocação de um motor de vibração por cada eminência óssea em posição próxima às principais articulações do membro superior (ombro, cotovelo, punho, carpo e mão) e do membro inferior (anca, joelho, tornozelo, tarso e pé).
Exemplos de utilização, vantagens associadas e impacto na área da Neurorreabilitação
A utilização deste dispositivo logo desde uma fase inicial após AVC e sem restrição de tempo, pode significar grandes proveitos em neurorreabilitação e através da democratização do acesso a esta tecnologia permitir impacto social e ganhos objectivos em saúde. Para isto contribuirão também outras características como o baixo custo de produção e operação comparativamente a outro tipo de tecnologias, a autonomia energética e a possibilidade de uso ambulatório, manuseado pelos familiares e futuramente incorporado numa peça de vestuário.
Considerando o processo de reabilitação dos doentes com défices neurológicos após um acidente vascular cerebral a aplicação desta tecnologia permite uma nova geração de processos, aqui identificados:
1) os planos de reabilitação tradicionais podem passar a ser intensificados através do uso do dispositivo aqui referido como SWORD em ambulatório 2) toda a actividade em ambulatório passa a poder ser monitorizada em tempo real e diferido usando para esse efeito, por exemplo, a tecnologia Bluetooth na sua versão de baixo consumo de potência.
3) podem ser criados novos algoritmos de decisão clinica com base nos dados de monitorização disponibilizados pelo sistema e método aqui referido como SWORD
4) podem ser concebidos e testados planos de reabilitação que incluam progressivamente mais actividades em ambulatório, sem perda de intensidade terapêutica
A aplicação do sistema e método aqui referido como SWORD permite uma mudança radical. Pela primeira vez podem passar a existir dispositivos com as seguintes características:
■ estimulação vibratória
■ instrumentos para aplicação de estímulos vibratórios e proprioceptivos em todas as articulações do membro superior e inferior
■ actividade integrada de todos os estimuladores
permitindo programação de sequências de activação
■ estímulos ajustados automaticamente em função da
quantidade e/ou qualidade de movimento detectada na parte do corpo em reabilitação
■ quantificador de movimento global e segmentar
■ caracterização qualitativa dos padrões de movimento efectuado em todos os segmentos dos membros quando em uso
■ integração dos instrumentos de estimulação
proprioceptiva e de quantificação e qualificação de movimento ■ integrado em peça de vestuário de utilização fácil em pessoas com hemiparesia por lesão do sistema nervoso central
■ programável directamente
■ programável à distância
■ registo de utilização onsite
■ registo de utilização online
■ ferramentas de análise clinica de movimento para
suporte à tomada de decisão em reabilitação
■ baterias recarregáveis de longa duração (>24h)
A presente invenção permitirá assim o uso ambulatório que combina a possibilidade de estimulação vibratória e a caracterização continua do movimento efectuado pela parte do corpo deficitária e a disponibilização de informação recolhida ao doente e aos clínicos responsáveis através de um software específico.

Claims

REIVINDICAÇÕES
Sistema para estimulação proprioceptiva, monitorização e caracterização de movimento caracterizado por ser passível de acoplamento em ambulatório sobre os membros ou membros e tronco do corpo humano e por compreender um ou mais módulos de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento (1,
2,
3,
4, 17, 18, 19) que compreende uma unidade de quantificação e monitorização de movimento
(5) ; uma unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos
(6); uma unidade de estimulação ou actuação proprioceptiva
(7) conectada a um ou mais elementos de estimulação proprioceptiva (16); sendo os referidos módulos interligados bidireccionalmente entre si .
Sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a unidade de quantificação e monitorização de movimento (5) compreender um sensor giroscópio
(8), um sensor acelerómetro (9) e um sensor magnetómetro (10) .
Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2 caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) estar programada para consoante o deslocamento no espaço, em termos de translação e de rotação, do membro do corpo humano ao qual o respectivo módulo está acoplado, definir o tipo, intensidade e intervalo de estímulo a aplicar pela unidade de intervenção proprioceptiva (7). Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de quantificação e monitorização de movimento (5) compreender um bloco de fusão sensorial (11) interligado aos referidos sensores (8, 9, 10); e compreender um bloco de caracterização de movimento (12) interligado ao referido bloco de fusão sensorial (11) .
Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) compreender um bloco de controlo geral (13) e um bloco de comunicação e sincronização (14) .
Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de estimulação ou actuação proprioceptiva (7) compreender um bloco de controlo proprioceptivo e definidor de estímulos (15) para conexão aos referidos elementos de estimulação proprioceptiva (16).
Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) estar adicionalmente programada para aplicar estimulação simultânea, aleatória ou segundo padrões pré-estabelecidos programados.
Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) estar adicionalmente programada para detectar quedas.
9. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) estar programada para consoante o desvio, relativamente ao predefinido, do movimento de deslocamento no espaço, em termos de translação e de rotação, do membro do corpo humano, ao qual o respectivo módulo está acoplado, assim definir o tipo, intensidade e intervalo de estimulo a aplicar pela unidade de intervenção proprioceptiva (7) .
10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) estar programada para, a partir das medidas obtidas pelos referidos sensores (8, 9, 10), integrar discretamente uma matriz de rotação (23) , que após correcção do erro presente nas referidas medidas, permite obter o deslocamento no espaço, em termos de translação e de rotação, do membro do corpo humano, ao qual o respectivo módulo está acoplado.
11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por um ou mais módulos estarem acoplados ao ombro (1), ao braço (2), ao antebraço (3), à mão (4), à coxa (17), ao joelho e perna (18), e/ou ao tronco em particular abdómen (19) .
12. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o módulo que se encontre mais próximo do centro de gravidade corporal ser o módulo principal programado para integrar a informação recolhida por todos os módulos desse membro.
13. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por os módulos estarem programados para a produção de estimulação proprioceptiva de forma ritmada, sendo que, cada módulo conhece a sequência e temporização de cada estimulo proprioceptivo, sincronizado com os restantes módulos.
14. Método estimulação proprioceptiva, monitorização e caracterização de movimento caracterizado por compreender acoplar, em ambulatório, sobre os membros ou membros e tronco do corpo humano um ou mais módulos de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento (1, 2, 3, 4, 17, 18, 19) que compreendem uma unidade de quantificação e monitorização de movimento (5) ; uma unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6); uma unidade de estimulação ou actuação proprioceptiva (7) conectada a um ou mais elementos de estimulação proprioceptiva (16); sendo os referidos módulos interligados bidireccionalmente entre si.
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