Simulación de la actuación muscular en el diseño de ortesis activas y neuroprótesis

Abstract

Cada año, el número de personas con patologías asociadas a la marcha aumenta, no solo por los nuevos casos de lesiones medulares, parálisis o derrames cerebrales, sino por la prevalencia de dichos casos. A ello se añade el envejecimiento continuo de la población, siendo necesario el desarrollo de dispositivos de asistencia a la marcha para favorecer la autonomía de las personas con movilidad reducida. Desde el punto de vista de la Ingeniería, el diseño de dispositivos personalizados para cada paciente y patología supone un incremento su coste. Este escenario justifica la necesidad de herramientas que faciliten la selección de los actuadores o estimuladores musculares que proporcionarán esa asistencia externa para realizar una marcha funcionalmente correcta.

En este contexto, esta tesis doctoral presenta el estudio y desarrollo de diferentes metodologías para asistir el diseño de ortesis activas y neuroprótesis de asistencia a la marcha para sujetos discapacitados. En el caso de ortesis activas, se presenta un método para cuantificar simultáneamente la actuación conjunta de los grupos musculares y de los actuadores externos durante la marcha. En el caso de neuroprótesis y ortesis híbridas se presenta un esquema para calcular el perfil de estimulación que permite conseguir un movimiento funcional dado. Los resultados obtenidos han permitido diseñar un primer prototipo funcional de ortesis activa dentro del Proyecto Nacional de Investigación en el que se desarrolla esta tesis. Las metodologías planteadas se utilizarán para el diseño de un prototipo de ortesis híbrida que permita una mejor rehabilitación de la función motora perdida.

The number of persons affected by gait pathologies increases every year not only because of the new cases of spinal cord injury, cerebral palsy or stroke, but for the prevalence of these pathologies. In addition, the ageing of the population calls for immediate action to develop assistive devices in order to foster personal autonomy of people with limited mobility. From the Engineering point of view, the design of patient tailored devices according to their disability increases the device final cost. In this way, different tools are needed to assist the proper selection of the external actuators or the muscular stimulator unit to proportionate the external assistance to achieve a functional gait.

In this context this thesis is aimed at presenting the study and development of different methodologies to assist the design of active orthoses and neuroprostheses for gait assistance of disabled subjects. For the design of active orthoses, a method to quantify simultaneously the combined actuation of the muscle groups and external actuators during gait is presented. For the design of neuroprostheses and hybrid orthoses an approach to calculate the stimulation profiles to obtain a given functional movement is proposed. The obtained results have led the design of a functional active orthosis prototype within the context of the National Research Project in which this thesis has been developed. The proposed methodologies will be used in the design of a hybrid orthoses prototype which allows a better rehabilitation of the lost motor function.