Una extremidad robótica supernumeraria portátil y flexible para pacientes con accidente cerebrovascular crónico

Según investigaciones anteriores¹, en 2019 se registraron más de 100 millones de casos de accidente cerebrovascular en todo el mundo. Aproximadamente dos tercios de estos casos resultaron en secuelas hemipléjicas, y más del 80% de los pacientes con accidente cerebrovascular hemipléjico grave no pudieron recuperar completamente la función de la mano y el brazo². Además, se espera que el envejecimiento de la población siga creciendo en las próximas décadas, lo que conducirá a un aumento significativo en el número de posibles víctimas de accidentes cerebrovasculares. Las deficiencias persistentes de las extremidades superiores después de un accidente cerebrovascular pueden afectar significativamente las actividades de la vida diaria (AVD), y la rehabilitación de la mano se ha reconocido clínicamente como un objetivo crítico para mejorar la actividad y la participación de los pacientes con accidente cerebrovascular crónico³.

Los dispositivos robóticos tradicionales de las extremidades superiores accionados por motor pueden proporcionar una fuerza motriz sustancial, pero sus estructuras rígidas a menudo se traducen en grandes tamaños y pesos elevados. Además, suponen el riesgo de causar daños irreversibles al cuerpo humano si no funcionan correctamente. Por el contrario, los actuadores neumáticos blandos han demostrado un potencial considerable en la rehabilitación⁴, la asistencia⁵ y las aplicaciones quirúrgicas⁶. Sus ventajas incluyen seguridad, construcción liviana y cumplimiento inherente.

En los últimos años, han surgido numerosos robots portátiles flexibles, diseñados y desarrollados en torno a actuadores neumáticos blandos. Estos robots han sido destinados a la rehabilitación y asistencia post-rehabilitación de las extremidades superiores de los pacientes con ictus. Abarcan principalmente los exoesqueletos de las manos^7,8 y las extremidades supernumerarias ^9,10. Aunque ambos se utilizan en los campos de la robótica portátil y la rehabilitación, el primero interactúa directamente con el cuerpo humano, lo que puede restringir los músculos o las articulaciones, mientras que el segundo complementa el espacio de trabajo o el movimiento humano sin restricciones directas^11,12. Se desarrollaron dedos robóticos supernumerarios portátiles basados en servomotores para ayudar a los terapeutas ocupacionales en la formación en actividades de la vida diaria (AVD)⁹. Un enfoque similar se puede encontrar en otras investigaciones¹⁰. Estas dos categorías de dedos robóticos han introducido nuevas posibilidades para la aplicación de dichos robots en la asistencia a la rehabilitación de pacientes hemiparéticos. No obstante, vale la pena señalar que la estructura rígida empleada en estos diseños robóticos puede introducir posibles consideraciones con respecto a la comodidad y seguridad del usuario. Se presentó el diseño, la fabricación y la evaluación de un guante robótico blando y portátil¹³, que se puede utilizar para la rehabilitación de la mano y el entrenamiento de tareas específicas durante la resonancia magnética funcional (fMRI). El guante utiliza actuadores neumáticos blandos hechos de elastómeros de silicona para generar el movimiento de la articulación de los dedos, y el dispositivo es compatible con RM sin causar artefactos en las imágenes de resonancia magnética funcional. Yun et al. introdujeron el Exo-Glove PM, un guante de asistencia neumático suave personalizable que utiliza un enfoque basado en el ensamblaje¹⁴. Este innovador diseño cuenta con pequeños módulos y distancias ajustables entre ellos, lo que permite a los usuarios personalizar el guante en función de la longitud de su falange mediante espaciadores. Este enfoque maximiza la comodidad y el rendimiento sin necesidad de fabricación personalizada. Los investigadores presentaron actuadores blandos compuestos de materiales elastoméricos con canales integrados que funcionan como redes neumáticas¹⁵. Estos actuadores generan movimientos de flexión que se ajustan de forma segura a los movimientos de los dedos humanos. Además, los investigadores presentaron el AirExGlove, un dispositivo de exoesqueleto blando inflable ligero y adaptable¹⁶. Este sistema es rentable, personalizable para diferentes tamaños de mano y se ha adaptado con éxito a pacientes con diferentes niveles de espasticidad muscular. Ofrece una solución más ergonómica y flexible en comparación con los sistemas robóticos de enlace rígido. Si bien estos estudios han hecho contribuciones significativas al desarrollo de robots flexibles de rehabilitación y asistencia de manos portátiles, vale la pena señalar que ninguno de ellos ha logrado una portabilidad completa y un control completo de la interacción humano-robot.

Numerosos estudios han explorado la correlación entre las señales biológicas, como las señales del electroencefalograma (EEG)¹⁷ o del electromiograma (EMG)¹⁸, y la intención humana. Sin embargo, ambos enfoques tienen ciertas limitaciones dentro de las limitaciones de los dispositivos y las condiciones tecnológicas existentes. Los electrodos invasivos requieren procedimientos quirúrgicos en el cuerpo humano, mientras que los electrodos no invasivos sufren problemas como altos niveles de ruido y falta de fiabilidad en la adquisición de señales. En la literatura se pueden encontrar discusiones detalladas sobre estas limitaciones ^19,20. Por lo tanto, la búsqueda de la investigación sobre la portabilidad y las capacidades de interacción hombre-máquina fáciles de usar de las extremidades robóticas supernumerarias portátiles flexibles sigue siendo muy relevante.

En este estudio, se diseñó y fabricó una extremidad robótica supernumeraria única y flexible para ayudar a los pacientes con accidente cerebrovascular crónico en la rehabilitación de los dedos y la asistencia de agarre. Esta extremidad robótica se caracteriza por su ligereza, seguridad, cumplimiento, impermeabilidad y una impresionante relación rendimiento-peso/presión. Se han logrado dos modos de agarre, envolvente y agarre con la punta de los dedos, manteniendo la portabilidad y asegurando una interacción humano-robot fácil de usar. El protocolo detalla el proceso de diseño y fabricación de la pinza neumática y el esquema de wearable. Además, se ha propuesto un método de interacción hombre-robot basado en sensores de flexión flexibles, que permite un control cómodo y fácil de usar a través de la segmentación de umbrales. Todos estos aspectos han sido validados a través de experimentos prácticos.

Las principales contribuciones de este estudio se resumen de la siguiente manera: (1) Se ha diseñado y fabricado una extremidad robótica supernumeraria flexible liviana, amigable y portátil para pacientes con accidente cerebrovascular crónico. (2) Se ha realizado un método confiable de interacción humano-robot basado en sensores de flexión flexibles. (3) Se han llevado a cabo experimentos en el mundo real para verificar la eficacia y fiabilidad del mecanismo y método propuestos, que incluyen pruebas de fuerza de salida e involucran a seis pacientes con accidente cerebrovascular crónico.