Nuevas aproximaciones para la rehabilitación de pacientes con Accidente Cerebrovascular (ACV) mediante estimulación eléctrica funcional y exoesqueletos robóticos: Medición de efectos biomecánicos y clínicos.

Abstract

La presente tesis se centró en desarrollar, implementar y evaluar nuevas terapias de rehabilitación para pacientes con accidente cerebrovascular basadas en tecnologías tales como la estimulación eléctrica funcional y los exoesqueletos robóticos, midiendo los efectos biomecánicos y clínicos mediante técnicas de evaluación instrumental antes y después de los procesos de rehabilitación. Para realizar esto, en primera instancia se recopiló evidencia científica relacionada al accidente cerebrovascular, sus métodos de evaluación, tratamiento y las principales tecnologías aplicadas a la rehabilitación de personas con esta condición de salud y posteriormente, se procedió a desarrollar, implementar y evaluar una serie de pruebas clínicas a partir de nuevas terapias de rehabilitación con asistencia tecnológica para pacientes con ACV. El primer trabajo se centró en evaluar el dispositivo de rehabilitación open-source T-FLEX el cual consiste en una órtesis motorizada portátil para tobillo y pie diseñada a partir de conceptos bio-inspirados para ayudar y rehabilitar a personas con disfunciones de tobillo. El dispositivo está compuesto por dos servomotores, colocados en la parte anterior y posterior de la pierna del usuario. Los servomotores emulan la funcionalidad de los músculos para proporcionar los movimientos de flexión plantar y dorsal en el tobillo. Las fases de la marcha fueron detectadas mediante un sensor inercial posicionado en la punta del pie del usuario. El sistema de control y la detección fue ejecutado bajo una arquitectura ROS (ROS: Robot Operating System) en una Raspberry Pi 3. La validación experimental del dispositivo fue desarrollada mediante un procedimiento estandarizado de uso, el cual fue aplicado en un grupo de 10 personas con ACV y evaluado en el contexto de la biomecánica de la marcha y la satisfacción del usuario. Este primer trabajo ha permitido evidenciar que la satisfacción de usuario con el dispositivo T-FLEX fue positiva, siendo la comodidad el aspecto más elegido por los pacientes. Los resultados biomecánicos mostraron una mejora en la cinemática del tobillo y variaciones en las demás articulaciones de las extremidades inferiores. El segundo trabajo se centró en desarrollar una nueva terapia con asistencia robótica para rehabilitación de la marcha en pacientes con ACV. Este estudio examinó la viabilidad de utilizar una metodología de terapia asistida por robot basada en el concepto Bobath para realizar ejercicios aplicados en la terapia convencional para la rehabilitación de la marcha en pacientes con ACV. El objetivo de la terapia fue mejorar el control postural y el movimiento a través de ejercicios basados en la movilización articular repetitiva asistida activamente, que se espera que produzca cambios de fuerza en las extremidades inferiores. A medida que avanza la terapia, la asistencia robótica se reduce gradualmente y la carga del paciente aumenta con el objetivo de lograr un cierto grado de independencia. El estudio incluyó a 23 voluntarios que realizaron 24 sesiones, 2 sesiones por semana durante 12 semanas, cada una con una duración de aproximadamente 1 hora. Los resultados mostraron un aumento significativo en la abducción de cadera y la fuerza de flexión de la rodilla en ambos lados, aunque hubo una tendencia general de aumento de la fuerza en todas las articulaciones. Sin embargo, el rango de movimiento en las articulaciones de la cadera y el tobillo se redujo. Este estudio demostró la utilidad de esta plataforma para transferir ejercicios de terapias convencionales a terapias asistidas por robot, así como los beneficios que se pueden obtener en el entrenamiento de fuerza muscular. El tercer trabajo se centró en desarrollar y evaluar una interfaz cerebro-computador (BCI: Brain-Computer Interface) asociada a estímulos visuales y hápticos para facilitar la generación de Imaginación Motora (MI: Motor Imagery) y controlar el exoesqueleto del tobillo T-FLEX. Para lograrlo, cinco pacientes con ACV fueron sometidos a tres estrategias diferentes utilizando T-FLEX: terapia estacionaria (ST: Stationary therapy) sin imaginación motora, imaginación motora con estimulación visual (MIV: Motor Imagery with visual stimuli) e imaginación motora con inducción visual-háptica (MIVH: Motor Imagery with haptic and visual stimuli)). La caracterización cuantitativa de ambas estrategias de estímulos BCI se realizó a través de la tasa de precisión de la imagen motora, el análisis electroencefalográfico (EEG) durante los períodos activos del IM, el análisis estadístico y la percepción subjetiva del paciente. Los resultados preliminares demostraron la viabilidad del sistema de exoesqueleto de tobillo controlado por BCI con el rebote beta, en términos de desempeño del paciente durante los períodos activos de MI y resultados de satisfacción. Se detectaron diferencias de precisión empleando estímulo háptico con un promedio del 68% en comparación con el 50,7% solo con estímulo visual. Sin embargo, la densidad espectral de potencia (PSD: power spectral density) no presentó cambios en la activación prominente de la banda MI, pero presentó variaciones significativas en términos de lateralidad. De esta manera, los estímulos visuales y hápticos mejoraron la precisión de MI del sujeto, pero no generaron actividad cerebral diferencial sobre el hemisferio afectado. Por lo tanto, deberían realizarse sesiones a largo plazo con una muestra más extensa y un algoritmo más robusto para evaluar el impacto del sistema propuesto en la evolución neuronal y motora después del ACV. Finalmente, el cuarto trabajo se centró en conocer los efectos de un programa terapéutico innovador basado en estimulación eléctrica funcional (FES), juegos serios y realidad virtual (VR) para rehabilitación de las extremidades superiores. Este trabajo presenta una evaluación biomecánica de 13 pacientes con ACV con hemiparesia antes y después de la terapia de rehabilitación durante dos meses con estos tres métodos. El análisis biomecánico fue realizado mediante una aplicación de análisis Matlab basado en BTK toolbox que permite generar reportes automáticos para uso clínico y en bioestadística de las extremidades superiores evaluadas mediante estereofotogrametría optoelectrónica de sistemas VICON. Durante la evaluación, los pacientes realizaron dos pruebas (Maximum Forward Reach y Apley Scratching) donde se midieron los ángulos máximos, el rango de movimiento, las velocidades angulares y los tiempos de ejecución. Se encontraron diferencias significativas en el rango de movimiento en flexión-extensión, aducción-abducción y rotación interna-externa del hombro. Se encontraron aumentos en flexión-extensión, 17,98%, y rotación interna-externa, 18,12%, después de la terapia en la Prueba de Alcance Máximo hacia Adelante. Para la aducción-abducción del hombro, el aumento encontrado fue del 20,23% en la prueba de rascado de Apley, lo que respalda los beneficios de la terapia de rehabilitación que combina FES, juegos serios y VR en la literatura.