Control strategies for robotic exoskeletons to assist post-stroke hemiparetic gait through technology embodiment

• Autores: Julio Salvador Lora Millán
• Directores de la Tesis: Eduardo Rocón de Lima (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2022
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Ferre Pérez (presid.), Claudio Rossi (secret.), Edwin van Asseldonk (voc.), María Dolores Blanco Rojas (voc.), Antonio José del Ama Espinosa (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Automática y Robótica por la Universidad Politécnica de Madrid
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de los ordenadores
    • Tecnología de la instrumentación
      • Ingeniería de control
      • Instrumentos médicos
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • Los pacientes de ictus presentan varios déficits motores que reducen su independencia y dificultan las tareas de la vida diaria. La marcha hemiparética es la consecuencia motora más común después de un ictus y se caracteriza por patrones de marcha asimétricos y debilidad muscular y control motor deficiente en la pierna afecta. Para compensarlo, los pacientes desarrollan estrategias que logren una marcha funcional y estable. A pesar de las terapias convencionales, la marcha hemiparética es persistente en la mayor parte de pacientes y sus mecanismos de compensación, aunque necesarios, pueden suponer afecciones musculoesqueléticas en la pierna no parética (debido a su mayor implicación) y un mayor coste metabólico de la marcha (por el desarrollo de patrones ineficientes). En este contexto, en el que gran parte de los pacientes ambulatorios de ictus necesitan dispositivos para caminar con seguridad, esta tesis doctoral presenta un nuevo paradigma de asistencia robótica para estos pacientes. Las deficiencias de la marcha hemiparética no son sólo consecuencia directa del daño cerebral, sino también de los mecanismos de compensación que palian estos efectos directos. La hipótesis de este trabajo reside en asistir las funciones afectas, reduciendo la necesidad de dichas compensaciones. Si la asistencia prestada es debidamente integrada por el Sistema Nervioso, deberían disminuir los citados mecanismos de compensación. La revisión del estado del arte expuesta en este documento sugiere que el mejor enfoque para prestar esta asistencia es un exoesqueleto robótico parcial, por su bajo peso y su acción centrada en la función afecta. Sin embargo, estos dispositivos requieren ser coordinados con la marcha del usuario mediante sus algoritmos de control. Esta coordinación resulta crítica para la integración de la tecnología, ya que ésta reside en una temporización predecible que coincida con la estimación del usuario. Este documento presenta, en primer lugar, los desarrollos tecnológicos necesarios para evaluar la hipótesis propuesta. Se ha desarrollado y validado un sistema de sensores basado en un Filtro de Kalman Extendido que utiliza giroscopios y acelerómetros para medir las características de la marcha que sirvan como entrada de algoritmos de control de exoesqueletos. Posteriormente, se desarrolló un nuevo paradigma de control para exoesqueletos parciales que favorezca la simetría de la marcha al asistir la pierna parética de pacientes con hemiparesia de acuerdo al movimiento de su pierna no afecta. Este nuevo paradigma se basa en la estimación de la fase de la marcha en la pierna no parética mediante un Oscilador de Frecuencia Adaptativo. El prototipo REFLEX se ha desarrollado para validar dicho paradigma de control, se trata de un exoesqueleto de rodilla en el que se han implementado las estrategias de control propuestas. Los resultados de la validación preliminar con tres pacientes de ictus señalan la correcta integración del dispositivo, ya que, más allá de compensar las perturbaciones por vestir el exoesqueleto, la simetría de la marcha aumentó debido a modificaciones en el movimiento de ambas piernas (no sólo de la asistida). Posteriormente, se realizó un segundo experimento para evaluar la integración de la asistencia prestada por REFLEX en un grupo mayor de pacientes hemiparéticos. Se evaluó la asistencia prestada a ocho pacientes atendiendo a las características de su marcha, su cinemática y su actividad muscular. Aunque se encontraron diferencias significativas individualmente, los resultados del análisis de grupo no fueron concluyentes. Experimentos y análisis adicionales se proponen como futuras líneas de trabajo para determinar el origen y los requisitos para una correcta integración de los exosqueletos robóticos. Este trabajo doctoral se ha llevado acabo con la financiación del Ministerio de Universidades del Gobierno de España, dentro del programa de Formación de Profesorado Universitario (FPU16/01313).