ECHPAMENT IZOKINETIC ACŢIONAT CU MUŞCHI PNEUMATICI, DESTINAT RECUPERĂRII BOLNAVILOR CU AFECŢIUNI POSTTRAUMATICE ALE ARTICULAŢIILOR PORTANTE - Sinteză 2009 - INTRODUCERE Contract de cercetare exploratorie PN-II-ID-PCE-2008-2, ID_746 Director de proiect: Prof.dr.ing. Tudor DEACONESCU Tema de cercetare are drept scop proiectarea, realizarea şi testarea unui echipament izokinetic destinat efectuării mişcărilor continue pasive de reabilitare a articulaţiilor portante ale membrului inferior (şold, genunchi, gleznă). Acţionarea echipamentului este făcută cu ajutorul muşchilor pneumatici, fapt ce conferă caracterul de noutate absolută a soluţiei propuse. ETAPA INTERMEDIARĂ: OBIECTIVUL 1. Studii privitoare la rolul echipamentelor izokinetice destinate efectuării mişcărilor continue pasive de reabilitare a articulaţiilor portante ale membrului inferior Activitatea 1.1. Definirea principalelor sarcini care revin unui echipament de reabilitare izokinetică Medicina recuperatorie are ca obiective specifice menţinerea şi refacerea funcţiilor organismului, prevenirea disfuncţiilor acestuia, apelând în acest sens la tehnici kinetice, ortotice, precum şi la diferite accesorii ajutătoare şi adaptive. În scopul ameliorării disfuncţiilor articulaţiilor portante (şold, genunchi) sunt utilizate în prezent mai multe metode, ca de exemplu exerciţiile pasive de mobilizare articulară pentru evitarea contracturilor la membrele paretice, exerciţiile de forţă musculară pentru corectarea contracturilor în muşchii spastici ai membrelor, utilizarea unor echipamente adaptive pentru promovarea funcţiei (proteze de membre, orteze, ajutătoare de mers). Fig. 1 Deşi necesar şi benefic în multe situaţii, repausul posttraumatic al articulaţiilor portante trebuie limitat în timp, fiind cunoscute efectele sale negative asupra structurilor şi funcţiilor neuromusculare, osteo-articulare, cardio-vasculare, respiratorii ş.a. Studii recente au demonstrat că deşi repausul la pat aduce uşurarea durerii, durata acestuia trebuie să fie scurtă, adică nu mai mult de 2-3 zile. Prelungirea repausului la pat este însoţită de efecte negative în plan psihologic (perceperea unei afecţiuni severe), economic (absenteism), decondiţionare musculară (atrofie) şi cardio-pulmonară, complicaţii acute (tromboembolie, pierderi de masă minerală osoasă, hipercalcemie şi hipercalciurie). Studii internaţionale au scos în evidenţă faptul că utilizarea pentru refacere a unor echipamente capabile de efectuarea unor mişcări pasive continue au scăzut costurile de reabilitare cu aproximativ 50% faţă de cazul neutilizării lor. Necesitatea conceperii unor echipamente moderne, complexe, destinate reabilitării persoanelor cu afecţiuni posttraumatice ale membrului inferior rezultă din incidenţa ridicată a acestor dizabilităţi. Astfel, în perioada 2002-2005, în cadrul Clinicii de Recuperare a INRMF Bucureşti s-au făcut câteva studii cu privire la ponderea bolnavilor cu afecţiuni ale articulaţiilor portante ale membrelor inferioare. Afecţiunile posttraumatice ale articulaţiilor portante (fracturi de şold, genunchi, gleznă) au reprezentat 54,25% din totalul afecţiunilor posttraumatice - 453 pacienţi; distribuţia pacienţilor pe sexe arată procente asemănătoare, cu o uşoară preponderenţă a sexului feminin (50,77%); repartiţia pacienţilor pe medii indică preponderenţa mediului urban (78,81%); distribuţia pe grupe de vârstă arată o preponderenţă a grupei 41-50 ani; repartiţia bolnavilor pe afecţiuni relevă preponderenţa fracturilor de şold (43,70%). Cercetările efectuate pe acest eşantion de pacienţi, care au beneficiat de kinetoterapeutică, au scos în evidenţă următoarele concluzii: ameliorarea scorului durerii cu 30,02%; ameliorarea disfuncţiilor fizice cu 14,99%; ameliorarea dizabilităţilor cu 24,22%; ameliorarea consumului de medicamente cu 21,82 % ;
ameliorarea scorului general mediu la nivelul întregului lot cu 24,12%, cu valorile maxime la grupul cu fractură de şold 27,74%, urmate de cazurile cu fractură de genunchi 22,85% respectiv de gleznă 19,76%. Din aceste studii rezultă cu claritate necesitatea introducerii kinetoterapiei ca mijloc de tratament posttraumatic al articulaţiilor portante, mişcarea pasivă continuă reprezentând un instrument optim în arsenalul terapeutic al profesioniştilor din domeniul reabilitării. Mişcarea pasivă continuă (Continuous Passive Motion - CPM) este o metodă de tratament postoperator de reabilitare aplicată în cazul intervenţilor chirurgicale efectuate asupra articulaţiilor portante ale membrelor inferioare. După o asemenea intervenţie, ţesuturile din jurul plăgii devin rigide şi, ca urmare, mobilitatea articulaţiei respective este mult diminuată. Refacerea naturală a mobilităţii ar putea dura în anumite cazuri chiar şi câteva luni. Utilizarea procedeului de mişcare continuă pasivă presupune antrenarea mecanizată a articulaţiei asupra căreia s-a intervenit, fără ca muşchii pacientului să fie autosolicitaţi. Acest lucru este posibil prin folosirea unor echipamente special concepute, capabile să aplice articulaţiei mişcările optime necesare reabilitării. Utilizarea procedeului de mişcare pasivă continuă presupune antrenarea mecanizată a articulaţiei asupra căreia s-a intervenit fără ca muşchii pacientului să fie solicitaţi. Acest lucru este posibil prin folosirea unor echipamente special concepute, capabile să aplice articulaţiei mişcările optime necesare reabilitării. Cercetările efectuate au dovedit că folosirea unor asemenea echipamente reduce simţitor durata de refacere, iar pacienţii apelează la o cantitate mai mică de medicamente antidurere. Echipamentele izokinetice generatoare de mişcare continuă pasivă pot fi împărţite, în general, în două categorii: dispozitive pluri-articulare (sau multi-articulaţie) care permit cu ajutorul unor accesorii - testarea şi reabilitarea tuturor articulaţiilor importante, şi dispozitive mono-articulare (sau monoarticulaţie) destinate unei singure articulaţii specifice. La nivel mondial au fost realizate astfel de sisteme speciale pentru şold, genunchi sau gleznă, cum sunt cele ilustrate în Fig 2 (Fisiotek). Fig. 2 Toate echipamentele izokinetice existente sunt dotate cu control computerizat care permite studierea în timp real a funcţionalităţii musculare, precum şi trasarea unor serii de curbe (diagrame) care asigură studierea contracţiei musculare de-a lungul întregii traiectorii a mişcării. Un asemenea control reprezintă un feedback important pentru pacient, precum şi baza pentru evaluarea funcţională efectuată de către medic în timpul testului izokinetic. Avantajul unor asemenea echipamente este acela că ele pot fi utilizate nu numai în centre specializate de reabilitare, ci şi la domiciliul persoanelor afectate. Activitatea 1.2. Studiul avantajelor realizării unui echipament de reabilitare izokinetică acţionat cu muşchi pneumatici O primă variantă cunoscută de echipament destinat recuperării articulaţiilor membrului inferior este cea prezentată în figura 3. Este vorba despre o variantă cu acţionare manuală, în care bolnavul, cu ajutorul unei manete, îşi comandă singur viteza şi amplitudinea mişcării piciorului bolnav. O altă variantă de echipament, bazată pe o construcţie cu bare articulate, este prezentată în figura 4. În următoarea imagine (Fig 5) este prezentată o variantă modernă de asemenea echipament, în care piciorul pacientului este prins într-un dispozitiv, iar mecanismul de antrenare deplasează membrul bolnav într-o mişcare continuă de viteză şi amplitudine variabile. Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5
Echipamentele izokinetice necesare efectuării mişcărilor pasive continue existente la această oră pe piaţă sunt antrenate cu motoare electrice, structura lanţurilor lor cinematice fiind rigidă. Preţurile unor asemenea echipamente sunt destul de ridicate, de câteva mii de dolari, depăşind de multe ori posibilităţile financiare ale potenţialilor utilizatori. Acestea sunt câteva dintre motivele care au condus la ideea conceperii unui echipament izokinetic destinat efectuării mişcărilor pasive continue ale articulaţiilor portante, acţionat cu ajutorul muşchilor pneumatici, costul final al produsului situându-se sub oferta de pe piaţă. Muşchiul pneumatic este un sistem cu membrană contractantă care, sub acţiunea presiunii aerului îşi măreşte diametrul şi îşi micşorează lungimea. În acest fel, muşchiul pneumatic efectuează o anumită cursă, dependentă de nivelul presiunii de alimentare. Comparativ cu motoarele pneumatice cu piston clasice, muşchii pneumatici prezintă câteva avantaje, cum ar fi : la un diametru egal, forţa de acţionare mai mare; rezistenţă superioară la mediul de lucru; raport forţă utilă dezvoltată/greutate proprie superior; pentru multe aplicaţii, consum de aer inferior; posibilitatea realizării de lungimi oricât de mari ale elementelor de execuţie; nu apare fenomenul de stick-slip; poziţionare fără zgomot etc. Un muşchi pneumatic este construit dintr-un tub interior de diferite lungimi, confecţionat dintr-un material elastic, de regulă neopren. Acest tub este înfăşurat într-o ţesătură multistrat, realizată din nylon, care-i conferă rezistenţă şi protecţie la acţiunile mediului de lucru. Unghiul de înfăşurare a ţesăturii, notat cu α, în starea relaxată a muşchiului are valoarea de 25,4º, iar pentru starea maxim contractată de 54,7º. Fig. 6 OBIECTIVUL 2. Activitatea 2.1. Studii referitoare la posibilitatea construcţiei unui echipament de reabilitare acţionat cu muşchi pneumatici Sistematizarea rezultatelor cunoscute referitoare la utilizarea muşchilor pneumatici în robotica de recuperare Utilizarea membranelor pentru construcţia elementelor pneumatice de acţionare a cunoscut o continuă dezvoltare, mai ales în domeniul roboţilor industriali. Pot fi în acest sens amintite rezultatele obţinute de către cercetătorii de la Orthopädic Centre din Heidelberg, Germania, din anul 1948, braţul acţionat pneumatic realizat de către americanul J.L. McKibben (Fig 7), robotul păşitor WAP 1 realizat de către Waseda University Tokyo, Japonia (1969) sau membranele pneumatice construite de către IAI Research Centre Karlsruhe, Germania (2002). Fig. 7 Folosirea muşchilor pneumatici pentru diferite aplicaţii industriale se află în fază de început, datorită caracterului de relativă noutate a acestor componente. Realizări mai recente legate de folosirea muşchilor pneumatici sunt cele de la IFAS-RWTH Aachen, de la Bremen Universität (IAT), de la IAI Karlsruhe şi de la Technische Universität Berlin. Astfel, de exemplu, este cunoscut conceptul LeRoS-F, dezvoltat în cooperare de către IAT Bremen şi IAI Karlsruhe, care presupune realizarea unui sistem modular, format din subansambluri şi elemente tipizate. Cu ajutorul acestor componente se pot asambla şi da în exploatare rapid roboţi uşori, multi-senzor. În figura 8 este prezentat un sistem cu membrană gonflabilă cu aer, care poate realiza o mişcare de rotaţie cu un anumit unghi. Fig. 8 Fig. 9
Universitatea Tehnică din Berlin şi firma Festo au conceput un sistem cu două braţe acţionate cu ajutorul muşchilor pneumatici, denumit Zar-X (Zwei-Arm-Roboter). O vedere a acestui sistem este prezentată în figura 9. Firma Festo este realizatoarea unui sistem asemănător, antrenat cu muşchi pneumatici. În figura 10 este prezentat în acţiune sistemul Festo Airic s Arm: Fig. 10 Firma americană Shadow Robot Company, producătoare de muşchi pneumatici, a conceput şi ea o mână artificială acţionată cu ajutorul acestui tip de actuator. În figurile de mai jos sunt redate câteva imagini ale acestei mâini. Este de remarcat faptul că datorită complianţei aerului, degetele acestei mâini pot apuca obiecte fragile fără ca acestea să sufere deteriorări. Fig. 11 Activitatea 2.2. Modelarea şi simularea comportamentului muşchilor pneumatici. Modelarea matematică a unui muşchi artificial se realizează plecând de la o serie de ipoteze simplificatoare: muşchiul este considerat un cilindru (se neglijează efectele părţii non-cilindrice); se neglijează efectele grosimii peretelui; materialul exterior se consideră inextensibil. Geometria înfăşurării acoperitoare este redată în figura 12. Se poate observa faptul că la efectuarea unei anumite curse, înfăşurarea se comportă asemenea unui foarfece. Fig. 12 Pornind de la notaţiile de mai sus se poate calcula forţa dezvoltată de un muşchi pneumatic: 2 F p 2 3 cos 1 2 4 d 1 cos (1) în care p este presiunea de lucru, iar d este diametrul interior al muşchiului pneumatic. Muşchiul pneumatic are un comportament asemănător unui arc, ceea ce înseamnă că la efectuarea cursei maxime, forţa dezvoltată este egală cu zero. Prin prelucrarea relaţiei de mai sus rezultă că pentru F = 0 N, unghiul α = 54,7º.
OBIECTIVUL 3. Activitatea 3.1. Activitatea 3.2. Activitatea 3.3. Elaborarea modelelor conceptuale ale unui echipament de reabilitare acţionat cu muşchi pneumatici Realizarea mai multor variante de scheme cinematice Alegerea variantelor optime Modelarea şi rafinarea soluţiilor alese Au fost realizate două variante de echipamente destinate obţinerii mişcării pasive continue, ambele fiind antrenate cu ajutorul muşchilor pneumatici. Schema cinematică de principiu pe baza căreia au fost concepute cele două variante este redată în figura următoare: C B A D F/2 F F O 300 150 Fig. 13 După cum rezultă din figură, cursa necesară a fi efectuată de culisorul echipamentului este de 300 mm. Pentru construcţia echipamentului s-a utilizat un muşchi pneumatic cu diametrul interior de 20 mm şi o lungime iniţială de 750 mm. Cum cursa maxim posibilă a capătului liber al muşchiului este de aproximativ 20% din lungimea sa în stare netensionată (adică de 150 mm), între muşchi şi culisor s-a amplasat un mecanism cu doi scripeţi, din care unul mobil, cu rolul de a amplifica mărimea deplasării culisorului până la valoarea necesară. Pentru efectuarea mişcărilor de reabilitare, de culisorul echipamentului este legat un mecanism cu bare articulate, cu o configuraţie ce rezultă din figura 14: f2 A C D l2 B 150 f3 = 0 Fig. 14 l3 l1 y O f1 x ETAPA FINALĂ: OBIECTIVUL 1. Activitatea 1.1. Activitatea 1.2. Optimizarea organologică a unui echipament de reabilitare izokinetică Configurarea ansamblului echipamentului Modelarea şi dimensionarea componentelor mecanice În baza schemei cinematice prezentată în figura 13, au fost concepute două variante de echipamente de reabilitare. Cele două variante constructive se bazează pe folosirea într-o foarte mare măsură a elementelor mecanice tipizate. Astfel, pentru construcţia cadrului portant se utilizează bare profilate standardizate, realizate din aluminiu, de secţiune pătrată, cu dimensiunile 40x40 mm 2. Elementele de prindere, rolele care permit rularea căruciorului, precum şi alte elemente de structură sunt tipizate şi pot fi achiziţionate de la firmele producătoare.
Varianta 1: Varianta 2: Fig. 15 Fig. 16 Desenele de execuţie ale componentelor netipizate ale celor două variante de sisteme de reabilitare sunt prezentate în Anexa 1, respectiv Anexa 2 ale raportului in extenso. OBIECTIVUL 2. Diseminarea rezultatelor Activitatea 2.1. Elaborarea de articole Membrii echipei de cercetare au publicat pe parcursul anului 2009 opt articole ştiinţifice, dintre care şase sunt indexate ISI Web of Proceedings. 1. Deaconescu Andrea, Deaconescu Tudor Pneumatic Muscle Actuated Robotized Arm for Rehabilitation Systems International MultiConference of Engineers and Computer Scientists Hong Kong 2009, International Association of Engineers (IAENG), Proceeding vol. II, pag. 1872-1875, Editura Newswood Limited Hong Kong, ISBN:978-988-17012-7-5 (indexed by ISI Web of Proceedings). 2. Deaconescu Tudor, Deaconescu Andrea Pneumatic Muscle Actuated Isokinetic Equipment for the Rehabilitation of Patients with Disabilities of the Bearing Joints International MultiConference of Engineers and Computer Scientists Hong Kong 2009, International Association of Engineers (IAENG), Proceeding vol. II, pag. 1823-1827, Editura Newswood Limited Hong Kong, ISBN:978-988-17012-7-5 (indexed by ISI Web of Proceedings). 3. Deaconescu Andrea, Deaconescu Tudor Performance of a Pneumatic Muscle Actuated Rotation Module World Congress on Engineering Londra 2009, International Association of Engineers (IAENG), Vol. II, pag. 1516-1520, Editura Newswood Limited Hong Kong, ISBN:978-988-18210-1-0 (indexed by ISI Web of Proceedings). 4. Deaconescu Andrea, Deaconescu Tudor Pneumatic Actuation of Equipment Developed for the Rehabilitation of the Lower Limb by Continuous Passive Motion Annals of DAAAM for 2009 & Proceedings of the 20 th International DAAAM Symposium Viena, Austria, pag. 0519, ISBN 978-3-901509-70-4 (indexed by ISI Web of Proceedings). 5. Deaconescu Andrea, Deaconescu Tudor Pneumatic Muscle Actuated Translation Module For Rehabilitation Robots. Annals of DAAAM for 2009 & Proceedings of the 20 th International DAAAM Symposium Viena, Austria, pag. 0709, ISBN 978-3-901509-70-4 (indexed by ISI Web of Proceedings). 6. Ichim Izabella, Klein Mărăscu Vladimir Studies Regarding the Dependence Force - Input Pressure of Pneumatic Artificial Muscle
Annals of DAAAM for 2009 & Proceedings of the 20 th International DAAAM Symposium Viena, Austria, pag. 0653, ISBN 978-3-901509-70-4 (indexed by ISI Web of Proceedings). 7. Deaconescu, T., Deaconescu A., Limbăşan, G., Găvruş C., Ichim I. Pneumatic Muscle Actuated Equipment for the Passive Exercising of Inferior Limb Bearing Joints International Conference on Economic Engineering and Manufacturing Systems, ICEEMS 2009, Braşov 8. Petre Ioana, Deaconescu Tudor Isokinetic Equipment Designed For Therapeutic Exercises International Conference on Economic Engineering and Manufacturing Systems, ICEEMS 2009, Braşov Activitatea 2.2. Participarea la conferinţe sau mobilităţi pentru documentare Pe parcursul anului 2009, colectivul de cercetători a efectuat următoarele deplasări: 1. Participarea a două persoane la Conferinţa World Congress on Engineering Londra 2009. Pe lângă susţinerea unei lucrări, directorul de proiect a participat şi în calitate de Session Chair al uneia dintre secţiunile conferinţei. 2. Participarea a două persoane la 20 th International DAAAM Symposium Viena, Austria, unde s-au susţinut trei lucrări indexate ISI Web of Proceedings. 3. Deplasarea a două persoane pentru informare-documentare la Universitatea Tehnică din Braunschweig, Germania. OBIECTIVUL 3. Organizarea echipei de cercetare Activitatea 3.2. Monitorizarea activităţilor de cercetare Activitatea 3.3. Evaluarea activităţilor Activitatea 3.4. Raportări intermediare Activitatea de conducător al echipei de cercetare desfăşurată de directorul proiectului s-a ghidat pe următoarele principii: obţinerea încrederii tuturor colaboratorilor în vederea generării de sinergie; realizarea coeziunii echipei; aplicarea întocmai a regulilor şi reglementărilor stabilite de comun acord; urmărirea valorificării talentulului, experienţei şi abilităţii fiecărui cercetător; dinamizarea desfăşurării lucrărilor; înregistrarea şi sintetizarea rezultatelor; redactarea corectă a tuturor documentelor. Managementul proiectului a fost orientat pe obiective şi activităţi, fiecare dintre ele fiind urmarită în permanenţă, bucla de reglare a proiectului fiind activă mereu. Deşi responsabilitatea managementului de proiect revine directorului, datorită politicii de management participativ, transparent, bazat pe decizii colective, toţi membrii colectivului au dobândit, respectiv şi-au dezvoltat capacităţile de management de proiecte, din punct de vedere ştiintific, administrativ şi financiar. Managementul proiectului a cuprins aspecte cu caracter atât administrativ, cât şi tehnic, atribuţiile membrilor echipei fiind următoarele : 1. Directorul de proiect a asigurat managementul strategic precum şi managementul administrativ al proiectului (rapoarte către CNCSIS, documente administrative interne, achiziţii de echipamente, pontaje, state de plată, administrarea activităţii de pregătire a doctoranzilor etc). De asemenea, a asigurat şi managementul tehnic general al proiectului, asigurându-se că elementele cercetării sunt competitive pe plan european şi internaţional. În acelaşi timp, directorul de proiect a asigurat legătura echipei de cercetare cu echipe similare din Germania, Elveţia şi Hong Kong, utilizând parteneriatele stabilite în alte proiecte anterioare. O altă activitate importantă propusă este aceea de a elabora o aplicaţie de proiect FP7 care să integreze activitatea echipei în contextul general ERA. 2. Cercetătorul cu experienţă a asigurat managementul tehnic de zi cu zi al proiectului, care a presupus supervizarea în detaliu a cercetătorilor mai tineri, precum şi colaborarea directă cu aceştia la realizarea unor compenente de dificultate mai ridicată. A contribuit, de asemenea, şi la realizarea rapoartelor de etapă. 3. Cei doi doctoranzi, în afară de contribuţiile tehnice la proiect, conform celor descrise anterior, au răspuns de crearea şi întreţinerea paginii web a proiectului.