Modelarea Matematica a Mainii
CAPITOLUL 1
Fundamentarea cercetării orientată către sisteme hibride FES-Exoschelet pentru recuperarea mâinii la persoanele cu handicap neuromotor
1.1 Cadru general
Comunitatea științifică a devenit tot mai interesat de așa-numita Robotică de reabilitare, o ramură a Roboticii si a Mecatronicii, care se ocupă cu studiul sistemelor robotice complexe având ca scop restabilirea funcțiilor umane pentru acei oameni care suferă traumatisme majore, rezultate în urma accidentelor vasculare cerebrale și a bolilor cerebrovasculare (AVC).
Stimularea electrică funcțională este o tehnologie folosită cu succes în procesul de reabilitare al persoanelor cu handicap neuromotor. În momentul actual este comun acceptată definiția că stimularea electrică produce contracția mușchilor prin introducerea artificială a unui tren de impulsuri în nervii care deservesc acești mușchi. Dispozitivele care furnizează aceste trenuri de impulsuri poartă numele de neuroproteze.
Stimularea electrică funcțională – FES ( functional electric stimulation) se utilizeaza pentru realizarea mișcărilor funcționale controlate, prin intermediul stimului electric; tipul de contracție musculară este activă, activarea secvențelor contracției se face de către computer sau terapeut; aceasta produce o mișcare funcțională, iar electrozii pot fi implantați sau de suprafață.
Noutatea acestui sistem constă în realizarea unui balans controlat între stimularea electrică și exoschelet. prin exoschelet se înțelege înveliș exterior sau schelet artificial, în cazul nostru o mănușă cu tendoane artificiale acționate de servomootoare liniare.
Din punct de vedere al reabilitării după un accident vascular cerebral, este
important ca pacientul să continue exercițiile terapeutice pentru o reabilitare de succes. Se știe că recuperarea după ce pacientul a suferit o leziune a creierului, este influențată în mare măsură de activitatea senzo-motorie.
1.2 Ce este Accidentul Vascular Cerebral?
Accidentul vascular cerebral apare atunci când un vas de sânge (o artera) care furnizează sânge la nivelul unei zone a creierului se sparge sau este blocat de un cheag sangvin.
Ca rezultat, acea parte a corpului care este controlata de zona afectata a creierului nu mai poate funcționa adecvat.
În cazul în care apar simptome ale unui AVC este necesar un tratament de urgenta, exact ca si in cazurile de infarct miocardic. In cazul in care tratamentul medical este început cat mai curând după apariția simptomelor, cu atât mai puține celule nervoase vor fi afectate permanent.
De obicei, simptomele apar brusc si sunt de cele mai multe ori severe, la câteva minute după suferirea atacului, deoarece accidente vasculare cerebrale ischemice apar neprevăzute, provocând moartea țesutului cerebral. Accidente vasculare cerebrale, care rămân stabile timp de 2 sau 3 zile sunt numite accidente vasculare cerebrale finalizate.
Întâlnim doua tipuri de accidente vasculare:
Ischemic, cel mai întâlnit tip de accident vascular cerebral (80% din AVC), se produce atunci când vasul de sânge este blocat, fie de un cheag dezvoltat la nivelul unei artere ce iriga creierul, fie de un cheag ce poate se migreze din orice regiune a corpului (figura 1). Principali factori de risc sunt reprezentați de :
hipertensiunea arterial;
diabetul zaharat tip 2;
creșterea grăsimilor în sânge;
fumatul;
obezitatea;
sedentarismul;
consumul exagerat de alcool.
Fig. 1 AVC Ischemic
Hemoragic (figura 2) se produce atunci când un vas de sânge se rupe, sângele se acumulează și realizează compresia țesutului cerebral din jur. Acest tip de accident cerebral este întâlnit mai rar, in aproximativ 10-20 % din cazuri. Printre cauzele care determina instalarea unui accident vascular ischemic se număra:
ateroscleroza;
embolia vasculara;
artrite;
traumatisme directe ale vaselor cervicale;
compresiuni ale vaselor;
tulburări de coagulare ale sângelui;
aritmiile cardiace;
prolapsul de valva mitrala;
infarctul miocardic;
hipertensiunea arteriala.
Fig.2 AVC Hemoragic
Simptomele variază în funcție de locația de sângerare și cantitatea de țesut cerebral afectat. De obicei, simptomele apar brusc, fără avertisment, și de multe ori în timpul activității. Ele pot să apară și să dispară (fie episodic) sau să se agraveze încet in timp. Acestea pot fi:
Comă;
Stare de somnolență;
Dificultate in vorbire;
Inconștiența;
Dificultate în citire și scriere;
Pierderea echilibrului;
Amorțeală.
Pentru persoanele ce au suferit un accident vasular este recomandat să nu ia în greutate deoarece pe un sistem osos deficitar kilogramele în plus reprezintă un efort mai mare din partea pacientului. Deasemenea pentru pacientii care stau nemișcați un timp mai îndelungat apare distrofia musculară, în acest caz este recomandată stimularea electrică pentru prevenirea acestei distrofii musculare.
1.3 Incidența accidentelor vasculare cerebrale
În prezent una din cele mai mari amenințări pentru populație, la nivel mondial o reprezintă accidentele vasculare cerebrale, fiind o problemă majoră de sănătate a populației.
Prin incidență înțelegem frecvența cazurilor de accidente vasculare cerebrale, înregistrate într-o anumită perioadă de timp și un anumit teritoriu.
La nivel mondial, accidentul vascular cerebral reprezintă una din cauzele principale de morbiditate și mortalitate, Lopez AD, et al, 2006, anual provocând decesul a cinci milioane de oameni și dizabiliăți severe altor cinci milioane. Potrivit Organizației Mondiale a Sănătății în anul 2001 s-au înregistrat 5,5 milioane de decese prin accidente vasculare cerebrale și anual circa 15 milioane de persoane supraviețuiesc unui accident vascular cerebral.
La nivel global, există diferențe majore în incidența mortalității prin accidente vasculare cerebrale și anume între America și Japonia, Europa de Vest și Europa de Est. Ratele de mortalitate prin AVC diferă și intre grupurile rasiale, spre exemplu negrii sunt predispuși de două ori mai mult să moară din cauza acestei boli decât albii. Rate ridicate de incidență AVC au în special chinezii și japonezii. Mariana-Alis Neagoe, 2013
Letalitatea prin accidente vasculare cerebrale este de 11% pentru femei și 8,4% pentru bărbați. Studii prospective arată că această afecțiune crește an de an, atât ca incidență cât și ca prevalență, apreciindu-se de experții Organizației Mondiale a Sănătății, că accidentele vasculare cerebrale vor deveni până în anul 2030 principala cauză de mortalitate.
În Europa, incidența AVC variază de la țară la țară, fiind estimate între 100 și 200 de accidente vasculare cerebrale noi la 100.000 de locuitori anual, reprezentând o imensă povară economică.
În România, se înregistrează aproximativ 300 de accidente vasculare cerebrale noi la suta de mii de locuitori, față de o medie europeană de până în 200 de AVC, aproximativ 900.000 de cetățeni au suferit una sau două accidente vasculare cerebrale. Vârsta la care accident vascular cerebral apare în România au început să scadă, multe cazuri noi sunt diagnosticate sub 40 de ani. Potrivit statisticilor OMS Romania se situează pe primul loc, în ceea ce privește mortalitatea cât și invaliditatea majoră. Popescu BO, 2009
Studiile statistice au demonstrat că accidentele vasculare cerebrale apar în 75% din cazuri după vârsta de 65 de ani, vârstă la care și recuperarea post AVC este mult mai dificilă.
Potrivit ultimelor statistici ale OMS, accidentele vasculare cerebrale vor deveni, până în anul 2030, principala cauză a mortalității în lume, ajungând la aproximativ opt milioane de morți anual.
La nivel global între 2-4% din costurile serviciilor de sănătate se duc spre accidentele vasculare cerebrale, iar în zonele dezvoltate depășesc 4%. Strong , 2007
Un studiu realizat in anul 1990 arată ca Marea Britanie a cheltuit 7,6 miliarde de lire sterline, Australia 1,3 miliarde de dolari australieni iar SUA 40,9 miliarde de dolari, ceea ce rezultă că s-au cheltuit circa 100 de dolari pe locuitor într-un an. Rosamond W, 2008
Medicii specialiști susțin că, dintre cei care suferă un accident vascular cerebral, o treime mor în primul an după accident, o treime rămân cu handicap permanent, iar restul se recuperează, www1.
Atacul cerebral are cel mai mare grad de prevenire datorită factorilor de risc modificabili, comuni cu ai altor afecțiuni cardiovasculare ce oferă oportunități de prevenire.
1.4 Stimularea electrică funcțională-studiu comparativ
Creierul este un organ care are capacitate mare de refacere, însă nu se poate regenera în totalitate. Porțiunile encefalului neafectate de accidentul vascular cerebral pot prelua cu succes funcția țesutului cerebral lezat. Studii recente au arătat ca exercițiile intensive și repetitive pot fi necesare pentru a modifica organizarea neuronală, cât și în recuperarea abilităților motorii funcționale.
Scopul recuperării medicale este de a permite persoanelor cu dezabilități atingerea și menținerea funcției optime fizice, intelectualăe, psihologice și/sau sociale, International classification of functioning disability and Health, et al, 2001 . Scopurile recuperării medicale se pot extinde de la intervenții pentru diminuarea dezabilităților la interveniții mai complexe cu scopul de a încuraja participarea activă. Partea de recuperare concentrată pe activitățile vieții curente, este asociată cu prognostic funcțional mai bun Kwakkel G, et al, 2004 – Langhorne P, et al, 1996.
Recuperarea post-AVC se face încă din faza acută, cu exerciții de mobilizare pasivă și activă ajutate (asistate) zilnic, precum: ridicarea treptata a pacientului din pat, șederea în scaun și identificarea deficitelor de comunicare. Ulterior, bolnavul este trimis la fizioterapie sau la terapie ocupațională în scaunul cu rotile.
Urmează ca pacientul internat să exerseze activitățile de transfer (din pat în scaunul cu rotile și înapoi), activitățile pregătitoare pentru mers, practicarea activității cotidiene de autoîngrijire și îmbrăcare și antrenarea comunicării.
Se va urma, de asemenea, și o terapie prin care pacientul este învățat să înghită. În această etapă, se învață mersul asistat (eventual cu ajutorul unor dispozitive de mers) și deplasarea la baie.
Pacientul poate rămâne cu tulburări de limbaj, caz în care este nevoie de logopedie.
După ce bolnavul este externat, familia joacă un rol important în tratamentul de recuperare a acestuia. Toți membrii familiei învață programul stabilit de medic la domiciliu.
Pacientul care a suferit un AVC învață acum să-și ia singur medicamentele. Începe să facă independent transferul din/în scaunul cu rotile și să se deplaseze cu scaunul. În această etapă, bolnavul este mai sigur pe forțele lui și se descurcă de unul singur în bucătărie și în baie, urmează o dietă adecvată și începe să comunice.
Ultima etapă, care durează mai mult, în funcție de intensitatea AVC, constă în programe de exerciții efectuate în mod activ sau pasiv (electrostimulare/electrogimnastică sau gimnastică pasivă). www2
Stimularea electrică, denumită și electroterapie, amintită încă din anii 400 î.C., când a fost menționată utilizarea peștelui torpilă – torpedo nobiliana, pentru a reducerea și controlarea durererii anumitor părți ale corpului uman. Acest pește poate produce șocuri electrice cu valori între 100 V și 150 V, astfel încât prins viu din lacuri, și plasat deasupra părților dureroase ale corpului omenesc, se spune că avea proprietatea de a alina durerea. În anii 1965, electroterapia și-a recâștigat popularitatea odată cu apariția și validarea unei noi teorii legată de percepția durerii. Această teorie afirmă că percepția durerii depinde de balansul între activitatea în fibrele nervoase de diametre mari și cele mici. Astfel, s-a lansat ipoteza că o creștere a activității în fibrele nervoase de diametre mari ar restrânge activitatea în fibrele nervoase de diametre mici, blocând astfel transmisia semnalelor durerii către creier (calea aferentă). În cazul ideal, poarta de trecere a acestor semnale aferente, cu rol în percepția durerii, este închisă, prin activarea adecvată a fibrelor nervoase de diametre mari Gersh MR, et al, 1992. Stimularea electrică activează inițial fibrele nervoase de diametre mari, și doar prin creșterea intensității stimulării electrice sunt activate și fibrele nervoase de diametre mici.
În zilele noastre este comun acceptată definiția că stimularea electrică produce contracția mușchilor, prin introducerea artificială a unui tren de impulsuri în nervii care deservesc acești mușchi. Astfel, în cazul persoanelor cu leziuni la nivelul sistemului nervos central (SNC), stimulul electric aplicat artificial înlocuiește comanda, acum deficitară, care înaintea producerii evenimentului nedorit era generată voluntar de către sistemul nervos central valid. Stimularea electrică se poate realiza cu electrozi de suprafață sau implantați Dupont A.-C. et al., 2002, Loeb GE, et al, 2001. Deoarece, în general, stimularea electrică va produce o contracție musculară suficientă pentru realizarea unei mișcări funcționale (exp. extensia articulației genunchiului prin stimularea mușchilor cvadricepși, flexiunea dorsală a piciorului prin stimularea mușchiului tibial anterior), tehnica poartă numele de stimulare electrică funcțională (FES în literatura de specialitate în limba engleză). Condiția de bază pentru a realiza contracția unui mușchi pe baza aplicării stimulării electrice este ca nervul care va comanda contracția acestuia, să fie intact. Astfel, în cazul unui subiect cu accident vascular cerebral (AVC), este afectat sistemul nervos central, dar sistemul nervos periferic rămâne intact.
Prin activarea secvențială a lojelor musculare, de exemplu la nivelul membrelor, se poate produce o mișcare complexă mimând activități care anterior afectării sistemului nervos central erau efectuate voluntar. Prin aplicarea tehnicilor de stimulare electrică funcțională unii pacienți paralizați (leziuni medulare la nivel toracic T7-T12), pot efectua acțiuni de transfer scaun cu rotile-pat, scaun cu rotile-toaletă, exerciții de menținere a ortostațiunii, Poboroniuc M, et al, 2004, Poboroniuc M, et al, 2002 sau chiar exerciții de mers, Fuhr T, et al, 2001. Dacă leziunea medulară se află la un nivel sub T12/L1 atunci nervii periferici ar putea fi lezați, partea situată distal a acestora degenerând, si astfel nu s-ar mai putea produce excitarea electrică. E necesar a accentua, condiția necesară pentru ca stimularea electrică să producă contracția mușchiului vizat este ca atât mușchiul, cât și nervul care face legătura între acesta și coloana vertebrală să fie intacți.
Conceptul de stimulare electrică funcțională a fost propus încă din anii 1960, de către Liberson, Marian Poboroniuc, et al, 2006 . Experimentul efectuat prin plasarea unor electrozi de suprafață în apropierea nervului sciatic popliteu extern (SPE), a evidențiat activarea flexiunii dorsale a piciorului unui subiect cu hemiplegie. Activarea stimulului electric în concordanță cu mersul s-a realizat prin plasarea unui comutator plat sub călcâi. Concluziile acestui experiment, publicate de către Liberson, au evidențiat o îmbunătățire semnificativă a mersului pacienților hemiplegici care au testat acest tip de neurostimulator.
Sistemul nervos cuprinde totalitatea centrilor nervoși și nervilor care asigură comanda și coordonarea viscerelor și a aparatului locomotor, primirea mesajelor senzoriale, și funcțiile psihice și intelectuale. Sistemul nervos este compus din două subsisteme: sistemul nervos central (SNC) și sistemul nervos periferic. Sistemul nervos central, denumit și nevrax, cuprinde encefalul (creierul, cerebelul, trunchiul cerebral), protejat de craniu, și măduva spinării, amplasată în coloana vertebrală. Sistemul nervos periferic cuprinde totalitatea nervilor și ale îngroșărilor lor (ganglionii nervoși), nervii fiind legați printr-o extremitate de sistemul nervos central, ramificându-se la cealaltă extremitate într-o multitudine de ramuri fine care inervează totalitatea corpului.
În sistemul nervos periferic se deosebesc două componente, Marian Poboroniuc, et al, 2006:
Fibre nervoase somatice eferente (motorii) destinate vieții de relație, cu terminație în organele efectoare, în general în placa motorie musculară, responsabile de mișcarea voluntară sau reflexă, și fibre nervoase aferente (sensitive sau senzoriale), provenind de la formațiile receptoare, care transmit informații de la periferie către sistemul nervos central.
Fibre nervoase vegetative eferente sau aferente (simpatice sau parasimpatice), care depind de sistemul nervos autonom, responsabile pentru organele interne (viscere) și activitatea glandulară (funcții care sunt inconștiente).
Mișcările voluntare și cele motorii cele mai complexe sunt elaborate și realizate prin intermediul sistemului nervos central la care, din păcate, există limite reduse de regenerare biologică. De aceea, eforturile principale în recuperarea prin adaptare sau substituire (scaun cu rotile, proteze mecanice) au drept țintă sistemul nervos central. Atunci când rezultatele evoluției spontane și recuperarea sunt sub așteptări, stimularea electrică funcțională poate veni în sprijinul reabilitării cu rezultate mult mai bune, inducând funcții neuronale modulate extern.
În general, stimularea electrică poate fi utilizată în scop terapeutic sau funcțional. Dintre beneficiile utilizării stimulării electrice în scop terapeutic și funcțional se pot enumera Poboroniuc Marian-Silviu, et al, 2006:
îmbunătățirea tonusului muscular și împiedicarea atrofierii mușchiului paralizat;
reducerea spasticității;
îmbunătățirea circulației sanguine și a sănătății pielii;
încurajează revenirea controlului voluntar a musculaturii paralizate;
reducerea subluxației la nivelul umărului (în hemiplegie) și prevenirea durerilor asociate cu aceasta;
prevenirea sau corecția contracturilor articulare;
stabilizarea articulațiilor șoldului, genunchiului și piciorului, utile în acțiuni de menținere a ortostațiunii, mișcări de transfer scaun-pat, scaun-toaleta, etc. (de exemplu la pacienți cu AVC);
asistență în desprinderea piciorului de pe sol pentru efectuarea unui pas (cazul flexiunii dorsale deficitare a piciorului).
Lezarea sistemului nervos central prin accident vascular cerebral (AVC), scleroză multiplă, leziuni medulare la un nivel peste T12, etc., lasă intact sistemul nervos periferic, astfel încât aparatele pentru electrostimulare transcutanată actuale urmăresc activitatea electrică a nervilor motori periferici ale acelor mușchi care pot produce mișcarea dorită a membrelor și care nu pot fi controlați voluntar.
Se pot distinge două concepte importante:
cu cât electrodul este mai aproape de țesutul țintă cu atât este mai ușor a izola câmpul electric aplicat la o regiune mai mică;
efectul câmpului electric aplicat este mai mare asupra axonilor cu diametru mai mare, înveliți în teaca de mielină, aflați în vecinătatea locului de generare a câmpului electric.
Nervii motori, care vor genera contracția musculară, pot fi activați prin intermediul electrozilor plasați pe suprafața pielii, la suprafața mușchiului, în mușchi, pe nervul motor sau în nervul motor. Indiferent de tipul de electrozi utilizați în aceste cazuri de electrostimulare, aceștia trebuie să satisfacă cerințe legate de compatibilitate țesut-material electrod, compatibilitate mecanică și eficacitate în a transfera sarcina electrică necesară în stimulare fără a deteriora materialul electrodului sau țesutul muscular.
Comanda pentru contracție sau relaxare a unui mușchi este primită de la creier prin intermediul conexiunilor sistemului nervos. La baza rețelei de comunicații a corpului omenesc stă celula nervoasă.
Utilizarea stimulării electrice în scop terapeutic este legată tocmai de excitabilitatea acestei unități de bază a corpului omenesc, care acționează asupra elementelor receptoare/transmițătoare, unele dintre cele mai importante fiind mușchii, cu care aceasta este interconectată. Celula nervoasă constă dintr-un nucleu, fluidul care îl înconjoară, numit citoplasmă, și membrană.
Membrana este străpunsă de mai multe fibre numite dendrite, care realizează conexiuni cu alte celule nervoase, și de un axon care transmite informația către părțile corpului, cu care celula comunică. Între fibra care transmite informația unei celule și cea a unei alte celule, care receptează informația, există un spațiu numit sinapsă.
Membrana celulară este compusă din două straturi de molecule lipidice între care se interpune un strat de molecule proteice. Semnalele electrice sunt obținute prin modificări ale diferențelor de potențial ale membranei celulei nervoase. Una dintre proprietățile de bază ale celulei nervoase este excitabilitatea și constă în a răspunde la stimuli de diverse tipuri și de a-i converti în impulsuri nervoase. Un stimul este definit ca fiind orice eveniment care poate altera potențialul electric al membranei celulei nervoase. Dacă o modificare locală a potențialului electric are o amplitudine suficientă, acest lucru va genera un potențial de acțiune care va fi direcționat către axon străbătându-l, cu pierderi foarte mici în amplitudine. Acest potențial de acțiune, sau „impuls”, este unitatea de bază a mesajului prin intermediul căruia se realizează comunicarea nervoasă.
În cazul aplicării stimulului electric prin intermediul unor electrozi plasați la suprafața pielii, curentul electric circulă între doi electrozi (figura 3), iar la suprafața de contact electrod-piele are loc o conversie între curentul circulând prin cablurile care cuplează electrozii la stimulator (aparat de electrostimulare transcutanată) și curentul format din ioni (Na+ și K+) care circulă prin țesutul de sub piele.
Fig.3. Generarea potențialului de acțiune în apropierea punctului motor prin stimulare
electrică cu electrozi de suprafață
Electrodul pozitiv (anod) va atrage ionii negativi și va respinge ionii pozitivi, în timp ce electrodul negativ (catod) va atrage ionii migratori pozitivi și îi va respinge pe cei negativi. Efectul va consta într-o mișcare ordonată a particulelor purtătoare de sarcină electrică. Astfel, mișcarea ionilor de sodiu și potasiu de-a lungul membranei axonului va cauza potențialul de acțiune și deci producerea impulsului nervos Poboroniuc Marian-Silviu, et al, 2006.
Trebuie remarcat faptul că producerea potențialului de acțiune prin aplicarea stimulului electric, la suprafața pielii, depinde în mod critic de impedanța electrod-piele (suma elementelor rezistive și capacitive care se opun curgerii curentului electric), de orientarea și dimensiunile electrozilor, și de parametrii stimulului electric aplicat. Așezarea electrozilor în proximitatea nervilor are mare importanță. Producerea potențialului de acțiune are probabilitate mai mare de realizare în axonii mai largi, deoarece aceștia prezintă o impedanță mai scăzută.
Componentele necesare transmiterii stimulului electric de la neurostimulator la tandemul muschi-nerv sunt electrozii de electrostimulare. De neglijat este aria suprafeței electrozilor, deoarece o suprafață mare poate conduce la o difuzie a sarcinii electrice care poate afecta excitația nervoasă dorită, pe când o arie prea mică poate avea ca rezultat o densitate mare a sarcinii electrice, putând provoca disconfort utilizatorului sau chiar arsuri ale pielii. În funcție de modul de plasare a electrozilor aceștia pot fi împărțiți în:
Electrozi plasați direct pe suprafața pielii, acest tip de electrod se numește transcutanat, ceea ce înseamnă pur și simplu "pe suprafața pielii".
Cerințele care se cer a fi îndeplinite de către acest tip de electrozi, pentru a permite o utilizare de durată în sisteme de control FES, pot fi sintetizate astfel:
impedanță scăzută;
să asigure o densitate uniformă a curentului electric pe suprafață sa;
să fie ușor de aplicat /(desprins) pe/ (de pe) piele;
flexibilitate pentru a menține un bun contact cu pielea chiar pe porțiunile cu curburi;
aplicarea pe piele să nu conducă la o iritare a acesteia în decursul unei utilizări de durată.
Aria acestor electrozi este în general de peste 5 cm2, în funcție de mărimea mușchiului care se dorește a fi stimulat (figura 4.). Electrozii pentru stimulare transcutanată de suprafață pot fi utilizați atât în configurație monopolară, cât și bipolară.
Fig. 4 Tipuri de electrozi pentru stimulare transcutanată cu gel (tip Pals Plus)
Parametrii stimulului electric utilizat depind de forma de undă a stimulului electric aplicat, aria suprafeței electrozilor în contact cu pielea, materialul electrozilor, poziția lor deasupra unei loje musculare, impedanța pielii, etc.. În general, pentru o formă de undă bifazică cu pulsuri dreptunghiulare, curentul are valori de peste 30 mA, durata pulsurilor este prescrisă între 100 μs și 300 μs, frecvența este de 40 Hz, iar impedanța electrozilor este între 1 kΩ și 5 kΩ.
O primă limitare a tehnicilor de control FES care utilizează electrozi de suprafață, constă în aceea că nu se pot stimula în mod selectiv mușchi de dimensiuni mici. De asemenea, mușchii de adâncime nu pot fi stimulați fără a stimula mușchii care se află mai aproape de suprafața pielii. Mai mult, este dificil a realiza o gradare de finețe a forței dezvoltate de mușchi prin contracția provocată de stimulul electric, deoarece mișcarea relativă între electrod, odată cu pielea, și mușchi va modifica relația intensitate stimulare – forță dezvoltată.
Electrozi implantați.
Electrozii implantați se pot împărți în două categorii:
electrozi implantați în mușchi, pentru excitarea motoneuronilor Marian Poboroniuc, et all, 2005;
electrozi conectați la nerv Poboroniuc Marian-Silviu, et al, 2006.
Prin comparație cu electrozii pentru electrostimulare transcutanată, electrozii implantați oferă o mai bună selectivitate, repetabilitate la nivel de intensitate a contracției produse și poziționare permanentă.
De asemenea, senzația produsă de stimulul electric este mult mai confortabilă pentru utilizator, electrozii fiind poziționați la distanță față de receptorii durerii, iar amplitudinea curentului stimulului electric necesară pentru a produce o aceeași contracție musculară ca și în cazul electrozilor de suprafață, este mult mai redusă. Potențialele dezavantaje sunt legate de posibile infecții și deteriorarea în timp a electrodului și țesutului din imediata vecinătate, datorată unor procese chimice electrod-țesut, care pot impune intervenții chirurgicale.
Electrozii implantați, suturați pe mușchi, conțin o parte conductivă de 3 mm diametru care va fi în permanent contact cu mușchiul, suportul acestuia fiind învelit într-un polimer. Electrozii de acest tip sunt implantați chirurgical, pe mușchi, în apropierea punctului motor.
Electrozii elicoidali (figurile 5 și 6), sunt realizați în așa fel încât să se înfășoare în jurul nervilor care se dorește a fi stimulați. Aceștia se pot prezenta sub forma unui tub, sau sub forma unei spirale. Există și varianta înțepării nervului și introducerii unor electrozi în interiorul acestuia, dar avantajul electrozilor elicoidali constă în aceea că intervenția chirurgicală se simplifică și se reduce riscul deteriorării nervului.
Fig. 5 Structura unui electrod elicoidal cu înveliș siliconic și contacte la care
se conectează cablurile de alimentare
În cazul electrozilor implantați intramuscular, o contracție consistentă se poate obține pentru parametri ai stimulului electric, de valori: amplitudine curent 20 mA și durată puls 200 μs, fiind de ordinul a 10% din sarcina electrică care ar fi fost necesară pentru stimularea cu electrozi de suprafață. Impedanța electrozilor implantați intramuscular este de 300 Ω, dar valoarea totală a impedanței țesutului și suprafeței anodului ajunge la valori de 1,5 kΩ.
Fig. 6 Electrod elicoidal tip FhG-IBMT
Neurostimulatoarele pentru exerciții sunt proiectate pentru reabilitarea musculaturii vizate pentru suportul mersului, prin exerciții. Stimulatoarele furnizează trenuri de impulsuri, care modulează semnale de excitație nervoasă care în mod normal sunt generate de către sistemul nervos central către structurile nervoase valide. Dacă am dori să modelăm matematic un astfel de circuit electric, acesta ar cuprinde modele matematice pentru stimulator, electrozi și țesuturi stimulate. Țesuturile musculare se comportă ca un conductor ionic având o impedanță cuprinsă între 10 Ω și 100 Ω, iar electrozii sunt conductori capacitivi cu o impedanță între 500 Ω și 5 kΩ, inducând un defazaj între 10o și 30o.
Fig. 7 Parametrii corespunzători unei forme de undă a stimulului electric
Parametrii stimulului electric (figura 7) care pot fi controlați sunt:
curentul;
tensiunea;
În general, stimulatoarele sunt dispozitive electronice cu impedanță mare de ieșire, furnizând curent constant.
În lucrarea ”Utilizarea stimulării electrice funcțioonale în recuperarea bolilor neurologice” Popescu C.D. et all prezintă un studiu de caz cu privire la beneficiile stimulării electrice pentru persoanele cu AVC și SM (scleroză multiplă) ce a fost efectuat în cadrul Clinicii de Neurologie a Spitalului de Recuperare Iași. Pentru acest studiu au fost selectați 11 pacienți, cu acordul din partea lor. Studiul a durat 12 săptămâni în urma căruia la pacinții cu AVC testele de viteză a mersului au demonstrat o creștere de 16% cu stimulare și o scădere de 14% a efortului de mers. Pentru pacienții cu SM viteza mersului s-a mărit cu circa 21% cu stimulare iar efortul de mersa scăzut cu 16%. În continuare vor fi prezentate câteva noutăți în domeniul sistemelor robotice FES-Exoschelet.
1.5 Noutăți în domeniul sistemelor robotice FES- Exoschelet
Există multe concepte prezentate în literatura de specialitate care permit evaluarea structurii, caracteristicile și în special anatomia funcțională a mâinii. Numeroase studii au permis dezvoltarea unor structuri cinematice de a reproduce cât mai mult posibil cinematica mâinii.
Dispozitivele care furnizează stimulul electric poartă numele de neuroproteze. Acestea au evoluat pe parcursul timpului, de la cele care furnizau stimulul electric pe un număr redus de canale de stimulare, stimulând astfel un număr redus de loje musculare Poboroniuc Marian-Silviu, et al, 2006, dar eficace în a corecta o dizabilitate neuromotorie (exemplu: imposibilitatea producerii flexiunii dorsale a piciorului), până la cele cu un număr mare de canale de stimulare, controlabile prin intermediul calculatorului sau cu tehnici de control implementate în microcontrolere Simcox S., et all, 2004. Neuroprotezele de ultimă generație urmăresc obiective complexe cum ar fi inițierea și menținerea acțiunilor de transfer scaun cu rotile – toaletă, scaun cu rotile – pat, a ortostațiunii și chiar coordonarea mersului, la pacienții paralizați. Acestea integrează modele matematice ale sistemului stimul electric – mușchi, a corpului uman și a interacțiunii corpului uman cu mediul înconjurător (forțe la nivelul brațelor rezultate din suportul oferit de bastoane, sau cadru pe rotile, forțe de interacțiune cu scaunul la așezare, etc.). La atingerea obiectivului concură mai multe elemente: tehnicile de control integrate în neuroproteză, poziția electrozilor, numărul de senzori necesari a fi plasați pe corpul pacientului, și nu în ultimul rând gradul de participare a pacientului la procesul de recuperare neuromotorie.
Neurostimulatorarele Microstim 2v2 și Odstock Four Channel Stimulator pot fi utilizate pentru exerciții ale mușchilor slăbiți sau paralizați (figura 8). Construcția lor este simplă și utilizarea implică un număr redus de reglaje în sarcina utilizatorului. Intensitatea stimulului electric de ieșire este crescută/decrescută în rampă la începutul/sfârșitul fiecărui ciclu de stimulare, pentru a produce o senzație confortabilă. Alimentarea acestora se realizează de la o baterie PP3 standard de 9V, putând fi utilizate în ambulatoriu pentru exerciții zilnice.
a b
Fig. 8 Neurostimulatorul cu două canale de stimulare MS2V2 (a) și neurostimulatorul cu patru canale de stimulare O4CHS (b)
La neurostimulatorul MS2V2 (figura 8.a), reglajul intensității stimulului electric furnizat pe fiecare dintre cele două canale de stimulare se face prin intermediul a două butoane de control care se rotesc în sens orar. Pe panoul central al aparatului se află un selector al modului de lucru. Modurile alternant, simultan sau cu suprapunere, permit stimularea a două grupe musculare în același timp, în opoziție sau, respectiv în opoziție cu suprapunere (pentru menținerea unei forțe active atunci când sunt stimulate două grupe de mușchi una după cealaltă).
Neurostimulatorul O4CHS (figura 8.b) oferă variante de stimulare a patru grupe musculare, care pot fi utile în executarea unor exerciții complexe mimând chiar mersul la pacienții paraplegici, în poziția așezat. Până la momentul în care un pacient paralizat ar ajunge să meargă prin controlul artificial al musculaturii, primul pas este de a controla ridicarea în picioare, menținerea ortostațiunii, și așezarea, care se pot constitui și într-un exercițiu benefic pentru pacient. Dacă pacientul poate controla echilibrul trunchiului, cerințele minimale pentru ca acesta să mențină ortostațiunea sunt legate de capacitatea mușchilor cvadricepși de a susține corpul, atunci când contracția acestora este generată prin stimulare electrică.
Pe lângă stimularea mușchilor cvadricepși, mai pot fi vizați și mușchii fesieri (gluteus maximus) care pot oferi stabilitate în jurul șoldului și astfel pot ajuta în menținerea ortostațiunii. Mai mult, un utilizator paraplegic al unui neurostimulator care ar fi reglat să-l ajute la efectuarea unor exerciții de menținere a ortostațiunii, are nevoie de obicei de un timp de cel puțin de trei luni de zile de exerciții în poziția stând așezat, pentru reabilitarea mușchilor vizați.
Neurostimulatoare cu mai multe canale de stimulare, programabile. Există deja unele neurostimulatoare portabile, cu microprocesor sau microcontroler (Compex Motion, ExoStim, Sincox S., et al, 2004), care au fost dezvoltate în scopul îmbunătățirii funcționalității membrelor superioare sau inferioare la subiecți cu AVC, scleroză multiplă, leziuni medulare, etc.. Dar, de obicei, acestea au opțiuni limitate în prescrierea parametrilor stimulului electric, dependente de aparat, opțiunile de control fiind de asemenea fixate. Pe baza informațiilor primite de la un set de senzori, împreună cu un algoritm de control, este activată o secvență preprogramată a stimulului electric. Noua generație de stimulatoare electrice transcutanate (Compex Motion Poboroniuc Marian-Silviu, et al, 2006, MotionStim8 Negard N, et al, 2005), Stanmore Stimulator Poboroniuc Marian-Silviu, et al, 2006 – figura 9) permite o mai mare flexibilitate în programarea unor aplicații specifice, adaptate utilizatorului, și implementarea unor strategii de control avansate.
Fig. 9 Stimulatorul Stanmore + genunchiere prevăzute cu potențiometre pentru măsurători ale unghiului articulației genunchiului
Dispozitivele robotizate pentru reabilitare sunt mașini pentru exercitii sofisticate, menite să ghideze utilizatorul prin mișcări repetate. La ora actuală pentru recuperarea membrului superior se folosesc dispozitive cum ar fi InMotion2 și InMotion3, ReoGo, Amadeo si E100 Myomo.
Robotul InMotion 2 (Fig. 10 ) este utilizat pentru reabilitarea intensivă pentru recuperarea pacienților, care au suferit un accidente vasculare cerebrale sau leziuni cerebrale, care au putere sau mișcare în extremitatile superioare limitată.
Fig. 10 Robotul pentru recuperarea membrului superior, InMotion 2 www3
InMotion 2 se bazează pe principiul de neuroplasticitate (capacitatea creierului de a se adapta) și are urmatoarele intervenții terapeutice :
oferă o provocare;
exercițiile sunt repetitive;
angajează pacientul cognitiv.
Studiile de cercetare de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au arătat că persoanele care au suferit un AVC au avut îmbunătățiri semnificative prin folosirea robotului InMotion 2 pentru recuperarea mișcării membrului superior.
Brațul pacientului este poziționat într-un suport conectat la brațul robotizat ca in figura 10. Calculatorul solicită pacientului de a efectua o cerință, cum ar fi conectarea unor puncte sau acele unui ceas, care este urmărită vizual pe ecran. Dacă pacientul nu are abilitatea completă de a mișca degetele, robotul ajută la mișcarea brațului pacientului. În cazul în care pacientul poate iniția deplasarea pe cont propriu, robotul se oprește si permite continuarea mișcării pacientului. Brațul robotic execută patru mișcări de bază, care fac parte din mai multe planuri de terapie: pasiv, activ de asistare, activ de mișcare si rezistență progresivă.
Robotul pentru recuperare ReoGo (figura 11) este un dispozitiv care funcționează în 3 dimensiuni și este special conceput pentru a ajuta la reabilitarea extremităților superioare.
Fig. 11. Robotul pentru recuperarea membrului superior, ReoGo www4
Doar terapia asistată de roboți poate fi aplicată de la o etapă, foarte devreme, după accidentul vascular cerebral, atunci când membrele pacientului sunt complet pasive. Terapia este foarte eficientă, deoarece ghidează și motivează pacientul să revină din nou la mișcarea autonomă.
ReoGo funcționează pe un spectru larg de pacienti, atat pacienți acuți cât și cronici, are 5 moduri de operare care cresc treptat complexitatea sarcinii si mișcării, cește motivația pacientului, folosind exerciții extrem de eficiente și jocuri captivante cu relevanță directă pentru activitatea funcțională, oferă o mai bună gestionare a terapiei cu evaluarea corectă și analiza progresului.
Pentru rezultate maxime, ReoGo permite terapeutului de a personaliza modelul de exercițiu, modul de interacțiune și numărul de repetiții pentru fiecare pacient.
Sistemul Amadeo (figura 12) este utilizat în reabilitarea pacienților care prezintă disfuncții motorii ale membrului superior distal. Acesta este singurul dispozitiv mecatronic pentru reabilitarea degetului disponibile pe piață, care permite fiecărui deget în parte, inclusiv degetul mare, să se deplaseze în mod independent și separat.
Fig. 12. Robotul pentru recuperarea membrului superior, Amadeo www5
Unele măsurători a forței de prindere sunt predominant axate pe evaluarea forței de prindere voluntară maximă, dar, de asemenea este importanta si evaluarea capacitații de a controla forțele de prindere care sunt utilizate în timpul apucării și manipulării obiectelor. GFTS-ul (Grip Force Tracking System for Assessment and Rehabilitation) (figura 13) a fost dezvoltat ca un instrument de evaluare pentru efectele de terapie fizica sau de a instrui pacientul care a suferit un accident vascular cerebral. GFTS implică metode de pregătire prin biofeedback și constă din două dispozitive de masurare a forței având forme diferite (unul în formă de cilindru și unul plat), care se conectează la un calculator personal printr-o interfață. În timpul exercițiului persoana aplică forța de prindere conform feedbackului vizual pe semnalul țintă (figura 14), reducând la minimum diferența dintre țintă și răspunsul efectiv.
Fig. 13 Sistemul de gestiune al forței de prindere
Fig. 14 Eroarea de urmărire a semnalului dat
Dispozitivul în formă de cilindru permite aplicarea unei forțe de prindere de pâna la 300 N cu o acuratețe de 0,02% asupra îintregului proces de măsurare. Cel de al doilea dispozitiv format din doua părți metalice este folosit la recuperarea degetelor. Poate măsura o forță de pîna la 360N cu o acuratețe de 0,01%.
Patru pacienți ce au suferit un accident vascular cerebral (tabelul 1) au participat la un studiu realizat cu dispozitivul GFTS. Toate investigațiile s-au realizat in cadrul Spitalului de Recuperare din Iasi, sub supravegherea persoanelor autorizate.
Tabel 1 Pacienti cu AVG M. Poboroniuc, et al , 2006
Principala dificulate in tratare pacienților ce au suferit un AVG este aceea de a reduce timpul de spitalizare in vederea perioadei de recuperare. Aceștea sunt nevoiți de a se întoarce acasă și de a continua cu tratamentul ambulatoriu pana va fi consultat din nou după 4-5 săptămâni într-o nouă perioadă de spitalizare.
Pacientul P1 (Figura 15) care a efectuat testul de urmarire a sinusoidei a realizat un RRMSE=2.15 (eroarea relativă a rădacinii pătratice dintre forța stabilită și forța de apăsare a pacientului într-un timp stabilit) în timp ce forța medie maximă a fost de 42.5 N.
Fig.15. Rezultatele pacientului P1 M. Poboroniuc, et al , 2006
Este important să observăm că pacientul are dificultate în a elibera cilindrul, astfel fiind dificil de a atinge punctele de minim ale sinusoidei. Tratamentul pentru acest pacient nu a aratat o îmbunătațire relevantă folosind acest dispozitiv după trei săptamâni de reabilitare.
Pentru aceeași cerință pacientul P3 a realizat un RRMSE=0.85 și o medie a forței maxime de 28.5 N. Pacientul P4 a realizat un RRMSE=1.5 și o medie a forței maxime de 26.3 N. Pentru acești trei pacienți s-a ajuns la concluzia că este nevoie de o altă ședință afară de cele trei săptămâni pentru a obține rezultate relevante.
Fig. 16 Rezultatele pacientului P2 M. Poboroniuc, et al , 2006
Este interesant de remarcat că pacientul P2 a obținut rezultate interesante pe perioada celor trei săptămâni. Forța maximă a fost în intervalul 68-70N iar RRMSE-ul a scăzut de la 1.2 la 0.85.
In ultimii ani, noi cercetari au fost dezvoltate in vederea imbunatatitirii funcțiilor motorii a membrelor superioare si inferioare la persoanele care au suferit un accident vascular. In general departamentele de reabilitare medicala investesc foarte mult in domeniul de reabilitare, pentru persoanele ce au suferit un accident vascular cerebral. Desi nici una din descoperirile de până azi nu reprezintă un remediu, multe din ele pot oferi îmbunătățiri semnificative, ce permit persoanelor care au suferit un accident vascular imbunătățirea folosirii membrului afectat.
Cele mai multe dispozitive exoschelet existente nu au fost elaborate în scopuri de reabilitare. Unele dispozitive exoschelet au fost concepute pentru sistemele master-slave, iar unele au fost concepute ca dispozitivele de force feedback.
Fuhai Zhang in lucrarea Designul și realizarea unui exoschelet al mainii (figura 17) pentru reabilitare conceput ca un dispozitiv ușor de purtat. Exoscheletul este conceput ca un dispozitiv portabil, fiecare deget având trei articulații numite metacarpofalangiene (MCP), interfalangiene proximale (PIP) și interfalangiene distale (DIP). Mecanismul glisant paralel asigură că contactul forțelor dintre exoschelet și deget, care este perpendicular pe osul degetului, nu provoacă nici o leziune.
Fig. 17. Designul exoscheletului mâinii pentru recuperare Fuhai Zhang, et al, 2013
Dispozitivul este compus din două părți principale: exoschelet și actuatorii care acționeaza degetele prin intermediul unui cablu. Mecanismul fundamental este aratat in figura 18 . Roata dințată se rotește pe cele două pârghii asigurând mișcarea optimă a degetului. Atunci când roata dințată se roteste pe primul segment asigură mișcarea de flexie, iar când se rotește pe al doilea segment asigură mișcarea de extensie a degetului.
Fig. 18 Mecanismul articulațiilor Fuhai Zhang, et al, 2013
Sistemul poate fi adaptat pentru toate degetele având o gamă completă de miscare asigurând flexia și extensia degetelor. Mecanismul este format din trei articulații identice cu cele ale degetului uman (DIP, PIP și MCP). Lungimile falangelor fiind diferite, părțile mecanismul se poate ajusta prin schimbarea poziției șuruburilor de conectare. Pentru a avea o lungime cât mai mică a mecanismului degetului, părțile acestuia se suprapun ca in figura 19.
Fig. 19. Mecanismul ajjustabil pentru cele articulații Fuhai Zhang, et al, 2013
Sistemul de control este prezentat in figura 20. În timpul unei terapii de reabilitare pacientul trebuie sa urmeze anumite exercitii si programe. Senzorii de poziție unghiulară si cei de forță au un rol foarte important in acest proces de reabilitare. Senzorii de poziție au două roluri: de a realiza poziționarea servomotorului și pentru a oferi un feedback asupra poziției incheieturii. De asemenea la fiecare încheietură se află și câte un potențiometru folosit pentru a detecta poziția absolută.
Fig. 20 Sistemul de control Fuhai Zhang, et al, 2013
Ca un rezultat al adoptării acestui tip de mecanism, paralel cu falangele, exoscheletul exercită o forță perpendiculară pe falange în timpul recuperării, care poate cauza accidentări. Pentru a evita acest lucru s-au folosit senzori pentru a masura această forță (Nitta Corporation, FlexiForce) amplasați între exoschelet si deget.
Experimentul a fost realizat pentru fiecare încheietură a degetului. În figura 21 se pot observa valorile teoretice și cele experimentale dintre forța de contact si unghiul fiecărei articulații.
Fig. 21 Relațiile dintre valorile experimentale și cele teoretice: (a) încheietura MCP, (b) încheietura PIP , (c) încheietura PIP (θ3 = 90°), (d) încheietura DIP (θ3 = 0, θ2 = 0), (e) încheietura DIP (θ3 = 90°, θ2 = 0), (f) încheietura DIP (θ3 = 90°, θ2 = 90°). Fuhai Zhang, et al, 2013
O altă lucrare, sicrisă de Akhlaquor Rahman, prezintă un dispozitiv folosit pentru recuperarea funcțiilor motorii ale mâinii pentru persoanele ce au suferit un accident vascular cerebral. Din cele 21 de grade de libertate ale degetelor mâinii, acest prototip permite 15 grade de libertate. Dispozitivul este proiectat pentru a fi portabil, astfel încât utilizatorul se poate angaja și în alte activități în timp ce utilizarea dispozitivului. Acest prototip oferă o flexie completă și o mișcare de extindere individuală a degetelor de la mâna stângă, bazate pe mișcările degetelor mâinii drepte (membrul sănătos). Mănușa are pe fiecare deget senzori pentru a sesiza mișcarea de flexie si extensie, această mănușă controlează exoscheletul de pe mâna stângă. Designul mănușii este prezentat în figura 22.
Fig. 22 Designul exoscheletului Md Akhlaquor Rahman, et al, 2012
Deși dispozitivul poate efectua mișcarea de extensie și flexie nu poate efectua mișcarea de abducție / aducție. Dezavantajul acestui prototip constă în imposibilitatea efectuării mișcării de aducție și subducție a incheieturii mâinii. Un alt dezavantaj este mărimea, fiind un exoschelet greu de aplicat pe mana unui pacient. Majoritatea studiilor arată că atunci cand pacientul efectuează exerciții active (cu implicare și din partea pacientului) au un randament mai mare asupra recuperării.
Cei de la Gloreha au dezvoltat o mănușă pentru recuperare capabilă să mobilizeze pasiv articulațiile metacarpofalangiene, interfalangiene proximale și articulațiile interfalangiene distale, în același timp (figura 4), de asemenea, oferind o varietate largă de exercitii de reabilitare, inclusiv secvențială și simultană, flexia și extensia pentru toate degetele, mișcările funcționale, precum și alte combinații de mișcări.
Fig.4 Dispozitivul de reabilitare Gloreha
Dispozitivul Gloreha este indicat sa fie folosit atât în cazul parezelor cât și a leziunilor mâinii suferite în urma unui accident vascular.
1.6 Concluzii
În cazul în care apar simptome ale unui AVC este necesar un tratament de urgenta, exact ca si in cazurile de infarct miocardic. În cazul în care tratamentul medical este început cât mai curând după apariția simptomelor, cu atât mai puține celule nervoase vor fi afectate permanent.
Odată cu avansarea tehnologiei și Clinicele de recuperare sunt tot mai interesate în investirea de tehnologii noi în vederea recuperării persoanelor cu AVG.
La nivel mondial, accidentul vascular cerebral este a treia cauza de mortalitate și pe an ce trece incidența lor este în creștere.
Stimularea electrică funcțională s-a dovedit a fi foarte utilă în cazul pacienților cu AVG și SM. Mai sus au fost prezentate mai multe dispozitive pentru recuferare atat cu stimulare electrică cât și fără.
CAPITOLUL 2
Analiza riscurilor în implementarea unui sistem FES-Exoschelet
2.1 Cadru general
Subiectul de risc a devenit foarte popular în ultimii ani, folosit în multe domenii, precum industrie și politică. În literatură cuvantul ” risc” are foarte multe înțelesuri. Multe tipuri de risc sunt discutate, precum: riscul economic, riscul politic, riscul militar, riscul investițiilor, etc.
Riscul poate fi definit ca un eveniment incert sau un set de evenimente, ce ar putea sa apară, având un anumit efect asupra atingerii obiectivelor.
Fiecare organizație gestionează riscurile într-un anumit fel, dar nu întotdeauna într-un mod vizibil, consegvent sau repetabil pentru a sprijini eficient luarea deciziilor. Scopul managementului riscurilor este de a îmbunătăți controlul intern și să sprijine o mai bună luare a deciziilor, printr-o bună înțelegere a riscurilor individuale și expunerea globală la riscul care există la un anumit moment. În consecință, termenul "gestionarea riscurilor" se referă la aplicarea sistematică a principiilor, o abordare și un proces pentru sarcinile de identificare si evaluare a riscurilor, iar apoi planificarea și punerea în aplicare a analizei acestora. Acest lucru oferă un mediu disciplinat pentru luarea deciziilor.
Pentru ca managementul riscurilor să fie eficient trebuie ca riscurile sa fie identificate, controlate și evaluate. Gestionarea riscurilor este însăși esența supravețuirii afacerii și a creșterii economice.
Gestionarea riscurilor este de natură să îmbunătățească performanța în raport cu obiectivele, contribuind la:
Utilizarea mai eficientă a resurselor;
Reducerea costurilor;
O concentrare mai bună pentru a forma stategii mai eficiente.
Multe dintre aceste beneficii sunt aplicabile atât în sectorul public cât și privat. Întrucât sectorul privat se concentrează în principal pe declarațiile acționarilor și conservarea valorilor acestora, rolul sectorului public este de a efectua cost-eficient, în conformitate cu legislația și politicile guvernamentale.
2.2 Factori de risc în implementarea unui sistem Fes-Exoschelet
Cea mai importantă fază a procesului managementului de risc reprezintă identificarea riscului, constând în identificarea pericolelor potențiale care există în cadrul entității. Evaluarea riscului poate fi realizată la diferite niveluri ale sistemului. Obiectivele și evenimentele în cauză stabilesc domeniul de aplicare al evaluării riscurilor ce urmează să fie întreprinse.
Factorii de risc ce pot să apara in implementarea unui astfel de dispozitiv pot fi:
Interni;
Externi.
Riscurile interne se referă la:
Neclaritatea obiectivelor sau a priorităților;
Lipsa de coerență în efectuarea sarcinilor;
Definirea imprecisă a unor responsabilități/activități în realizarea
echipamentului.
Riscul tehnologic apare din cauza nerespectării modernizărilor, inovatțiilor în domeniul producției. Se referă la aspecte cum ar fi: estetica și fiabilitatea produsului sau tehnologiilor de fabricație.
Riscul de producție cuprinde riscurile aferente utilizării sau dezvoltării de tehnologii noi. Riscul de producție se referă la aspecte care conduc la nerealizarea produsului în termenii prevăzuți.
Riscul de gestionare a resurselor materiale și de aprovizionare este foarte strâns legat de riscul de producție și duce la pierderi importante oricărei firme.
Riscul financiar, reprezintă evaluarea riscurilor legate de o denaturare semnificativă a situațiilor financiare ale organizației.
Riscul documentației. În anumite cazuri documentația poate include erori sau omisiuni, sau eventual este semnată de persoane care nu au competența să o aprobe sau care nu respectă legile țării.
Riscul de preț apare ca o neconcordantă a prețului în timp, în momentul încheierii contractului și cel al încasarii sau al plătii. Acest risc îl simțim în momentul incheierii unor contracte pe termen mai lung sau cu livrarea eșalonată, a acestora, pe mai multi ani, dacă prețul e fix.
Riscuri de natură biologică pot influența pacientul în folosirea acestui tip de dispozitiv.
Cel mai important factor extern de risc este competivitatea. Din factorii externi ce pot influenta implementarea acestui sistem amintim:
Riscuri comunitare ce apar atunci când într-o anumită comunitate apare întreruperea serviciilor cum ar fi apa sau electricitatea.
Riscurile de reglementare ce rezultă în urma unor anumite anulări de autorizații.
Riscuri comerciale rezultate în urma unor embargouri, blocade economice, nivelul costurilor.
Riscurile politice apar la scimbările regimului politic și a guvernului ducând la o nesiguranță în afaceri. Tarifele și barierele de comerț, modul de impozitare, modul de angajare al personalului, expropriere/naționalizare fac parte din riscurile politice.
2.3 Principalii factori de risc în implementarea unui sistem FES-Exoschelet
Există o serie de factori specifici ce se iau în considerare atunci când se analizează riscurile unui proiect, produs sau afaceri. Înainte de începerea oricărei activități legate de producție trebuie să stabilim cele mai importante tipuri de risc.
Evaluarea din timp și continuă a gradului de risc pentru un anumit produs este benefică în ceea ce privește corectarea greșelilor și permite, pe viitor, proiectarea unui dispozitiv cu o probabilitate scăzută în a produce o vătămare utilizatorului.
Un proces de management a riscurilor cuprinde câțiva pași esențiali, reprezentați în figura 2. Pentru a putea controla riscurile, este necesar ca întâi să fie identificate pericolele. Prin evaluarea potențialelor consecințe ale pericolelor și a probabilității ca ele să apară, se poate estima un grad de risc. Valoarea acestuia este comparată cu un criteriu de acceptabilitate, iar dacă este prea mare se implementează strategii pentru diminuarea lui. Riscul nu poate fi eliminat complet, de aceea riscul rămas trebuie controlat. (Tudor – Mircea Dejeu, Andrei Rusu, Rareș Săcară, 2)
Fig 2. Managementul riscului pentru pericolele identificate. (Midrigan Georgel, 13)
Riscul de producție apare în timpul cercetărilor științifice, proiectării, în timpul aprovizionării și deservirii.
Riscurile de cercetare științifică și de proiectare sunt cauzate de existența probabilității că rezultatele lucrărilor să nu corespundă cu cele planificate din timp, ceea ce generează pierderi. Acest tip de risc este caracterizat de următorii factori:
Factori obiectivi ce cuprind:
Probleme în finanțarea cercetării;
Depășirea cheltuielelor pentru cercetare;
Lipsa unui utilaj;
Creșterea prețului unei anumite piese.
Cauzele apariției factorilor subiectivi sunt următoarele:
Obținerea unor rezultate necorespunzătoare celor planificate.
Neatingerea parametrilor tehnici. Această cauză are un risc enorm în vederea realizării acestui dispozitiv, dar pierderile vor fi mai mici decât în cazul obținerii unor rezultate negative.
Obținerea de rezultate ce depășesc posibilitățile tehnice si tehnologice ale producerii necesare pentru realizarea exoscheletului.
Riscurile biologice cum ar fi: incomoditatea folosirii dispozitivului, iritații, amorțirea mainii sau arsuri.
Riscurile de aprovizionare sunt foarte strâns legate de riscurile de producție, care duc la pierderi semnificative în realizarea dispozitivului de recuperare. În această categorie distingem următoarele tipuri de riscuri:
Riscul de a nu găsi furnizorul pentru necesarul de resurse (Exemplu: riscul de a nu gasi producători interni de motoare necesare acționării exoscheletului, fapt care va duce la căutarea unuor producaăori externi, astfel vom depinde de activitățile economice externe).
Riscul de a nu găsi un furnizor care să ofere prețul pe care l-am planificat anterior. Această situatie se poate datora următoarelor cauze:
Creșterea prețurilor la materialele folosite;
În planul de activitate nu au fost prevăzute contracte legate de furnizori.
Riscul de refuzare a furnizorilor planificați de a încheia contracte de livrare. Acest risc poate să apară în următoarele condiții:
Furnizorul să se orienteze spre concurenți;
Modificările prețurilor la materia primă pentru furnizor;
Intrarea în faliment a furnizorului.
Luând în considerare acești factori de risc ne permitem să determinăm norma de producție fără pierderi.
Riscul apariției cheltuielilor de producție neprevăzute, cauzând reducerea venitului. Acesta apare atunci când prețurile pentru materialele pe care dorim să le folosim sunt mai mari decât cele prevăzute. O cauză ce determină acest risc este reducerea furnizorilor de produse.
2.4 Analiza calitativă și cantitativă a riscurilor în implementarea unui sistem Fes-Exoschelet
Analiza riscului implică parcurgerea a două etape:
cea calitativă;
cea cantitativă.
Analiza cantitativă pornește de la premisa că datele de intrare se pot modifica în orice moment, având un rol orientativ, necuantificând exact riscul.
Analiza de risc calitativă pornește de la datele de intrare exacte, bine definite și bine cuantificate în funcție de momentul de apariție și reacția generată de sistem când este perturbat. Cuantificarea se face, de asemenea și în funcție de importanța riscului astfel existând posibilitatea exprimării prin formule matematice.
Prin analiza cantitativă, riscurile care intervin asupra proiectului sunt bine definite, iar efectul acestora poate fi estimat cu acuratețe. O analiză cantitativă:
Cuantifică rezultatele posibile pentru proiect și evaluează probabilitatea de realizare a obiectivelor specifice ale proiectului
Oferă o abordare cantitativă de a lua decizii atunci când există incertitudini
Pentru a efectua o analiză cantitativă a riscurilor, vom avea nevoie de date fiabile, un model de proiect bine dezvoltat, și listele prioritare ale riscurilor de proiect.
Pentru analiza riscului asupra acestui sistem vom utiliza standardul ANSI/AAMI/ISO 14971, ce definește trei zone de risc: zona acceptată, zona nedorită și zona intolerabilă (figura 6).
Fig. 6 Schema de analiză a riscurilor
Pentru o mai bună analiză a riscurilor ce pot să apară la realizarea și funcționarea acestui sistem s-au realizat două echipe de identificare și evaluare a riscurilor, menționate mai sus – o echipă formată din medici și o echipă tehnică. Cele două echipe trebuie să identifice riscurile ce pot să apara în realizarea acestui sistem de recuperare. Echipa formată din medici evaluează riscurile din punct de vedere medical iar echipa tehnică din punct de vedere tehnic. După o ședință de tip Brainstorming fiecare echipă a propus următoarele riscuri ce pot să apară în realizarea acestui tip de dispozitiv pentru reabilitarea pacientilor care au suferit un accident vasular, folosind metoda Delphi:
Riscurile de cercetare științifică:
a1 – probleme în finanțarea cercetării;
a2 – depășirea cheltuielelor pentru cercetare;
a3 – lipsa unui utilaj;
a4 – creșterea prețului unei anumite piese;
a5 – obținerea unor rezultate necorespunzătoare celor planificate;
a6 – neatingerea parametrilor tehnici;
a7 – nesincronizarea între mișcarea exoscheletului și cea a mâinii;
a8 – complexitatea designului;
Riscurile biologice:
b1 – incomoditatea folosirii dispozitivului;
b2 – arsuri;
b3 – iritații;
b4 – amorțirea mainii;
Riscurile de aprovizionare:
c1 – riscul de a nu găsi furnizorul pentru necesarul de resurse;
c2 – riscul de a nu găsi un furnizor care să ofere prețul pe care l-am planificat anterior;
c3 – riscul de refuzare a furnizorilor planificați de a încheia contracte de livrare;
c4 – intrarea în faliment a furnizorului;
Riscurile de proiectare:
d1 – prezența unor semnale parazite;
d2 – semnalul de comanda are o valoare peste limita permisă;
d3 – tensiune de alimentare prea mică;
d4 – date incomplete de la senzori;
d5 – alimentarea sistemului cu polaritate inversă;
d6 – semnale măsurate incorect;
d7 – un semnal de comandă este transmis mai târziu/devreme decât momentul prevăzut;
d8 – blocarea unor componente electronice;
d9 – motorul M2/M1 acționează înaintea motorului M1/M2;
d10 – stimulul electric nu ajunge la nervii mâinii.
Metoda Delphi se folosește la obținerea unor previziuni de la un grup țintă, răspunzând unor seturi de chestionare. Această tehnică se utilizează în domenii precum afaceri, tehnologie, știință, educație, sănătate și alte domenii.( Lazăr Cornel, Lazăr Mirela, 2008, Delphi – The Highest Qualitative Forecast Method). Metoda Delphi, își propune să identifice un consens din partea experților, pe problema de cercetare în cauză. Această metodă este definită în principal , ca "o metodă de măsurare în rândul experților din grup".( Burns T., Fiander M., Bernard A. (2000) – A Delphi approach to characterising relapse as used in UK clinical practice).
După identificarea riscurilor de către cele două echipe, următorul pas este ca pentru fiecare risc să i se atribuie o notă medie pe o scară de la 1 la 7.
Tabel 1 Note obținute pentru fiecare risc
* N1 – Notă echipă medicală;
N2 – Notă echipă tehnică.
Atribuirea gradului de severitate a riscului pentru fiecare risc în parte se face cu ajutorul matricii de risc din figura 7. Criteriul de poziționare în matricea de risc, ține seama de doi factori principali: gradul de severitate și probabilitatea de apariție. Acești factori sunt ordonați crescător de la stânga la dreapta, respectiv de jos în sus.
Fig. 7 Matricea riscurilor
Matricea cuprinde trei zone principale, după cum urmează: zona verde (zonă acceptată), zona galbenă, (zonă nedorită), zona roșie (zonă intolerabilă). Prin implementarea măsurilor de corectare/revenire se urmăreste trecerea, din zona roșie spre zonele galben și verde, a tututor factorilor de risc.
În funcție de riscurile identificate mai sus, aflate în zona intolerabilă, au fost propuse următoarele soluții în vederea reducerii gradului de severitate:
a7 – intențiomăm să folosim senzori pentru a detecta intenția pacientului de mișcare a membrului superior;
a8 – vom folosi o manușă din material prin interiorul căreia vom introduce tendoane artificiale pentru a evita un design complex și reducerea costurilor de realizare;
d1 – aplicarea unor filtre;
d2 – stabilim un prag de minim și maxim, din soft, a semnalul de comandă;
d3 – folosirea surselor de tensiune ce respectă specificațiile sistemului;
d4 – verificarea cablajului;
d5 – folosirea unei mufe specialea pentru a nu inversa polaritatea precum și montarea unui led care să indice dacă sistemul este alimentat corect;
d6 – vom folosi două sisteme de măsurare a parametrilor;
d8 – instalarea unui buton de reset a sistemului;
d10 – verificarea tensiunii de alimentarea a neurostimulatorului, verificarea conexiunilor și eventual a erorilor apărute în soft.
În matricea riscurilor, de mai jos, după implementarea soluțiilor de prevenire observăm ca o parte din riscuri s-au mutat în zona acceptată, iar altele în zona nedorită, astfel reușind să scoatem din zona intolerabilă potențialii factori de risc (figura 8).
Fig. 8 Matricea riscurilor, după implementarea soluțiilor de prevenire
Pasul următor este o nouă revizuire din partea celor două echipe, urmând ca riscurile să fie din nou supuse evaluarii celor două echipe, obținându-se o nouă matrice (figura 9).
Tabel 2 Note obținute pentru fiecare risc după implementarea soluțiilor de prevenire
* N1 – Notă echipă medicală;
N2 – Notă echipă tehnică.
În figura 9 avem clasificarea riscurilor după ultima evaluare a celor două echipe, ce au considerat că dupa luarea măsurilor de precauție nu mai există riscuri intolerabile care pot afecta desfășurarea acestui proiect. Putem observa că repartizarea riscurilor este acum în zona acceptată și in zona nedorită.
Fig. 9 Matricea riscurilor, după implementarea tuturor soluțiilor de prevenire
Se poate observa că după analiza riscurilor făcută de cele doua echipe s-a reușit eliminarea acelor riscuri ce se aflau în zona intolerabilă.
Metoda Hazop în analiza calitativă și cantitativă a riscurilor
Metoda de analiza a riscurilor și operabilității (HAZard and OPerability Analysis, HAZOP) este o tehnică structurată și sistematică utilizată pentru examinarea sistemelor și pentru managementul riscurilor. Această metodă este în special folosită ca o tehnică pentru identificarea pericolelor potențiale într-un sistem precum și pentru identificarea problemelor de interoperabilitate care ar putea conduce la produse sau acțiuni neconforme. ( Midrigan Georgel, 3), (Manufacturing Technology Committee–Risk Management Working Group Risk Management Training Guides).
3.1.1 Caracteristicile analizei Hazop
Analiza Hazop o putem împărți în cinci etape:
• prima etapă presupune indentificarea scopului și a obiectivelor proiectului;
• a doua etapă este cea de selecție a echipei;
• a treia etapă constă în pregătirea studiului;
• a patra etapă constă în efectuarea analizelor aferente proiectului;
• a cincea etapă presupune înregistrarea și clasificarea rezultatelor.
Aplicând această metodă vom urmări:
• să identificăm potențialele pericole din sistem.
• să identificăm potențialele perturbatii care pot afecta operabilitate sistemului, identificarea cauzelor generatoare de perturbații sau abateri operaționale care ar putea conduce la distorsiuni ale rezultatelor .
Beneficiul utilizării acestei metode este că pe baza cunoștințelor rezultate, ce le-am obținut prin identificarea riscurilor, este posibilă stabilirea măsurilor de precauție.
Metoda HAZOP se bazează pe teoria care presupune că evenimentele de risc sunt cauzate de abateri de la specificațiile de proiectare sau de operare. (Midrigan Georgel, 3)
Aplicarea metodei HAZOP este detaliată în cadrul standardului IEC 61882 (Hazard and Operability Studies (HAZOP) Application Guide)( Midrigan Georgel, 4).
Pentru aplicarea metodologiei HAZOP, la acest proiect luăm în considerare următoarele definiții:
• Hazard – reprezintă o sursă potențială de risc determinată de orice operațiune care ar putea declanșa, o eliberare catastrofală din punct de vedere cantitativ, de substanțe chimice, toxice, inflamabile sau explozibile sau orice alte procese periculoase care ar putea duce la vătămare corporală.
• Avarie – starea prin care un obiect, proces sau mediu ambiant se deteriorează. În această categorie de stare intră și cazurile de rănire fizică sau de deteriorare a sănătății oamenilor.
• Risc – cantitatea cuantificată între probabilitatea de apariție a efectelor nocive cumulată cu factorul de gravitate a acestora.
Pentru implementarea analizei cu ajutorul metodei HAZOP vom folosi cuvinte cheie. Aceste cuvinte cheie sunt folosite conform Standardului IEC 61882, pentru: identificarea abaterilor de la specificația de proiectare se realizează printr-un chestionar folosind cuvinte prestabilite ce formează "Ghidul de cuvinte". Rolul cuvântului din acest ghid este de a stimula gândirea imaginativă, de a asigura concentrarea asupra studiului urmărit și obținerea de idei în urma discuțiilor.( Midrigan Georgel, 4)
3.1.2 Fazele analizei Hazop
Metoda presupune crearea unei echipe de evaluare a riscurilor care identifică ghidul de cuvinte, ce se va aplica cel mai bine pentru problema sau situația supusă analizei. Mai jos prezentăm tabelul cuvintelor uzuale pentru ghidul HAZOP:
Tabel 3 Cuvinte uzuale pentru ghidul HAZOP (Midrigan Georgel, 8)
Cuvintele cheie din tabelul de mai sus pot genera interpretări deoarece acestea nu descriu stările intermediare prin care poate trece proiectul. Pentru a dezvolta acuratețea analizei se pot adăuga alte cuvinte cheie suplimentare care aduc precizări asupra abaterilor și a direcției acestora. Este important ca setul de cuvinte suplimentare să fie definit și declarat înainte de a începe examinarea proiectului pentru a elimina sau a diminua subiectivismul analizei. Odată selectate și definite cuvintele cheie suplimentare acestea vor permite ca procesul sau proiectul analizat să fie descompus pe elemente separate crescând acuratețea analizei.
În tabelul de mai jos dăm câteva exemple de cuvinte cheie și abaterile associate lor, preluate din ghidul de cuvinte prezentat în tabelul 3.
Tabelul 4 Exemple de cuvinte cheie (Midrigan Georgel, 9-10)
Combinațiile dintre cuvintele cheie suplimentare și caracteristicile abaterilor asociate lor pot fi interpretate și cuantificate diferit în cadrul proceselor și sistemelor din componența proiectului. Pot exista situații când unui cuvânt cheie suplimentar i se asociază o abatere semnificativă in cadrul unui proces și o abatere nesemnificativă în cadrul altui proces din cadrul sistemului sau a proiectului. De aceea trebuie luat în considerare că fiecare interpretare trebuie documentată în mod explicit în funcție de proprietățile sale și de cuvântul cheie suplimentar utilizat. Dacă există pentru același cuvânt cheie mai multe interpretări sensibile sau pentru o interpretare mai multe cuvinte cheie suplimentare acestea ar trebui listate și clasificate pentru a vedea cum este afectat sistemul sau proiectul.
2.4 Particularizarea metodei Hazop pentru sistemul Fes-Exoschelet
Siguranța este pusă pe primul loc în desfășurarea activităților de recuperare fara pericol pentru persoane, pentru sistem și pentru mediul inconjurător.
Sistemul va conține un neurostimulator ce va oferi impulsuri electrice în vederea contracției musculare și exoscheletul ce se va atașa pe mână. Stimulul electric ajunge la nervi prin intermediul electrozilor amplasați pe exteriorul pielii mâinii, producând astfel mișcarea de flexie și extensie. Cu ajutorul senzorilor amplasați pe mănușă vom sesiza intenția pacientului de mișcare. Senzorii de asemenea ne oferă și un feedback asupra pozitiei degetelor. Semnalele de la senzori sunt preluate și prelucrate de către microcontroler. Exoscheletul va interveni la finețea mișcărilor, acolo unde pacientul nu mai are forța necesară efectuării mișcării.
În cadrul acestei analize vom lua în considerare riscurile introduse de componentele sistemul de recuperare, modul de operare și mediul înconjurător.
În tabelul de mai jos este particularizată metoda Hazop pentru sistemul Fes-Exoschelet.
Scopul analizei factorilor de risc pentru acest sistem îl constitue identificarea din timp a caracteristicilor necorespunzătoare ale produsului, care pot influența nefavorabil siguranța în exploatare și performanțele acestuia, afectând negativ eficiența procesului de reabilitare. Odată identificate, aceste caracteristici trebuie eliminate, sau efectele lor minimizate, prin modificări atât în proiectare cât și în fabricație, înainte ca produsul să fie comercializat.
Prin aplicarea metodei Hazop s-a reușit identificarea cauzelor și consecințelor ce pot duce la o funcționare defectuasă a sistemului. Astfel în urma acestei analize s-au luat măsuri de siguranță suplimentare. Totodată s-au determinat și acțiuni necesare pentru a evita apariția acestor riscuri. Pentru aplicarea acestei metode s-au folosit cuvinte cheie conform Standardului IEC 61882.
2.5 Concluzii
Noutatea acestui sistem consta in utilizarea combinată a unei mănuși robotice si stimularea electrica funcționala, în scopul de a restabili funcțiile pierdute la pacienții care au suferit un accident vascular cerebral.
Scopul analizei factorilor de risc pentru acest sistem îl constitue identificarea din timp a caracteristicilor necorespunzătoare ale produsului, care pot influența nefavorabil siguranța în exploatare și performanțele acestuia, afectând negativ eficiența procesului de reabilitare. Odată identificate, aceste caracteristici trebuie eliminate, sau efectele lor minimizate, prin modificări atât în proiectare cât și în fabricație, înainte ca produsul să fie comercializat.
Putem observa că în urma ședinței de tip Brainstorming s-a reușit identificarea riscurilor și scoaterea acestora din zona intolerabilă, riscuri ce puteau să aducă consecințe grave.
Prin aplicarea metodei Hazop s-a reușit identificarea cauzelor și consecințelor ce pot duce la o funcționare defectuasă a sistemului. Astfel în urma acestei analize s-au luat măsuri de siguranță suplimentare. Totodată s-au determinat și acțiuni necesare pentru a evita apariția acestor riscuri. Pentru aplicarea acestei metode s-au folosit cuvinte cheie conform Standardului IEC 61882.
Pentru orice produs ar trebui efectuată o astfel de analiză în vederea reducerii riscurilor. Odată cu reducerea riscurilor se reduc și costurile realizării acestui sistem.
A fost prezentat, de asemenea, un rezumat al tehnologiilor fundamentale și provocările în cercetarea actuală. Este promițător că există deja câteva exoschelete pentru aplicații de reabilitare. Cu toate acestea, dezvoltarea acestor sisteme de reabilitare are încă multe provocări care trebuiesc depășite pentru utilizare practică.
CAPITOLUL 3
Modelarea matematică a mâinii
3.1 Cadru general
Mâna este cel mai perfecționat instrument locomotor uman. Aceasta se datorează capacităților multiple de mișcare a degetelor acționate de un sistemul musculo-tendinos complex. Cele mai multe mișcări ale măinii se datorează policelui care prin mișcările sale se poate opune celorlalte degete (opozabilitatea policelui). Mâna este capabilă să execute prehensiuni foarte diferite, de la cele mai complexe la cele mai fine. Mișcările complexe ale măinii au determinat la om o dezvoltare putermică a emisferelor cerebrale. Mișcările complexe ale măinii drepte au determinat dexvoltarea asimetrică a emisferelor cerebrale. Emisfera stângă este mai bine dezvoltată la dreptaci. Integritatea mainii este absolut esentiala pentru functionarea zilnica. Mana poate fi afectata de mai multe boli, in mod special leziuni traumatice. Pentru medicii sau fizioterapeutii care trateaza leziunile mainii, cunoasterea aprofundata a anatomiei este fundamentala pentru o ingrijire medicala de calitate. Recuperarea urmareste refacerea unor functii diminuate, cresterea nivelului functional sau realizarea unor mecanisme compensatorii în situatii de readaptare funcțională. Pentru realizarea modelării matemetice trebuie să ne axăm pe structura anatomică a mâinii, dimensiunile și constrângerile acesteia, care vor fi prezentate în continuare.
3.2 Structura anatomică a mâinii
3.2.1 Dispozitivul osos al mâinii
Scheletul de bază al pumnului și mâinii conține un număr de 27 de oase (figura 1). Aceste oase sunt grupate în trei regiuni osoase:
carpul mâinii este fomat din 8 oase cubice numite carpiene, așezate pe 2 rânduri. Oasele primului rând sunt: scaful, semilunarul, piramidal și pisiform, iar oasele rândului al doile sunt trapezul, trapezoidul, capitatul și osul cu cârlig. Carpul este puțin voluminos are o lungine medie de 3 cm și o lățime de 5 cm.Toate oasele carpiene participa la functionarea incheieturii mainii cu exceptia osului pisiform, care este un os sesamoid prin care trece tendonul muschiului flexor ulnar al carpienelor. Osul scafoid serveste ca legatura intre cele doua randuri si de aceea este mai vulnerabil la fracturi. Randul distal al oaselor carpiene este foarte puternic atasat de baza celui de-al doilea si al treilea metacarpian, formand o unitate fixa. Toate celelalte structuri (unitati mobile) se misca in relatie cu unitatea stabila.
regiunea metacarpiană formată din 5 oase lungi munite metacarpiene, dispuse în evantai și formează scheletul palmei,
regiune falangelor formată din 14 oase alcătuiește degetele. Policele este format din două falange, iar restul degetelor din trei falange.
Regiunea metacarpienelor și a falangelor formează coloanele osoase ale mânii notate cu I-V, care reprezintă degetele mânii.Acestea au câte un nume specific: police, indice, medius, inelar și degetul mic (auricular).
Fig. 2.1 Structura osoasă a mâinii
Mâna contine 5 oase metacarpiene. Fiecare metacarpian prezintă o bază, trunchi, gât si un cap. Primul os metacarpian (al policelui) este cel mai scurt si mai mobil. Se articuleaza proximal cu osul trapez. Celelalte 4 metacarpiene se articuleaza cu trapezoidul, capitatul si osul cu cârlig, la nivelul bazei. Fiecare cap metacarpian se articulează distal cu falanga proximală a fiecărui deget.
3.2.2 Musculatura si tendoanele mâinii
Aparatul muscular al mânii este format din mușchi extrinseci (ai antebrațului ca poziție) se insereaza la nivelul scheletului mainii prin tendoane lungi și mușchi proprii (intrinseci) dispuși doar pe fața palmară și în spațiile interosoase. (Figura 3.1).
a) Mușchii proprii ai mâinii (intrinseci) sunt așezați în regiunile:
1. regiunea laterală formată din mușchi care pun în mișcare policele. Acești mușchi sunt: mușchiul abductor al policelui, mușchiul opozant al policelui, mușchiul scurt al policelui și mușchiul aductor al policelui. Mușchii sunt denumiți în funcție de mișcarea efectuată.
2. regiunea medială conține mușchiul flexor al degetului mic, mușchiul aductor al degetului mic și mușchiul opozant al degetului mic.
3. regiunea mijlocie cuprinde mușchii lombricali și cei interosoși. Mușchii lombricali sunt atașați tendoanelor mușchilului flexor profund al degetelor. Ei se noteaza cu I-V dinspre police spre degetul mic. Mușchii interosoși au dispunerea: în spațiul dintre metacarpiene, palmară și dorsală. Ei flectează falanga proximală și exind falanga medie și distală. Interosoșii palmari apropie degetele de axul mâinii, iar cei distali îndepărtează degetele de axul mâinii.
Mușchii intrinseci sunt împărțiți în 4 grupe: tenara, hipotenara, lumbricala și mușchii interosoși.
Grupul tenar constă în adductorul scurt al policelui, flexorul scurt al policelui, opozantul policelui si muschii adductori ai policelui. Toți sunt inervați de ramuri ale nervului median, cu excepția adductorilor policelui și capătului profund al flexorului scurt, care sunt inervați de nervul ulnar. Aceștia iși au originea la nivelul retinaculului flexorilor si oaselor carpiene, și se inseră la nivelul falangei proximale a policelui.
Grupul hipotenar constă în: palmarul scurt, abductorul degetului mic, flexorul degetului mic, opozantul degetului mic. Toți acesti mușchi sunt inervați de nervul ulnar. Acest grup de mușchi iși are originea in retinaculul flexorilor și oasele carpiene și se inseră la baza falangei proximale a degetului mic.
Mușchii lumbricali contribuie la flexia articulațiilor metacarpofalangiene și la extensia articulațiilor interfalangiene. Ei iși au originea în tendoanele flexorilor digitali profunzi la nivelul palmei și se inseră la nivelul aspectului radial al tendoanelor extensorilor la nivelul degetelor.
Lumbricalii indexului și ai degetului III sunt inervați de ramuri din nervul median, iar ai inelarului și degetului mic sunt inervați de ramuri din nervul ulnar.
Grupul interosos consta in 3 muschi ventrali si 4 dorsali, care sunt inervați de nervul ulnar. Ei iși au originea la nivelul metacarpienelor și formează niște benzi laterale impreună cu lumbricalii. Interosoșii dorsali realizează abducția degetelor, în timp ce interosoșii ventrali realizează adducția degetelor spre axul mâinii.
b) Mușchii extrinseci sunt grupați în muschi extensori și mușchi flexori.
1. Extensorii extrinseci – Mușchii extensori sunt toți extrinseci, cu excepția unuia singur care este implicat în extensia articulației interfalangiene. Toți muschii extensori extrinseci sunt inervați de nervul radial. Acest grup de muschi constă in trei extensori ai articulatiei pumnului si un grup mare de extensori ai policelui si degetelor.
Muschiul extensor scurt radial al carpului este principalul extensor al articulatiei pumnului, alaturi de extensorul lung radial al carpului și extensorul ulnar al carpului care realizează deviatia radială și respectiv ulnară. Primul iși are inserția la baza metacarpianului III, iar ultimii doi se inserează la baza celui de-al doilea și al cincilea metacarpian.
Extensorul comun al degetelor, extensorul propriu indexului și extensorul degetului mic, efectuează extensia degetelor. Ei iși au inserția la baza falangei mijlocii și la baza falangei distale. Abductorul policelui, extensorul scurt al policelui și extensorul lung al policelui determina extensia acestuia. Inserția lor se găsește la baza metacarpianului I, falanga proximală și, respectiv, falanga distala a policelui.
Retinaculul extensorilor previne supraîntinderea tendoanelor de la nivelul îcheieturii și separă tendoanele în 6 compartimente. Extensorii comuni ai degetelor prezintă o serie de tendoane pentru fiecare deget în parte, având un corp muscular comun și cu punți intertendinoase între ele. Indexul și degetul mic au fiecare funcții de extensii independente prin extensorul propriu al indexului și extensorul degetului mic.
2. Flexorii extrinseci constau în 3 flexori ai incheieturii și un grup mare de flexori ai policelui și degetelor. Aceștia sunt inervați de nervul median, cu excepția flexorului ulnar al carpului și a flexorului digital profund al inelarului și degetului mic care sunt inervați de nervul ulnar.
Mușchiul flexor radial al carpului este principalul flexor al incheieturii, alături de flexorul ulnar al carpului și lungul palmar, care lipsește la 15% din populație. Inserția lor se află la baza metacarpianului III, baza metacarpianului V și, respectiv, fascia palmară. Flexorul ulnar al carpului este în primul rând un deviator ulnar. Cei 8 flexori digitali sunt împărțiți în grupe superficiale și profunde. Alături de flexorul lung al policelui, care se inserează la nivelul falangei distale a policelui, aceștia trec prin canalul carpian pentru a asigua flexia articulațiilor interfalangiene.
La nivelul palmei, tendonul flexorului superficial al degetelor se găseste alături de tendonul profund. Apoi se divide la nivelul falangei proximale si se reuneste dorsal cu tendonul profund pentru a se insera la nivelul falangei mijlocii. Flexorul digital profund perforeaza tendonul superficial pentru a se insera la nivelul falangei distale. Relația dintre tendoanele flexorilor și articulația pumnului, articulația metacarpofalangiana și cea interfalangiană este menținută printr-un sistem reticulat care previne efectul de supraîntindere.
Fig. 3.1 Musculatura și tendoanele mâinii
Teci tendinoase sinoviale: acoperă tendoanele mușchilor flexori (m. flexor radial al carpului, m. flexor lung al policelui și m. flexori superficial și profund ai degetelor; policele și degetul mic au teci digitocarpiene, la nivelul degetelor 2-4 existând discontinuitate mediopalmara) si extensori ai degetelor (formează 6 compartimente figura 3.2), cărora le ușurează alunecarea.[1][2]
Fig. 3.2 Tendoanele degetului
Mâna umană (Fig. 4.1 [5]) este un sistem articulat, având 26 de grade de libertate. Sistemul mână umană are, însă, și un număr mare de constrângeri. Astfel există dependențe între degete și articulații. Pentru a modela articularea degetelor este necesară descrierea structurii cinematice a mâinii umane. Din acest motiv, scheletul mâinii poate fi reprezentat precum în figura 4.1, în care fiecare deget este considerat un lanț cinematic cu baza în palmă și cu fiecare vârf de deget drept efector final.
Constrângerile la care este supusă mâna umană pot fi divizate în trei mari categorii:
a) Constrângerile de tipul I sunt reprezentate de limitările mișcării unui deget datorate anatomieimâinii (constrângeri statice).
b) Constrângerile de tipul II sunt limitările impuse în articulații în timpul mișcării (constrângeri di-namice).
c) Constrângerile de tipul III includ acele limitări necesare pentru a realiza o mișcare naturală, care, însă, nu sunt acoperite de stadiul actual al cercetării.
Fig. 4.1 Abstractizarea scheletului mâinii umane
Constrangeri de tipul I
Acest tip de constrângeri se referă la limitările domeniului de mișcări ale degetelor determinate de anatomia mâinii. Se consideră doar domeniul de mișcări care pot fi realizate fără aplicarea unor forțe externe,precum îndoirea degetelor spre partea exterioară a mâinii folosind cealaltă mână. Acest tip de constrân-geri se reprezintă cu ajutorul următoarelor inegalități: [6]
0° ≤ θMCP-F≤ 90o
0° ≤ θPIP≤ 110°
0° ≤ θDIP≤ 90°
-15° ≤ θMCP-AA≤ 15°
Unde:
□ θMCP-F reprezintă variabila articulară a articulație metacarpofalangeale pentru flexare;
□ θMCP-AA reprezintă variabila articulară a articulație metacarpofalangeale pentru abducție sau aducție;
□ θPIP reprezintă variabila articulară a articulației proximal interfalangeale;
□ θDIP reprezintă variabila articulară a articulației distal interfalangeale;
O altă constrângere susține că degetul mic oferă o mișcare de abducție sau aducție redusă, motiv pentru care, pentru acest deget, se folosește următoarea aproximare:[6]
θMCP-AA= 0
Această aproximare poate determina reducerea unui grad de libertate din cele 20 ale degetelor. Deasemenea, și articulația CMC a degetului opozabil asigură o mișcare de abducție limitată, motiv pentrucare, de regulă, ea se aproximează astfel: [6]
θCMC-AA= 0
Drept rezultat, mișcarea degetului mare poate fi caracterizată de trei parametri în loc de patru. Pe lângă acestea, degetele index, mijlociu, inelar și mic sunt manipulatoare planare deoarece articulațiile DIP, PIPși MCP ale fiecărui deget se mișcă într-un singur plan (articulațiile DIP și PIP oferă un singur grad de liber-tate, pentru flexare).
Constrangeri de tipul II
Acest tip de constrângeri se referă la limitările impuse în articulații în timpul mișcării degetelor. Ele suntdenumite constrângeri dinamice și pot fi clasificate în constrângeri:
□ intra deget (între articulațiile aceluiași deget);
□ inter deget (între articulațiile dintre degete).
Constrângerea intra deget cea mai utilizată se bazează pe anatomia mâinii și stipulează că, pentru a în-doi articulația DIP trebuie îndoită și articulația PIP, pentru cazul degetelor index, mijlociu, inelar și mic(Fig. 4.1.1[7]). Din punct de vedere formal, afirmația anterioară se exprimă astfel [6]:
θDIP= 2/3 θPIP
Fig. 4.1.1 Relația dintre articulațiile DIP și PIP
Datorită acestei aproximări, modelul care inițial avea 20 de grade de libertate se reduce la un model cu 16 grade de libertate. Literatura de specialitate a demonstrat faptul că degradarea de performanță este nesemnificativă în cazul exprimării poziției mâinii folosind constrângerile din relațiile anterioare. Unexemplu de constrângere inter deget este următorul: îndoirea degetului mic din articulația MCP deter-mină, în mod natural, și îndoirea degetului inelar din aceeași articulație. Până în prezent, însă, acest tipde constrângeri nu au fost cuantificate sub forma unor ecuații
Constrangeri de tipul III
Constrangerile sunt impuse de modul natural în care se mișcă mâna și sunt destul de dificil de detectat. Constrângerile de tipul III diferă de cele de tipul II, deoarece ele nu au nici o legătură cu limită-rile impuse de anatomia mâinii ci, mai degrabă, ele reprezintă un rezultat al mișcărilor naturale și comune. Deși naturalețea mișcării mâinii diferă de la persoană la persoană, ea este similară la toată lumea.Un exemplu relevant este acela de îndoire a de-getelor în același timp și nu câte unul pe rând.
Pana in present acet tip de constrangeri nu a fost exprimat sub forma unor ecuatii.
4.2 Modelul dinamic al mainii
Modelul propus (figura 4.2.1) prezinta diferente fata de modelul natural, din necesitatea de a obtine o simplificare a procesului de modelare. In figura de mai jos palma este de lungime p si diametru 2d1+d2.
Degetele centrale respectă gradele de libertate și structura degetelor naturale, sunt paralele între ele și plasate la distanțele marcate pe Fig. 4.2.1. Degetul opozabil, diferă de modelul natural prin faptul ca are doar două falange și trei grade de libertate. Baza degetului opozabil este plasată la distanțad2 față de palmă, în planul palmei și distanța d3, pe o axă perpendiculară pe planul palmei. Baza celei dea doua falange este plasată față de baza degetului opozabil la distanță d5, măsurată pe o axă perpendiculară pe planul palmei.
Fig. 4.2.1 Modelul propus pentru mâna umană
Pentru a putea modela mișcarea degetelor mâinii se folosește modelul cinematic direct, ce exprimă mișcarea vârfului fiecărui deget în raport cu sistemul de referință fix, atașat primei cuple cinematice a încheieturii. Pentru variabilele articulare comune tuturor degetelor,
q1, q2, q3, s-au stabilit constrângerile următoare:
-90o≤ q1 ≤90o -π/2≤ q1 ≤ π/2
-15o≤ q2 ≤15o sau -π/12≤ q2 ≤ π/12
-15o≤ q3 ≤15o -π/12≤ q3 ≤ π/12
În ceea ce privește constrangerile degetului opozabil, acestea sunt exprimate astfel:
-15o≤ q4o≤ 15o -π/12≤ q4o ≤ π/12
0o≤ q5o ≤ 90o sau 0 ≤ q5o ≤ π/2
0o≤ q6o ≤ 90o 0 ≤ q6o ≤ π/2
Pentru a putea realiza studiu, este necesar să se atribuie valori tuturor mărimilor care apar în sistemul determinat. Pentru aceasta, s-au considerat mărimile specifice unei mâini de adult,mărimi exprimate de relațiile următoare:
Marimi generale:
p= 10cm = 0.1m
d1= 3cm = 0.03m
d2= 2cm = 0.02m
d3= 2cm = 0.02m
d4= 3cm = 0.03m
Degetul opozabil:
f1o = 3.5 cm= 0.035m
f2o = 2.5 cm= 0.025m
Degetul aratator:
f1a= 4.5 cm= 0.045m
f2a= 3 cm= 0.03m
f3a= 2 cm= 0.02m
Degetul mijociu:
f1m= 5 cm= 0.05m
f2m = 3.5 cm= 0.035m
f3m = 2.5 cm= 0.025m
Degetul inelar:
f1i= 5 cm= 0.05m
f2i = 3.5 cm= 0.035m
f3i = 2 cm= 0.02m
Degetul mic:
f1c= 4 cm= 0.04m
f2c= 2.5 cm= 0.025m
f3c= 2 cm= 0.02m
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Modelarea Matematica a Mainii (ID: 157352)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.