+ All Categories
Home > Documents > sinteza 2007_decrypted

sinteza 2007_decrypted

Date post: 14-Jul-2015
Category:
Upload: florin-silion
View: 128 times
Download: 0 times
Share this document with a friend

of 10

Transcript

MINISTERUL EDUCAIEI I CERCETRII EXECUTANT UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV

Nr. contract: 327/1.10.2007 Programul: IDEI Tip proiect: PROIECTE DE CERCETARE EXPLORATORIE Cod CNCSIS: ID_147 Valoare total contract / an: 100.000 lei Etapa: FINAL Valoare faz: 100.000 lei

CONTRIBUII LA ANALIZA, MODELAREA I SIMULAREA SISTEMELOR MECATRONICE MODERNE DESTINATE RECUPERRII MEDICALESinteza lucrrii

Director de GRANT, Conf. Dr. ing. Daniela Mariana BARBU

2007

MINISTERUL EDUCAIEI I CERCETRII EXECUTANT Universitatea TRANSILVANIA din Braov Nr. contract: 327/1.10.2007 Programul: IDEI Tip proiect: PROIECTE DE CERCETARE EXPLORATORIE Cod CNCSIS: ID_147

Denumire proiect:

CONTRIBUII LA ANALIZA, MODELAREA I SIMULAREA SISTEMELOR MECATRONICE MODERNE DESTINATE RECUPERRII MEDICALEDenumire faz de cercetare (2007):

ANALIZA SISTEMICA SI COMPARATIVA A SISTEMELOR MECATRONICE DESTINATE RECUPERARII MEDICALE1. IntroducerePrezentul proiect i propune s studieze noile tipuri de roboi medicali, precum i s proiecteze i s realizeze un model original de sistem mecatronic inteligent cu rol de ortez destinat recuperrii locomotorii. Dat fiind complexitatea temei abordate, considerm c activitile de cercetare sunt foarte variate i implic cunotine de biomecanic, mecatronica i roboi, analiza, modelare i simulare numeric, proiectare asistat i nu numai, ceea ce face din aceasta lucrare un proiect pluridisciplinar. Biomecanica, domeniul principal de aplicaie a acestui proiect, este tiina care aplic legile i modurile de raionament ale mecanicii la studiul organismelor vii i, n particular, la om. Cu alte cuvinte, biomecanica este mecanic aplicat n biologie i anatomie. Concomitent tiin pluridisciplinar pur i aplicat, ea studiaz aspectele fundamentale ale fenomenelor mecanice din materia vie i implicaiile lor fiziologice, ca si aspectele mai directe utilitare prin aplicaiile lor n terapeutic i industrie. De aceea, se poate spune c biomecanica este i biologie i medicin intern i chirurgie i educaie fizic i reeducare neuromotorie i protezare i robotic i probleme industriale legate de sntatea omului i ergonomie i siguran rutier i aeriana i traumatologie etc. Mecatronica este o combinaie ntre mecanica, electronica i informatic, care face posibil apariia unor sisteme mai simple, mai economice, mai sigure i mai versatile. Termenul de mecatronic a fost prima dat introdus n anul 1969 de Tetsuro Mori, un inginer de la compania japoneza Yaskawa. Mecatronica se refer la sistemele electromecanice, i mai puin la ingineria de automtizari i control. Sistemele hibride mecatronice includ sisteme de producie, subsisteme pentru automobile cum ar fi sistemele de nchidere centralizat, sisteme antifranare i chiar echipamente utilizate n viaa de zi cu zi, cum ar fi camerele foto cu autofocusare, camerele video, hard discurile, CD-player-ele, mainile de spalat, jocurile electronice etc. O specializare n mecatronica trebuie s includ matematica inginereasc, mecanica, organe de maini, proiectare mecanic, termodinamic, circuite i sisteme, electronic i comunicaii, procesarea digital a semnalelor, robotica etc. Un domeniu derivat este Biomecatronica, care este o tiin aplicat interdisciplinar al crei scop este s studieze corpul omenesc din prisma elementelor mecanice, fie n scop terapeutic (spre exemplu inima artificiala), fie pentru mrirea abilitilor existente. Aplicaiile principale includ tehnologii destinate domeniului militar. Biomecatronica cuprinde aspecte din biologie, mecanica i electronica. n conformitate cu domeniile de cercetare al noului plan national PN-II, acest proiect poate fi inclus n domeniul Tehnologia informaiei i comunicaii, prin atingerea subdomeniilor Inteligena artificial, robotica i sistemele autonome avansate i Tehnologii pentru sisteme distribuite i sisteme ncorporate. Fiind destinat dezvoltrii i realizrii unui nou sistem pentru recuperare medicala, se poate spune ca acesta poate fi ncadrat i n domeniul Sntate. Deoarece se intenioneaz conceperea unui produs nou, absolut original, acesta face ca cercetrile aferente proiectului s poat fi ncadrate n domeniul Materiale, procese i produse inovative, n special prin atingerea subdomeniului Tehnologii i produse mecanice de nalt precizie i sisteme mecatronice.

2. Obiectivele de cercetareObiectivul principal al acestui proiect este obinerea i implementarea unei orteze inteligente utilizate pentru antrenamentul de recuperare al subiecilor cu probleme neuro-motorii. Aceasta este destinat n special recuperrii articulaiilor membrelor inferioare ori superioare, dar prin executarea exerciiilor respective va fi afectat i masa muscular. Ea va fi conceput modular (modul mecanic, electronic i modulul interfa). Se ataeaz pe picior, respectiv mn, n zona n care se dorete a se realiza recuperarea; se programeaz pentru fiecare subiect n parte n funcie de tipul i programul de terapie al fiecrui subiect n parte. Sunt realizate din materiale uoare i nepretenioase. Avantajele utilizrii unui astfel de sistem robotizat constau n urmtoarele: sunt uor adaptabile; pot fi folosite individual, pentru fiecare progam de recuperare n parte; nu necesit spitalizare; sunt ieftine i astfel accesibile fiecrei categorii sociale n parte. Pornind de la aceste premize, pentru prezenta faz de cercetare, s-au propus urmtoarele obiective: - Analiza sistemic i comparativ a diverselor metode de recuperare medical; - Analiza sistemic i comparativ a sistemelor mecatronice destinate recuperrii medicale; - Modelarea biomecanicii locomoiei umane.

3. Analiza metodelor i sistemelor de recuperare medicalUn robot este pur i simplu un dispozitiv fcut s execute o sarcin specific sau o serie de sarcini. Complexitatea acestor sarcini depinde de ct de mare este interaciunea uman. Astfel, acetia necesit cteva grade de interaciune uman pentru a ndeplini sarcini de o complexitatea mijlocie. Roboii se ntrebuineaz ntr-un domeniu enorm de aplicaii, de la distracie la industrie sau la ntreinerea casnic. Domeniul roboticii de reabilitare este o evidenta direcie de urmat pentru robotic, pe masura ce mainile devin tot mai mult permisibile, iar capacitatea lor autonom ajut la sprijinirea existenei umane. Primele cercetari n domeniul roboticii au fost iniiate la inceputul anilor '60. Dup un avnt substanial al aplicaiilor roboticii n domeniul industrial, cu precdere in industria automobilelor, la nceputul anilor '90 s-au conturat multiple aplicaii n domeniile neindustriale (nemanufacturiere). Asupra acestor aplicaii s-a ndreptat atenia, cu att mai mult cu ct s-a estimat c robotica urmeaz s joace un rol nsemnat n restructurarea civilizaiei mileniului trei. Statisticile privind tipurile de roboi arat sugestiv creteri importante ale numrului roboilor care rspund unor aplicatii neindustriale. Aceast dezvoltare, chiar spectaculoas, n direcia aplicaiilor neindustriale justific trecerea n revist a principalelor subdomenii n care roboii nemanufacturieri sau roboii de serviciu i pot gsi aplicabilitate. Aceste domenii sunt construciile, reabilitarea bolnavilor, comer, transport i circulatia mrfurilor, administraia local, protecia mediului nconjurtor i agricultur; supraveghere, inspecie, protecia de radiaii i intervenii n caz de catastrofe; hoteluri i restaurante; n medicin, gospodrie, hobby i petrecerea timpului liber. Aplicaiile medicale sunt unele dintre zonele cele mai promitoare pentru tehnologia roboticii. Multe cercetri pe roboi specializai n medicin sunt executate n ultima perioad. Roboii n chirurgie i reabilitare reprezint n special o noua etap n tehnologia nou medical. n consecin, cabinetul medical poate fi ocupat n viitor n special de un robot de chirurgie i unul de reabilitare. Pentru a optimiza interveniile chirurgicale, anumite tehnici executate nainte, n timpul i dup operaie, pot fi realizate de sistemele medicale CAD/CAM de genul: - prelucrare de imagine medical imagistica medical; sutura asistat de calculator; reconstrucie de modele corporale tridimensionale pentru studii radiografice, ultrasonografice sau tomografice; nregistrare i navigare n timpul operaiei, mecanisme pentru producerea poziionare i sigurana n intervenia chirurgical; asigurarea dezinfeciei i climatizrii mediul ambiental clinic. Aceste sisteme trebuie considerate toate ca avnd caracteristici biomedicale. Tendinele viitoare descoper alte sisteme, ca de exemplu, roboi medicali n miniatura i muschiul MEMS, ce vor deveni de asemenea o parte integrant a clinicii medicale. Ca urmare, n ultimii ani dou domenii conexe, Roboi medicali i de Chirurgie Asistat de Calculator intenioneaz s dezvolte dispozitive mici care s poat face proceduri medicale mai bine dect orice chirurg sau maina le pot face mpreun sau separat. Acestea au nceput s fie aplicate n neurochirurgie, laparoscopie, oftalmologie. Aceste tipuri de roboi sunt n msura s realizeze proceduri precise i repetabile, proceduri ce sunt greu de realizat de orice om. Chirurgii achiziioneaz astfel de sisteme pentru mbuntairea abilitilor i dexteritii adaptabile necesare realizrii unor bune performane. Poteniala combinaie ntre roboi i medici a creat un nou domeniu de interes n cercetare tiinific naional i internaional.

Roboi pentru laborator

Recuperare medical Roboi pentru oameni surzi sau nevztori

Roboi pentru spital

Chirurgia de la distan

Telechirurgie

Antrenament chirurgical

Telemedicina i teleconsultaie

n medicin, s-au implementat sisteme robotizate pentru diagnoza prin ecografie, sisteme robotizate pentru intervenii neurochirurgicale, telemanipulatoare pentru chirurgie laporoscopic, vehicule ghidate automat pentru transportul bolnavilor imobilizai la pat, vehicule ghidate automat pentru transportul medicamentelor, alimentelor, buturilor i lenjeriei de schimb, vehicule ghidate automat pentru activiti de curaenie i dezinsecie n spitale, sisteme robotizate pentru pregtirea prin simulare, nainte de operaie, a unor intervenii chirurgicale etc. Cteva exemple de astfel de sisteme dezvoltate la Universitatea

din Berkley sunt prezentate mai jos.

Robot telechirurcical pentru laparoscopie

Simulator laparoscopic

Manipulatorul laparoscopic

Prototip de mna mecanic

Sistem de teleoperare de nalt fidelitate

Endo-Platforma cu forceps pentru biopsie

Robotica de reabilitare este o ramura special de robotic concentrat pe maini care pot fi folosite pentru a ajuta omul s se restabileasca n urma unei traume fizice severe. Robotica de reabilitare exist tocmai pentru a rezolva serioase probleme care apar n zona fizioterapiei i deja rezultatele sunt miraculoase n multe cazuri. Beneficiile roboticii de reabilitare sunt multe. n procedura obinuit de fizioterapie, muli terapeui lucreaz adesea cu un singur pacient, pentru a-i putea acorda atenia cuvenita i a-l ajuta s se mite pn la cel mai apropiat sprijin. Un robot exoskeleton, cum este cazul celui pe care dorim s-l realizam i implementm, permite o tehnic de reabilitare mult mai exact, robotul putnd furniza sprijinul i modul de mers al pacientului. Terapeutul poate urmri exerciiile mai multor pacieni de-o dat. De asemenea, utilizarea acestor tipuri de roboi ine seama cu consecven de regimurile de instruire ale pacientului, urmrindu-i progresul, dar i intervine n diminuarea nivelului stresului terapeutului uman. Pentru reabilitare se pot identifica urmtoarele aplicaii: scaun cu rotile pliant, mbarcabil n autoturisme; manipulator pentru deservirea persoanelor paralizate, vehicul pentru conducerea nevztorilor etc.

Scaun cu rotile inteligent

Sistem robotizat de asisten pentru handicapai

Sistem de asistare a mersului Universitatea Vaseda

O ortez este un dispozitiv aplicat pe o parte a organismului uman pentru a corecta o diformitate, a mbuntai o funcie sau pentru a diminua simptomele unei boli. Aceasta poate fi un dispozitiv aplicat extern, care sprijin sau asist sistemul neuro-musculo-skeletal.

Exemple de orteze marca Kustom Kinetics

n prezentul proiect dorim s proiectm, s realizam i s implementm un sistem mecatronic (o ortez inteligent robotizat), ce va putea ajuta persoanele aflate ntr-o anumit terapie de recuperare neuro-motorie. Sunt vizate aici n special articulaiile genunchiului i a cotului, dar sistemul poate fi adaptat i articulatiei minii, gleznei, umrului sau coapsei. Prin urmare, intenia noastr, de a crea un sistem mecatronic robotizat ce are rol de orteza, face ca acest proiect s capete o importan deosebit n special pentru anumite categorii de persoane. Aici ne referim la: - persoanele care au suferit un accident i au pierdut parial sau total posibilitatea de a mica un picior sau o mn; - persoane care au suferit intervenii chirurgicale i care au nevoie de o tehnic de recuperare a locomoiei;

- sportivi care au nevoie de antrenament sau necesit recuperare medical dupa o accidentare; - persoane vrstnice care necesita exerciii de reabilitare neuromotorie; - copii cu distrofie neuro-muscular; - persoane care din diferite cauze i-au pierdut temporar funcia locomotorie etc. Aplicaii ale roboilor medicali: 1. Roboi pentru laborator (pentru operaii preprogramate, multirepetitive sau pentru cele care necesit mai multe aciuni n paralel). Productori - Thermo Electron Corp, Hamilton Co, Central Research Labor.(CRL), A Dover Diversified Co etc. 2. Telechirurgie. Au console chirurgicale; sunt prevzute cu control pentru braele robotului; nu opereaz direct pe pacient; sunt folosite n special n chirurgiile minime agresive. 3. Antrenament chirurgical. Sunt roboi utilizai n simulatoare de antrenament chirurgical; utilizai pentru studeni i medicii rezideni; ajut personalul fr prea mare experien s evite neplceri legale, sociale sau economice. 4. Telemedicina i teleconsultaie. Sunt prevzute cu canale de telecomunicaie necesare ntre utilizator i alt medic or pacient. Au control al informaiilor transferate ntre utilizatori. 5. Recuperare medical: roboi pentru ajutor; scaune cu roile prevzute cu sistem inteligent de navigare i control. 6. Roboi pentru oameni surzi sau nevztori cu necesiti pentru cumunicare. 7. Roboi pentru spital: necesari pentru transportul materialelor; sunt prevzui cu harta spitalului; pot face diferena ntre oameni i obiecte. Exemplu: TUG by Aethons and HelpMate by Cardinal Health. 8. Chirurgia de la distana: chirurgul poate fi oriunde n lume; se face controlul de la distan a sistemului chirurgical robotizat; foarte folositor pentru tratarea soldailor n cmpurile de lupt. Sisteme existente de roboti medicali: 1. ROBODOC de la Integrated Surgical Systems Inc.: folosit pentru chirurgiile de nlocuire protetic de old i n chirurgia de nlocuire de articulaie; are erori la procedurile de recuperare. 2. Robotul chirurgical Da Vinci de la Intuitive Surgical, Inc. Are consola chirurgical cu display 3D i control principal; Posed mas chrurgical proprie cu dou sau trei brae instrumentale i unul endoscopic; Dispozitiv endometric cu 7 DOF, cu posibilitatea eliberrii rapide a articulaiei; Are sistem de vedere interioar cu un edoscop cu rezoluie 3D nalt i echipament de procesare a imaginii. 3. HipNav de la Center for Medical Robotics si Computer Assisted Surgery din Carnegie Mellon University: Plasare precis a componentei acetabulare n interiorul pelvisului; Chirurgul specific poziia; Sistemul furnizeaz feedback bazat pe posibilitatea de micare a femurului, ceea ce ajuta n deducerea poziiei optime; Are sistem de urmrire i ghidare ceea ce poziioneaz componentele n poziie optim. 4. Robotic Telesurgical Workstation de la Sastry et all proiect ntre UCB i UCSF: Manipulator secundar cu ase DOF prevzut cu sistem de poziionare grosiera i milirobot; Mas cu patru DOF i un instrument laparoscopic convenional; Se controleaz poziia milirobotului; Milirobotul este prevzut cu dou articulaii; Se poziioneaz n interiorul organismului pacientului. 5. Manipulator principal cu robot serial: Are o pereche de interfee haptice fiecare controlnd un manipulator secundar; Sistemul furnizeaza feedback haptic i permite micarea natural a chirurgului. 6. Instrument pentru simtul tactil de la BioRobotics Laboratory din Harvard University: Senzorii tactili cumuleaz semnale care sunt procesate printr-un algortim DSP; Instrumentul are senzori, iar micarea degetelor chirurgului este transmis utiliznd un mecanism cu cablu; Reconstrucia senzaiei tactile este fcut cu un dispay tactil.

Robotic Telesurgical Workstation de la Sastry et all proiect intre UCB si UCSF

ROBODOC de la Integrated Surgical Systems Inc.

Manipulator principal cu robot serial

Robotul chirurgical Da Vinci de la Intuitive Surgical, Inc.

Instrument pentru simtul tactil de la BioRobotics Laboratory din Harvard University

Avantajele roboilor chirurgicali: mbuntesc dexteritatea, cresc confortul chirurgical i posibilitatea realizrii de chirurgie la distan; impun recuperare rapid; elimina tremurul minilor; elimina oboseala i impun un anumit nivel de performan; fac incizii foarte mici. Dezavantajele roboilor chirurgicali: sunt nc rezerve n acceptarea acestui tip de tehnologie medical; impun antrenament i practic suplimentar; nc nu exist certitudinea exactitii lor; cei muli senzori utilizeaz radiatie IR; sunt necesare instrumente de vizualizare foarte eficiente; nu pot fi pre-programai; sunt necesare abiliti specifice roboilor; induc ntrziere n transmiterea micrilor chirurgului. Alti roboti medicali realizati la MeCIS Lab din Case Western Reserve University: 1. Unelte robotizate pentru chirurgia cardiac Scopul acestui proiect este sa dezvolte nite unelte robotizate inteligente care s ajute n chirurgia cu implanturi bypass fr a fi nevoie ca inima s fie activ (inima nu bate). Principalele prioriti ale proiectului sunt: dezvoltarea algoritmilor de control inteligent, proiectarea la scara micro i macro a intrumentaiei robotizate inteligente i dezvoltarea sistemului senzorial pentru urmrirea btilor inimii. 2. Unelte milirobotizate pentru chirurgia minim invaziv Au dezvoltat un manipulator milirobotizat cu actuator integrat pentru chirurgia minim invaziv. Diametrul i lungimea acestui dispozitiv sunt restricionate de manevrabilitatea milirobotului i n scopul de a prejudicia ct mai puine leziuni ale esutului n timpul inciziei. Proiectarea s-a fcut innd cont c trebuie s obina o for de prindere ct mai mare i dimensiuni ct mai reduse. 3. Roboi pentru recuperare medical Electroencefalografia i noile tehnologii au permis medicilor s recupereze victime ale atacurilor cerebrale. Ca urmare, deoarece semnalele EEG sunt mprtiate pe toat suprafaa creierului, se nate dorina s gasim originea acestora. O astfel de provocare este s vedem dac semnalele culese de la victime ale atacurilor cerebrale pot fi sistematizat difereniate de aceleai semnale ale unui om sntos. Deoarece acest tip de atacuri paralizeaza o anumita zona a creierului, scopul proiectului este s identifice care zone anume au fost afectate. Pentru aceasta s-au utilizat analize spectrale, suprimarea zgomotului obinut prin electromiografie, analiza Bayesiana i alte tipuri de analize. SISTEME INTELIGENTE DE RECUPERARE MEDICAL Robotica de reabilitare este o ramur special a roboticii concentrat pe dispozitive care pot fi folosite pentru a ajuta omul s se restabileasc n urma unei traume fizice severe. Robotica de reabilitare s-a lansat tocmai pentru a rezolva serioase probleme care apar n zona fizioterapiei i deja rezultatele sunt miraculoase n multe cazuri. Exist trei principale cazuri de fizioterapie: cardiopulmonar, neurologic i muscular. Terapia cardiopulmonar ajut la rezolvarea problemelor de respiraie, ca de exemplu astmul sau pentru a reabilita acele persoane care au suferit o traum cardiac. Terapia neurologic n special dorete s ajute s restaureze controlul muchilor sau pentru a ajuta controlul muchilor persoanelor nscute cu probleme musculare (distrofii musculare). Terapia muscular ajut ntrind i restaurnd funcionalitatea n grupurile de muchi i schelet i mbuntind coordonarea. Deci, robotica de reabilitare are aplicaii n toate cele trei cazuri de fizioterapie, dar cele mai multe studii sunt concentrate pe dezvoltarea i folosirea sistemului musculoskeletal.

Cercetari n Robotica de Reabilitare la Core University SUA

O tehnica nou pentru fizioterapie, care provine din afara zonei de robotic de reabilitare, este robotul exoskeleton. n timp ce multe utilizri ale roboilor exoskeleton sunt de natur militar, cercetarea tiinific internaional a produs de asemenea destul de mult pentru robotica de reabilitare. Cel mai promitor robot exoskeleton care a fost folosit n robotica de reabilitare se numeste LOPES (Lower-extremity Powered Exoskeleton). Viitorul roboticii de reabilitare este foarte promitor. S-au dezvoltat o seama de tehnologii, din care de ntrevd

rezultate uimitoare, mult mai eficiente. Dezvoltarea acestora va face ca preurile s scad i astfel acest domeniu va fi accesibil pentru oameni cu diverse posibiliti financiare. ORTOTICA este un domeniu medical ce se ocup cu fabricaia i aplicaiile ortezelor. O ortez este un dispozitiv aplicat pe o parte a organismului uman pentru a corecta o diformitate, a mbunti o funcie sau pentru a diminua simptomele unei boli. Aceasta poate fi un dispozitiv aplicat extern, care sprijin sau asist sistemul neuro-musculo-skeletal. Unele dintre aceste dispozitive sunt fcute la comand pentru un singur utilizator. Altele sunt realizate pentru mai muli utilizatori, pe mrimi (mici, medii sau mari). Ortezele sunt de diferite forme i sunt construite din diferite materiale. Toate au ca scop sa mbunteasc funcia locomotorie a piciorului i s minimizeze tensiunile care pot provoca ntr-un final diformiti sau durere.

Cteva tipuri de orteze clasice (Barford Jones Orthomed)

Exist trei categorii de orteze: Dispozitivele ortotice rigide sunt proiectate pentru a controla funcia locomotorie a piciorului i pot fi realizate din materiale rigide, cum ar fi materialele plastice sau fibra de carbon. Acest tip de orteze sunt proiectate n special pentru a controla micrile articulaiilor piciorului. Sunt des utilizate pentru a elimina durerea din picior, coapsa sau spate datorate unei funcionari anormale a piciorului. Dispozitivele ortotice moi se utilizeaz pentru a atenua ocurile, ajut la meninerea echilibrului i elimin presiunea din punctele dureroase. n general sunt fcute din materiale moi i elastice. Sunt utilizate n mod special n artrit sau n diformiti ale piciorului prin care s-a pierdut din stratul gras al piciorului. Pot fi utile i in diabet. Dispozitivele ortotice semirigide sunt n general utilizate de atlei. Ele permit mbuntirea dinamic a echilibrului n timpul alergrii sau n alte sporturi. Prin meninere corespunztoare a funciilor piciorului, permit muchilor i tendoanelor s funcioneze mult mai corect. Sunt constuite din straturi de material moale, armat cu materiale rigide.

4. Modelarea locomoiei umaneMersul, avnd ca unitate de msura ciclul de pasit, poate fi mprit din punct de vedere funcional n dou componente de baza: sprijinul i balansul. Proporia ocupat de faza de sprijin i de faza de balans n timpul unui ciclu de mers variaz n funcie de viteza de mers, fiind pentru mersul normal de 60% pentru sprijin i 40% pentru balans. n timpul mersului are loc contracia coordonat a musculaturii pentru contracararea gravitaiei, genernd o micare lin i eficient energetic. Evaluarea mersului implic analiza kinetica, kinematica, EMG dinamic, precum i nregistrarea presiunilor plantare ce se dezvolt la nivelul contactului cu solul. Datele rezultate din analiza unui ciclu de mers sau a unei succesiuni de cicluri sunt folosite pentru analiza pattern-ului de mers. Prin evaluarea mersului se pune n eviden i se cuantifica deficitul articular, muscular sau de coordonare i se pot stabili strategii eficiente de compensare a deficitelor existente. Mersul, definit ca bipedalism alternativ, are ca unitate de msur ciclul de pit (secvenionalitatea funcionala a unui membru inferior) reprezentat de distana dintre punctul de contact cu solul al unui picior i punctul de contact imediat urmtor al aceluiai picior. Un alt parametru al mersului este pasul care se definete ca distana ntre punctul de contact cu solul al unui picior i punctul de contact al celuilalt picior. Un ciclu de mers este mprit din punct de vedere funcional n dou componente de baza: sprijinul i balansul. Sprijinul se refer la faza de contact a piciorului cu solul, avnd urmtoarele secvene: contactul iniial (atacul cu talonul), ncrcarea, sprijinul median, sprijinul terminal, desprinderea de pe sol. La nceputul i la sfritul fazei de sprijin este perioada dublului sprijin (24% din ciclul de mers), n care ambele picioare sunt n contact cu solul, permind transferul greutii corpului de pe un picior pe cellalt. Faza de dublu sprijin este absena n timpul alergrii. Balansul, etapa n care piciorul nu se sprijina pe sol, poate fi divizat n balansul iniial, balansul de mijloc i balansul terminal. Proporia ocupat de faza de sprijin i de faza de balans n timpul unui ciclu de mers variaz n funcie de viteza de mers, fiind, pentru mersul normal, de 60% pentru sprijin i 40% pentru balans. Pe msur ce viteza de mers crete, se reduce faza de sprijin i ocup o proporie din ce n ce mai mic din ciclul de mers. Analiza kinetic a mersului ine cont de forele ce se dezvolt n timpul mersului, pentru ca, datorit gravitaiei, o for de reacie apare la contactul piciorului cu solul, for ce se coreleaza cu greutatea i acceleraia corpului. Apar fore de propulsie i de forfecare, pe direcie anteroposterioara, vertical i mediolaterala. O for extern (reacia solului) se transmite de la sol ctre picior, glezn, genunchi i sold. Momentul forei (torque) produs de fora extern la nivelul unei articulaii este o msur a tendinei rotaionale a acelei articulaii (flexie, extensie, abductie sau adducie, rotaie intern sau extern) sub influena acestei fore externe. n cazul unei fore de reacie a solului amplasate anterior genunchiului, se produce un moment al forei care tinde s deplaseze genunchiul n extensie, aceast tendin fiind controlat de contracia muscular (flexorii i extensorii genunchiului). Mersul, definit ca bipedalism alternativ, are ca unitate de msura ciclul de mers (pasul dublu) reprezentat de distana dintre punctul de contact cu solul (clciul) al unui picior i punctul de contact imediat urmtor al aceluiai picior. Un alt parametru al mersului este pasul simplu, care se definete ca fiind distana dintre punctul de contact al unui picior i punctul de

contact cu solul al celuilalt picior, fiind realizat n timpul sprijinului bilateral. Prin compunerea a doi pai simpli succesivi se obine pasul dublu. Din punct de vedere funcional, ciclul de mers este divizat n dou etape principale: perioada de sprijinul i perioada de balansul, conform figurii 1. Sprijinul (suportul) este perioada care se refer la contactul piciorului cu solul i dureaz 60% din durata ciclului de mers. Balansul este perioada n care acelai picior nu mai este n contact cu solul ci este balansat n vederea pregtirii urmtorului contact cu solul. Durata balansului reprezint de 40% din durata Divizarea ciclului de mers ciclului de mers. La nceputul i la sfritul perioadei de sprijin este perioada dublului sprijin (24% din ciclul de mers), n care ambele picioare sunt n contact cu solul, permind transferul greutii corpului de pe un picior pe celalalt. Ciclul de mers este divizat n 8 faze, 5 n timpul perioadei de suport i 3 n timpul celei de balans; aceste faze denumesc evenimentele ce leag micarea piciorului de debutul n aceste perioade.

Fazele de suport ale piciorului pe sol n timpul mersului normal: contactul iniial (a); ncrcarea (b); mijlocul sprijinului (c); sprijinul terminal (d); desprinderea de pe sol (e)

Astfel, cele 5 faze ce definesc perioada de suport sunt: contactul iniial, ncrcarea, mijlocul sprijinului, sprijinul terminal i desprinderea de pe sol. Contactul iniial (0%-20% din ciclul de mers) este reprezentat de contactul clciului cu solul, iniializndu-se astfel ciclul de mers. n cursul acestei aciuni, centrul de greutate al corpului este n cea mai joas poziie. Astfel, membrul inferior este ntins la maxim iar bazinul este n micare de aducie orizontal, pe partea de atac n raport cu membrul de susinere. Genunchiul este n extensie complet sau cvasi complet iar glezna se gsete ntr-o poziie neutr (figura a). ncrcarea (20%-30% din ciclul de mers) apare n cazul n care suprafaa plan a piciorului atinge solul. Contactul este la nceput realizat doar de ctre clci apoi de talp n ntregime, personajul biped gsindu-se n echilibru monopodal. Lungimea maxim a membrului inferior rmne dezavantajoas, supunnd centrul de gravitaie unei acceleraii verticale foarte importante. Din aceast cauz, genunchiul va fi uor flexat, ntre 15 i 25 n funcie de rapiditatea de deplasare a personajului biped (figura b). Mijlocul sprijinului (30%-40% din ciclul de mers) se manifest atunci cnd piciorul de balans depete piciorul de suport. Corpul trece un timp foarte scurt prin aceast poziie, fiind sprijinit pe un singur picior. n acest moment corpul are nlimea maxim, iar centrul de greutate este uor deplasat lateral, ctre piciorul de sprijin, pentru meninerea echilibrului (figura c). Sprijinul terminal (40%-48% din ciclul de mers) se produce atunci cnd clciul pierde contactul cu solul iar mpingerea

este realizat de muchii triceps surae care antreneaz ndoirea gleznei. Aceast etap se caracterizeaz printr-o activitate intens a muchilor numii ncovoietori, eficient gleznei. Glezna rmne neutr cnd micarea de flexie se accentueaz ncet, nu printr-o deplasare a piciorului ctre faa anterioar a piciorului, ci printr-o deplasare unghiular anterioar a segmentului piciorului. Odat cu ridicarea clciului degetele rmn n contact cu solul, glezna gsindu-se plasat n poziia cea mai de sus (figura d). Desprinderea de pe sol (48%-58% din ciclul de mers) termin perioada de suport, i se manifest atunci cnd piciorul de suport prsete solul (figura e). n cazul perioadei de balans, cele trei faze sunt: accelerarea, mijlocul balansului i decelerarea. Accelerarea ncepe n momentul n care piciorul prsete solul, activndu-se astfel muchii oldului pentru a accelera piciorul spre nainte. n acest stadiu membrul inferior ajunge la lungimea lui minim, articulaia oldului i a genunchiului se ncovoaie, articulaia gleznei se mobilizeaz pentru a duce piciorul n flexie. Greutatea corpului subiectului uman este n acest moment suportat n totalitate de ctre membrul inferior opus. Mijlocul balansului are loc atunci cnd piciorul se deplaseaz exact sub corp, coincide cu momentul n care cellalt picior ajunge n faza de jumtate de suport. Decelerarea descrie aciunea muchilor care ncetinesc i stabilizeaz piciorul pentru anticiparea urmtorului contact al clciului cu solul. Bazinul este n rotaie maxim ctre partea n care se va produce atacul clciului, iar oldul este n flexie. Genunchiul este n extensie total sau cvasi total, piciorul este n flexie i clciul este dirijat ctre sol. Parametrii pasului simplu n cazul locomoiei bipede sunt: lungimea pasului simplu, frecvena (ritmul) mersului, viteza mersului, unghiul pasului, limea pasului i urmele plantei pe sol. Lungimea pasului simplu depinde de lungimea membrelor inferioare i de aciunea de impulsie. n medie, lungimea pasului simplu este de 0,63 m la brbat i de 0,50 m la femeie. n toate tempourile de mers, cei doi pai simpli ai unui pas dublu au, adeseori, lungimi inegale. Frecvena (ritmul) mersului reprezint numrul de pai fcui ntr-un minut. Lungimea pailor este influenat de frecven. De asemenea, talia influeneaz frecvena, ea fiind accelerat la persoanele cu talie submedie. Viteza mersului este egal cu produsul dintre lungimea pasului i cadena lui. La un brbat adult de talie mijlocie, viteza mersului este maxim la o caden de 140 pai simpli pe minut. Astfel, la un om cu talie de 1,70 m, lungimea pasului simplu variaz ntre 75 85 cm. La o caden economic, ntre 100 110 pai simpli pe minut, viteza va fi de 4,5 5,6 km pe or. Unghiul pasului este unghiul format de linia de mar i axa piciorului, avnd o valoarea medie de 15. Limea pasului este distana mediolateral dintre piciorul stng i cel drept; la o viteza medie, ea este de 5 6 cm. n cazul subiecilor umani cu dizabiliti neuromotorii, lrgimea pasului poate s creasc pn la 15 20 cm. Urmele plantei pe sol n timpul mersului nu se afl pe aceeai linie dreapt, ci sunt deprtate n medie cu 12 cm la brbat i 13 cm la femeie, datorit faptului c femeia are bazinul mai larg. De asemenea, vrfurile picioarelor sunt uor deprtate nspre afar.

Parametrii pasului simplu n cazul locomoiei bipede

La nivelul zonei de contact cu solul, presiunea dezvoltat se msoar dupa ecuaia: Presiunea = fora exercitat pe suprafaa, fora generat la punctul de contact fiind msurat cu ajutorul platformei de for. Aceasta d informaii cu privire la forele exercitate pe toate direciile la nivelul piciorului, dar este mai puin eficient n ceea ce privete msurarea distribuiei forei, necesitnd utilizarea unor senzori amplasai la nivelul tlpii, n interiorul pantofilor. Datele obinute din msurarea presiunii plantare pot fi folosite n evaluarea i tratarea pacienilor cu afectare neurologic i musculoscheletal. Acest tip de evaluare este necesar pentru piciorul dureros, deformat, cu tulburri de sensibilitate, pentru prescrierea ortezelor, susintorilor plantari i stabilirea programelor de kinetoterapie sau a limitrii sprijinului la nivelul extremitii afectate. Selectarea metodei de determinare a presiunii plantare trebuie s in cont de avantajele i dezavantajele fiecrei metode. Utilizarea platformelor de mers are avantajul prezenei unui numr mare de senzori, deci a unei rezoluii mai mari, dar n acelai timp are dezavantajul alterrii pattern-ului de mers al pacientului n timpul nregistrrii mersului pe band de mers i deci a modificrii pattern-ului de presiune plantar. Aceast problema nu apare la utilizarea senzorilor de presiune ncorporai n nclminte, dar are dezavantajul utilizrii unui numr redus de senzori, deci al unei rezoluii mai sczute a nregistrrii. Variate strategii au fost utilizate pentru scderea presiunii plantare printre care orteze acomodative, nclminte ortopedica, utilizarea bastonului pentru mersul cu sprijin, precum i modificarea modului de mers. Numeroase studii au analizat modul n care anumite patternuri de mers influeneaz presiunea plantar. Mersul tirsit (shuffling) cu pai mici va crete perioada de contact cu solul i suprafaa ariei de contact la nivel plantar i deci va scdea presiunea n regiunea antepiciorului. Faza de sprijin este prelungit mai ales prin prelungirea sprijinului median, n timp ce atacul cu talonul i desprinderea de pe sol au o durat redus. Contactul plantei cu solul crete, iar presiunea la nivelul metatarsienelor I i II i la nivelul halucelui scade. Acest lucru pare a se datora reducerii ncrcrii n timpul deprinderii de pe sol sau reducerii vitezei de mers (0,5 m/s pentru mersul trit fa de 1,29 m/s n mersul normal). Viteza de mers afecteaz fora

de reacie a solului prin cretea acesteia proporional cu viteza. n cazul pacienilor cu diabet i neuropatie diabetic asociat, se poate evidenia o mobilitate sczut la nivelul gleznei, scderea forei flexorilor plantari, scderea vitezei de mers i scderea lungimii pasului. Va rezulta o abilitate sczut de a genera fora n faza de desprindere de pe sol, aceasta flexie plantar redus fiind responsabil de alterarea mersului n cadrul neuropatiei diabetice. Astfel, progresia n timpul mersului este asigurat de flexia oldului mai curnd dect de flexia plantar, aceast strategie compensatorie genernd o presiune mai redus sub capetele metatarsienelor. Un alt posibil pattern de mers este cel n care piciorul n balans nu depeste piciorul n sprijin, ci este situat la acelai nivel. S-a nregistrat o scdere a presiunii plantare la nivelul antepiciorului, dar i o cretere la nivelul calciului. Utilizarea terapeutic a acestor pattern-uri de mers este limitat de dificultatea nvrii acestora. n timpul mersului are loc contracia coordonat a musculaturii pentru contracararea gravitaiei, genernd o micare lin i eficient energetic. nregistrarea EMG a contraciei muchilor capabili s produc o anumit micare furnizeaz informaii asupra momentului i a duratei activrii musculare. Din punct de vedere biomecanic, locomoia biped (mersul) este un proces de deplasare, n care corpul uman, aflat n micare, este suportat ciclic i alternativ de fiecare membru inferior (cu excepia unei perioade de tranziie, atunci cnd ambele picioare se gsesc pe sol).

Bibliografie:1. Karnopp, Dean C., Donald L. Margolis, Ronald C. Rosenberg, System Dynamics: Modeling and Simulation ofMechatronic Systems, 4th Edition, Wiley, 2006. ISBN 0-471-70965-4

2. Lum, P.S. et al. - Robot-assisted movement training compared with conventional therapy techniques for therehabilitation of upper-limb motor function after stroke, Archives of Physical Medicine & Rehab., 2002. p. 952-9. 3. Kahn, L.E. et al. - Effect of robot-assisted exercise on functional reaching in chronic hemiparesis, 23rd Annual International Conference of the IEEE-EMBS. 2001. Istanbul, Turkey. 4. Burgar, C.G. et al. - Development of robots for rehabilitation therapy: The Palo Alto VA/Stanford experience, Journal of Rehabilitation Research and Development, 2000. 37(6): p. 663-673. 5. Reinkensmeyer, D.J. et al. - Design of robot assistance for arm movement therapy following stroke, Advanced Robotics, 2000. 14(7): p. 625-637. 6. Topping, M. - Handy 1, A robotic aid to independence for severely disabled people, Integration Of AssistiveTechnology In The Information Age. Ed M Mokhtari, IOS, Netherlands, p.142-147, 2001 7. Mahoney, R.M. - The Raptor Wheelchair Robot System, Integration Of Assistive Technology In The Information Age. Ed M. Mokhtari, IOS, Netherlands, p.135-141, 2001 8. Rahman, T. et al. - An anti-gravity arm orthosis for people with muscular weakness, Integration Of Assistive Technology In The Information Age. Ed M. Mokhtari, IOS, Netherlands, p.31-36, 2001 9. Kyberd, P.J. et al. - The design of anthropomorphic prosthetic hands: A study of the Southampton Hand, Robotica, 16, 6 p. 593-600, 2001 10. Shor, P.C. et al. - The effect of Robotic-Aided therapy on upper extremity joint passive range of motion and pain, Integration Of Assistive Technology In The Inform. Age. Ed M. Mokhtari, IOS, Netherlands, p. 79-83, 2001 11. Kahn, L.E. et al. - Comparison of robot assisted reaching to free reaching in promoting recovery from chronic stroke, Integration Of Assistive Technology In The Information Age. Ed M. Mokhtari, IOS, Netherlands, p. 9-44, 2001 12. Krebs, H.I. et al. - Robotic applications in neuromotor rehabilitation, Robotica 21, 1, p. 3-12, 2003 13. Amirabdollahian, F. et al. - Error correction movement for machine assisted stroke rehabilitation, Integration Of Assistive Technology In The Information Age. Ed M. Mokhtari, IOS, Netherlands, p. 60-65, 2001 14. Friconneau, J.P. et al. - Mechatronics in Medecine, Healthcare and Rehabilitation, IMechE Seminar - Mechatronics in Medicine, Healthcare and Rehabilitation - Nov 2003 15. NIDRR Projects - Research in the New MillenniumNews from the National Rehabilitation Information Center, Vol 7, No 2, March 2005 16. Stephen N. Roderick, Craig R. Carignan, I. - An Approach to Designing Software Safety Systems for Rehabilitation Robots, Proceedings of the 2005 IEEE 9th International Conference on Rehabilitation Robotics June 28 - July 1, 2005, Chicago, IL, USA

17. J. Kiss, Simona Popescu, Delia Cinteza, Gina Galbeaza, S. Diaconescu, Victorita Marcu, Evaluarea mersului in medicina de reabilitare, Revista Medic.ro, nr. 30http://www.rercwts.pitt.edu/RERC_WTS_Res/RERC_WTS_Res_SP/RERC_WTS_res_sp1.html http://cabrr.cua.edu/research/RehabilitationRobotics.cfm http://robotics.eecs.berkeley.edu/medical/ http://www.jama.com/ http://robotics.case.edu/researchmedicalrobotics.html http://www.medgadget.com/archives/2005/07/da_vinci_robot.html faculty.cs.tamu.edu/dzsong/teaching/fall2005/cpsc689/slides/Swetha_proj.ppt rehab-www.eng.cam.ac.uk/papers/lsk12/icorr97/ taff.bath.ac.uk/mpsmrh/robot/icorr03.pdf ww.wtec.org/robotics/report/06-Medical.pdf


Recommended