Robotics and Exoskeletons

Robótica y exoesqueletos

En las últimas décadas, los avances en robótica han impulsado un progreso significativo en la atención médica, especialmente en los campos relacionados con la mejora de la movilidad y la rehabilitación. Los exoesqueletos robóticos portátiles, antes relegados al ámbito de la ciencia ficción, ahora se utilizan activamente para ayudar a las personas a recuperar o mejorar su movilidad. Asimismo, los dispositivos de rehabilitación asistida por robot están ampliando las posibilidades terapéuticas para los pacientes que se recuperan de lesiones o enfrentan discapacidades. Este artículo ofrece una amplia visión general de la aplicación de la robótica en la atención médica, centrándose en dos áreas principales: (1) dispositivos de movimiento asistido para mejorar la movilidad y (2) robótica de rehabilitación para apoyar los procesos de recuperación.

1. La evolución de la robótica y los exoesqueletos

1.1 Desarrollo temprano

El concepto de un dispositivo mecánico que aumenta la fuerza y ​​la movilidad humana se remonta a décadas atrás. Las primeras investigaciones militares de las décadas de 1960 y 1970 exploraron la posibilidad de construir exoesqueletos motorizados para que los soldados transportaran cargas pesadas a largas distancias (Herr, 2009). Aunque estos primeros intentos se vieron limitados por diseños voluminosos y fuentes de energía insuficientes, sentaron las bases de la tecnología moderna de exoesqueletos.

1.2 Avances tecnológicos

Con el tiempo, las mejoras en motores, baterías, sensores y algoritmos de control impulsaron el desarrollo de exoesqueletos. Motores eléctricos más eficientes y materiales ligeros, como la fibra de carbono y las aleaciones de aluminio de alta calidad, redujeron el peso de los exoesqueletos y los hicieron más prácticos para el uso diario (Gandhi et al., 2021). Por otro lado, sensores como las unidades de medición inercial (IMU), los sensores de fuerza y ​​los sensores de electromiografía (EMG) han permitido la detección en tiempo real de la intención del usuario, lo que ha dado lugar a un control más fluido e intuitivo (Yeung et al., 2017).

1.3 Aplicaciones de los exoesqueletos modernos

Los exoesqueletos modernos existen en varias formas:

Exoesqueletos de miembros inferiores:Diseñado para ayudar a caminar, estar de pie y subir escaleras (por ejemplo, ReWalk, Ekso Bionics, Indego).

Exoesqueletos de las extremidades superiores:Se utiliza a menudo en contextos terapéuticos para restaurar o ayudar a los movimientos del brazo en pacientes que se recuperan de accidentes cerebrovasculares u otras lesiones neurológicas (por ejemplo, MyoPro de Myomo).

Exoesqueletos industriales:Se utiliza para reducir la carga de tareas repetitivas y disminuir el riesgo de trastornos musculoesqueléticos en los trabajadores (por ejemplo, los exoesqueletos de soporte de hombros de SuitX).

2. Dispositivos de movimiento asistido: mejora de la movilidad

2.1 Descripción general

Los dispositivos de asistencia al movimiento son tecnologías robóticas diseñadas específicamente para mejorar o restaurar la capacidad de movimiento de una persona. Su objetivo es aumentar la independencia, reducir el riesgo de complicaciones secundarias (p. ej., úlceras por presión, atrofia muscular) y mejorar la calidad de vida en general. Los exoesqueletos de extremidades inferiores se encuentran entre los dispositivos más destacados, y a menudo ofrecen soluciones de movilidad para personas con lesión medular (LME), esclerosis múltiple o deterioro de la movilidad relacionado con la edad (Sale et al., 2012).

2.2 Mecanismos y beneficios

Actuación motorizada
Muchos exoesqueletos utilizan motores eléctricos en las articulaciones de la cadera o la rodilla para facilitar la marcha. Los sensores integrados detectan la postura del usuario o su intento de movimiento, activando actuadores que proporcionan el par necesario (Dollar y Herr, 2008). Esta asistencia en tiempo real puede permitir a las personas caminar sobre superficies planas o incluso subir escaleras, según el diseño del dispositivo.

Soporte de peso corporal
Algunos dispositivos de movimiento asistido soportan parcialmente el peso corporal del usuario, reduciendo la carga física del movimiento.Esto es útil para personas que realizan entrenamiento de marcha o para aquellas con fuerza muscular limitada.

Personalización y adaptabilidad
Los algoritmos avanzados permiten que los exoesqueletos se adapten a las condiciones cambiantes de los usuarios, ya sean variaciones en la velocidad, la dirección o la inclinación de la marcha. Estas adaptaciones ayudan a maximizar la comodidad, la seguridad y la eficiencia energética (Zhang et al., 2017).

Mejores resultados de salud
El uso regular de un exoesqueleto puede ayudar a reducir las complicaciones secundarias asociadas con la inmovilidad, como la atrofia muscular, la pérdida de densidad ósea o la mala salud cardiovascular. Diversos estudios han reportado mejoras en el equilibrio, la fuerza muscular y el bienestar general del usuario (Kressler et al., 2013).

2.3 Desafíos en la adopción generalizada

A pesar de su promesa, los exoesqueletos de movimiento asistido también enfrentan barreras:

Alto costo:Los costos de desarrollo y fabricación generan precios elevados de compra o alquiler, lo que limita la accesibilidad.

Requisitos de capacitación:Los usuarios y cuidadores necesitan formación específica para operar con seguridad los exoesqueletos robóticos.

Aprobación regulatoria:Cada dispositivo debe cumplir con estrictos estándares y certificaciones clínicas (por ejemplo, FDA en EE. UU., marca CE en Europa), lo que puede retrasar el ingreso al mercado.

Limitaciones ambientalesLos exoesqueletos funcionan mejor en superficies relativamente uniformes, lo que hace que la navegación en terrenos irregulares o al aire libre sea más desafiante.

3. Robótica de rehabilitación: apoyo a los procesos de recuperación

3.1 Papel en la rehabilitación

Los robots de rehabilitación están diseñados para ayudar en el proceso terapéutico de pacientes que se recuperan de lesiones físicas, accidentes cerebrovasculares o trastornos neurológicos. A menudo utilizados en entornos clínicos, estos dispositivos ofrecen entrenamiento de alta intensidad, repetitivo y específico para cada tarea bajo la guía de terapeutas, lo cual es crucial para la neuroplasticidad y la recuperación funcional (Mehrholz et al., 2018).

3.2 Áreas clave de la robótica de rehabilitación

Rehabilitación de miembros superiores
Muchos pacientes con ictus experimentan hemiparesia (debilidad en un lado del cuerpo), lo que dificulta la realización de las tareas cotidianas. Los robots de rehabilitación para las extremidades superiores suelen utilizar sistemas accionados por cable, brazos robóticos o soluciones basadas en exoesqueletos para asistir o resistir los movimientos en las articulaciones del hombro, el codo y la muñeca (Kwakkel et al., 2017). Algunos ejemplos son el brazo robótico Armeo Power (Hocoma) y el brazo robótico MIT-Manus (Krebs et al., 2003).

Rehabilitación de miembros inferiores
Los entrenadores robóticos de marcha, como el Lokomat (Hocoma), utilizan una cinta de correr con accionamiento robótico en las articulaciones de la cadera y la rodilla. Los pacientes están suspendidos en un sistema de arnés que soporta parcialmente su peso corporal. Las piernas robóticas guían las extremidades del paciente a través de un patrón de marcha natural, lo que facilita el reaprendizaje de la marcha.

Rehabilitación de manos y dedos
Los exoesqueletos para dedos o manos se enfocan en la destreza y el control motor fino, a menudo utilizando actuadores y sensores ligeros para facilitar los movimientos de agarre y liberación (Li et al., 2011). Estos pueden ser especialmente beneficiosos para pacientes que se recuperan de un accidente cerebrovascular o lesiones en las manos.

Integración de realidad virtual (RV)
Muchos robots de rehabilitación avanzados incorporan realidad virtual o interfaces de juego para motivar a los pacientes y proporcionar retroalimentación en tiempo real. El uso de entornos de realidad virtual puede mejorar la participación, la adherencia y los resultados funcionales (Deutsch et al., 2020).

3.3 Ventajas y evidencia clínica

Alta repetición e intensidad
Los dispositivos robóticos pueden brindar sesiones de terapia consistentes y de alta intensidad, un factor crucial para impulsar cambios neuroplásticos (Langhorne et al., 2009).

Evaluación objetiva
Los sensores integrados en los robots de rehabilitación miden parámetros como la fuerza de salida, el rango de movimiento y la activación muscular. Estos datos permiten la monitorización personalizada del progreso y la adaptación de la terapia (Bernhardt et al., 2017).

Consistencia y confiabilidad
En comparación con la terapia manual por sí sola, un robot puede proporcionar trayectorias de movimiento altamente consistentes y controlar el nivel de asistencia o resistencia aplicada al paciente. Esto reduce la fatiga del terapeuta y la variación en los protocolos de ejercicio (Mehrholz et al., 2018).

Empoderando a los terapeutas
En lugar de reemplazar a los terapeutas humanos, los robots actúan como herramientas que amplían sus capacidades. Se encargan de tareas repetitivas, permitiéndoles centrarse en la toma de decisiones estratégicas y en la interacción personalizada con los pacientes.

3.4 Desafíos en la robótica de rehabilitación

Costo y complejidadLos sistemas robóticos sofisticados pueden resultar costosos para las clínicas. El mantenimiento, las reparaciones y la capacitación del personal suponen una carga financiera adicional.

Necesidades específicas del pacienteLos requisitos de terapia varían ampliamente entre los individuos, lo que exige la personalización de dispositivos y programas.

Limitaciones tecnológicasEs posible que los dispositivos actuales no reproduzcan toda la complejidad del movimiento normal, lo que pone de relieve la necesidad de seguir investigando en diseño biomimético y control inteligente.

Cuestiones regulatorias y de segurosObtener las aprobaciones regulatorias y los reembolsos de seguros puede ser un proceso largo. La evidencia clínica debe demostrar la rentabilidad de estas tecnologías para su adopción generalizada (Bertani et al., 2021).

4. Direcciones futuras y tendencias emergentes

Exoesqueletos blandos
Los marcos rígidos pueden limitar la comodidad y el rango de movimiento del usuario. Los exoesqueletos blandos, fabricados con textiles, cables y actuadores ligeros, buscan brindar asistencia sin el volumen de los exoesqueletos tradicionales (Cao et al., 2020).

Interfaces cerebro-computadora (BCI)
En algunos prototipos, las BCI permiten a personas con parálisis severa controlar extremidades robóticas o exoesqueletos mediante señales directamente del cerebro (Ang et al., 2010). Esto podría abrir nuevas perspectivas para personas con lesiones medulares graves o enfermedades neurodegenerativas avanzadas.

Inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático
La integración de algoritmos de IA permite que los exoesqueletos y los robots de rehabilitación aprendan y se adapten a los patrones de marcha únicos del usuario o a la progresión de la terapia. Esta adaptabilidad puede resultar en intervenciones más personalizadas y eficientes (Orekhov et al., 2021).

Sensores portátiles y monitorización
Los sensores portátiles integrados en la ropa o en exoesqueletos pueden recopilar una gran cantidad de datos biomecánicos y fisiológicos. Mediante análisis en la nube, estos datos pueden ayudar a los profesionales sanitarios a ajustar la terapia en tiempo real, mejorando así los resultados (Artemiadis, 2014).

Telerehabilitación y monitorización remota
Gracias a una mayor conectividad, los exoesqueletos y dispositivos de rehabilitación pueden usarse en casa mientras los profesionales clínicos monitorean el progreso de forma remota. Este enfoque puede ampliar el alcance de la atención especializada a comunidades remotas o desatendidas (Tyagi et al., 2018).

La robótica y las tecnologías de exoesqueletos han marcado el comienzo de una nueva era en la mejora de la movilidad y la atención rehabilitadora. Desde la asistencia a personas con lesiones de médula espinal hasta la mejora de los resultados terapéuticos para supervivientes de accidentes cerebrovasculares, estos dispositivos demuestran el poder transformador de la convergencia de la ingeniería y la medicina.Aunque persisten barreras como el costo, los desafíos regulatorios y las limitaciones tecnológicas, la investigación y las innovaciones en diseño, control e IA en curso sugieren un futuro prometedor. A medida que estos dispositivos se vuelven más sofisticados y accesibles, prometen mejorar significativamente la calidad de vida de millones de personas en todo el mundo.

Referencias

Ang, KK, Guan, C., Chua, KSG, Ang, BT, Kuah, CWK, Wang, C., … y Burdet, E. (2010). Estudio clínico de la interfaz cerebro-computadora basada en imágenes motoras para la rehabilitación robótica de miembros superiores. Sociedad de Ingeniería en Medicina y Biología (EMBC), Conferencia Internacional Anual del IEEE 2010, 1501–1504.
Artemiadis, PK (2014). Robótica vestible: de exoesqueletos a ropa inteligente. Prensa académica.
Bertani, R., Melegari, C., De Cola, MC, Bramanti, A., Bramanti, P. y Calabrò, RS (2021). Efectos de la rehabilitación de miembros superiores asistida por robot en pacientes con ictus: Una revisión sistemática con metanálisis. Ciencias Neurológicas, 42(2), 1–11.
Bernhardt, J., Hayward, KS, Dancause, N., Lannin, NA, Ward, NS, Nudo, RJ, … y Boyd, LA (2017). Marco para el desarrollo de un ensayo de recuperación del ictus: Recomendaciones centrales consensuadas de la Segunda Mesa Redonda sobre Recuperación y Rehabilitación del Ictus. Revista internacional de accidentes cerebrovasculares, 12(5), 472–480.
Cao, W., Xie, H., Luan, S., Wu, C. y Zhang, X. (2020). Diseño y control de un exoesqueleto blando para facilitar el movimiento de las extremidades inferiores. Robótica blanda, 7(2), 199–210.
Deutsch, JE, Lewis, JA y Whitall, J. (2020). Realidad virtual para la rehabilitación sensoriomotora tras un accidente cerebrovascular: La promesa y el estado actual del campo. Informes actuales de medicina física y rehabilitación, 8(4), 1–8.
Dollar, AM, y Herr, H. (2008). Exoesqueletos y órtesis activas de extremidades inferiores: Desafíos y estado del arte. Transacciones IEEE sobre robótica, 24(1), 144–158.
Gandhi, P., Esquenazi, A., Rivera, M., Vergara, AA, y Li, C. (2021). Entrenamiento de la marcha con exoesqueleto en personas con lesión medular crónica: Un estudio piloto. Revista estadounidense de medicina física y rehabilitación, 100(1), 79–85.
Herr, H. (2009). Exoesqueletos y órtesis: clasificación, desafíos de diseño y direcciones futuras. Revista de Neuroingeniería y Rehabilitación, 6(21).
Kressler, J., Thomas, CK, Faust, KL y Burns, AS (2013). Comprensión de los beneficios terapéuticos de la deambulación biónica en superficie: Serie de casos exploratorios en personas con lesión medular crónica y completa. Archivos de Medicina Física y Rehabilitación, 94(10), 1958–1963.
Krebs, HI, Palazzolo, JJ, Dipietro, L., Ferraro, M., Krol, J., Rannekleiv, K., … y Hogan, N. (2003). Robótica de rehabilitación: Terapia progresiva asistida por robot basada en el rendimiento. Robots autónomos, 15, 7–20.
Kwakkel, G., Winters, C., van Wegen, EEH, Nijland, RHA, van Kuijk, A., Visser-Meily, A.,… y Kollen, BJ (2017). Efectos de la terapia asistida por robot en la recuperación de las extremidades superiores después de un accidente cerebrovascular: una revisión sistemática y un metanálisis. Ataque, 48(11), 3232–3239.
Langhorne, P., Bernhardt, J. y Kwakkel, G. (2009). Rehabilitación del ictus. Lanceta, 373(9678), 1923–1932.
Li, K., Fang, J., Zhou, X. y Liu, L. (2011). Un nuevo exoesqueleto de mano para rehabilitación mediante transmisión por cable y ejes articulares autoalineables. Transacciones IEEE/ASME sobre mecatrónica, 17(5), 783–793.
Mehrholz, J., Elsner, B., Werner, C., Kugler, J. y Pohl, M. (2018). Entrenamiento asistido electromecánicamente para caminar después de un accidente cerebrovascular. Base de datos Cochrane de revisiones sistemáticas, (5).
Orekhov, AL, Basarab, DC, Sornkarn, N., y Nanayakkara, T. (2021). Autonomía compartida en robótica de asistencia: una encuesta. Sensores, 21(19), 6468.
Sale, P., Franceschini, M. y Waldner, A. (2012). Eficacia de la terapia de marcha asistida por robot en pacientes con accidente cerebrovascular y lesión medular: Una revisión sistemática. NeuroRehabilitación, 31(3), 3–11.
Tyagi, S., Lim, CM, Ho, WHH, Chen, HL y Kwan, MK (2018). Telerrehabilitación: una nueva frontera en la medicina de rehabilitación. mSalud, 4(40), 1–12.
Yeung, LF, Chen, W., Lee, WCC y Zhang, ZQ (2017). Diseño de un exoesqueleto robótico de tobillo para la rehabilitación de accidentes cerebrovasculares. Revista internacional de robótica inteligente y aplicaciones, 1(2), 244–255.
Zhang, F., Wang, W. y Huang, H. (2017). Diseño y control de un sistema robótico de exoesqueleto de miembros inferiores para la rehabilitación de la marcha. Mecatrónica, 44, 66–76.

Descargo de responsabilidadEste artículo proporciona información general sobre robótica y tecnología de exoesqueletos para la mejora de la movilidad y la rehabilitación. No sustituye el consejo médico, el diagnóstico ni el tratamiento profesional. Consulte siempre con profesionales de la salud cualificados sobre las necesidades específicas de cada paciente.

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