PL219672B1 - Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne zwłaszcza do rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowej kończyny górnej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne przeznaczone do rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowej kończyny górnej służące do biernej i czynnej rehabilitacji dorosłych i dzieci. Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne zwłaszcza do rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowej kończyny górnej, charakteryzuje się tym, że na podporze stałej usytuowany jest co najmniej jeden zespół stawu barkowego (a1), połączony z co najmniej jednym zespołem ruchu przedramienia (a2), połączony z co najmniej jednym zespołem ruchu nadgarstka (a3).

Description

Przedmiotem wynalazku jest mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne przeznaczone do rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowej kończyny górnej służące do biernej i czynnej rehabilitacji dorosłych i dzieci.

Możliwość realizacji ruchu przestrzennego, o wielu stopniach swobody, jest bliższa wymaganiom fizjologicznym, aniżeli możliwości, którymi dysponuje sprzęt obecnie dostępny. Umożliwia on jedynie realizację ruchów, co najwyżej w dwóch płaszczyznach bez możliwości realizacji sprzężeń zwrotnych pomiędzy pacjentem a systemem sterującym.

W latach czterdziestych dwudziestego wieku Herman Kabat opracował zasady metody nazwanej prioproceptywnym torowaniem. Od roku 1946 w Instytucie Rehabilitacji Neuromięśniowej, Herman Kabat rozpoczął doskonalenie i weryfikację swoich wcześniejszych spostrzeżeń. Obecnie po licznych udoskonaleniach metoda znana jest jako Prioproceptywne Nerwowo-Mięśniowe Ułatwianie - Prioproceptive Neuromuscular Fasilitation (PNF). W metodzie tej stosuje się złożone sekwencje ruchowe określane mianem wzorców ruchowych. Ruch prowadzony jest jednocześnie we wszystkich trzech płaszczyznach: strzałkowej, czołowej i poprzecznej. W tych złożonych sekwencjach ruchowych akcentowany jest ruch rotacji.

Wielopłaszczyznowe ćwiczenia odwzorowują naturalne ruchy występujące w życiu codziennym i wykonywane są w pozycji siedzącej i leżącej. Ruch w metodyce PNF rozpoczyna się od części dystalnej przechodząc do części proksymalnej - ćwiczenie rozpoczyna segment dłoniowy, następnie włącza się segment przedramienia, a segment ramienia uruchamia się jako ostatni.

Prace nad zrobotyzowanym urządzeniem przeznaczonym do rehabilitacji osób z dysfunkcją ruchu trwają na świecie już ponad 30 lat. Obecnie wiele krajów realizuje badania związane z zastąpieniem lub ograniczeniem do niezbędnego minimum pracy człowieka przez sztuczną jednostkę realizującą program rehabilitacji równie dobrze jak człowiek. W większości przypadków są to urządzenia które umożliwiają ćwiczenia jednego tylko stawu kończyny w jednej płaszczyźnie bez interakcji z osobą niepełnosprawną tzw. artromoty. Przykładami takich rozwiązań są między innymi ARM TENSOR (DYNATORQ) - urządzenie wykorzystujące opór elastyczny do treningu siły i propriocepcji stawu barkowego czy ARTROMOT E2 służący do terapii ciągłym ruchem biernym. Bardziej zaawansowanym systemem wykorzystywanym w rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowych jest urządzenie o nazwie Armeo Szwajcarskiej firmy Hocoma AG, bazujące na amerykańskim projekcie o nazwie T-WREX. Urządzenie to umożliwia wykonywanie między innymi aktywnych ruchów 3D, szeregu funkcjonalnych ćwiczeń np. ściskanie, chwytanie. Jedną z ważniejszych cech urządzenia jest tzw. biofeedback wspomagający wykonywanie ruchów i motywujący do dalszej terapii. Urządzenie to nie pozwala jednak na przeprowadzenie ćwiczeń czynnych z zadanym oporem a jego budowa wyklucza przeprowadzanie ćwiczeń przez osoby o całkowitej dysfunkcji ruchowej.

Urządzenie według wynalazku umożliwia wybór sposobu zaordynowania zakresu ruchu poprzez:

• wykorzystanie wzorców istniejących w pamięci systemu komputerowego, • wprowadzenie do systemu trajektorii ruchu zadanej przez terapeutę, wykonującego wzorcowe ćwiczenie z chorym i następne jej automatyczne odtwarzanie.

Urządzenie według wynalazku umożliwia realizację ruchów biernych, czynnych i czynnych z oporem kończyny lewej lub prawej. System komputerowy urządzenia umożliwia:

• wybór wzorca kinematycznego ruchu, • zadanie dynamiki ruchu, • zadanie wielkości oporu dla ruchów czynnych, • indywidualizację wzorca ruchu według potrzeb chorego, • zadawanie i kontrolowanie dopuszczalnych obciążeń rehabilitowanej kończyny, • ustalanie czasu trwania (ilości powtórzeń) ćwiczenia, • automatyczną regulację zakresu wykonywanego ruchu, • zadawanie czasu przerwy po osiągnięciu granicznych limitów zakresu ruchu, • archiwizację danych poszczególnych sesji terapeutycznych.

Zasadniczą nowością proponowanego urządzenia jest możliwość realizacji w sposób zautomatyzowany kontrolowanego, złożonego ruchu o wielu stopniach swobody zadawanego według optymalnego dla danego pacjenta wzorca. Dla wielu chorych będących w wieku produkcyjnym istniejące ograniczenia funkcji kończyny górnej są przeszkodą w wykonywaniu pracy i są przyczyną absencji

PL 219 672 B1 chorobowej. Urządzenie według wynalazku pomaga odzyskać funkcje ruchowe wywołane między innymi chorobami, do których zaliczamy:

• miażdżycę, cukrzycę i inne choroby prowadzące do uszkodzenia ściany naczyń krwionośnych, a w rezultacie do uszkodzenia układu nerwowego (zakrzepy, zatory i krwotoki w obrębie ośrodkowego układu nerwowego prowadzące do niedowładów, • rosnącą liczbę urazów kończyn górnych (złamania szyjki kości ramieniowej, złamania w obrębie głowy kości ramieniowej, zwichnięcia stawu ramienno-łopatkowego, złamania kości przedramienia, złamania i zwichnięcia w obrębie stawu łokciowego i nadgarstka), • urazy czaszkowo-mózgowe przebiegające z powstaniem niedowładów, • urazy kręgosłupa szyjnego z uszkodzeniem struktur układu nerwowego, • chorobę zwyrodnieniową stawów, • schorzenia reumatoidalne - głównie reumatoidalne zapalenie stawów, • choroby układu nerwowego (choroba Parkinsona, stwardnienie rozsiane, rdzeniowy zanik mięśni, choroby zapalne układu nerwowego), • dystrofie mięśniowe, • schorzenia kręgosłupa w odcinku szyjnym, • stany po leczeniu ortopedycznym (stabilizacje, endoprotezy stawów), • zespoły algodystroficzne w obrębie kończyny górnej.

Niesprawna kończyna górna zwłaszcza po stronie dominującej ogranicza również możliwość realizowania się w życiu osobistym i rodzinnym.

Leczenie wymienionych schorzeń i stanów jest długotrwałe, kosztowne i angażuje wiele osób, włączając w to personel medyczny oraz członków rodzin. Obecnie najbardziej rozpowszechnione jest leczenie farmakologiczne w postaci iniekcji, czopków, tabletek i maści. Leczenie to często prowadzi jedynie do zmniejszenia dolegliwości bólowych i tylko częściowego przywrócenia sprawności. Ponadto efekty takiego postępowania nie są trwałe. Nie sposób wyobrazić sobie współczesnego postępowania leczniczego bez rehabilitacji i fizjoterapii, których zadaniem jest przywrócenie pełnej i trwałej sprawności funkcjonalnej. W tym miejscu przyznać należy, że czasami niezbędnym okazuje się postępowanie operacyjne - ortopedyczne, które jednak dla osiągnięcia pełnego powodzenia wymaga efektu pooperacyjnej rehabilitacji. Wykonywanie ćwiczeń leczniczych wymaga ogromnego zaangażowania fizjoterapeuty, jest bardzo czasochłonne.

Aby uzyskać oczekiwany efekt ćwiczenia muszą być wielokrotnie powtarzane w partnerskim układzie terapeuta - pacjent, a więc indywidualnie. Ćwiczenia grupowe korzystniejsze pod względem organizacyjnym i ekonomicznym, niestety nie są równowartościowe i nie prowadzą do osiągania oczekiwanych efektów terapii.

Ciągłe powtarzanie leczniczych sekwencji ruchowych powadzi do znużenia terapeuty, co może skutkować mniej dokładnym wykonaniem ćwiczenia ewentualnie skróceniem czasu trwania ćwiczeń. W tym aspekcie przewaga precyzyjnie programowanej szyny ćwiczeniowej wydaje się być bezdyskusyjna. Praca fizjoterapeuty w układzie jeden na jeden generuje większe koszty, ponieważ jeden pacjent zajmuje cały czas pracy terapeuty. Próbą rozwiązania problemu kosztów jest np. UGUL - Uniwersalny Gabinet Usprawniania Leczniczego - jeden terapeuta może obsłużyć kilka stanowisk ćwiczeniowych w tym samym czasie. Jednak ruch i dawkowany w UGUL-u jest ruchem jedynie jednopłaszczyznowym z nie zmieniającym się oporem, ponadto występuje brak kontroli poprawności wykonania ćwiczenia pod względem zaplanowanego zakresu ruchu.

Mechatroniczne urządzenie do rehabilitacji kończyny górnej według wynalazku jest skonstruowane tak, aby umożliwić wykonanie ruchu jednopłaszczyznowego, a także wielopłaszczyznowego ruchu złożonego. W ramach badań nad urządzeniem wyznaczano wartości kątowe ruchu w poszczególnych parach kinematycznych (stawach kończyny górnej):

• staw barkowy:
o	przeprost	60°
o	zgięcie	180°
o	odwiedzenie	90°
o	przywiedzenie	0°
o	rotacja wewnętrzna	98°
o	rotacja zewnętrzna	90°
•	staw łokciowy:
o	wyprost	0°

PL 219 672 B1

o	zgięcie	150°
o	supinacja	80°
o	pronacja	90°
•	staw nadgarstkowy:
o	zgięcie dłoniowe	70°
o	zgięcie grzbietowe	80°
o	zgięcie promieniowe	20°
o	zgięcie łokciowe	40°

Urządzenie według wynalazku umożliwia regulację długości członów w zakresach:

•	ramię:
o	obwód	260 * 440 mm,
o	długość	390 mm,
•	przedramię:
o	obwód	200 * 300 mm,
o	długość	250 * 330 mm.
•	dłoń:
o	szerokość	70 * 120 mm,
o	długość	180 + 230 mm.
Zespoły mechatronicznego urządzenia rehabilitacyjnego można stosować w ćwiczeniach poje-
dynczych par kinematycznych, jako osobne elementy bądź jako całe urządzenie z unieruchomionymi
parami kinematycznymi. W budowie	urządzenia zastosowano bezszczotkowe silniki prądu stałego

z komutacją elektroniczną jednak możliwe jest zastosowanie silników prądu stałego, napędów hydraulicznych czy też napędów pneumatycznych.

W trakcie realizacji urządzenia opracowano system sterowania robotem który pozwala na przeprowadzenie sesji rehabilitacyjnej w dwóch fazach. Pierwszą fazą sesji jest wprowadzenie trajektorii rehabilitacyjnej z udziałem rehabilitanta. Drugą fazą jest wielokrotne odtwarzanie, pod nadzorem rehabilitanta, wprowadzonej wcześniej trajektorii w pętli przez ustalony czas. Zapamiętywanie nowej trajektorii ruchu (faza pierwsza) przed rozpoczęciem właściwego treningu (faza druga) pozwala zoptymalizować trening właściwy, ponieważ zakres ruchu treningu za każdym razem uwzględnia uzyskaną w trakcie treningu poprawę wytrenowania kończyny osoby rehabilitowanej. Takie rozwiązanie pozwala zwiększyć efektywność treningu poprzez naturalne dostosowanie się robota do powiększających się, w kolejnych dniach rehabilitacji, zakresów ruchu. Realizacja pierwszej fazy sesji treningowej wymaga umocowania ręki rehabilitowanej osoby w urządzeniu, a następnie na ujęciu umocowanej ręki osoby rehabilitowanej przez rehabilitanta i wykonanie nią ruchu wzorcowego. Możliwe jest także wykonanie ruchu rehabilitacyjnego bezpośrednio przez rehabilitanta, którego kończyna umocowana jest w urządzeniu. W czasie wykonywania tego ruchu sterowniki węzłów pracują w trybie śledzenia ruchu, czyli urządzenie podąża za przemieszczającą się kończyną w reakcji na czujniki nacisku. W tym samym czasie program sterujący zapamiętuje kolejne pozycje łańcucha kinematycznego i zapisuje je w pamięci komputera. Wykonanie fazy drugiej polega na odtwarzaniu wcześniej zapamiętanych sekwencji pozycji napędów urządzenia w pętli, już bez aktywnego udziału rehabilitanta. W tej fazie system stara się wymusić na osobie rehabilitowanej uprzednio zapamiętany ruch, badając przy tym czy nie zostały przekroczone ustalone uprzednio limity sił działających na kończynę osoby rehabilitowanej.

Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne zwłaszcza do rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowej kończyny górnej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do podpory stałej w górnej jej części zamocowany jest zespół stawu barkowego składający się z oprawy zamocowanej do zespołu napędowego stanowiącego silnik z przekładnią zębatą który połączony jest z ramieniem w taki sposób, że ramię wykonuje ruch obrotowy w płaszczyźnie prostopadłej do osi zespołu napędowego, z kolei to samo ramię połączone jest z drugim zespołem napędowym stanowiącym silnik z przekładnią zębatą na którego końcu znajduje się ramię, do którego zamocowany jest zespół ruchu przedramienia. Zespół ruchu przedramienia składa się z zespołu rotacji ramienia stanowiący silnik z przekładnią zębatą i połączonego z nim zespołu zginania łokcia stanowiącego silnik z przekładnią zębatą przy czym zespół rotacji ramienia składa się z bloku śruby stanowiącej śrubę pociągową z nakrętką i profilem, która łączy zespół ruchu przedramienia z ramieniem zespołu stawu barkowego i który to blok śruby zamocowany jest do napędu rotacji ramienia składający się od wewnątrz z opaski czujników i od zewnątrz z przekładni zębatej połączonej z zespołem napędowym stanowiący silnik

PL 219 672 B1 osadzonymi na wsporniku, do którego zamocowany jest poprzez uchwyt zespół zginania łokcia składający się z belki regulującej długość przedramienia zamocowanej do zespołu napędowego i do której zamocowany jest zespół ruchu nadgarstka. Zespół ruchu nadgarstka składa się z zespołu czujników ruchu przedramienia, zespołu dłoniowego stanowiącego silnik z przekładnią zębatą zginania grzbietowo-dłoniowego i łokciowo-promieniowego nadgarstka, zespołu rękojeści stanowiącego czujniki siły i zespołu rotacji nadgarstka stanowiącego silnik z przekładnią zębatą.

Zespoły napędowe zespołu stawu barkowego stanowiące silniki z przekładniami zębatymi zawierają czujniki pomiaru kąta obrotu.

Zespół zginania łokcia wyposażony w zespół napędowy stanowiący silnik z przekładnią zębatą zawiera czujnik położenia kątowego.

Podpora stała zawiera system pozycjonowania ramienia urządzenia.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne w widoku od przodu, fig. 2 przedstawia urządzenie ze schematem ruchliwości poszczególnych członów, fig. 3 przedstawia zespół ruchu stawu barkowego, fig. 4 przedstawia zespół ruchu przedramienia, fig. 5 przedstawia zespół ruchu nadgarstka.

Urządzenie według wynalazku składa się z zespołu ruchu nadgarstka a3, zespołu ruchu przedramienia a2, zespołu ruchu stawu barkowego a1 oraz podpory z systemem regulacji położenia w optymalnym, w stosunku do budowy ciała pacjenta, miejscu w przestrzeni. Każdy zespół składa się z podzespołów odpowiedzialnych za poszczególne ruchy. Do zbudowania urządzenia wybrano postać konstrukcyjną która zapewnia odwzorowanie kątów względnych pomiędzy poszczególnymi segmentami kończyny górnej. W takim rozwiązaniu, układ napędowy steruje kątami: zginania, odwodzenia i rotacji ramienia względem tułowia, zginania i rotacji przedramienia względem ramienia oraz zginania grzbietowo-dłoniowego i łokciowo-promieniowego w stawie nadgarstkowym względem przedramienia. Długość każdego członu można zmieniać w zależności od długości kończyny pacjenta.

Zespół stawu barkowego a1 składa się z oprawy a1-1 zamocowanej do zespołu napędowego a1-2 stanowiącego silnik z przekładnią zębatą który połączony jest z ramieniem a1-3 w taki sposób, że ramię a1-3 wykonuje ruch obrotowy w płaszczyźnie prostopadłej do osi zespołu napędowego a1-2, z kolei ramię a1-3 połączone jest z drugim zespołem napędowym a1-4 stanowiącym silnik z przekładnią zębatą na którego końcu znajduje się ramię a1-5, do którego zamocowany jest zespół ruchu przedramienia a2 składający się z zespołu rotacji ramienia a2-1 stanowiący silnik z przekładnią zębatą i połączonego z nim zespołu zginania łokcia a2-2 stanowiącego silnik z przekładnią zębatą przy czym zespół rotacji ramienia a2-1 składa się z bloku śruby a2-1-1 stanowiącej śrubę pociągową z nakrętką i profilem, która łączy zespół ruchu przedramienia a2 z ramieniem a1-3 zespołu stawu barkowego a1 i który to blok śruby a2-1-1 zamocowany jest do napędu rotacji ramienia a2-1-2 składającego się od wewnątrz z opaski czujników a2-1-2a i od zewnątrz z przekładni zębatej a2-1-2b połączonej z zespołem napędowym a2-1-2c stanowiącym silnik osadzonymi na wsporniku a2-1-2d, do którego zamocowany jest poprzez uchwyt a2-2-1 zespół zginania łokcia a2-2 składający się z belki regulującej długość przedramienia a2-2-2 zamocowanej do zespołu napędowego a2-2-3 i do której zamocowany jest zespół ruchu nadgarstka a3 składający się z zespołu czujników ruchu przedramienia e9, zespołu dłoniowego stanowiącego silnik z przekładnią zębatą zginania grzbietowo-dłoniowego i łokciowo-promieniowego nadgarstka e10, zespołu rękojeści e11 stanowiącego czujniki siły i zespołu rotacji nadgarstka e12 stanowiącego silnik z przekładnią zębatą. Zespoły napędowe a1-2 i a1-4 stanowiące silniki z przekładniami zębatymi zawierają czujniki pomiaru kąta obrotu a1-6. Zespół zginania łokcia a2-2 wyposażony w zespół napędowy a2-2-3 stanowiący silnik z przekładnią zębatą zawiera czujnik położenia kątowego a2-24.

Claims (5)

1. Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne zwłaszcza do rehabilitacji osób z upośledzeniem funkcji ruchowej kończyny górnej, znamienne tym, że do podpory stałej (1) w górnej jej części zamocowany jest zespół stawu barkowego (a1) składający się z oprawy (a1-1) zamocowanej do zespołu napędowego (a1-2) stanowiącego silnik z przekładnią zębatą który połączony jest z ramieniem (a1-3) w taki sposób, że ramię (a1-3) wykonuje ruch obrotowy w płaszczyźnie prostopadłej do osi zespołu napędowego (a1-2), z kolei ramię (a1-3) połączone jest z drugim zespołem napędowym (a1-4) stanowiącym silnik z przekładnią zębatą na którego końcu znajduje się ramię (a1-5), do którego zamocowany jest zespół ruchu przedramienia (a2) składający się z zespołu rotacji ramienia (a2-1) stanowiący

PL 219 672 B1 silnik z przekładnią zębatą i połączonego z nim zespołu zginania łokcia (a2-2) stanowiącego silnik z przekładnią zębatą przy czym zespół rotacji ramienia (a2-1) składa się z bloku śruby (a2-1-1) stanowiącej śrubę pociągową z nakrętką i profilem, która łączy zespół ruchu przedramienia (a2) z ramieniem (a1-3) zespołu stawu barkowego (a1) i który to blok śruby (a2- 1-1) zamocowany jest do napędu rotacji ramienia (a2-1-2) składającego się od wewnątrz z opaski czujników (a2-1-2a) i od zewnątrz z przekładni zębatej (a2-1- 2b) połączonej z zespołem napędowym (a2-1-2c) stanowiącym silnik osadzonymi na wsporniku (a2-1-2d), do którego zamocowany jest poprzez uchwyt (a2-2-1) zespół zginania łokcia (a2-2) składający się z belki regulującej długość przedramienia (a2-2-2) zamocowanej do zespołu napędowego (a2-2-3) i do której zamocowany jest zespół ruchu nadgarstka (a3) składający się z zespołu czujników ruchu przedramienia (e9), zespołu dłoniowego stanowiącego silnik z przekładnią zębatą zginania grzbietowo-dłoniowego i łokciowo-promieniowego nadgarstka (e10), zespołu rękojeści (e11) stanowiącego czujniki siły i zespołu rotacji nadgarstka (e12) stanowiącego silnik z przekładnią zębatą.

2. Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne według zastrz. 1, znamienne tym, że zespoły napędowe (a1-2) i (a1-4), stanowiące silniki z przekładnią zębatą zawierają czujniki pomiaru kąta obrotu (a1-6).

3. Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne według zastrz. 1, znamienne tym, że zespół zginania łokcia (a2-2) wyposażony w zespół napędowy (a2-2-3) stanowiący silnik z przekładnią zębatą zawiera czujnik położenia kątowego (a2-2-4).

4. Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne według zastrz. 1-3, znamienne tym, że zespoły napędowe składają się z silnika elektrycznego połączonego z przekładnią i/lub enkoderem i/lub hamulcem.

5. Mechatroniczne urządzenie rehabilitacyjne według zastrz. 1, znamienne tym, że podpora stała zawiera system pozycjonowania ramienia urządzenia.