REHABILITAČNÍ POMŮCKA PRO REHABILIACI SVOČ Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, Plzeň

Transkript

1 REHABILITAČNÍ POMŮCKA PRO REHABILIACI SPASTICKÉHO ZÁPĚSTÍ SVOČ Václav Panuška, Západočeská univerzita v Plzni Univerzitní 8, Plzeň Česká Republika Abstrakt V posledních dekádách se dostala robotika i do zdravotnictví. Rehabilitační robotika je jedna z poslední, ne zcela prozkoumanou oblastí využití robotiky v lékařství. Rehabilitace končetin pomocí robota je velmi obtížná z důvodu nutné odezvy těla, nebo li zpětné vazby. Každý sval produkuje elektrické signály v závislosti na napětí svalu, které se snímá pomocí Surface Electro- Myography (SEMG). Spasticita je stav svalu, při kterém je zvýšený tonus svalu, lidově sval je v křeči. Pacient s tímto postižením nemůže vůbec ovládat sval, proto je nutná aktivní rehabilitace s vnější energií (fyzioterapeut, rehabilitační pomůcka). Spastický stav je následkem poruch centrálního nervového systému (CNS). Cílem naší práce je, navržení a testování rehabilitační pomůcky, která by mohla být velmi nápomocná pro individuální rehabilitování v domácím prostředí, nejen pro pacienty se spastickým zápěstím. Klíčová slova Rehabilitační pomůcka Rehabilitace Robotika Spasticita Svaly Cévní mozková příhoda Úvod Rehabilitační robotika nabízí mnoho výhod, které poskytují pacientovi i doktorovi lepší přehled o pacientovo stavu. V posledních letech se do podvědomí dostává pojem remote medical robots. Výhoda těchto robotických systémů tkví v tom, že doktor nemusí být u pacienta fyzicky přítomen, přesto mu dokáže dát potřebné instrukce v reálné čase. U robotiky jako takové je možno shromažd ovat data o aktuálním stavu, což opět umožňuje lepší kontrolu nad stavem pacienta a výhodnou výchozí pozici pro další stupně léčby. U robotiky jako takové důležité zmínit zpětnou vazbu. U průmyslových robotů je zpětnou vazbou například konečné měření, zde naopak potřebujeme zpětnou vazbu v reálném čase, aby se mohla řídící elektronika chovat dle aktuálního stavu pacienta. U našeho designu je myšleno na zpětnou vazbu ve formě elektromyografického (EMG) zařízení. Toto zařízení dokáže detekovat elektromyogramový signál ve svalech, který dekóduje na digitální spojitý signál, se kterým se dá dále pracovat. Je to jakýsi akční člen, senzor. 1

2 Rehabilitační pomůcka Obrázek 1: Design naší rehabilitační pomůcky pro rehabilitaci spastického zápěstí Úvod Mnoho univerzitních týmů po celém světě se snaží navrhovat robotické systémy, který dopomohli k levnější a efektivnější léčbě spastických svalů, například po cévní mozkové příhodě (CMP). Není to lehký úkol. Většina z nich se potýká s tou nástrahou, že stav každého pacienta je úplně odlišný. Ale i přes tyto všechny problémy už několik týmů vymyslelo taková zařízení, například ARMin (Massachusetts Institute of Technology, USA). Tento systém rehabilituje (cvičí) postiženou (je omezen pouze na horní končetinu) končetinu různými typy cvičení, disponuje rozsahem pohybů o 7 stupních volnosti, což plně dostačuje udělat jakýkoliv pohyb. My jsme si dali za úkol navrhnout a zkusit testovat zařízení, které by bylo schopno rehabilitovat respektive cvičit pouze předloketní svaly. I tento zdaleka ne takový úkol, jako si dali na MIT, není tak banální, jak se na první pohled zdá. Tyto svaly, at jde bud o svaly přední, boční či zadní, všechny jsou z větší části ovládány pohybem zápěstí (až 88%). Jinak řečeno, pohybem zápěstí můžeme natahovat, zkracovat a natáčet svaly předloktí. Zápěstí lidské ruky má 3 stupně volnosti (celkově má ruka 27 stupňů volnosti). Po jednom stupni mají pohyby do abdukce addukce respektive flexe extenze a ten třetí stupeň odebírá rotace okolo předloketní osy, tedy pronace supinace. U našeho designu jsme se omezili na respektování pouze prvních dvou pohybů (pronace respektive supinace není u zápěstí až tolik významná, významná je až u celé paže). Tato pomůcka by měla být jakýmsi rehabilitačním pomocníkem při rehabilitacích v centrech, tak i pro rehabilitace domácí. Jeho malé rozměry (600 x 260 mm) nám poskytují dostatečnou lehkost pro jeho mobilní účely. Při konzultacích o rehabilitaci spastického zápěstí jsme se dozvěděli, že i ne příliš dlouhá rehabilitace (okolo 30 min) může některým pacientů umožnit s rukou pohybovat třeba 5 hod, u někoho méně, u některého naopak i více. Toto je velice důležitý fakt, že člověk je dále schopen fungovat běžným způsobem, i když to nebude na plné zatížení. Ale toto je velmi důležitý podnět pro pacienti, kteří jsou rádi za jakékoliv zlepšení a soběstačnost. Spasticita V první řadě je namístě zdůraznit, že spasticita není nemoc, je to postižení, které je podnětem nemoci či poruchy centrálního nervového systému (CNS). Toto postižení se projevuje 2

3 vysokým napětím ve svalech (Obr. 2), takzvaným tonem. Obrázek 2: Spastické zápěstí a prsty Spasticitu vystihuje její základní definice: Spasticita je motorická porucha svalového tonu (hypertonie) způsobená zvýšením tonických napínacích reflexů, které jsou závislé na rychlosti pasivního protažení. Spasticita se ůže projevit následkem cévní mozkové příhody (CMP) nebo dětské mozkové obrny(dmo). Tyto dva případy jsou ze všech nejčastější. Uvádí se, že každý rok, 15 milionů lidí je zasaženo CMP, at už na základě trombu, či emboly. Embola či tromb mají podobnou příčinu pro vznik CMP, jsou to jakési sraženiny či pevné částice v cévách, které mohou způsobit nedostatečné zásobení mozku okysličenou krví. CMP se může projevovat i zvýšení nitrolebečního tlaku. DMO je opak, toto postižení nelze získat během života, pacient se s ním už narodí. Spasticita způsobí ve svalech zvýšený svalový tonus, který následně vede ke křečím. Spasticita se objevuje u všech končetin, my se však zaměřujeme na předloketní část horní končetiny. Rehabilitace Rehabilitačních technik, které rehabilitují spastické zápěstí (i celkovou paži) je hned několikero. Musí se pečlivě rozlišovat, jakou příčinu má spastická ruka, jestli CMP nebo DMO. Všechny rehabilitace jsou výsledkem dlouhých experimentálních praktik, aby bylo dosaženo nejlepších účinků na pacienta. Pro rehabilitaci DMO byl vymyšlen Bobath koncept. Tento koncept byl vymyšlen manželi Bobathovými v 50. letech 20. století, původně pro dětské pacienty s DMO, ale následně byly přidány další prvky i pro rehabilitaci dospělých. Bertha Bobath, fyzioterapeutka, zjistila, že při některých pohybech se elasticita svalů zvyšuje a naopak. Tyto poznatky dále ústily k poznání svalových poruch (projevující se ko-kontrakce, zvýšený svalový tonus, asciované reakce volních pohybů, a podobně). Další metodou je Vojtova metoda. Metoda vyvinutá MUDr. Václavem Vojtou, který zjistil, že dětští pacienti mají v GENech zakódované chybné pohybové vzory. Díky dlouhému zkoumání a pozorování našel specifické body, pomocí kterých je možné stimulovat postižené svaly. Při těchto cvičeních je velmi důležité aktivní dýchání, uvolněnost a statická tepová frekvence. Vojtova metoda je založena na znalosti vývoje pohybových vzorců během života dítěte. Vývoj pohyblivosti člověka je určen geneticky, probíhá zcela automaticky a je pokračováním vývoje v děloze. Vývojová kineziologie se zabývá motorickým vývojem dítěte a dává terapeutovi pravidla k rozpoznání ideální hybnosti dítěte. Znalost vývojové kineziologie je přínosem nejen pro rehabilitaci pohybových poruch v pediatrii, ale má své nezastupitelné místo i v rehabilitaci dospělých. 3

4 Při rehabilitační praktikách je velmi důležitá stimulace. Stimulace svalů je proces, při kterém sval začne pracovat, aniž by k tomu potřeboval vlastní energii. Energie je dodávána zvenčí. Energie může mít mnoho podob: elektrická, tepelná, masáže (určené dotyky), a podobně. Abychom dosáhli správného té správné stimulace musíme vědět, kde a jak správně působit vnější energií. Při stimulaci je důležité, abychom se zbytečnými doteky nedotýkaly těch svalů, které chceme nastartovat. Platí zde pravidlo, že pokud chceme máme spastický stav ruky, tak flexorové svaly jsou plně napnuté a extenzorové naopak plně zkrácené, a chceme, aby spasticita povolila, musíme se dotýkat flexorových a ne extenzorových svalových jednotek. Proto není vhodné, aby cokoliv tlačilo, nebo bylo připevněno na předloketní části. Vzhledem k této podmínce bude i tento ohled brán v potaz při konstrukci rehabilitační pomůcky. Konstrukce Při návrhu muselo být počítáno hned s několika faktory, předpisy a omezeními. Prvním z nich je určitě bezpečnost obecně všech zařízení, lékařských zvláště. Podíváme li se jen na použitá napětí a proudy, tak Vyhláška 50 stanovuje takzvaná bezpečná napětí a proudy při daných frekvencích v daném prostředí. I použité materiály nemohou být vybrané samovolně. Tyto materiály musí být biokompatibilní (nesmí například způsobovat alergické reakce, jako například nikl), musí být odolné sterilizačnímu procesu, který se děje v autoklávech při vysokých teplotách a zvýšeném tlaku, dále musí být odolné desinfekcím, které jsou ve zdravotnictví nutností a ovšem, musí být levné. Proto se pro lékařské účely hodí nejvíce nové plasty, které svými mechanickými vlastnostmi dohánějí ocele a jiné kovy, při jejich mnohokrát nižší hmotnosti. Při návrhu je také důležité se vyvarovat místům, kam by mohl člověk strčit ruku a způsobit si nějaké zranění. Dalším typem překážky bylo navrhnout takové zařízení, aby ho bylo možno využívat ve velkém rozsahu uživatelů (například: holčička 10 let - dospělý muž 50 let). Každý z těchto uživatelů má jiné proporce horní končetiny - kratší x delší, slabší x silnější. Existuje několik pramenů, které uvádějí rozsahy například předloktí, jak ukazuje Tab. 1. Tato data byla získána na středních školách v USA během let Věk [let] Kluk záp. [cm] Dívka záp. [cm] Kluk předlok. [cm] Dívka předlok. [cm] ,45 22,2 20, ,2 16,05 22,93 22, ,93 17,68 24,96 24, ,85 18,25 26,93 25, ,04 17,75 27,57 25, ,36 18,19 27,84 25, ,2 17,67 27,84 26 Tabulka 1: Tabulka rozměrů horní končetiny - zápěstí a předloktí v závislosti na věku Z tabulky je vidět, že rozdíl v délce předloktí je okolo 100 mm, my jsme přidali ještě dalších 30 mm navíc proto, že toto jsou pouze průměrné hodnoty. Nastavení ale není provedeno pouze v podélné směru, ale i ve směru příčném, který může být nastaven až o 75 mm celkem. Uchycení lokte bylo navrhováno tak, aby byla možná co nejrychlejší adaptace na levou či pravou paži, a to vše bez nutnosti výměny jakékoliv části. Celkové rozměry byly volené dle aktuálního stavu, ale to vše s ohledem na malé rozměry díky budoucímu využití (viz dále). Pomůcka má tvar elipsy s přibližnými rozměry 600 x 260 mm. Dalšími důležitými rozměry, které potřebujeme znát jsou úhlové rozsahy zápěstního kloubu. Měřením těchto, ale nejen těchto, rozměrů se věnuje obor, který se nazývá somatometrie. Tento obor se celkově zabývá zkoumáním rozměrů lidské kostry a jejím možným polohováním. Reference, ze kterých bylo čerpáno uvádějí průměrné hodnoty možného natočení zápěstního kloubu (jak bylo již dříve zmíněno, nebudeme se zabývat pohybem pronace supinace (zanedbatelný)). Udává se, že flexe a extenze zápěstního kloubu mají stejný rozsah, a to 85. U abdukce a addukce je rozdíl již patrný, abdukce dosahuje maximálních hodnot okolo 15 v průměru, naopak addukce až 4

5 45. U prstu, ktere my takte z zahrnujeme do konceptu se vyskytuje pouze flexnı pohyb (extenze pr echa zı pouze do hyperextenze). Rozsah te to flexe je uva de n ope t v pru me ru, a to okolo (nenı urc ite, za lez ı i na tlous t ce prstu ). Tento odstavec demonstruje Obr. 3. (a) Rozsahy za pe stı - abdukce, addukce, flexe a extenze (b) Ko nicky komplexnı pohyb za pe stı Obra zek 3: Goniometrie za pe stı R ı zenı a nastavenı rehabilitac nı pomu cky R ı zenı te to pomu cky obstara vajı 3 servo motorky, ktere umoz n ujı 2 volnosti plus jeden stupen pr ida va jes te flexnı pohyb prstu. Da le jsou zde zapojena jes te 2 kontinua lnı servo motorky, ktere na m umoz n ujı posun loketnı ope rky ve dvou sme rech (120 x 70 mm). R ı zenı zaruc uje r ı dı cı jednotka Arduino Mini, ktera ma naprogramova no hned ne kolik rozdı lny ch pohybu, pomocı nichz lze procvic ovat za pe stı. Kaz dy uz ivatel respektive pacient ma jiny u hlovy rozsah za pe stnı ho kloubu, proto je nutne poc ı tat s touto variantou. Toto nastavenı se sta va z manua lnı ho nastavenı (automaticke nastavova nı v odstavci Za ve r a budoucnost) pro jednotlive uz ivatele. Princip nastavenı je v tom, z e os etr ujı cı persona l c i c len rodiny musı programu zadat (zaznamenat) maxima lnı moz ny u hel, ktery je pacient schopen vyprodukovat. Servo motorky majı k dispozici u daj o natoc enı hr ı delky dı ky potenciometru. Tento koncovy u hel se pomocı tlac ı tka zafixuje a da le si r ı dı cı program nac te jako defaultnı hodnotu. K tomu, aby bylo protaz enı svalu u c inne, je nutne, aby kaz dy pohyb pr es el do stavu s pr edponou hyper. Je to stav protaz enı za koncovou hranici (pr i psanı te to pra ce nebylo otestova no, po otestova nı budou hodnoty doda ny). Za ve r a budoucnost Pr i dals ı ch moz ny ch inovacı ch a u prava ch te to rehabilitac nı pomu cky je mys leno na ve ts ı efektivnost a konkurenceschopnosti te to pomu cky za pouz itı dals ı ch na stroju, ktere k tomu dopomu z ou. Konkre tne se jedna o EMG zar ı zenı, ktere na m vracı hodnotu akc nı ch potencia lu ve svalech, c emuz se ne kdy take r ı ka biofeedback. S tı mto zar ı zenı m je moz no le pe c ı st aktua lnı stavy svalu, k c emuz lze upravit i program a tı m vı ce pr iblı z it rehabilitaci touto pomu ckou k rea lne rehabilitaci fyzioterapeutem. 5

6 Dalším nástrojem, který by mohl zvýšit využívání (i v domácnostech) této rehabilitační pomůcky by mohl být úložný disk. Ovšem to lze použít pouze v případě, že bude také použito EMG zařízení. Pokud by EMG snímal hodnotu napětí ve svalech, mohly by i tyto hodnoty dále posílány na disk. S těmito hodnotami, a s hodnotami senzorů o natočení rehabilitační rukavice by se následně mohly sestavovat grafy nebo tabulky, které by byly jakýmisi podklady pro rehabilitačního doktora. Tato data by mohla být posílána online na nějaký server, kde by byly uložena všechna předchozí data o pacientovi, a z tohoto by doktor mohl vyhodnocovat závěry co se týče léčby a její úspěšnosti či efektivity. Jak se postavit k používání této rehabilitační pomůcky? S využitím EMG a elektrostimulačního zařízení bude cena výrobku vysoká, proto nebude snadné jednoznačně určit použití. Podle mého názoru by mohla být nejvíce vhodná oblast rehabilitačních center. Pokud si představíme takovéto centrum, ve kterém bude několikero pracovišt pro různá onemocnění pohybových aparátů, v centru pro léčbu a rehabilitace horních končetin by mohla být tato pomůcka hojně využívána. Jedná se o to, že by mohlo být v reálném čase rehabilitováno více pacientů najednou. Byli by zde pouze jeden či dva ošetřující lékaři, kteří by spouštěli dané zařízení, nastavovali hodnoty rehabilitace a nakonec vypínali. Tato představa se na faktu, že ovládání této rehabilitační pomůcky musí být, a bude, velmi jednoduché. Další využití v centrech je takové, že by všechny tyto rehabilitační pomůcky byly připojeny do jedné LAN sítě a ošetřující personál, který by byl v jiné místnosti, by opět viděl jak jsou na tom daní pacienti. Poděkování Mé poděkování patří především Romanu Čermákovi, který mi během tvoření mé bakalářské práce věnoval spoustu svého času, rad a poznatků, které mi byly impulzem k vytvoření i této práce. Spolu s Dr. Čermákem to byl i Ing. Jiří Barták, který mi při konstrukci této pomůcky, aby byla co nejvíce konkurenceschopná. Literatura PANUŠKA, Václav. Bakalářská práce - Robotika v lékařských aplikacích, Plzeň