Evaluación cuantitativa basada en electromiografía para terapia asistida por robots

Abstract

El desarrollo tecnológico ha permitido la incorporación de dispositivos robóticos para la asistencia de las terapias de rehabilitación en pacientes con trastornos neuromusculares. Sin embargo, las escalas de evaluación clínicas tradicionales son subjetivas y se ha buscado alternativas de cuantificar la función motora. El objetivo del presente trabajo de investigación fue desarrollar un protocolo de evaluación cuantitativo para la terapia asistida por robot de pacientes con deterioro motor en los miembros superiores. Se contó con la participación de un voluntario sano y un paciente con antecedente de lesión neurológica para el programa de entrenamiento, el cual estuvo basado en el seguimiento de trayectorias, conformado por 24 sesiones. Durante el programa se adquirió la cinemática del movimiento del paciente, así como la actividad eléctrica de cuatro músculos de interés (bíceps braquial, tríceps braquial, deltoides anterior y posterior), a través de la señal de electromiografía (EMG). La evaluación cuantitativa de la evolución motora se realizó a través de un conjunto de índices cinemáticos que evalúan la velocidad, i.e., máxima (VMAX) y media (VM), eficiencia, i.e., relación de longitud (RL), precisión (PR) y suavidad, i.e., número de picos (NP), diferencia entre velocidades media y máxima (DVM), y relación entre velocidades máxima y mínima (RVM) del movimiento. Así como el nivel de activación (NA) y el índice de co-contracción (ICC) a partir del EMG, que calculan la actividad manifestada en el músculo y entre pares de músculos antagonistas, respectivamente. Además, se trabajó en conjunto con personal terapéutico para establecer el esquema de entrenamiento y realizar las evaluaciones clínicas a lo largo del programa. De igual manera, se realizó un análisis comparativo del desempeño del paciente y el voluntario sano, además de la correlación de los índices cinemáticos con la evaluación clínica. Los resultados demostraron la eficiencia del programa de entrenamiento de acuerdo con las evaluaciones clínicas y los índices cuantitativos. El paciente obtuvo un incremento en la fuerza (puntaje de Lovett 5 en flexo/extensión de codo y extensión de hombro, y 4+ en flexión y abducción de hombro) y en los rangos de movimiento en el miembro afectado (30° en extensión de hombro y 110° en abducción). Los índices cinemáticos demostraron que el paciente realizó movimientos con mayor precisión (decremento hasta 63%) y suavidad (decremento hasta 32% en NP y DVM, aumento hasta 20% en RVM) al final del programa. Mientras que, los índices basados en EMG demostraron un aumento en la actividad muscular (hasta 65% y 226% en deltoides anterior y posterior, respectivamente). Por otro lado, el análisis comparativo evidenció la recuperación del paciente debido a la semejanza con un movimiento saludable. Por último, la significancia estadística encontrada en la correlación permitió validar la eficacia de los índices seleccionados, de acuerdo con los aspectos evaluados en las escalas clínicas (correlación mayor a 0.7 en PR, 0.6 en RVM y NP, 0.5 en DVM). El presente trabajo de investigación provee una metodología de evaluación cuantitativa que describe el proceso de recuperación motora mediante la rehabilitación física asistida por robot y para el entendimiento de los mecanismos involucrados en la recuperación de la función motora del miembro superior. Finalmente, se pretende enriquecer la evaluación cuantitativa con la adición de más sensores y el análisis de las sinergias motoras involucradas en movimientos complejos para el estudio de deficiencias motoras.

Technological development has allowed the incorporation of robotic devices to assist rehabilitation therapies in patients with neuromuscular disorders. However, traditional clinical evaluation scales are subjective and alternatives have been sought to quantify motor function. The objective of this research work was to develop a quantitative evaluation protocol for robot-assisted therapy in patients with motor impairment of the upper limbs. A healthy volunteer and a patient with neurological injury participated in the trajectory-based training program, consisting of a total of 24 sessions divided into two sets. During the program, the patient’s movement kinematics, as well as the electrical activity of four target muscles (brachial biceps, brachial triceps, anterior and posterior deltoids), were acquired through electromyography (EMG) signal. The quantitative evaluation of motor evolution was carried out through a set of selected kinematic parameters, that evaluate movement speed, i.e., máximum (VMAX) and mean (VM), efficiency, i.e., hand path ratio (RL), accuracy (PR) and smoothness, i.e., number of peaks (NP), differences between speed maxima and minima (DVM) and relationship between speed maxima and mean (RVM). As well as the activation level (NA) and the co-contraction index (CCI) from the EMG, which calculate the activity manifested in the muscle and between pairs of antagonist muscles, respectively. In addition, we worked together with therapeutic clinician to establish the training scheme and conduct clinical evaluations throughout the program. Likewise, a comparative analysis of the patient’s and healthy volunteer’s performance was carried out, in addition to the correlation of kinematic indices with clinical evaluation. The results demonstrated the efficiency of the training program according to clinical evaluations and quantitative parameters. The patient increased strength (Lovett score 5 in elbow flexion/extension and shoulder extension, and 4+ in shoulder flexion and abduction) and range of motion (30° in shoulder extension and 110° in abduction) in the affected limb. In addition, the quantitative parameters described the motor evolution during the training sessions. The kinematic parameters showed greater precision (decrease up to 63%) and smoothness (decrease up to 32% in NP and DVM, increase up to 20% in RVM) in patient’s performance at the end of the program. On the other hand, the EMG-based parameters demonstrated an increase in muscle activity (up to 65% and 226% in anterior and posterior deltoids, respectively). Additionally, the comparative analysis demonstrated the patient’s recovery due to the similarity with a healthy movement. Finally, the statistical significance found in the correlation allowed validating the effectiveness of selected parameters, according to the aspects evaluated in the clinical scales (correlation greater than 0.7 in PR, 0.6 in RVM and NP, 0.5 in DVM). This research work provides a quantitative evaluation methodology that describes the process of motor recovery through robot-assisted physical rehabilitation and for understanding the mechanisms involved in the recovery of upper limb motor function. Finally, it is intended to enrich the quantitative evaluation with the addition of more sensors and the analysis of the motor synergies involved in complex movements for the study of motor deficiencies.