Análisis de la marcha: evaluación de un exoesqueleto aplicado a la marcha asistida

La marcha humana es el mecanismo de locomoción por el cual el cuerpo humano se traslada en línea recta gracias a una serie de movimientos coordinados de la pelvis y de las articulaciones del miembro inferior. Frecuentemente se encuentra influenciada por factores biomecánicos, anatómicos o patologías del sistema neuromusculoesquelético que modifican la forma de caminar de cada individuo. La lesión de médula espinal es una de las patologías que afectan el desarrollo normal de los patrones de la marcha por alteración de la movilidad, de la sensibilidad o del sistema nervioso autónomo. Aunque la lesión medular afecta otras funciones, además de la pérdida de función motora y sensorial, la recuperación de la capacidad de caminar es la mayor prioridad identificada por los pacientes durante la rehabilitación. Por ello, el desarrollo de dispositivos que faciliten la rehabilitación o compensación de la marcha es uno de los principales objetivos de diferentes grupos de investigación y empresas. En el contexto del proyecto Hybrid Technological Platform for Rehabilitation, Functional Compensation and Training of Gait in Spinal Cord Injury Patients se ha desarrollado un dispositivo que combina una órtesis activa (exoesqueleto) y un andador motorizado. Este sistema, como otros dispositivos, tiene el movimiento humano como estándar de referencia, no obstante no se evalúa de manera habitual, cómo es el patrón de la marcha reproducido y su similitud o diferencias con la marcha humana, o las modificaciones o adaptaciones en la interacción con el cuerpo del paciente. El presente estudio trata de examinar las características de la marcha normal en diversos grupos de población, y las diferencias con el patrón de marcha lenta. Finalmente, se pretende evaluar qué modificaciones y adaptaciones sufre el patrón de marcha lenta teórico al ser reproducido por el exoesqueleto. La presente investigación consiste en un estudio cuantitativo transversal desarrollado en dos etapas: estudio 1 y estudio 2. En el estudio 1 se analizó el patrón de la marcha a velocidad libremente seleccionada (normal) y el patrón de la marcha a velocidad lenta (0.25m/s) en 62 sujetos distribuidos en grupos considerando el sexo y los percentiles 25, 50 y 75 de estatura de la población española. Durante el estudio 2 se analizó el patrón de la marcha lenta reproducido por el dispositivo Hybrid a diferentes porcentajes de peso corporal (30%, 50% y 70%) en diez sujetos seleccionados aleatoriamente de la muestra del estudio 1. En ambos estudios se obtuvieron variables espacio-temporales y cinemáticas mediante un sistema de captura de movimiento con 6 cámaras distribuidas a lo largo de un pasillo de marcha. Se calcularon las medias, las desviaciones estándar y el 95% de intervalo de confianza, y el nivel alfa de significación se estableció en α=0.05 para todas las pruebas estadísticas. Las principales diferencias en el patrón normal de la marcha se encontraron en los parámetros cinemáticos de hombres y mujeres, aunque también se presentaron diferencias entre los grupos en función de la estatura. Las mujeres mostraron mayor flexión de cadera y rodilla, y mayor extensión de tobillo que los hombres durante el ciclo normal, aunque la basculación lateral de la pelvis, mayor en las mujeres, y el desplazamiento lateral del centro de gravedad, mayor en los hombres, fueron los parámetros identificados como principales discriminantes entre sexos. La disminución de la velocidad de la marcha mostró similares adaptaciones y modificaciones en hombres y en mujeres, presentándose un aumento de la fase de apoyo y una disminución de la fase de oscilación, un retraso de los máximos y mínimos de flexoextensión de cadera, rodilla y tobillo, y una disminución del rango articular en las tres articulaciones. Asimismo, la basculación lateral de la pelvis y el movimiento vertical del centro de gravedad disminuyeron, mientras que el movimiento lateral del centro de gravedad y el ancho de paso aumentaron. Durante la evaluación del patrón de la marcha reproducido por el exoesqueleto se observó que las tres articulaciones del miembro inferior disminuían el rango de movimiento por la falta de fuerza de los motores para contrarrestar el peso corporal, incluso con un 70% de descarga de peso. Además, la transferencia de peso se encontró limitada por la falta de movimiento de la pelvis en el plano frontal y se sustituyó por un aumento de la inclinación del tronco y, por tanto, del movimiento lateral del centro de gravedad. Este hecho, junto al aumento del desplazamiento vertical del centro de gravedad, hizo del patrón de la marcha reproducido por el exoesqueleto un movimiento poco eficiente. En conclusión, se establecen patrones de marcha normal diferenciados por sexos, siendo la basculación lateral de la pelvis y el movimiento lateral del centro de gravedad los parámetros discriminantes más característicos entre sexos. Comparando la marcha a velocidad libremente seleccionada y la velocidad lenta, se concluye que ambos sexos utilizan estrategias similares para adaptar el patrón de la marcha a una velocidad lenta y se mantienen las características diferenciadoras entre hombres y mujeres. En relación a la evaluación del dispositivo Hybrid, se deduce que la falta de movimiento lateral de la pelvis condiciona la transferencia de peso y el aumento del rango de movimiento del centro de gravedad y, en consecuencia, tiene como resultado un patrón de la marcha poco eficiente. Este patrón no resultaría indicado para los procesos de rehabilitación o recuperación de la marcha, aunque podría considerarse adecuado para la compensación funcional de la bipedestación y la locomoción. ABSTRACT The human walking is a means of moving body forward using a repetitious and coordinated sequence of pelvis and lower limb motions. It is frequently influenced by biomechanical and anatomical factors or by musculoskeletal pathologies which modify the way of walking. The spinal injury is one of those pathologies which affect the normal pattern of walking, due to the alteration of the mobility, the sensory or the autonomic nervous system. Although the spinal injury affects many other body functions, apart from the motor and sensory ones, the main priority for patients is to recover the ability of walking. Consequently, the main objective of many research groups and private companies is the development of rehabilitation and compensation devices for walking. In this context, the Hybrid Technological Platform for Rehabilitation, Functional Compensation and Training of Gait in Spinal Cord Injury Patients project has developed a device which integrates an exoskeleton and a motorized smart walker. This system, as other similar devices, has the human movement as standard reference. Nevertheless, these devices are not usually evaluated on the way they reproduce the normal human pattern or on the modifications and in the interactions with the patient’s body. The aim of the present study is to examine the normal walking characteristics, to analyze the differences between self-selected and low speed walking patterns, and to evaluate the modifications and adaptations of walking pattern when it is reproduced by the exoskeleton. The present research is a quantitative cross-sectional study carried out in two phases: study 1 and study 2. During the study 1, the self-selected and the low speed (0.25m/s) walking patterns were analyzed in sixty-two people distributed in groups, according to sex and 25th, 50th and 75th percentiles of height for Spanish population. The study 2 analyzed the low speed walking pattern reproduced by the Hybrid system in three conditions: 30%, 50% and 70% of body weight support. To do this, ten subjects were randomly selected and analyzed from the people of study 1. An optoelectronic system with six cameras was used to obtain spatial, temporal and kinematic parameters in both studies. Means, standard deviations and 95% confidence intervals of the study were calculated. The alpha level of significance was set at α=0.05 for all statistical tests. The main differences in normal gait pattern were found in kinematic parameters between men and women. The hip and the knee were more flexed and the ankle plantar flexion was higher in women than in men during normal gait cycle. Although the greater pelvic obliquity of women and the higher lateral movement of center of gravity of men were the most relevant discriminators between male and female gait patterns. Comparing self-selected and low speed walking patterns, both sexes showed similar adaptations and modifications. At low speed walking, men and women increased the stance phase ratio and decreased the swing phase ratio. The maximum and minimum peak flexion of hip, knee and ankle appeared after and the range of motion of them decreased during low speed walking. Furthermore, the pelvic obliquity and the vertical movement of the center of gravity decreased, whereas the lateral movement of center of gravity and step width increased. Evaluating the gait pattern reproduced by the exoskeleton, a decrease of lower limb range of motion was observed. This was probably due to the lack of strength of the engines, which were not able to control the body weight, even with the 70% supported. Moreover, the weight transfer from one limb to the contralateral side was restricted due to the lack of pelvis obliquity. This movement deficiency was replaced by the lateral torso sway and, consequently, the increase of lateral movement of the center of gravity. This fact, as well as the increase of the vertical displacement of the center of gravity, made inefficient the gait pattern reproduced by the exoskeleton. In conclusion, different gait patterns of both sexes have been determined, being pelvis obliquity and lateral movement of center of gravity the most relevant discriminators between male and female gait patterns. Comparing self-selected and low speed walking patterns, it was concluded that both sexes use similar strategies for adapting the gait pattern to a low speed, and therefore, the differentiating characteristics of normal gait are maintained. Regarding the Hybrid system evaluation, it was determined that the gait pattern reproduced by the exoskeleton is inefficient. This was due to the lack of pelvis obliquity and the increase of the center of gravity displacement. Consequently, whereas the walking pattern reproduced by the exoskeleton would not be appropriated for the rehabilitation process, it could be considered suitable for functional compensation of walking and standing.

Un deseo moderno todavía pendiente : la casa patio, una posible técnica de agrupación de vivienda colectiva vertical

La idea de aportar a la vivienda en altura las cualidades de la casa patio, se ha estudiado durante años. Podemos decir que el origen de este análisis se inició en 1922 cuando Le Corbusier empezó a investigar a cerca de los Inmuebles Villa; sin duda sabemos que ha llegado hasta la actualidad. Ayudado por la labor de búsqueda de diferentes arquitectos a lo largo de la historia, podemos afirmar que todos los casos conforman una idea única de proyecto. La idea de agrupar casas patio en altura manteniendo las características propias de este tipo de viviendas, privacidad, espacio libre, apertura cenital, comunicación interior‐exterior… Los Inmuebles‐Villa serán repetidamente aludidos, citados o retomados como un tipo paradigmático entre las propuestas de agrupaciones de casas patio en altura. Si pensamos en el concepto tradicional de patio, denominarlo como un espacio de viviendas apiladas en altura no parece una elección adecuada, no obstante la noción de patio permite una gran cantidad de asociaciones. Su valor radica en el traslado de una idea conocida a un nuevo contexto, produciendo así una reformulación del problema. Elegimos para este proceso, la vivienda colectiva, entendiendo la colectividad como agrupación, pues es esta agrupación de vivienda la encargada de crear ciudad; así no sólo vale la pena dar importancia a una célula con su independencia, sino en la relación que estas establecen con sus semejantes. De ahí la idea de que esa colectividad de casas patio, pueda darse también en vertical, buscando las condiciones antes mencionadas. Un deseo que apareció en el Movimiento Moderno y que desde ese momento ha sido algo anhelado por la arquitectura hasta nuestros días. El patio se presenta en la mayoría de las ocasiones como un espacio con múltiples afecciones, desde el patio que aporta a la vivienda una zona de esparcimiento hasta un espacio destinado a la ventilación, aunque en definitiva, podemos decir que consiste en un espacio capaz de contener un lugar. Quizás por eso aparece de diversas formas en nuestra arquitectura, sin importar su ubicación o forma. Simplemente un espacio que aporta al interior unas características que esas viviendas nunca alcanzarían sin él. Por eso lo que conocemos como casa patio es un tipo de arquitectura que se extiende hasta la antigüedad. Ese concepto de espacio exterior incorporado a la vivienda es una de las piezas fundamentales en nuestra arquitectura. Una idea ampliamente estudiada que deja a un lado los diferentes tipos de “patio” que fueron apareciendo, así como las múltiples funciones que dichos espacios fueron capaces de llevar a cabo, primando en definitiva la forma en la que cambiaron la idea de habitar. A lo largo de este análisis se han ido hallando evidencias de los múltiples mecanismos empleados en los casos estudiados. Como se ha visto, en ellos aparecen características que únicamente pueden aparecer en un espacio exterior cuando se trata de un patio. Los patios estudiados se consideran patios tradicionales, independientemente de la cota a la que se encuentren, aunque no cumplan alguna de las características a priori necesarias para la definición de patio. Para captar la esencia de esos espacios, no es necesario traspasar sus límites, ya que ésta se irradia al interior e invade la atmósfera de los espacios contiguos. Se plantea como objetivo principal rastrear las huellas de una investigación proyectual que Le Corbusier inaugura y deja abierta; se trata de descubrir qué ecos, qué rebotes, qué repercusiones tiene el concepto de patio en altura a lo largo de su historia. En esta búsqueda de identificación de las características de estos espacios, hemos seleccionado tres casos, partiendo de las experiencias tanto en patios tradicionales como en patios en altura de tres maestros como son Le Corbusier, José Luis Sert y Charles Correa. Los casos estudiados podrían haber sido muchos más. Este número supone solo un ejemplo de un universo mayor, que ha sido operativo para el desarrollo de este trabajo. Ellos nos guiarán por su arquitectura para intentar resolver la idea de los patios en altura. Hemos analizado las influencias proyectuales existentes entre algunos de los casos que forman parte de esta reflexión, entre los que existen unos vínculos claros, que pueden ser esas claves que estamos buscando para resolver la agrupación de casa patio en altura. A través de este trabajo se ha puesto de manifiesto que la aplicación del concepto de casas patio en altura depende tanto de su ubicación, del clima y la cultura local, como el tipo de patio del que se parte. De estos conceptos surgen soluciones diferentes entre ellas y por tanto no pueden extrapolarse una sola idea a todos los casos. Algunas ideas están presentes durante toda la investigación: fachadas como resultado de la repetición de células, sucesión de espacios, plantas de casas patio tradicional, dobles alturas…Otros casos destacan por su singularidad, por haber buscado la solución del problema mediante la originalidad. En definitiva buscamos casas patio en altura. Y si esta tesis contribuye, en alguna medida, a obtener las claves para que esta tipología edificatoria funcione, de sus características, sus necesidades, y su resultado, es decir, de su búsqueda de ese deseo moderno que presentábamos al principio, será entonces que esa tipología ilusoria, sea una arquitectura real, y por lo tanto también podrá llevarse a cabo y dejar de ser un deseo para convertirse en realidad. Sera que el deseo moderno se ha cumplido. ABSTRACT The idea of giving housing the height of the patio housing qualities, it has been studied for ages. It can be said that the origin of this analysis was started in 1922, when Le Cobustier began investigating about The Villa Building: obviously it is known nowadays due to different architect’s labor of searching through the history. It’s easy to say that all the cases shape a single project idea , the idea of gathering patio houses with the same height keeping the inner characteristics of traditional patio houses such privacy, free space, zenithal opening, inside –outside communication…etc. If we thought about the traditional concept of patio, to define it, in the case of gathering because of the height, it is not suitable to consider it like a pile of houses with the same height. Nevertheless the concept of patio allows a wide variety of settlements. Its worth is based on the transference of a renowned idea into a new context, producing thus a reformulation of the problem. The patio is frequently disposed like a zone with multiple utilities, from the leisure zone patio to an air circulating space, definitively it can be said that it consists on a space which is able to content a place. Maybe that is why it appears in various forms in our architecture, regardless of its placement or shape. It is simply a space which provides many features which are impossible to reach without it. That is what we know as patio house is a type of architecture which is spread till antiquity. This concept of outdoors space joined housing is one of the main pieces of our architecture. It is an idea wide analyses which lefts aside the different types of patios which were developed, focusing mainly the way they changed the idea of inhabiting. We have chosen for this analysis process, the collective housing, we understood collective like group, thus it is the group of housing responsible to built up a city, not just it is worth to give importance to an independent cell, in addition to the relation which those ones can stablish with their similar ones. Due to the idea of collectivity of patio houses, it can be also developed in vertical, looking for the previously mention condition. A wish which appeared with the modern movement and since then it has been something desired by architecture just nowadays. It is understood as the main target to follow the trail about a project investigation which was begun and left open by Le Cobustier: the task is discovering the resonances, the bounces and repercussions which belong to the patio concept in height through its history. In this quest to distinguish the characteristics of these spaces, we have chosen three cases, starting from the experiences as traditional patios as in the height of patios of the masters such as Le Cobustier, Jose Luis Sert and Charles Correa. The studied cases could be even more. This number is just an example of a huger universe, which has been operational for the developing of this work. We will be managed through their architecture trying to solve the idea of patios according to their height. Over this analysis evidences there are found multiple mechanics used in the studied cases. As we could see later, in these ones there are characteristics which are only found in an outdoors space when it is a patio. The studied patios are considered traditional patios, independently of the level they have, although they do not fit at first some of the necessary characteristics included in a patio definition. To catch the essence of those spaces, it is not necessary to go through its limits, since it is transmitted to the interior and pervades the adjoining spaces. It has been analyzed the project influences exiting among several cases which build up part of this consideration , among them there are some clear links, which may be these keys we are looking for to solve the joint of patio houses in height. With this work it has been highlighted that the application of the patios houses in height concept depends not only on its placement, the weather and the local culture, but also on the type of patio we are using. From these considerations different solutions were given by themselves as consequence they can be extrapolated into a single idea for all the cases. Some ideas are present along the complete investigation: facades resulting from cells repetition, series of spaces, traditional patio house floor, double height… Some other cases stand out due to it singularity, because they have searched for a solution to the problem by means of originality. To sum up, we look for patio houses in height. And if this thesis contributes, in some way, to get the clues to make work this type of building, about its characteristics, its necessities and its result, in other words, its searching of this modern desire that we showed at the beginning, then this imaginary typo will be a real architecture therefore it can also come truth and can abandon the form of wish to became into a reality. So the modern desire has been fulfilled.