Ortesis Inteligente para Artrosis de Rodilla: Rehabilitación Personalizada Mediante Procesamiento de Señales e IA
El diseño mecánico y evaluación clínica de una ortesis inteligente para el tratamiento de pacientes con artrosis de rodilla es un tema de gran relevancia en el ámbito de la ingeniería biomédica. La artrosis de rodilla es una enfermedad degenerativa que afecta a gran cantidad de personas en todo el m...
- Autores:
-
Ramirez, Diego Felipe
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2023
- Institución:
- Universidad Militar Nueva Granada
- Repositorio:
- Repositorio UMNG
- Idioma:
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- OAI Identifier:
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- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/10654/46040
- Palabra clave:
- INGENIERIA BIOMEDICA
TECNOLOGIA DE LA REHABILITACION
Ingeniería de rehabilitación
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INGENIERIA BIOMEDICA TECNOLOGIA DE LA REHABILITACION Ingeniería de rehabilitación ortesis inteligentes sistemas inteligentes Rehabilitation engineering smart orthoses intelligent systems |
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El diseño mecánico y evaluación clínica de una ortesis inteligente para el tratamiento de pacientes con artrosis de rodilla es un tema de gran relevancia en el ámbito de la ingeniería biomédica. La artrosis de rodilla es una enfermedad degenerativa que afecta a gran cantidad de personas en todo el mundo, y para la cual existen diferentes tratamientos, entre ellos el uso de ortesis. En este contexto, el presente trabajo de investigación se enfoca en el diseño y evaluación clínica de una simulación de ortesis inteligente para el tratamiento de pacientes con artrosis de rodilla. Este proyecto de grado propone utilizar modelos de inteligencia artificial para el control de actuadores que permita el control activo de la flexión y extensión de la rodilla, con el fin de mejorar la movilidad y reducir el dolor en los pacientes. Este trabajo incluye una revisión de la literatura sobre la artrosis de rodilla y el uso de ortesis en su tratamiento, así como la descripción detallada del diseño mecánico de la ortesis inteligente. Asimismo, se presentan los resultados de la evaluación clínica de la simulación de la ortesis con señales fisiológicas con patrones en la señal que pueden ser identificados como artrosis. Los resultados obtenidos muestran que la ortesis inteligente propuesta es efectiva en el tratamiento de pacientes con artrosis de rodilla, mejorando la movilidad y reduciendo el dolor en los pacientes. Además, se evidencia que la ortesis inteligente ofrece un mejor desempeño a la ortesis pasiva convencional en términos de desempeño y satisfacción. Y la implementación de modelos de modelos de inteligencia artificial permiten una adaptación dinámica en el proceso de rehabilitación, generando un cambio fundamental en la personalización del proceso de rehabilitación en la artrosis de rodilla, contribuyendo al mejoramiento del paciente, produciendo una reducción del tiempo en el proceso de rehabilitación; incrementando la calidad de vida. |
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Locomot., vol. 50, no. 2, pp. 1–13, 2017, doi: 10.1016/s1286- 935x (17)84322-7 MAURICIO ANDRÉS SANZ SÁNCHEZ” Equipamiento especializado para la artrosis de rodilla” M. Bouri, B. L. Gall, and R. Clavel, “A new concept of parallel robot for rehabilitation and fitness: the lambda,” in Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, (ROBIO ’09), pp. 2503–2508, 2009. Eduardo Wainstein” Pathogenesis of osteoarthritis” A. Pagès-Castellà and D. Prieto Alhambra, “Degenerative osteoarthritis, osteoporosis and fractures: Controversies and evidences,” Med. Clin. (Barc)., vol. 141, no. 5, pp. 217–220, 2013, doi: 10.1016/j.medcli.2013.01.036.N. Assis L, Milares LP, Almeida T, Tim C, Magri A, Fernandes KR” Influence of knee osteoarthritis on functional performance, quality of life and pain in older women” E. W. Ehrich, G. M. Davies, D. J. Watson, J. A. Bolognese, B. C. Seidenberg, and N. Bellamy, “Minimal perceptible clinical improvement with the Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index questionnaire and global assessments in patients with osteoarthritis,” J. Rheumatol., vol. 27, no. 11, pp. 2635–2641, 2000. C. D. Novoa-Parra, R. Sanjuan-Cerveró, N. Franco-Ferrando, and A. Lizaur-Utrilla, “Internet searches by the Spanish population for unqualified information on the treatment of osteoarthritis,” Rev. Esp. Cir. Ortop. Traumatol., vol. 64, no. 2, pp. 108–113, 2019, doi: 10. “Empresa colombiana es pionera en América Latina en reciclaje de residuos metálicos”. ELESPECTADOR.COM. Accedido el 22 de septiembre de 2023. [En línea]. Disponible: https://www.elespectador.com/ambiente/empresa-colombiana-es-pionera-en-america-latina-en-reciclaje-de-residuos-metalicos-article-530777/ A. E. Nelson and J. M. Jordan, Características clínicas de la artrosis, Tenth Edition. Elsevier Espa8#241; a, S.L.U., 2020. Morgado, A. C. Pérez, M. Moguel, F. J. Pérez-Bustamante y L. M. Torres” Guía de manejo clínico de la artrosis de cadera y rodilla. C. Schmitt, P. Métrailler, and A. Al-Khodairy, “The motion maker: a rehabilitation system combining an orthosis with closed-loop electrical muscle stimulation,” in Proceedings of the 8th Vienna International Workshop on Functional Electrical Stimulation, pp. 117–120, 2004. “Electromiografía en las Ciencias de la Rehabilitación”. Scielo.org.co. Disponible: http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0120-55522018000300753 “Erratum: Corrección a: ¿Es la diacereína una alternativa para el tratamiento de la artrosis? (Medwave (2017) 17 8 (e7041)),” Medwave, vol. 18, no. 2, p. e7204, 2018, doi: 10.5867/medwave.2018.02.7204. D. W. Robinson, J. E. Pratt, D. J. Paluska, and G. A. Pratt, “Series elastic actuator development for a biomimetic walking robot,” IEEE ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, pp. 561– 568, 1999. R. Arriaza, C. Sancho, and B. Fernandez-Gutierrez, “Osteoarthritis in Spain: A nationwide survey of medical specialists,” Reumatol. Clin., vol. 15, no. 5, pp. e14–e17, 2019, doi: 10.1016/j.reuma.2017.10.006.E. H. N. Hogan, “Adaptive control of mechanical impedance by coactivation of antagonist muscles,” IEEE Trans. Automat. Contr., vol. 29, pp. 681- 690, 1984. E. Rouse, L. Mooney, E. Martinez- Villalpando, and H. Herr, “Clutchable series-elastic actuator: Design of a robotic knee prothesis for minimum energy consumption,” Rehabilitation Robotics (ICORR), IEEE international Conference on, vol. 1-6, 2013 Jorge Jaime Márquez Arabia, Dr. William Henry Márquez Arabia” Arthrosis and physical activity” B. Kuo, Sistemas de Control Automático. Illinois: Prentice Hall, 1996. Jiménez, Erik Cuevas. Introducción al Machine Learning con MATLAB. Marcombo, 2021. C. A. Clavijo Montes, Diseño de una herramienta mecatrónica para el estudio de la propiocepción en la tarea física de miembro superior. Bogotá, 2022. M. Bernad-Pineda, J. de las Heras-Sotos, M.V. Garcés-Puentes” Quality of life in patients with knee and hip osteoarthritis” E.V.C. Ávila, “Obtención y Análisis de Señales Electromiográficas de Articulaciones Tibiofemoral y Femororotuliana Aplicada a Detección y Rehabilitación de Problemas Musculares en el Movimiento de la Rodilla”, resumen extendido de Trabajo de Grado. Univ. Politec. Sales. Sede Cuenca, Cuenca 2012 S. Hoppenfeld and V. L. Murthy, “Fracturas tratamiento y rehabilitación,” MARBAN, First Edition, 2001. Molina y Carratalá, La Marcha Humana. México D.F: Editorial Panamericana, 2019. |
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Este proyecto de grado propone utilizar modelos de inteligencia artificial para el control de actuadores que permita el control activo de la flexión y extensión de la rodilla, con el fin de mejorar la movilidad y reducir el dolor en los pacientes. Este trabajo incluye una revisión de la literatura sobre la artrosis de rodilla y el uso de ortesis en su tratamiento, así como la descripción detallada del diseño mecánico de la ortesis inteligente. Asimismo, se presentan los resultados de la evaluación clínica de la simulación de la ortesis con señales fisiológicas con patrones en la señal que pueden ser identificados como artrosis. Los resultados obtenidos muestran que la ortesis inteligente propuesta es efectiva en el tratamiento de pacientes con artrosis de rodilla, mejorando la movilidad y reduciendo el dolor en los pacientes. Además, se evidencia que la ortesis inteligente ofrece un mejor desempeño a la ortesis pasiva convencional en términos de desempeño y satisfacción. Y la implementación de modelos de modelos de inteligencia artificial permiten una adaptación dinámica en el proceso de rehabilitación, generando un cambio fundamental en la personalización del proceso de rehabilitación en la artrosis de rodilla, contribuyendo al mejoramiento del paciente, produciendo una reducción del tiempo en el proceso de rehabilitación; incrementando la calidad de vida.The mechanical design and clinical evaluation of a smart orthosis for the treatment of patients with knee osteoarthritis is a highly relevant topic in the field of biomedical engineering. Knee osteoarthritis is a degenerative disease that affects a large number of people worldwide, and there are various treatments available, including the use of orthoses. In this context, the present research work focuses on the design and clinical evaluation of a smart orthosis simulation for the treatment of patients with knee osteoarthritis. This thesis proposes using artificial intelligence models to control actuators that enable active control of knee flexion and extension, aiming to improve mobility and reduce pain in patients. This work includes a literature review on knee osteoarthritis and the use of orthoses in its treatment, as well as a detailed description of the mechanical design of the smart orthosis. Additionally, the results of the clinical evaluation of the orthosis simulation with physiological signals showing patterns that can be identified as osteoarthritis are presented. The results obtained show that the proposed smart orthosis is effective in treating patients with knee osteoarthritis, improving mobility and reducing pain in patients. Furthermore, it is evident that the smart orthosis outperforms conventional passive orthoses in terms of performance and satisfaction. The implementation of artificial intelligence models allows for dynamic adaptation in the rehabilitation process, generating a fundamental change in the personalization of the rehabilitation process for knee osteoarthritis, contributing to the improvement of the patient, reducing the rehabilitation time, and increasing the quality of life.1. Definición del Problema 13 1.1 Formulación del Problema 14 1.2 Descripción del Problema 15 1.3 Justificación del Proyecto 16 1.4 Objetivos del Proyecto 17 1.4.1 Objetivo General 17 1.4.2 Objetivos Específicos 18 1.5 Hipótesis 18 1.6 Delimitación y Alcance 19 1.7 Consideraciones Éticas 20 1.8 Variables 20 1.8.1 Variable Dependientes 20 1.8.2 Variables Independientes 21 1.8.3 Variables Intervinientes 21 1.9 Tipo de Estudio 21 1.10 Recursos del Proyecto 21 1.11 Impacto del Proyecto 22 1.12 Herramientas, aparatos, materiales o instrumentos 23 1.14 Método de Análisis e Interpretación de los Datos 24 1.15 Cronograma 24 2. Marco referencial 27 2.1 Antecedentes del Proyecto 28 2.2 Marco Contextual 29 2.3 Marco Teórico 29 2.4 Marco Conceptual 33 3. Metodología 35 4. Modelo Mecánico 36 4.1 Modelo Mecánico Funcional 36 5. Análisis de Marcha Patológica y Marcha no Patológica 39 6. Electromiografía, Adquisición de Señales y Procesamiento de Señales 42 6.1 Protocolo de Adquisición de Señales 43 6.2 Algoritmo de Carga de Datos 45 6.3 Procesamiento y Filtrado de la Señal 48 6.3 Tratamiento de Datos Obtenidos y Construcción de la Base de Datos 53 7. Implementación del Modelo Simulink 56 7.1 Exportación del Modelo 56 7.2 Parametrización del Movimiento de la Ortesis 59 8. Modelo de Inteligencia Artificial: Machine Learning 61 9. Análisis de Resultados 69 10. Conclusiones 75 11. Bibliografía 76 Glosario 80 Anexos 82PregradoDas mechanische Design und die klinische Bewertung einer intelligenten Orthese zur Behandlung von Patienten mit Kniearthrose ist ein hochrelevantes Thema im Bereich der biomedizinischen Technik. Kniearthrose ist eine degenerative Erkrankung, die viele Menschen weltweit betrifft, und es gibt verschiedene Behandlungsmöglichkeiten, darunter die Verwendung von Orthesen. In diesem Kontext konzentriert sich die vorliegende Forschungsarbeit auf das Design und die klinische Bewertung einer Simulation einer intelligenten Orthese zur Behandlung von Patienten mit Kniearthrose. Diese Abschlussarbeit schlägt vor, künstliche Intelligenzmodelle zur Steuerung von Aktuatoren zu verwenden, die eine aktive Kontrolle der Beugung und Streckung des Knies ermöglichen, um die Mobilität zu verbessern und die Schmerzen bei den Patienten zu reduzieren. Diese Arbeit umfasst eine Literaturübersicht über Kniearthrose und die Verwendung von Orthesen in deren Behandlung sowie eine detaillierte Beschreibung des mechanischen Designs der intelligenten Orthese. Darüber hinaus werden die Ergebnisse der klinischen Bewertung der Orthesensimulation mit physiologischen Signalen, die Muster aufweisen, die als Arthrose identifiziert werden können, vorgestellt Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene intelligente Orthese bei der Behandlung von Patienten mit Kniearthrose wirksam ist, die Mobilität verbessert und die Schmerzen bei den Patienten reduziert. Außerdem zeigt sich, dass die intelligente Orthese der konventionellen passiven Orthese in Bezug auf Leistung und Zufriedenheit überlegen ist. Die Implementierung von Modellen der künstlichen Intelligenz ermöglicht eine dynamische Anpassung im Rehabilitationsprozess und bewirkt eine grundlegende Veränderung in der Personalisierung des Rehabilitationsprozesses bei Kniearthrose. Dies trägt zur Verbesserung des Patienten bei, reduziert die Rehabilitationszeit und steigert die Lebensqualität.applicaction/pdfspahttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 InternationalAcceso abiertohttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Ortesis Inteligente para Artrosis de Rodilla: Rehabilitación Personalizada Mediante Procesamiento de Señales e IASmart Orthosis for Knee Osteoarthritis: Personalized Rehabilitation through Signal Processing and AIINGENIERIA BIOMEDICATECNOLOGIA DE LA REHABILITACIONIngeniería de rehabilitaciónortesis inteligentessistemas inteligentesRehabilitation engineeringsmart orthosesintelligent systemsTesis/Trabajo de grado - Monografía - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fIngeniería BiomédicaFacultad de IngenieríaUniversidad Militar Nueva GranadaDANE. “Panorama General de la Discapacidad en Colombia”. https://www.dane.gov.co/files/investigaciones/discapacidad/Panorama-general-de-la-discapacidad-en-Colombia.pdf. [En línea]. Disponible: https://www.dane.gov.co/E. Lugo, P. Ponce, A. Molina, S. Castro” Co-simulación del Diseño Biomecánico para un Exoesqueleto Robótico del Miembro Inferior”R. López J. Torres S. Salazar R. Lózano” Desarrollo de un exoesqueleto para rehabilitación de tobillo y rodilla”“Prevalencia de la enfermedad reumática en Colombia, según estrategia COPCORD-Asociación Colombiana de Reumatología. Estudio de prevalencia de enfermedad reumática en población colombiana mayor de 18 años | Revista Colombiana de Reumatología”. Elsevier | Una empresa de análisis de la información | Empowering Knowledge. Accedido el 19 de septiembre de 2023.C.-H. Roux, “Tratamiento médico de la artrosis,” EMC - Apar. Locomot., vol. 50, no. 2, pp. 1–13, 2017, doi: 10.1016/s1286- 935x (17)84322-7MAURICIO ANDRÉS SANZ SÁNCHEZ” Equipamiento especializado para la artrosis de rodilla”M. Bouri, B. L. Gall, and R. Clavel, “A new concept of parallel robot for rehabilitation and fitness: the lambda,” in Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, (ROBIO ’09), pp. 2503–2508, 2009.Eduardo Wainstein” Pathogenesis of osteoarthritis”A. Pagès-Castellà and D. Prieto Alhambra, “Degenerative osteoarthritis, osteoporosis and fractures: Controversies and evidences,” Med. Clin. (Barc)., vol. 141, no. 5, pp. 217–220, 2013, doi: 10.1016/j.medcli.2013.01.036.N.Assis L, Milares LP, Almeida T, Tim C, Magri A, Fernandes KR” Influence of knee osteoarthritis on functional performance, quality of life and pain in older women”E. W. Ehrich, G. M. Davies, D. J. Watson, J. A. Bolognese, B. C. Seidenberg, and N. Bellamy, “Minimal perceptible clinical improvement with the Western Ontario and McMaster Universities Osteoarthritis Index questionnaire and global assessments in patients with osteoarthritis,” J. Rheumatol., vol. 27, no. 11, pp. 2635–2641, 2000.C. D. Novoa-Parra, R. Sanjuan-Cerveró, N. Franco-Ferrando, and A. Lizaur-Utrilla, “Internet searches by the Spanish population for unqualified information on the treatment of osteoarthritis,” Rev. Esp. Cir. Ortop. Traumatol., vol. 64, no. 2, pp. 108–113, 2019, doi: 10.“Empresa colombiana es pionera en América Latina en reciclaje de residuos metálicos”. ELESPECTADOR.COM. Accedido el 22 de septiembre de 2023. [En línea]. Disponible: https://www.elespectador.com/ambiente/empresa-colombiana-es-pionera-en-america-latina-en-reciclaje-de-residuos-metalicos-article-530777/A. E. Nelson and J. M. Jordan, Características clínicas de la artrosis, Tenth Edition. Elsevier Espa8#241; a, S.L.U., 2020.Morgado, A. C. Pérez, M. Moguel, F. J. Pérez-Bustamante y L. M. Torres” Guía de manejo clínico de la artrosis de cadera y rodilla.C. Schmitt, P. Métrailler, and A. Al-Khodairy, “The motion maker: a rehabilitation system combining an orthosis with closed-loop electrical muscle stimulation,” in Proceedings of the 8th Vienna International Workshop on Functional Electrical Stimulation, pp. 117–120, 2004.“Electromiografía en las Ciencias de la Rehabilitación”. Scielo.org.co. Disponible: http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0120-55522018000300753“Erratum: Corrección a: ¿Es la diacereína una alternativa para el tratamiento de la artrosis? (Medwave (2017) 17 8 (e7041)),” Medwave, vol. 18, no. 2, p. e7204, 2018, doi: 10.5867/medwave.2018.02.7204.D. W. Robinson, J. E. Pratt, D. J. Paluska, and G. A. Pratt, “Series elastic actuator development for a biomimetic walking robot,” IEEE ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, pp. 561– 568, 1999.R. Arriaza, C. Sancho, and B. Fernandez-Gutierrez, “Osteoarthritis in Spain: A nationwide survey of medical specialists,” Reumatol. 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