Analysis of trunk compensation in robot-assisted rehabilitation

Assistive Robotics has been showing an important tool in the patient rehabilitation process. The rehabilitation of patients using traditional therapeutic approaches has not achieved results, causing therapeutic approaches that use robotics to gain more and more strength. With this, a series of new ones can be used with the intention of auxiliary rehabilitation of patients with limited restrictions, especially those who have suffered post-stroke trauma. Stroke patients often use the trunk to compensate for impaired upper limb motor function during upper limb rehabilitation training, or that results in a reduced effect of rehabilitation training. Detecting trunk offsets can improve the effect of rehabilitation training. Therefore, this study aims to analyze the behavior of the movement of the trunk of five volunteers, who do not have any type of restriction, in the execution of four predefined movements. The objective is to verify if, even without any type of restriction, the process of executing movements of the trunk to execute movements. The Kinect v2 sensor was used to capture information. 1Graduate Student in Computer Engineering Graduate Program at the Federal University of Rio Grande (FURG), Rio Grande (RS), Brazil alicetissotgarcia@gmail.com, sibylaavs@gmail.com, llcguimaraes@hotmail.com 2Associate Professor at Federal University of Rio Grande (FURG), Rio Grande (RS), Brazil vinicius@ieee.org I. INTRODUÇÃO Uma série de novos programas de reabilitação estão sendo estudados e aperfeiçoados há algum tempo, como por exemplo: robótica de reabilitação, reabilitação baseada em jogos, dentre outros. Tais programas apresentam, muitas vezes, resultados muito mais satisfatórios que os obtidos com a fisioterapia convencional, além é claro de tornar o processo fisioterapêutico muito mais atraente, frequente e menos invasivo [13]. Segundo a Sociedade Brasileira de Doenças Cerebrovasculares (SBDCV), o Acidente Vascular Cerebral (AVC) é a doença que mais mata os brasileiros, além de ser a principal causa de incapacidade no mundo. Em torno de 70% das pessoas que sofrem AVC não retornam ao trabalho e em torno de 50% das pessoas ficam dependentes de outras pessoas para as tarefas básicas do dia a dia. Segundo a Organização Mundial de AVC estes números tendem a piorar, visto que eles preveem que uma a cada seis pessoas no mundo terão AVC ao longo de sua vida [11]. Apesar do grande progresso no tratamento de doenças vasculares, o AVC ainda é a principal causa de incapacidade a longo prazo no mundo. Muitos sobreviventes de AVC experimentam déficits neurológicos complexos que prejudicam a qualidade do movimento, resultantes não apenas de problemas motores, mas também de problemas cognitivos e comportamentais [3]. Considerando os números apresentados verifica-se a real importância de se conseguir abordagens terapêuticas que auxiliem na reabilitação de pessoas pós AVC. Quando o assunto remete a abordagens terapêuticas tradicionais, os números não são muito bons, visto que elas resultam em um comprometimento contı́nuo em 50-95% dos pacientes. Porém, quando se fala em dispositivo robóticos estes números começam a melhorar, visto que a partir das intervenções assistidas por robôs, em um mesmo tempo de supervisão pode-se realizar práticas mais intensivas com o paciente, fazendo com o que o tempo de recuperação seja menor [10]. O movimento do tronco, mesmo que não seja frequentemente abordado em análises de membros superiores de indivı́duos não deficientes, possui uma avaliação muito importante quando se deseja estudar os comprometimentos dos membros superiores [12]. Falando especificamente dos pacientes com AVC podese dizer que eles, em sua grande maioria, acabam por fazer uso de estratégias compensatórias a fim de alcançarem III Brazilian Humanoid Robot Workshop and IV Brazilian Workshop on Service Robotics ISBN: 978-65-88243-08-4 85 DOI: 10.29327/118637.1-13 melhores funções e posicionamento na ausência de movimento voluntário. Porém, a presença de estratégias compensatórias pode sugerir que o paciente não tenha obtido uma recuperação neurológica natural e que o mesmo tenha adquirido um padrão de não-aprendizado aprendido a partir de movimentos compensatórios [9]. Muitos pacientes, após sofrerem AVC, ao tentarem realizar, sentados, um alcance com o membro superior afetado, acabam por substituir de forma espontânea o uso do braço por movimentos de compensação do tronco, mesmo que sejam capazes de realizar o movimento com o braço, quando forçados a fazê-lo [1], [2]. O uso excessivo a longo prazo da compensação do tronco pode levar à recuperação motora subótima do membro superior parético e complicações secundárias, como contraturas musculares, por exemplo [1]. O fato de uma série de programas e de terapias estarem sendo desenvolvidos a fim de auxiliar na recuperação de pacientes pós-AVC é muito benéfica se vista apenas por este lado, porém quando se analisa todos os pontos observase que tal fato não pode impedir movimentos compensatórios de rotação e flexão do tronco, por exemplo, que são frequentemente associados com uma recuperação funcional deficiente. Dessa forma, faz-se necessário que se encontre outras soluções que consigam também atender a estas necessidades [5]. É pensando neste aspecto que este trabalho surge. Para entender melhor o objetivo deste trabalho é importante destacar que o mesmo pertence a um grupo de Robótica Assistiva da Universidade Federal do Rio Grande (FURG) que conta com uma série de outros trabalhos que visam desenvolver ferramentas na área de robótica e computação, a fim de auxiliar pacientes que tenham quaisquer tipos de necessidades relacionadas a reabilitação de membros superiores pós AVC. No âmbito geral do projeto, a ideia consiste em trabalhos com softwares de simulação (Por exemplo: Matlab c © e Gazebo c ©) e até mesmo robôs manipuladores (Por exemplo: Cyton Gamma 1500 da Robai Robotics c ©). Dessa forma, após compreender o contexto geral no qual este trabalho encontra-se inserido, pode-se entender melhor onde e como este projeto está encaixado. Sendo assim, podese definir como objetivo geral deste trabalho a leitura do movimento de tronco, a análise deste movimento a fim de definir se os mesmos tratam-se de compensações naturais ou oriundas da movimentação restrita/limitada dos membros superiores do paciente e, por fim, a posterior redução/correção desta compensação. II. TRABALHOS RELACIONADOS Em [4] propõe-se que indivı́duos saudáveis e indivı́duos com restrições realizem o movimento de alcance ao alvo, posteriormente replicado neste trabalho. A ideia deste movimento é bastante simples. Inicialmente o braço foi posicionado ao lado do tronco, em seguida o sujeito levanta o braço e aponta para o alvo final, localizado na frente do sujeito no espaço de trabalho colateral. Dessa forma, os dados destes movimentos foram captados e analisados a fim de verificar o comportamento do braço e do tronco ao realizar o movimento proposto. Os resultados obtidos a partir dos testes realizados podem ser observados na figura 1. A partir dela observa-se que os pacientes saudáveis praticamente não movimentaram o tronco, diferente do que aconteceu para os pacientes com restrições pós AVC, que tiveram uma movimentação superior do tronco. Assim, pode-se dizer que todos os pacientes conseguiram atingir o objetivo que era chegar ao alvo final, mas quase todos fizeram uso do tronco para isso. Ou seja, para atingir o objetivo tiveram que recrutar novos graus de liberdade, que geralmente não são utilizados por pessoas saudáveis. Portanto, pode-se concluir que no caso apresentado em [4] foi possı́vel detectar a movimentação do tronco no auxı́lio para execução da tarefa, fazendo com que o paciente atinja o alvo final devido ao movimento que realizou no tronco e não porque recuperou parte do seu movimento, o que não é o aconselhável, nem o foco deste trabalho. Fig. 1. Média das trajetórias de ponto final (braço) e tronco em (A) um indivı́duo saudável realizando movimento rápido e lento e (B) em três indivı́duos com acidente vascular cerebral (S1, S4 e S9) [4] Em [7] é apresentada uma abordagem um pouco diferente da mostrada anteriormente. Neste caso, já sabendo que há a compensação do movimento do tronco, os testes foram realizados com o intuito de verificar se os pacientes ao estarem com seus movimentos restritos por um arnês teriam resultados melhores ou piores do que se não tivesses com os movimentos restritos. A figura 2 apresenta o exemplo do teste realizado com os pacientes sem e com a restrição. Portanto, conclui-se que a contenção do tronco faz com que os pacientes utilizem articulações que sem a contenção não são utilizadas, fazendo com que movimentos não sejam totalmente perdidos pós o AVC. Em [9] é feita uma análise com base no Modelo de Estrutura de Componente Principal de Torso (PCA) a fim de avaliar o movimento do torso compensatório. Para isso, fizeram uso do sensor Kinect c © V2, onde conseguiam captar 7 articulações do tronco, como mostra a figura 3. Por fim, após os testes apresentados no decorrer do estudo, puderam concluir que a estrutura torso PCA é capaz de delinear entre o movimento compensatório e o movimento natural dentro do contexto das tarefas de avaliação realizadas e, portanto, consideradas adequadas como medidas de compensação do III Brazilian Humanoid Robot Workshop and IV Brazilian Workshop on Service Robotics ISBN: 978-65-88243-08-4 86 DOI: 10.29327/118637.1-13 Fig. 2. Configuração experimental: indivı́duos sentados alcançaram o alvo colocado à metade ou comprimento total do braço, com o tronco livre para se mover (acima) ou fixado para encostar para trás por um arnês (abaixo) [7]