IT201900006903A1 - Smart Gait Trainer - New intelligent mechatronic system for gait rehabilitation of hemiplegic patients - Google Patents

Description

Smart Gait Trainer – Nuovo sistema meccatronico intelligente per riabilitazione del cammino di pazienti emiplegici Smart Gait Trainer - New intelligent mechatronic system for gait rehabilitation of hemiplegic patients

Stato dell’Arte State of the art

È noto che i pazienti emiplegici hanno molta difficoltà nel riprendere a camminare. Una delle modalità di tentativo di recupero funzionale di pazienti con simili esiti è rappresentata da una serie di esercizi finalizzati ad allenare il paziente a spostare quanto più rapidamente possibile il carico dall’arto sano a quello plegico. Gli esercizi consistono in movimenti guidati dal fisioterapista che obbligano il paziente a cambiare la direzione del movimento in modo casuale, senza preavvisare il paziente. Il recupero della capacità di spostare il carico da un arto all’altro è prerequisito fondamentale nel tentare di recuperare una locomozione sicura che permetta al paziente di potersi nuovamente spostare in modo autonomo, considerando che il pieno recupero dell’andatura fisiologica è praticamente impossibile a causa dei danni irreversibili del sistema nervoso. CHT ha recentemente progettato e realizzato un dispositivo meccatronico in grado di sostituire il fisioterapista nella somministrazione dell’esercizio riabilitativo. Questa apparecchiatura può guidare il paziente a esercitarsi con continuità sia in una struttura clinica che a domicilio, ed è dotata di un portale per sostenere il paziente in posizione eretta in modo da impedirgli di cadere. Varie sono le invenzioni di strumenti in grado di permettere il movimento di un paziente in posizione eretta, ad esempio il brevetto JP192695 depositato nel 2005 dalla Sakai Medical, descrive un sistema piuttosto complesso per la riabilitazione del passo in cui il paziente, sempre tenuto in posizione eretta, deve mettere i piedi in due pedali che riproducono il corretto movimento del passo, mentre quello del 2004 US002407 descrive un supporto in grado di sostenere il paziente in posizione eretta, ma che si affida al paziente per la movimentazione, così come altri sistemi, alcuni dei quali presentano anche la capacità di sollevare il paziente dalla posizione seduta a quella eretta, permettendo comunque la movimentazione dello stesso. Soluzioni alternative sono presenti sul mercato, molto più complesse e costose, quali il Locomat prodotto dalla svizzera Hocoma, esoscheletro che guida il paziente nella movimentazione degli arti inferiori, ma unicamente all’interno di un campo d’azione estremamente limitato.. Hemiplegic patients are known to have great difficulty walking again. One of the ways of attempting functional recovery of patients with similar outcomes is represented by a series of exercises aimed at training the patient to move the load from the healthy limb to the hemiplegic as quickly as possible. The exercises consist of movements guided by the physiotherapist that force the patient to change the direction of movement randomly, without warning the patient. The recovery of the ability to move the load from one limb to another is a fundamental prerequisite in trying to recover a safe locomotion that allows the patient to be able to move again independently, considering that the full recovery of the physiological gait is practically impossible due to irreversible damage to the nervous system. CHT has recently designed and built a mechatronic device capable of replacing the physiotherapist in administering the rehabilitation exercise. This equipment can guide the patient to practice continuously both in a clinic and at home, and is equipped with a portal to support the patient in an upright position so as to prevent him from falling. There are various inventions of instruments capable of allowing the movement of a patient in an upright position, for example the patent JP192695 filed in 2005 by Sakai Medical, describes a rather complex system for the rehabilitation of the step in which the patient, always held in position erect, he must put his feet in two pedals that reproduce the correct movement of the step, while that of 2004 US002407 describes a support capable of supporting the patient in an upright position, but which relies on the patient for movement, as well as other systems, some of which also have the ability to lift the patient from a sitting to an upright position, while still allowing the patient to be moved. Alternative solutions are on the market, much more complex and expensive, such as the Locomat produced by the Swiss company Hocoma, an exoskeleton that guides the patient in moving the lower limbs, but only within an extremely limited field of action.

Scopo principale del presente device, che ha un sistema di ruote motorizzate, è quello di consentire al paziente un costante e continuo allenamento, svincolandosi dai tempi di impegno dei fitoterapisti se non in una fase veramente iniziale, e soprattutto per consente l’esecuzione dell’esercizio in modo sicuro per il paziente, consentendogli anche di muoversi liberamente ed in tutta sicurezza all’interno della sua casa, e per tale ragione lo strumento faciliterà anche il passaggio del paziente da posizione seduta a posizione eretta. The main purpose of this device, which has a system of motorized wheels, is to allow the patient a constant and continuous training, freeing himself from the commitment times of the phytotherapists if not in a really initial phase, and above all to allow the execution of the exercise in a safe way for the patient, also allowing him to move freely and safely inside his home, and for this reason the instrument will also facilitate the passage of the patient from sitting to standing position.

Per maggior sicurezza, durante la fase iniziale di riabilitazione, visto che il sistema presenta due piccole tastiere in corrispondenza dei manici del manubrio, il sistema richiede che il paziente tenga premuto uno dei tasti della tastiera in modo da continuare l’esercizio. Ciò perché se uno dei tasti non fosse tenuto pressato, il sistema dovrebbe ritenere che il paziente possa essere in procinto di cadere. For greater safety, during the initial rehabilitation phase, since the system has two small keyboards corresponding to the handlebar handles, the system requires the patient to hold down one of the keyboard keys in order to continue the exercise. This is because if one of the keys is not kept pressed, the system should assume that the patient may be about to fall.

Pertanto l’oggetto del presente trovato può essere considerato anche un ausilio di tipo domiciliare, alla stregua di una carrozzella. Altra fondamentale caratteristica, la possibile geometria variabile del supporto di base, che, grazie ad un meccanismo anche motorizzato a doppio parallelogramma assistito da opportuni sensori, sarà anche in grado di variare la larghezza della base in modo da facilitare il passaggio attraverso le porte di casa. Therefore the object of the present invention can also be considered a home aid, like a wheelchair. Another fundamental feature, the possible variable geometry of the base support, which, thanks to a motorized mechanism with a double parallelogram assisted by appropriate sensors, will also be able to vary the width of the base in order to facilitate the passage through the doors of the house. .

Descrizione della soluzione preferita. Description of the preferred solution.

Poiché si trattava di guidare la deambulazione di un paziente in condizioni abbastanza precarie, si è pensato di predisporre una pedana semovente abbastanza pesante a forma di C e di base larga ed eventualmente anche capace di variare la propria geometria per passare attraverso anche le porte più strette.. Sulla struttura di base (Tavola 1) è poi montato un manubrio ad altezza regolabile (1), ed un sistema di supporto della posizione eretta del paziente (2). Since it was a question of guiding the walking of a patient in fairly precarious conditions, it was decided to prepare a fairly heavy C-shaped self-propelled platform with a wide base and possibly also capable of varying its geometry to pass through even the narrowest doors. .. A handlebar with adjustable height (1) and a support system for the upright position of the patient (2) are then mounted on the base structure (Table 1).

Sotto a questa struttura sono montate tre ruote multidirezionale (3) che, tramite controllo elettronico, possono spingere l’apparecchiatura in qualsiasi direzione. Per evitare il pericolo di ribaltamento, sotto alla barra anteriore della piattaforma a C ed ai lati della ruota centrale multidirezionale, possono essere poste due ruote pivotanti (4). In alternativa possono essere usate quattro ruote pluridirezionali anche se ciò implica la necessità di utilizzare un sistema di sospensioni onde compensare eventuali asperità del terreno e garantire sempre l’aderenza delle ruote al terreno, scelta probabilmente non consigliabile. Under this structure are mounted three multidirectional wheels (3) which, through electronic control, can push the equipment in any direction. To avoid the danger of overturning, two pivoting wheels (4) can be placed under the front bar of the C-shaped platform and on the sides of the central multidirectional wheel. Alternatively, four multi-directional wheels can be used even if this implies the need to use a suspension system to compensate for any unevenness of the ground and always ensure the adhesion of the wheels to the ground, a choice that is probably not recommended.

Altra caratteristiche di questo sistema, peraltro comune ad altre strutture che però solitamente sono passive, nel senso che non sono motorizzate, la presenza di due archi (5) fissati sui lati della base a forma di C cui viene sospesa un’imbragatura regolabile (6) che, afferrando il paziente sotto le ascelle o in vita, a ancora in ambedue i modi, garantisce l’impossibilità di caduta. A tale sistema vengono poi aggiunti uno o due argani (7) che permettono il sollevamento dalla posizione seduta a quella eretta, argani che dovranno entrate in funzione nel momento in cui la base si stringe per passare attraverso le porte. E naturalmente tale argano dovrebbe essere attuabile anche dalla tastiera posta sul manubrio, in moda che possa essere il paziente a controllarlo. Another characteristics of this system, however common to other structures which are usually passive, in the sense that they are not motorized, is the presence of two arches (5) fixed on the sides of the C-shaped base from which an adjustable harness is suspended (6 ) which, by grasping the patient under the armpits or at the waist, or in both ways, guarantees the impossibility of falling. One or two winches (7) are then added to this system which allow lifting from sitting to standing position, winches that must come into operation when the base tightens to pass through the doors. And of course this winch should also be feasible from the keyboard placed on the handlebar, so that the patient can control it.

Altra caratteristica fondamentale è la possibilità che, oltre al sistema di riabilitazione iniziale in cui è la macchina che comanda i movimenti via software (pur necessitando del consenso del paziente), sia invece il paziente stesso tramite bottoni o micro joystick posti su di un elemento spostabile dal manubrio destro a quello sinistro per guidare il moto dell’apparecchiatura permettendogli non solo i movimenti di avanti e indietro e laterali, ma anche la possibilità di girare a destra o a sinistra ed anche di girare su se stesso. Sarà inoltre richiesto che il paziente tenga premuto almeno un tasto durante gli esercizi riabilitativi essendo il sistema costretto a fermarsi automaticamente in caso di assenza di tale controllo, per incrementare il livello di sicurezza del sistema Ora si ritiene che un sistema come questo possa favorire enormemente la ripresa del recupero di una locomozione sicura in quanto presuppone la totale partecipazione del paziente. Ed anche se ciò non dovesse avvenire, avrebbe comunque la possibilità di muoversi per la sua casa in posizione eretta, il che potrebbe essere comunque un notevole vantaggio psicologico. Another fundamental feature is the possibility that, in addition to the initial rehabilitation system in which it is the machine that controls the movements via software (while requiring the patient's consent), it is instead the patient himself through buttons or micro joysticks placed on a movable element. from the right to the left handlebar to guide the motion of the equipment allowing it not only the forward and backward and lateral movements, but also the possibility to turn right or left and also to turn on itself. It will also be required that the patient hold down at least one key during rehabilitation exercises as the system is forced to stop automatically in the absence of such control, to increase the level of safety of the system. It is now believed that a system like this can greatly facilitate resuming the recovery of safe locomotion as it requires the patient's total participation. And even if that doesn't happen, he will still have the ability to move around his house in an upright position, which could still be a significant psychological advantage.

Per quanto riguarda la possibilità di variare la larghezza della base, essa è illustrata in Tavola 2, ove si vede che le due barre laterali della C sono collegate alla parte centrale anteriore del supporto di base da due quadrilateri articolati simmetrici le cui barre sono a loro volta collegate da due ruote dentate che ingranano tra loro (8). Su di una di queste è poi montato il motore che permette la variazione dell’angolatura tra le barre centrali, il che permette appunto la variazione della larghezza del supporto. In questo caso la larghezza della base sarà comandata da opportuni sensori che, sentendo l’approssimarsi di una porta, comanderanno il motore che varia appunto la larghezza della base. As regards the possibility of varying the width of the base, it is illustrated in Table 2, where it can be seen that the two side bars of the C are connected to the front central part of the base support by two symmetrical articulated quadrilaterals whose bars are once connected by two gear wheels that mesh with each other (8). On one of these is then mounted the motor that allows the variation of the angle between the central bars, which allows the variation of the width of the support. In this case, the width of the base will be controlled by appropriate sensors which, upon hearing the approach of a door, will control the motor which varies the width of the base.

Ovviamente batterie ricaricabili montate a bordo permettono la movimentazione indipendente del sistema senza collegamenti a prese di corrente se non per la ricarica del sistema, mentre un collegamento in wifi o Bluetooth consentirà la trasmissione dei dati ad un server centrale, e quindi anche un controllo da remoto dell’evoluzione del paziente. Obviously, rechargeable batteries mounted on board allow the independent movement of the system without connections to power sockets except for recharging the system, while a connection in wifi or Bluetooth will allow the transmission of data to a central server, and therefore also a remote control. evolution of the patient.

Altrettanto ovviamente se un sistema simile avesse anziché una base a geometria variabile, una base a geometria fissa, ma le ruote pluridirezionali, il sistema di supporto del paziente in posizione eretta e la possibilità per il paziente di controllarne il moto tramite joystick o bottoni, il sistema sarebbe comunque coperto dal presente brevetto. Equally obviously if a similar system had instead of a base with variable geometry, a base with fixed geometry, but the multidirectional wheels, the support system for the patient in an upright position and the possibility for the patient to control the motion via joystick or buttons, the the system would in any case be covered by the present patent.

Claims (1)

Rivendicazioni 1. Nuovo sistema meccatronico per riabilitazione del cammino di pazienti emiplegici composto da una piattaforma a forma di C di larghezza fissa o variabile grazie al collegamento della parte centrale anteriore con le sponde laterali tramite due quadrilateri articolati collegati da due ruote dentate cui è affidato il compito di invertirne il moto, in modo da passare dalle porte, su cui è montato in posizione centrale un manubrio di altezza regolabile, mentre sulle ali laterali sono posti due strutture ad arco cui viene collegata un’imbragatura regolabile che, afferrando il paziente sotto le ascelle o alla vita, o in ambedue modi, garantisce l’impossibilità di caduta, essendo il sistema in grado anche di alzare tramite uno o due argani il paziente dalla posizione seduta a quella eretta, sempre utilizzando l’imbragatura sotto-ascellare, mentre sotto alla struttura a C sono sistemati tre o quattro gruppi di ruote multidirezionali in grado di adattarsi anche ad eventuali irregolarità del pavimento su cui si deve muovere, essendo munite di sospensioni (nel caso le ruote siano quattro), o con l’aggiunta di due ruote pivotanti che non toccano terra ai lati della ruota centrale anteriore, o anche semplicemente due perni in modo da impedire l’eventuale ribaltamento del sistema, permettendo il sistema di muoversi in qualsiasi direzione, sia seguendo un preciso programma terapeutico stabilito dal riabilitatore, che muoversi su comando del paziente utilizzando una tastierina o un piccolo joystick posizionabile su uno dei due manici del manubrio, consentendo al paziente il pieno controllo del moto, inclusa la possibilità di girare a destra o sinistra od anche di girare su se stesso mentre, nel caso di terapia programmata, uno schermo touch permette sia di inserire lo stesso programma, sia di fornire al paziente indicazioni sia visuali che vocali su quanto dovrà eseguire, essendo ovviamente il tutto alimentato da una batteria ricaricabile, e controllato da un sistema elettronico che può anche essere collegato sia in wifi che in Bluetooth con altri sistemi presenti in casa, essendo anche il sistema costretto a fermarsi automaticamente se il paziente non tiene premuto uno dei bottoni di controllo, per incrementare il livello di sicurezza del sistema. Claims 1. New mechatronic system for rehabilitation of the gait of hemiplegic patients consisting of a C-shaped platform of fixed or variable width thanks to the connection of the front central part with the side rails through two articulated quadrilaterals connected by two toothed wheels to which the task is entrusted to reverse the motion, so as to pass through the doors, on which a handlebar of adjustable height is mounted in a central position, while on the side wings there are two arched structures to which an adjustable harness is connected which, grabbing the patient under the armpits or at the waist, or in both ways, guarantees the impossibility of falling, as the system is also able to lift the patient from sitting to standing position by means of one or two winches, always using the underarm sling, while under the C-shaped structure there are three or four groups of multidirectional wheels able to adapt to any irregularities in the pa vehicle on which it must move, being equipped with suspensions (if there are four wheels), or with the addition of two pivoting wheels that do not touch the ground on the sides of the front central wheel, or simply two pins so as to prevent the '' possible overturning of the system, allowing the system to move in any direction, either following a precise therapeutic program established by the rehabilitator, or moving at the command of the patient using a keyboard or a small joystick that can be positioned on one of the two handlebar handles, allowing the patient full control of motion, including the ability to turn right or left or even turn on itself while, in the case of programmed therapy, a touch screen allows both to enter the same program and to provide the patient with both visual and voice on what to do, obviously being all powered by a rechargeable battery, and controlled by an electronic system c he can also be connected both in wifi and in Bluetooth with other systems in the house, as the system is also forced to stop automatically if the patient does not hold down one of the control buttons, to increase the system's security level.