PT106424A

PT106424A - Sistema e método para estimulação proprioceptiva, monitorização e caracterização de movimento

Info

Publication number: PT106424A
Application number: PT106424A
Authority: PT
Inventors: Joao Paulo Trigueiros Da Silva Cunha; Vitor Pedro Tedim Ramos Cruz; Virgilio Antonio Ferro Bento
Original assignee: Univ Aveiro
Priority date: 2012-07-02
Filing date: 2012-07-02
Publication date: 2014-01-02
Also published as: US20150335521A1; WO2014006563A2; WO2014006563A3

Abstract

SISTEMA E MÉTODO PARA ESTIMULAÇÃO PROPRIOCEPTIVA, MONITORIZAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE MOVIMENTO QUE COMPREENDE: UM COMPONENTE PARA INTERVENÇÃO PROPRIOCEPTIVA E OUTRO PARA CARACTERIZAÇÃO DE MOVIMENTO. OS DOIS COMPONENTES ESTÃO ACOPLADOS DE FORMA A PODEREM SER UTILIZADOS (VESTIDOS) EM AMBULATÓRIO SOBRE OS MEMBROS SUPERIOR E INFERIOR DO LADO DO CORPO QUE APRESENTA O DÉFICE MOTOR. ESTE DISPOSITIVO PODE SER APLICADO NA ÁREA DA SAÚDE, NOMEADAMENTE EM NEURORREABILITAÇÃO, EM ÁREAS DE ACTIVIDADE CIENTÍFICA BÁSICA OU CLÍNICA, EM PRODUTOS DIRIGIDOS A SEGMENTOS DE MERCADO LÚDICOS (E.G. DANÇA, VIDEOJOGOS, TV INTERACTIVA, CINEMA 3D) E NA ÁREA DE DESPORTO E MELHORIA DE PERFORMANCE MOTORA EM COMPETIÇÃO. O SISTEMA COMPREENDE UM MÓDULO PRINCIPAL PARA CONTROLO, ESTIMULAÇÃO PROPRIOCEPTIVA E QUANTIFICAÇÃO DE MOVIMENTO (1), MÓDULOS DE CONTROLO, ESTIMULAÇÃO PROPRIOCEPTIVA E QUANTIFICAÇÃO DE MOVIMENTO (2, 3) E ELEMENTOS DE ESTIMULAÇÃO PROPRIOCEPTIVA (16).

Description

DESCRIÇÃO "SISTEMA E MÉTODO PARA ESTIMULAÇÃO PROPRIOCEPTIVA, MONITORIZAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE MOVIMENTO"

Domínio técnico da invenção A presente diz respeito a um sistema para estimulação proprioceptiva, monitorização e caracterização de movimento, na área da neuro-reabilitação motora.

Antecedentes da Invenção A recuperação espontânea após uma doença como por exemplo um acidente vascular cerebral (AVC) é normalmente limitada, o que torna as terapias de reabilitação essenciais para a obtenção de ganhos funcionais. As aplicações de tecnologia aos métodos de reabilitação motora e neurológica focam-se sobretudo em dispositivos de estimulação electromagnéticos e robóticos (concorrentes).

Para a estimulação electromagnética existem diferentes paradigmas de aplicação. No entanto, os resultados (recuperação motora) obtidos em ensaios clínicos são modestos quando comparados com terapias de reabilitação clássica baseadas em repetição de tarefas específicas. Devido à natureza dos estímulos eléctricos, quer invasivos como não invasivos, estes apenas podem ser aplicados sob supervisão clínica, o que elimina a hipótese de uso ambulatório, diminuindo a intensidade de reabilitação.

Os dispositivos robóticos permitem a repetição contínua de tarefas motoras específicas, auxiliando o paciente na sua 1 execução correcta. No entanto, são dispositivos de elevado custo de produção e de operação, necessitando de recursos humanos especializados, o que impede o uso ambulatório e a democratização. Por esta razão oferecem uma diminuída exposição ao tratamento e, consequentemente, uma menor possibilidade de ganhos globais em saúde, o que tem vindo a ser demonstrado em estudos clínicos efectuados. No entanto, o seu uso é promissor em casos mais restritos, já que permite o treino contínuo de tarefas específicas do dia-a-dia como por exemplo abrir uma porta, um frasco, entre outras. 0 método e sistema de reabilitação baseado na presente invenção (que será a partir de agora designado por SWORD -Stroke Wearable Operative Rehabilitation Devices) permitem uma alta intensidade de treino devido ao seu uso ambulatório, visa a repetição de tarefas específicas, e é o único capaz de fornecer biofeedback.

Ainda em comparação com os engenhos robóticos complexos e de alta tecnologia, o método e sistema aqui referido como SWORD terá custos de produção mais baixos e requer menos recursos humanos para operação resultando numa mais fácil disseminação pelos doentes que dela necessitem, potenciando os possíveis ganhos em saúde. 0 método e sistema aqui referido como SWORD pode ser utilizada em produtos comercializáveis integrados (intervenção/ monitorização) , como previsto na concepção original do dispositivo, ou ser aplicada separadamente em dispositivos dirigidos apenas à estimulação vibratória ou à quantificação e monitorização da qualidade de movimento. 2 A principal aplicaçao para este tipo de produtos é a área da saúde, nomeadamente a neurorreabilitação. Os potenciais utilizadores são, por um lado, as instituições de saúde que tratam doentes neurológicos, nomeadamente centros de reabilitação e departamentos de Neurologia e, por outro, os próprios doentes. As patologias que podem beneficiar com esta tecnologia são por exemplo os AVC, traumatismos cranioencefálicos e medulares, as lesões pós neurocirurgia, todas com elevada incidência anual, prevalência e impacto em morbilidade medida por anos de vida ajustados pela qualidade (quality adjusted life years - QALYs) .

Na Europa, segundo dados da OMS, os serviços de saúde gastam cerca de 5% do seu orçamento com o tratamento de doentes com AVC e o valor anual de Anos de Vida Perdidos Ajustados por Incapacidade (DALYs - Disability Adjusted Life Years) situa-se entre 5 a 9 anos por cada 1000 habitantes.

Um outro segmento é o da actividade cientifica básica ou clinica, onde podem ser apresentadas variações de produtos desenvolvidas como ferramenta de administração de estímulos vibratórios padronizados e como instrumentos de quantificação motora em ambulatório. É um segmento de menor dimensão mas importante a médio prazo pelos possíveis benefícios na extensão de aplicações e validação de indicações clinicas para esta tecnologia. O sistema de quantificação de movimento em ambulatório pode ser também aplicado em produtos dirigidos a segmentos de mercado lúdicos (e.g. dança, videojogos, TV interactiva, cinema 3D) , na área do desporto e melhoria de performance motora em competição. 3 A presente invenção reúne várias caracteristicas inéditas no âmbito da neurorreabilitação.

Comparado com o estado da técnica, permite: aumentar o tempo de reabilitação sem aumento dos custos de produção nos sistemas de saúde poupar tempo e dinheiro aos cuidadores e familiares um novo conjunto de protocolos de tratamento seguros, práticos e confortáveis um dispositivo fácil de operar e com uma curva de aprendizagem muito rápida ganhos individuais e colectivos em saúde ganhos de produtividade nos serviços de reabilitação dar origem a um sistema de produtos evolutivos comercializáveis e complementares entre si.

Descrição do estado da técnica

Os métodos de reabilitação existentes no estado da técnica que permitem a obtenção de melhores resultados ao nivel da recuperação funcional partilham pelo menos uma das seguintes caracteristicas: alta intensidade de treino terapia baseada na repetição de tarefas motoras especificas e feedback do desempenho obtido.

Estas três caracteristicas estão presentes em simultâneo no paradigma de reabilitação subjacente ao uso do método e sistema aqui referido como SWORD, assim, o seu uso ambulatório permitirá um aumento da intensidade de treino, a repetição monitorizada de tarefas e o respectivo feedback 4 para o doente, familiar e médico responsável, reunindo todas as condições que potenciam a obtenção de recuperação funcional efectiva.

Ainda relativamente ao estado da técnica actual, as aplicações de tecnologia aos métodos de reabilitação motora e neurológica focam-se sobretudo em dispositivos de estimulação electromagnética e robóticos (concorrentes).

Para a estimulação electromagnética existem diferentes paradigmas de aplicação, no entanto, os resultados (recuperação motora) obtidos em ensaios clínicos são modestos quando comparados com terapias de reabilitação clássica baseadas em repetição de tarefas especificas. Devido à natureza dos estímulos eléctricos, quer invasivos ou não invasivos, estes apenas podem ser aplicados sob supervisão clinica o que elimina a hipótese de uso ambulatório, diminuindo a intensidade de reabilitação.

Os dispositivos robóticos permitem a repetição continua de tarefas motoras especificas, auxiliando o paciente na sua execução correcta. No entanto, são dispositivos de elevado custo de produção e de operação, necessitando de recursos humanos especializados, o que impede o uso ambulatório e a democratização. Devido a este facto oferecem uma diminuída exposição ao tratamento e consequentemente uma menor possibilidade de ganhos globais em saúde, o que tem vindo a ser demonstrado em estudos clínicos efectuados.

De seguida são descritos alguns documentos pertencentes ao estado da técnica da presente invenção. 5 0 documento US5575761 (A) descreve um dispositivo para massagem vibratória variável de várias partes do corpo humano. 0 documento US6093164 (A) descreve uma manga para aplicação vibratória de baixa frequência e difusa nos membros. 0 documento US6878122 (B2) descreve um dispositivo robótico de facilitação e simulação motora através de estímulos vibratórios nas áreas do corpo afectadas. 0 documento W02008094485 (A2) descreve um dispositivo portátil para aplicação de vibração e variações térmicas em zonas dolorosas do corpo humano. 0 documento W02010028042 (Al) descreve um dispositivo portátil para aplicação de vibração e variações térmicas em zonas dolorosas do corpo humano. 0 documento US2010004709 (Al) descreve um dispositivo para aumentar a perfusão cerebral através da estimulação dos nervos periféricos com vários estímulos e vibração da cabeça.

Nenhum dos documentos descritos anteriormente contém todo o conjunto de características presentes na invenção aqui descritas como: a utilização de estímulos vibratórios como fonte de actuação não invasiva, com o objectivo de estimular de forma proprioceptiva o Sistema Nervoso Central danificado; 6 disponibilizar os estímulos vibratórios de forma contínua e/ou intervalada com a possibilidade de modelação em amplitude e frequência de acordo com as especificações do responsável clínico; possibilitar a actuação da rede de dispositivos em modo síncrono ou assíncrono, sendo utilizado para este último caso uma sequência pré-definida de estimulação que será proqramada em ambiente clínico e definida segundo as directrizes do clínico responsável; fornecer feedback ao doente, no momento, e ao corpo clínico posteriormente, da qualidade do movimento executado após actuação. É importante referir que se entende por "qualidade do movimento" a sua parametrização enquanto translação e orientação do membro no espaço e não a quantificação apenas da translação, como se de um actígrafo se tratasse; elementos de actuação distanciados dos módulos de controlo; uso ambulatório. 0 dispositivo proposto é inovador não só nas suas especificações, mas também na sua abordagem à reabilitação. De acordo com as mais recentes revisões dos paradigmas de reabilitação vigentes na área dos acidentes vasculares cerebrais, o método e sistema aqui referido como SWORD estabelece-se como uma abordagem nova. A actuação de estímulos vibratórios quer de forma contínua ou em intervalos pré-definidos não é objecto de estudo enquanto tecnologia de neurorreabilitação, tendo no entanto, já sido provada a sua capacidade excitatória do SNC (Sistema Nervoso Central). 7 A combinação da actuação de estímulos vibratórios com a avaliação da resposta do doente representa uma inovação adicional.

Considera-se assim que o dispositivo e métodos propostos correspondem a uma tecnologia única em fase emergente.

Descrição dos Desenhos

Figura 1 - Exemplo de integração modular do sistema aqui referido como SWORD para o membro superior. 1. Módulo principal localizado no ombro para controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento das estruturas da cintura escapular 2. Módulo de Controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do braço 3. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do antebraço 4. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região da mão

Figura 2 - Unidades constituintes de cada elemento modular do sistema aqui referido como SWORD. 5. Unidade de quantificação e caracterização de movimento 6. Unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos 7. Unidade de intervenção proprioceptiva

Figura 3 - Funcionamento interno das Unidades constituintes de cada Módulo do sistema aqui referido como SWORD.

Unidade de quantificação e monitorização continua de movimento (5): 8. Giroscópio 9. Acelerómetro 10. Magnetómetro 11. Bloco de fusão sensorial 12. Bloco de caracterização de Movimento

Unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6): 13. Bloco de controlo geral 14. Bloco de comunicação e sincronização

Unidade de estimulação ou actuação (7): 15. Bloco de controlo proprioceptivo e definição de estimulo 16. Elementos de estimulação proprioceptiva

Figura 4 - Exemplo de disposição dos módulos e elementos de estimulação sobre o membro superior.

Figura 5 - Exemplo de disposição dos módulos e elementos de estimulação sobre o membro inferior. 17. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região da coxa 18. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do joelho e perna

Figura 6 - Exemplo de disposição dos módulos e elementos de estimulação sobre o tronco. 9 19. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do tronco, nomeadamente abdómen

Figura 7 - Exemplo do modelo conceptual do sistema de eixos da terra e do módulo, usado para a estimação da matriz de rotação. 20. Eixo xx do sistema de eixos da terra. 21. Eixo yy do sistema de eixos da terra. 22. Eixo zz do sistema de eixos da terra. 23. Matriz de rotação que transforma os sistema de eixos da terra no sistema de eixos do módulo e vice-versa. 24. Eixo xx do sistema de eixos do módulo 25. Eixo zz do sistema de eixos do módulo. 26. Eixo yy do sistema de eixos do módulo.

Descrição detalhada do invento 0 método de reabilitação baseado no dispositivo aqui referido como SWORD, permite uma alta intensidade de treino devido ao seu uso ambulatório, visa a repetição de tarefas especificas, e é o único por ser capaz de fornecer biofeedback em termos da caracterização do movimento efectuado em termos da sua qualidade e quantidade.

Ainda em comparação com os engenhos robóticos complexos e de alta tecnologia, o método e sistema aqui referido como SWORD requer menos recursos humanos para operação e pode com maior facilidade ser disseminada pelos doentes que dela necessitem, potenciando os possíveis ganhos em saúde. 10 0 paradigma de reabilitação subjacente ao objecto da invenção, o método e sistema aqui referido como SWORD, baseia-se na aplicação extracorporal de estímulos proprioceptivos em modo intermitente ou continuo, de natureza vária (vibratórios, térmicos, pressão), sobre as principais articulações do lado afectado, por um lado, e na correcta quantificação e qualificação de todo o tipo de movimento realizado em ambulatório durante e após a actuação do estimulo. A integração e comunicação entre o sistema de estimulação e o de quantificação permitem a configuração dinâmica dos dois componentes. É ainda possível a exportação de dados de monitorização continua de movimento para suporte à decisão terapêutica em medicina de reabilitação. 0 sistema pode ser descrito segundo vários níveis de complexidade. Ao nivel macroestrutural é constituído por módulos segmentares. Cada um destes módulos é composto por Unidades, cada uma com uma função principal. Por fim, cada unidade é composta por vários blocos, que se articulam de acordo com a função desempenhada pela respectiva unidade.

Descrição detalhada da macro-estrutura do sistema 0 sistema aqui referido como SWORD é habitualmente composto por vários módulos interligados entre si. Cada módulo é responsável pela estimulação proprioceptiva e caracterização do movimento de um segmento corporal. 0 número de módulos a utilizar em cada indivíduo depende dos segmentos corporais que se pretendem estimular e dos quais se pretenda recolher informação quantitativa e qualitativa do movimento realizado em ambulatório. 11 A comunicação entre módulos decorre de forma bi-direccional. Todos os módulos comunicam entre si e partilham informações relativas ao modo de estimulação em uso e o movimento efectuado. Desta forma, cada módulo tem conhecimento do estado actual e passado dos outros módulos, permitindo assim uma configuração dinâmica do estimulo proprioceptivo a usar. Esta metodologia de comunicação permite aplicar o estimulo proprioceptivo apenas ao membro corporal responsável pela execução errónea da tarefa motora. 0 biofeedback transmitido é assim passivel de ser direccionado apenas a uma parte e não à generalidade dos elementos corporais, notificando o utilizador de forma detalhada da localização do erro. Adicionalmente, tal comunicação é essencial por forma a actualizar o modelo biomecânico em cada instante temporal, visto haver uma relação de dependência directa entre os vários elementos corporais.

Cada um dos módulos individuais (e.g. 1, 2, 3, 4, 17, 18, 19) está dedicado à estimulação de determinado segmento do corpo humano e à recolha de informação cinética desse mesmo segmento conforme a figura 1. Esta informação é comunicada entre módulos conforme a figura 1 exemplifica para o membro superior. Em cada módulo esta comunicação é estabelecida pela unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6). 0 módulo principal (1) é aquele que se encontra mais próximo do centro de gravidade corporal e que integra a informação recolhida por todos os módulos desse membro e que comanda o modo de estimulação ao nivel de cada módulo distai e define se deve ocorrer estimulação simultânea, aleatória ou segundo padrões pré-estabelecidos programados. 12

Ao nível de funcionamento interno de cada módulo, o sistema é composto habitualmente por três componentes sobrepostos e interligados conforme a figura 2: uma unidade de quantificação e monitorização contínua de movimento (5) ; uma unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6); e uma unidade de estimulação ou actuação (7). Os componentes internos de cada unidade, o modo de funcionamento de cada um e como se interligam estão descritos abaixo e na figura 3.

Ao nível da comunicação entre módulos, esta poderá ocorrer com ou sem fios, dependendo da solução vestível escolhida. No caso da comunicação e sincronização entre os módulos ser sem fios, esta é feita através de elementos de baixo consumo por forma a maximizar a autonomina do dispositivo.

Assim, para o membro superior (figura 4) , por exemplo, os módulos podem descrever-se da seguinte forma: Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na cintura escapular (1) . Ao nível da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pelo ombro. Este módulo tem primazia de controlo sobre os Módulos que o circundam, denotados por 2 e 3. Ao nível da comunicação, é o módulo 1 responsável pela sincronização dos modos de operação proprioceptiva de 2 e 3. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do braço 13 (2). Ao nível da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pelo braço. 0 seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com o módulo 1. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do antebraço (3). Ao nível da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pelo antebraço. 0 seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com o módulo 1. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região da mão (não representado na figura 4) . Ao nível da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pela mão. 0 seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com o módulo 1.

Para o membro inferior (figura 5), por exemplo, os módulos podem descrever-se da seguinte forma: Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região da coxa (17) . Ao nível da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pela coxa. Dependendo da tipologia de localização seleccionada, poderá ser o elemento principal de controlo ou ter o seu modo de operação 14 proprioceptivo sincronizado através da interface com outro módulo. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do joelho e perna (18) . Ao nivel da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pela perna. 0 seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com os restantes módulos (e.g. 17 e 19), dependendo da tipologia de localização seleccionada. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do tornozelo (não representado na figura 5) . Ao nível da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pelo tornozelo. 0 seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com os restantes módulos, dependendo da tipologia de localização seleccionada. Módulo de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento situado na região do pé (não representado na figura 5) . Ao nível da caracterização do movimento, este módulo é responsável pela caracterização do movimento executado pelo pé. 0 seu modo de operação proprioceptivo é sincronizado através da interface com os restantes módulos, dependendo da tipologia de localização seleccionada.

Em determinadas situações podem ser necessários módulos adicionais localizados na região da cabeça, tórax ou 15 abdómen (figura 6) e funcionam de modo integrado com os restantes módulos, permitindo a recolha de informação global sobre o movimento corporal, nomeadamente a detecção de quedas e permitindo ainda padrões integrados de estimulação do membro superior, inferior e tronco. Os seus componentes serão os mesmos dos restantes módulos e o seu modo de funcionamento também.

De acordo com as necessidades, o sistema pode operar apenas no membro superior, apenas no membro inferior, apenas no tronco, apenas na cabeça ou com todos os componentes segmentares possíveis ou combinações entre eles.

Em função das necessidades de recolha de informação cinética ou de estimulação, pode existir economia de módulos ao nível de cada segmento. Nesta situação, mantém-se a posição dos elementos de estimulação proprioceptiva (16), mas o número total de módulos por sistema pode ser menor.

Descrição detalhada das unidades constituintes dos módulos

Cada unidade de quantificação e monitorização contínua de movimento (5) contém giroscópios (8), acelerómetros (9), magnetómetros (10), bloco de fusão sensorial (11) e um bloco de caracterização de movimento (12) e é responsável por toda a recolha de dados cinéticos do respectivo segmento e seu processamento, para transferência para a Unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6). 16

Cada unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) contém um bloco de controlo geral (13) e um bloco de comunicação e sincronização (14). A Unidade de estimulação ou actuação (7) contém um bloco de controlo proprioceptivo e definição de estimulos (15) e elementos de estimulação proprioceptiva (16), estando estes últimos sobre o local ou locais do corpo humano que se pretendem estimular.

Conforme descrito na figura 1 e 2 a articulação entre as várias unidades constituintes de cada módulo segue 0 seguinte modelo : a Unidade de quantificação e caracterização de movimento (5) através da interface com a Unidade de controlo global (6) permite definir o tipo de estimulo a aplicar pela Unidade de intervenção proprioceptiva (7) , dependendo da posição do segmento e corporal e do movimento executado ter sido o predefinido ou não.

Descrição detalhada dos elementos e blocos que compõem as unidades em cada módulo

Os elementos 8, 9, 10 são estruturas de recolha de informação cinética (quantitativa e qualitativa), que projectam a seus dados no bloco de fusão sensorial (11). Define-se como qualificação de movimento a caracterização do deslocamento do membro no espaço em termos de translação e de rotação. Esta qualificação é obtida através da fusão das medidas provenientes dos magnetómetros (10), acelerómetros (9) e giroscópios (8) incorporados no dispositivo, usando para esse feito estimadores estocásticos. O movimento efectuado é posteriormente 17 comparado com o movimento treinado pelo paciente em ambiente clinico ao nivel do bloco 13. A parametrização do movimento treinado é obtida através da utilização do dispositivo aqui referido como SWORD em combinação com a terapia clássica de reabilitação. Esta informação é armazenada no bloco 13. 0 bloco de fusão sensorial (11) representa o algoritmo matemático que a partir de três medições independentes (aceleração, rotação angular e campo magnético) calcula a translação e rotação no espaço do módulo e do segmento corporal a que este esta associado. Este bloco 11 recebe informação, de forma unidireccional, dos elementos 8, 9 e 10 e projecta-a no bloco 12. O algoritmo matemático subjacente ao bloco de fusão sensorial baseia-se na estimação de uma matriz de rotação (23) entre dois eixos de referência, que dizem respeito ao sistema de eixos de referência na terra e o sistema de eixos do módulo em rotação (figura 7). Assim sendo, a rotação estimada para o módulo será sempre referenciada ao sistema de eixos da terra. A matriz de rotação (23) que transforma o sistema de eixos na terra no sistema de eixos do módulo (e vice-versa) é obtida através da integração discreta no tempo das medidas do giroscópio (8) referentes à rotação angular. Caso as medidas provenientes do giroscópio (8) fossem livres de ruido, esta operação matemática seria suficiente para estimar a rotação do módulo no espaço tri-dimensional. No entanto, como tal não sucede, será necessário estimar o ruido presente nas medidas do giroscópio por forma a haver uma consequente compensação do mesmo. Após esta compensação, obtêm-se as medidas do giroscópio livres de erro, e, logicamente, a matriz de rotação (23) decorrente 18 da integração em tempo discreto das medidas do giroscópio (8) estará também livre de erro. A estimação do erro presente nas medidas provenientes do giroscópio resulta da comparação geométrica entre o sistema de eixos da terra com os vectores de referência obtidos através do magnetómetro (12) e do acelerómetro (9). 0 ruído presente nas medidas da rotação angular estará também presente no sistema de eixos da terra, visto que este é obtido através da multiplicação da matriz de rotação (23) com o sistema de eixos do módulo.

Embora as medidas provenientes de ambos os blocos contenham também ruido, este será sempre independente do verificado nas medidas do giroscópio (8) . Para estimar o erro nas medidas da rotação angular referentes a (22), este é comparado com o vector gravítico obtido pelo bloco do acelerómetro (9). A comparação é efectuada através do produto externo, o que nos dará a magnitude e direcção do erro presente nas medidas da rotação angular. De forma análoga, para estimar o erro presente nas medidas de rotação angular relativas a (20) e (21) do sistema de eixos da terra, este é comparado com o vector do campo magnético obtido pelo bloco do magnetómetro. A comparação é também efectuada usando o produto externo entre ambos os vectores. Para finalizar o processo de compensação, ambas as componentes de erro obtidas são aplicadas num controlador do tipo proporcional-integral de onde resultarão as medidas de rotação angular livres de erro e que poderão ser usados na integração discreta no tempo da matriz de rotação (23). Dependendo da notação requerida para representar a rotação tri-dimensional do módulo no espaço, a matriz de rotação poderá ser transformada em ângulos de Euler ou quaterniões. 19

Este processo de compensação de erro apresenta as vantagens de ser eficiente a nivel do tempo de processamento requerido, passível de ser implementado num microcontrolador a operar em tempo real. Outra vantagem está na sua proficiência na estimação do erro presente nas medidas do giroscópio. 0 bloco de caracterização de movimento (12) representa o algoritmo matemático que combina as medidas de rotação e translação provenientes do bloco de fusão sensorial (11) com a descrição do sistema biomecânico representativo do utilizador. Este bloco apresenta como saída os vectores que descrevem de forma matemática o movimento executado. Este bloco 12 recebe informação de forma unidireccional do bloco 11 relativa à translação e rotação no espaço do segmento a caracterizar em termos de movimento. 0 bloco 12 recebe e envia informação de e para o bloco 13. 0 algoritmo matemático transforma, através das operações de rotação e translação, cada elemento vectorial do sistema biomecânico. 0 elemento transformador representa a rotação de um eixo de referência no espaço tridimensional e pode existir na forma de quaterniões, matrizes de rotação ou ângulos de Euler. 0 elemento transformado poderá ser qualquer posição de interesse do sistema biomecânica definida no espaço tridimensional. 0 bloco 13 (figura 3) é o bloco de controlo global responsável pela agregação e análise da informação recebida pelos três blocos 12,14 e 15. 0 bloco 13 recebe e envia informação para os blocos 12,14 e 15. Esta informação, ao nível de cada módulo é de dois tipos: interna ao módulo, quando provém dos blocos 12 e 15; e externa ao módulo (proveniente de outros módulos) quando provém do bloco 14 20 responsável pela comunicação e sincronização entre módulos. A informação recebida ao nivel do bloco 13 é relativa à caracterização do movimento dos outros segmentos corporais a reabilitar. A informação enviada para o bloco 13 refere-se à caracterização de movimento do segmento relativo ao módulo. A lógica interna é estabelecida através do uso de um microcontrolador que é o constituinte principal do bloco de controlo geral (13) da Unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6). 0 movimento efectuado, caracterizado pelas dinâmicas dos pontos de interesse definidos e calculados no bloco de caracterização de movimento (12), é comparado com as métricas de uma execução motora considerada normal. A informação relativa ao desvio na qualidade do movimento executado é transformada num estimulo proprioceptivo, especificado de acordo com o elemento corporal que provocou um movimento executado de forma anormal. 0 bloco 13 envia para o bloco 15 a definição dinâmica do estimulo proprioceptivo a aplicar. 0 bloco 15 efectua a interface entre o bloco 13 e os elementos de estimulação proprioceptiva (16). 0 bloco de controlo proprioceptivo e definição de estimulo (15) adapta o sinal modulado proveniente do bloco de controlo geral (13) por forma a ser obtida uma eficiente transdução para os elementos de estimulação proprioceptiva (16) . No caso da estimulação ser de base vibratória, adaptará o sinal proveniente do microcontrolador em termos 21 de corrente por forma a ser convenientemente replicado na sua topologia pelos motores de vibração.

Descrição detalhada dos modos de comunicação entre módulos e com o exterior

Ao nivel da comunicação com os módulos, esta poderá ocorrer com ou sem fios, dependendo da solução vestivel escolhida. No caso da comunicação/sincronização entre os módulos ser sem fios, esta é efectuada através de elementos de baixo consumo por forma a maximizar a autonomia do dispositivo.

Entendem-se por módulos principais, por exemplo, o módulo colocado no ombro, no caso do membro superior, e o módulo colocado na coxa no caso do membro inferior. Os restantes módulos comunicam entre eles através de uma rede interna de comunicação. Em todos os módulos está incorporado um transmissor e receptor. Nos módulos principais estão incorporados sistemas de armazenamento de informação. A comunicação extra-módulos ocorre entre os módulos principais e o software de análise do clinico responsável pelo plano terapêutico. Esta comunicação ocorre de forma bi-direccional e permite obter os dados relativos ao uso ambulatório do dispositivo por parte do utilizador. Permite também configurar a rede de módulos em termos da caracterização de movimento e definição do estimulo de acordo com o plano terapêutico especificado pelo clinico. A rede de comunicação interna troca informação relativa à rotação e translação de cada elemento sensorial no espaço tri-dimensional, por forma a ser possível no bloco de caracterização de movimento (12) de cada módulo um mapeamento dos vários segmentos corporais num modelo 22 biomecânico completo, passível de representar as dinâmicas de movimento. A troca de informação entre módulos contempla também a definição de estímulo proprioceptivo que está a ser aplicada em cada módulo. Esta componente permite a estimulação proprioceptiva de forma ritmada, visto que, cada módulo conhece a sequência e temporização de cada estímulo proprioceptivo, em cada módulo.

Descrição detalhada das possibilidades de parametrização e configuração do sistema 0 dispositivo permite também a sua rápida configuração através da comunicação entre o módulo principal e um computador pessoal, usando para esse efeito um software desenvolvido especificamente. A nível da configuração do dispositivo, é possível definir o modo de estimulação entre contínuo ou intermitente e se for seleccionado este último, será possível configurar o intervalo de actuação. Outra possibilidade é a configuração da amplitude dos estímulos, se estes forem do tipo vibratório, e se ocorrem de forma síncrona ou assíncrona em todos os módulos. É também possível visualizar neste software os movimentos efectuados pelo paciente após actuação do estímulo e a respectiva avaliação quando comparados com os movimentos efectuados em ambiente clínico. A configuração dinâmica da rede de módulos situada no membro superior é efectuada por ex. pelo módulo principal colocado no ombro. A configuração dinâmica da rede de módulos situada no membro inferior é efectuada por ex. pelo módulo principal colocado na coxa. Os módulos principais são responsáveis pela agregação da informação proveniente da rede que, combinada com a definição prévia da terapêutica permite adequar melhor o estímulo proprioceptivo à situação. A definição prévia da 23 terapêutica é efectuada pelo software ao dispor do clinico que efectua a sincronização com a rede através de ambos os módulos principais.

Descrição detalhada da alimentação energética do sistema

Cada módulo inclui numa realização preferencial uma fonte de energia portátil que permitirá o uso do dispositivo por várias horas ou mais. A autonomia total dependerá da configuração do dispositivo em relação ao seu modo de actuação. As baterias podem ser incluídas no mesmo encapsulamento dos módulos e preferencialmente permitem ser recarregadas através de uma ligação USB a um computador ou a uma tomada eléctrica (através do uso de um adaptador específico).

Descrição detalhada dos possíveis estímulos proprioceptivos e sua localização

Dispositivos para aplicação do estímulo (e.g., vibratório, táctil, térmico, doloroso, entre outros). No caso do estímulo ser do tipo vibratório, este pode ser efectuado por meio de motores de vibração controlados ao nível da amplitude e frequência do estímulo através da tensão aplicada aos seus terminais. A definição do estímulo é efectuada através da combinação de três variáveis: frequência de vibração, amplitude de vibração e intervalo entre a actuação de estímulos. Se o modo de actuação for especificado como contínuo, a definição do estímulo passará a depender apenas de duas variáveis: frequência de vibração e amplitude de vibração. 0 posicionamento dos elementos de actuação proprioceptiva dependerá da configuração seleccionada e do membro a reabilitar: o membro superior ou o membro inferior. Uma possibilidade será, para o caso de serem utilizados estimulos de natureza vibratória, a colocação de um motor de vibração por cada eminência óssea em posição próxima às principais articulações do membro superior (ombro, cotovelo, punho, carpo e mão) e do membro inferior (anca, joelho, tornozelo, tarso e pé).

Exemplos de utilização, vantagens associadas e impacto na área da Neurorreabilitação A utilização deste dispositivo logo desde uma fase inicial após AVC e sem restrição de tempo, pode significar grandes proveitos em neurorreabilitação e através da democratização do acesso a esta tecnologia permitir impacto social e ganhos objectivos em saúde. Para isto contribuirão também outras características como o baixo custo de produção e operação comparativamente a outro tipo de tecnologias, a autonomia energética e a possibilidade de uso ambulatório, manuseado pelos familiares e futuramente incorporado numa peça de vestuário.

Considerando o processo de reabilitação dos doentes com défices neurológicos após um acidente vascular cerebral a aplicação desta tecnologia permite uma nova geração de processos, aqui identificados: 1) os planos de reabilitação tradicionais podem passar a ser intensificados através do uso do dispositivo aqui referido como SWORD em ambulatório 25 2) toda a actividade em ambulatório passa a poder ser monitorizada em tempo real e diferido usando para esse efeito, por exemplo, a tecnologia Bluetooth na sua versão de baixo consumo de potência.

3) podem ser criados novos algoritmos de decisão clinica com base nos dados de monitorização disponibilizados pelo sistema e método aqui referido como SWORD 4) podem ser concebidos e testados planos de reabilitação que incluam progressivamente mais actividades em ambulatório, sem perda de intensidade terapêutica A aplicação do sistema e método aqui referido como SWORD permite uma mudança radical. Pela primeira vez podem passar a existir dispositivos com as seguintes características: estimulação vibratória instrumentos para aplicação de estimulos vibratórios e proprioceptivos em todas as articulações do membro superior e inferior actividade integrada de todos os estimuladores permitindo programação de sequências de activação estimulos ajustados automaticamente em função da quantidade e/ou qualidade de movimento detectada na parte do corpo em reabilitação quantificador de movimento global e segmentar caracterização qualitativa dos padrões de movimento efectuado em todos os segmentos dos membros quando em uso integração dos instrumentos de estimulação proprioceptiva e de quantificação e qualificação de movimento 26 integrado em peça de vestuário de utilização fácil em pessoas com hemiparesia por lesão do sistema nervoso central programável directamente programável à distância registo de utilização onsite registo de utilização online ferramentas de análise clinica de movimento para suporte à tomada de decisão em reabilitação baterias recarregáveis de longa duração (>24h) A presente invenção permitirá assim o uso ambulatório que combina a possibilidade de estimulação vibratória e a caracterização continua do movimento efectuado pela parte do corpo deficitária e a disponibilização de informação recolhida ao doente e aos clinicos responsáveis através de um software especifico.

Lisboa, 02 de Julho de 2013 27

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Sistema para estimulação proprioceptiva, monitorização e caracterização de movimento caracterizado por ser passivel de acoplamento em ambulatório sobre os membros ou membros e tronco do corpo humano e por compreender um ou mais módulos de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento (1, 2, 3, 4, 17, 18, 19) que compreende uma unidade de quantificação e monitorização de movimento (5) ; uma unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6); uma unidade de estimulação ou actuação proprioceptiva (7) conectada a um ou mais elementos de estimulação proprioceptiva (16); sendo os referidos módulos interligados bidireccionalmente entre si.
2. Sistema de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a unidade de quantificação e monitorização de movimento (5) compreender um sensor giroscópio (8), um sensor acelerómetro (9) e um sensor magnetómetro (10).
3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2 caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) estar programada para consoante o deslocamento no espaço, em termos de translação e de rotação, do membro do corpo humano ao qual o respectivo módulo está acoplado, definir o tipo, intensidade e intervalo de estímulo a aplicar pela unidade de intervenção proprioceptiva (7). 1
4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de quantificação e monitorização de movimento (5) compreender um bloco de fusão sensorial (11) interligado aos referidos sensores (8, 9, 10); e compreender um bloco de caracterização de movimento (12) interligado ao referido bloco de fusão sensorial (11).
5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) compreender um bloco de controlo geral (13) e um bloco de comunicação e sincronização (14).
6. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de estimulação ou actuação proprioceptiva (7) compreender um bloco de controlo proprioceptivo e definidor de estímulos (15) para conexão aos referidos elementos de estimulação proprioceptiva (16).
7. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) estar adicionalmente programada para aplicar estimulação simultânea, aleatória ou segundo padrões pré-estabelecidos programados.
8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) estar adicionalmente programada para detectar quedas. 2
9. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) estar programada para consoante o desvio, relativamente ao predefinido, do movimento de deslocamento no espaço, em termos de translação e de rotação, do membro do corpo humano, ao qual o respectivo módulo está acoplado, assim definir o tipo, intensidade e intervalo de estimulo a aplicar pela unidade de intervenção proprioceptiva (7).
10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6) estar programada para, a partir das medidas obtidas pelos referidos sensores (8, 9, 10), integrar discretamente uma matriz de rotação (23), que após correcção do erro presente nas referidas medidas, permite obter o deslocamento no espaço, em termos de translação e de rotação, do membro do corpo humano, ao qual o respectivo módulo está acoplado.
11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por um ou mais módulos estarem acoplados ao ombro (1), ao braço (2), ao antebraço (3), à mão (4), à coxa (17), ao joelho e perna (18), e/ou ao tronco em particular abdómen (19).
12. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o módulo que se encontre mais próximo do centro de gravidade corporal ser o módulo principal programado para integrar a informação recolhida por todos os módulos desse membro. 3
13. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por os módulos estarem programados para a produção de estimulação proprioceptiva de forma ritmada, sendo que, cada módulo conhece a sequência e temporização de cada estimulo proprioceptivo, sincronizado com os restantes módulos.
14. Método estimulação proprioceptiva, monitorização e caracterização de movimento caracterizado por compreender acoplar, em ambulatório, sobre os membros ou membros e tronco do corpo humano um ou mais módulos de controlo, estimulação proprioceptiva e quantificação de movimento (1, 2, 3, 4, 17, 18, 19) que compreendem uma unidade de quantificação e monitorização de movimento (5) ; uma unidade de controlo global, comunicação e sincronização entre módulos (6); uma unidade de estimulação ou actuação proprioceptiva (7) conectada a um ou mais elementos de estimulação proprioceptiva (16); sendo os referidos módulos interligados bidireccionalmente entre si. Lisboa, 02 de Julho de 2013 4