A framework for the User-Centered Design of personalized hybrid wearable robots for gait rehabilitation

Abstract

ANTECEDENTES Se espera que los dispositivos robóticos portátiles (WRD) para la rehabilitación de la marcha, solos o combinados con estimulación eléctrica muscular, proporcionen mejores resultados clínicos que la terapia de rehabilitación tradicional, sin embargo, la evidencia clínica muestra resultados modestos. Una de las causas de este fenómeno es la diferencia entre las necesidades del usuario y las características del sistema (diseño mecatrónico, configuración, y tipo de asistencia). El estado del arte destaca la limitada evaluación de la satisfacción del usuario con WRD, la necesidad de mejorar la usabilidad de los dispositivos y la falta de instrumentos confiables y válidos para evaluar los dispositivos desde la perspectiva del usuario. En consecuencia, insta a involucrar a personas con lesiones neurológicas en el diseño de WRD para crear dispositivos que respondan a sus necesidades, porque los usuarios aceptan una tecnología solo si es útil para satisfacer sus necesidades. El diseño centrado en el usuario (UCD) es un enfoque que considera a los usuarios de un dispositivo como el centro de un proceso de diseño iterativo. El UCD no sólo considera las etapas de diseño sino también las etapas involucradas a de desarrollo y evaluación de tecnologías. En el caso de los dispositivos robóticos para la rehabilitación de la marcha, estas etapas involucran a diferentes tipos de usuarios y actores, que incluyen personas con afectación de la marcha, sus cuidadores, médicos a cargo de su rehabilitación, desarrolladores de tecnologías, proveedores de atención médica y compañías de seguros. Por lo tanto, la implementación de UCD para estas tecnologías debe considerarles en las etapas en las que cada uno esté involucrado. Para lograrlo se necesita un enfoque interdisciplinario que permita comunicarse con ellos, involucrarles y, en última instancia, proporcionar herramientas útiles para cada uno de estos actores. Algunos esfuerzos se han realizado en años recientes en este sentido, pero han estado centrados principalmente en los requisitos técnicos y el rendimiento de los dispositivos en lugar de considerar todas las dimensiones que son importantes para los usuarios. OBJETIVOS Esta tesis comprende la investigación realizada para proporcionar herramientas a varios de los actores antes mencionados en todas las etapas relacionadas con el desarrollo y uso de WRD para rehabilitación de la marcha. En este sentido, el objetivo de esta tesis es proporcionar un marco integral para la implementación del UCD para robots vestibles híbridos y personalizables para la rehabilitación de la marcha. METODOLOGÍA El marco propuesto comprende las etapas de: diseño del dispositivo (capítulo 3), métricas novedosas para evaluar de manera integral la función de la marcha en lesiones neurológicas que se pueden aplicar tanto durante el entrenamiento de la marcha asistido por robots (RAGT) como para evaluar la mejora de la marcha como consecuencia de la rehabilitación (capítulo 5), propuestas en base a estudios que exploran patrones cinemáticos de la marcha de personas con lesión medular (SCI) (capítulo 4), creación e implementación de protocolos experimentales para personalizar y evaluar los robots híbridos (capítulo 6) y, por último, una herramienta para facilitar y promover la evaluación de usabilidad de estos dispositivos (capítulo 7). La metodología específica seguida para realizar las contribuciones en cada uno de estos campos tiene diferentes aproximaciones y aborda diferentes herramientas. Para el capítulo 3, se realizó un estudio cualitativo usando la metodología de análisis de contenido dirigido para definir los requisitos de los usuarios para el diseño de WRD para la rehabilitación de la marcha. Se recabaron los requisitos publicados en literatura previa con los que se crearon entrevistas semiestructuradas que fueron realizadas a personas con SCI con (6 personas) y sin experiencia (9 personas) en el uso de estas tecnologías y personal clínico a cargo de su rehabilitación (10 personas), con el objetivo de contrastar los requisitos expresados por esa población respecto a los disponibles en la literatura e indagar posibles códigos adicionales no reportados previamente. En el capítulo 4 se emplearon algoritmos de aprendizaje de máquina de agrupamiento y clasificación para indagar patrones de marcha dentro de la población con SCI e identificar los parámetros que permiten discriminar de forma óptima la cinemática de esta población respecto a la de sujetos sin afectación de la marcha. El capítulo 5 presenta el desarrollo de una métrica de marcha clínicamente relevante que resume la cinemática de la población con SCI, que es computada a partir de datos de fotogrametría. Esta métrica, llamada gait deviation index for spinal cord injury (SCI-GDI), se obtiene a partir de la descomposición en valores singulares y la identificación de la cantidad mínima de componentes para formar una base ortonormal que permita reconstruir con fidelidad las curvas cinemáticas de una base de datos extensa de cinemática de personas con SCI. La base metodología matemática para la derivación de la métrica está inspirada en el gait deviation index, un índice que fue desarrollado originalmente con datos de población pediátrica con parálisis cerebral pero que ha sido ampliamente usada para valorar la marcha de diferentes poblaciones con afectaciones neurológicas. Una versión adaptada de esa misma métrica es desarrollada para ampliar su uso a sistemas de captura de movimiento más simples que la fotogrametría. Para ello, se suma el conocimiento clínico de la relevancia de los movimientos articulares contemplados para el cálculo de la métrica en la población específica de SCI, con la exploración matemática de los efectos de reducir las articulaciones requeridas para computar la métrica. Finalmente, para tener una valoración integral de la marcha, que contemple dimensiones relevantes y complementarias como son la cinemática, los parámetros espaciotemporales y las valoraciones funcionales, el último apartado del capítulo presenta la propuesta de una métrica integral para valoración de la marcha en el lesionado medular que comprende información clínicamente relevante y es intuitiva de interpretar. Para los estudios de los capítulos 4 y 5 se recabaron bases de datos retrospectivas de estudios de marcha realizados en el Hospital Nacional de Parapléjicos, en Toledo, España. El capítulo 6 contiene el trabajo experimental de la tesis, en el que se presenta una estrategia de personalización para un exoesqueleto híbrido de rehabilitación de la marcha que se evalúa en un estudio piloto con 10 sujetos con SCI o ictus. La metodología de personalización fue definida para ser implementada rápidamente en el contexto clínico a partir del conocimiento de los profesionales de la salud involucrados en el proceso de rehabilitación de estos pacientes. Los resultados de la asistencia inmediata brindada por la tecnología personalizada se valoran a través de la cinemática y parámetros espaciotemporales de la marcha. El protocolo experimental también aborda la evaluación de usabilidad del sistema a través de escalas estandarizadas, dada la relevancia que tiene la usabilidad para los usuarios de estas tecnologías, como se evidenció en el capítulo 3. Finalmente, en línea con este último aspecto, el capítulo 7 presenta el proceso para definir un conjunto de atributos que abarcan la evaluación de usabilidad en WRD y la validación global de las definiciones construidas, de la relevancia de los atributos en el campo y de su aplicación en los desarrollos realizados por los desarrolladores que participaron en el estudio. Para ello, se realizó una encuesta online en la que participaron 70 desarrolladores de 17 países del mundo....