The history of robotic surgery and its evolution: when illusion becomes reality / Evolução e história da cirurgia robótica: da ilusão à realidade

ABSTRACT The term "robot" was concepted in the beginning of last century, coming originally from the Czech word "robota", meaning "labor". More recently, computer assistance and robotics based in the telepresence and virtual reality concept have been applied to surgical procedures. The application of robots in surgery dates approximately 35 years, experiencing significant growth in the last two decades fueled by the advent of advanced technologies. Despite its recent and brief status in surgery history, robotic technology has already proven its enhanced visualization, superior dexterity and precision during minimally invasive procedures. Currently, the worldwide diffused and predominant robot system used in surgery is Da Vinci by Intuitive Surgical, however robotic surgery evolution is far from over, with multiple potential competitors on the horizon pushing forward its paradigms. We aim to describe the history and evolution of robotic surgery in the last years as well as present its future perspectives.

RESUMO O termo "robô" foi concebido no início do século passado, derivado originalmente da palavra tcheca "robota", que significa "trabalho". Mais recentemente, a tecnologia de computação associada à robótica, baseada no conceito de telepresença e realidade virtual, têm sido aplicadas aos procedimentos cirúrgicos. A aplicação de robôs em cirurgia data de aproximadamente 35 anos, experimentando um crescimento significativo nas últimas duas décadas impulsionado pelo advento de novas tecnologias e seus resultados. Apesar de seu status breve comparado à longevidade da história da cirurgia, a tecnologia robótica já provou seus potenciais benefícios com visualização aprimorada, destreza superior e maior precisão durante procedimentos minimamente invasivos. Atualmente, a plataforma robótica mundialmente difundida e predominantemente usada em cirurgia é o modelo Da Vinci da empresa Intuitive Surgical, e a evolução desse novo conceito de cirurgia está longe de terminar, com inúmeros competidores potenciais no horizonte impulsionando a quebra de paradigmas. Nosso objetivo nesta revisão é descrever a história e evolução da cirurgia robótica nos últimos anos, bem como apresentar suas perspectivas futuras.

Technical essential aspects in robotic colorectal surgery: mastering the Da Vinci Si and Xi platforms / Aspectos técnicos essenciais em cirurgia robótica colorretal: dominando as plataformas Da Vinci Si e Xi

ABSTRACT Background: laparoscopy surgery has many proven clinical advantages over conventional surgery and more recently, robotic surgery has been the emerging platform in the minimally invasive era. In the colorectal field, although overcoming limitations of standard laparoscopy, robotic surgery still faces challenging situations even by the most experienced colorectal surgeons. This study reports essentials technical aspects and comparison between Da Vincis Si and Xi platforms aiming to master and maximize efficiency whenever performing robotic colorectal surgery. Methods: this study overviews the most structured concepts and practical applications in robotic colorectal surgery in both Si and Xi Da Vinci platforms. Possible pitfalls are emphasized and step-wise approach is described from port placement and docking process to surgical technique. We also present data collected from a prospectively maintained database. Results: our early experience includes forty-four patients following a standardized total robotic left-colon and rectal resection. Guided information and practical applications for a safe and efficient robotic colorectal surgery are described. We also present illustrations and describe technical aspects of a standardized procedure. Conclusion: performing robotic colorectal surgery is feasible and safe in experienced surgeons hands. Although the Da Vinci Xi platform demonstrates greater versatility in a more user-friendly design with technological advances, the correct mastery of technology by the surgical team is an essential condition for its fully robotic execution in a single docking approach.

RESUMO Introdução: a cirurgia laparoscópica demonstrou vantagens sobre a cirurgia convencional e, mais recentemente, a cirurgia robótica tem sido a plataforma emergente na era cirúrgica minimamente invasiva. Na prática colorretal, embora supere as limitações da laparoscopia, a cirurgia robótica ainda enfrenta situações desafiadoras, mesmo diante de cirurgiões colorretais experientes. Este estudo relata aspectos técnicos essenciais e comparação entre as plataformas Si e Xi Da Vinci com o objetivo de auxiliar e maximizar a eficiência na realização de cirurgia robótica colorretal regrada. Métodos: este estudo apresenta uma visão geral dos conceitos essenciais e aplicações práticas em cirurgia robótica colorretal nas plataformas Da Vinci Si e Xi. As potenciais dificuldades são enfatizadas e uma abordagem em etapas é descrita desde a colocação dos portais e seu processo de docking até a técnica cirúrgica. Também apresentamos brevemente dados coletados de um banco de dados mantido de forma prospectiva. Resultados: nossa experiência inicial inclui quarenta e quatro pacientes submetidos à cirurgia totalmente robótica padronizada na ressecção colônica e retal. Informações e aplicações práticas para uma cirurgia robótica colorretal segura e eficiente são descritas. Também são apresentadas ilustrações e dados breves da experiência. Conclusão: a cirurgia robótica colorretal é viável e segura nas mãos de cirurgiões experientes, no entanto ainda enfrenta desafios. Apesar da plataforma Da Vinci Xi demonstrar maior versatilidade em um design mais amigável com avanços tecnológicos, o correto domínio da tecnologia pela equipe cirúrgica é condição essencial para sua execução totalmente robótica em etapa única.

Rehabilitación temprana de fracturas de radio distal con ortesis robóticas. Reporte de Casos / Early rehabilitation of distal radius fractures with robotic orthosis. Case Report

Introducción Los exoesqueletos robóticos son una nueva alternativa para complementar los procesos de rehabilitación funcional de la muñeca, facilitando la terapia de movilización pasiva temprana posterior a eventos traumáticos locales, con el propósito de mantener o restaurar el arco articular mientras cicatrizan los tejidos o consolidan las fracturas. El objetivo del estudio es presentar los resultados de la terapia de movilización temprana de forma pasiva mediante ortesis robóticas de muñeca. Materiales y Métodos Se seleccionaron cuatro pacientes con fracturas de radio distal, quienes fueron tratados quirúrgicamente con reducción abierta de la fractura más osteosíntesis con sistema de placa de bloqueo volar, fisioterapia convencional y movilización temprana con la órtesis robótica PRO-Wix; además, se hizo seguimiento clínico de la funcionalidad (escala DASH), del dolor (escala EVA), de los arcos de movilidad articular (goniómetro), de la adherencia y los potenciales eventos adversos. Resultados todos los pacientes se reintegraron a sus actividades de la vida diaria luego de tres semanas de rehabilitación, se registró recuperación del arco de movilidad articular, disminución de la intensidad del dolor, recuperación funcional, adecuada adherencia y no se presentaron eventos adversos. Discusión conservar al máximo la anatomía articular en la intervención quirúrgica especializada es la base para iniciar la rehabilitación temprana, y permitirá que el paciente tolere la movilización pasiva con órtesis robóticas.

Background Robotic exoskeletons are a new alternative to complement the functional rehabilitation processes of the wrist, facilitating early passive mobilization therapy after local traumatic events, with the purpose of maintaining or restoring joint range of motion while the tissues heal. The aim of the study is to present the results of early mobilization therapy in a passive robotic wrist orthosis. Methods Four patients with distal radius fractures were selected, treated surgically with open reduction and internal fixation of distal radius fracture with volar plate locking system. Conventional physiotherapy and early mobilization with the PRO-Wix robotic orthosis was performed. Clinical monitoring of functionality (DASH scale), pain (VAS scale), joint mobility arches (goniometer), adherence and potential adverse events were carried out. Results all patients returned to their daily living activities after three weeks of rehabilitation. Recovery of normal wrist joint range of motion was achieved; decreased in pain intensity, functional recovery, adequate adherence to rehabilitation protocol and adverse events were also recorded. Discussion preserving the joint anatomy as much as possible in specialized surgical intervention is the basis for starting early rehabilitation, and allowing the patient to tolerate passive mobilization with robotic orthoses. Further studies including a wide number of patients have to be conducted.

Sistema para medición y predicción de la intensión de movimiento / System for measurement and prediction of motion intention

En la actualidad, los dispositivos de asistencia para el movimiento humano como exoesqueletos se utilizan ampliamente para resolver problemas ergonómicos en tareas como el trabajo repetitivo, la rehabilitación, etc., esto permite mantener o mejorar el nivel de calidad de vida del usuario lo que permite nuevos movimientos o reduce la fatiga al final de un día de trabajo. El estudio y desarrollo de estos exoesqueletos requiere en gran medida parámetros externos (condiciones de operación y propósito) y parámetros internos del movimiento. Estos requisitos y características son aspectos fundamentales para detectar qué tipo de acción desea realizar en el proceso de movimiento del cuerpo. El control de los exoesqueletos que se utilizan en la actualidad se suele realizar manualmente o la reacción al movimiento detectado, causando problemas de demoras en la realización del movimiento o la incomodidad de llevar a cabo el mismo, por lo que hoy por hoy se realizan estudios para identifique de manera fiel la acción que el usuario intenta realizar y apoye el movimiento desde antes de que comenzara. El objetivo del proyecto es identificar de la intensión de movimiento de personas mediante señales de electroencefalografía y electromiografía de superficie como punto de partida para futuros métodos de control de exoesqueletos. Como resultado del estudio, se obtuvo el diseño y la implementación de un sistema para obtener, procesar e identificar señales electrofisiológicas para predecir la intención de movimiento de los miembros inferiores con porcentajes de aciertos superiores a 86,66 por ciento(AU)

At present, assistive devices for human movement such as exoskeletons are widely used to solve ergonomic problems in tasks such as repetitive work, rehabilitation, etc., this allows maintaining or improving the level of quality of life of the user which allows new movements or reduces fatigue at the end of a work day. The study and development of these exoskeletons largely requires external parameters (operating conditions and purpose) and internal movement parameters. These requirements and characteristics are fundamental aspects to detect what kind of action you want to perform in the process of body movement. The control of the exoskeletons that are currently used is usually done manually or the reaction to the movement detected, causing problems of delays in the realization of the movement or the discomfort of carrying out the movement, so studies are currently carried out to faithfully identify the action that the user tries to perform and support the movement from before it began. The objective of the project is to identify the intention of movement of people by means of electroencephalography and surface electromyography signals as a starting point for future exoskeleton control methods. As a result of the study, the design and implementation of a system was obtained to obtain, process and identify electrophysiological signals to predict the intention of movement of the lower limbs with success rates greater than 86.66 percent(AU)

Rehabilitación de fracturas del radio distal con órtesis robóticas / Rehabilitation of distal radius fractures with robotic orthoses

Introducción. El presente estudio es una serie de casos clínicos que describe los resultados de un tratamiento de fracturas del radio distal realizado en Manizales, Colombia, por el grupo de investigación F-CIBER-HAND y que integra el manejo quirúrgico de la fractura, la rehabilitación convencional y la rehabilitación con órtesis robóticas. Objetivo. Generar evidencia clínica (nivel III) sobre las ventajas de la movilización pasiva temprana con órtesis robóticas en la rehabilitación de pacientes posquirúrgicos de fracturas del radio distal. Materiales y métodos. Se seleccionaron 10 pacientes con fracturas del radio distal que presen- taron limitación funcional de la muñeca después de dos semanas del posoperatorio; a los sujetos se les practicó terapia física y movilización pasiva con órtesis robótica PRO-Wix. Resultados. Los pacientes presentaron mejoría funcional de la muñeca según el cuestionario Disabilities of the Arm, Shoulder and Hand score, disminución de la intensidad del dolor según la escala visual analógica y recuperación del arco de movilidad articular según goniometría. Además, luego de tres semanas de rehabilitación retornaron a las actividades que realizaban antes de la fractura. Discusión. Es necesario realizar nuevos ensayos clínicos aleatorizados para poder determinar las ventajas de la movilización temprana con órtesis robóticas frente a la implementación exclusiva de la terapia convencional. Conclusiones. La movilización pasiva con órtesis robóticas complementa eficazmente la terapia física en pacientes posquirúrgicos de fracturas del radio distal y favorece la disminución del dolor, la recuperación del arco de movilidad articular y la funcionalidad.

Introduction. The present study is a clinical case series describing the results of a distal radius fracture treatment performed in Manizales, Colombia, by the F-CIBER-HAND research group and integrating surgical fracture management, conventional rehabilitation and rehabilitation with robotic orthoses. Objective. To generate clinical evidence (level III) on the advantages of early passive mobilization with robotic orthoses in the rehabilitation of post-surgical patients with fractures of the distal radius. Materials and Methods. Ten patients with fractures of the distal radius who presented functional limitation of the wrist two weeks postoperatively were selected; the subjects underwent physical therapy and passive mobilization with PRO-Wix robotic orthoses. Results. The patients presented functional improvement of the wrist according to the Disabilities of the Arm, Shoulder and Hand score questionnaire, decrease of pain intensity according to the visual analog scale and recovery of joint mobility arc according to goniometry. In addition, after three weeks of rehabilitation they returned to the activities they performed before the fracture. Discussion. Further randomized clinical trials are needed in order to determine the advantages of early mobilization with robotic orthoses versus the exclusive implementation of conventional therapy. Conclusions. Passive mobilization with robotic orthoses effectively complements physical therapy in postsurgical patients with distal radius fractures and promotes pain reduction, recovery of joint range of motion, and function.

Rehabilitación de fracturas de mano con ortesis robóticas / Rehabilitation of hand fractures with robotic orthoses

Introducción: el presente estudio corresponde a una serie de casos clínicos que describe los resultados del tratamiento de fracturas de mano realizado por el grupo de investigación F- CIBER-HAND en Manizales, Colombia; este tratamiento integra el manejo quirúrgico de la fractura, la rehabilitación convencional y la rehabilitación con ortesis robóticas. Objetivo: generar evidencia clínica (nivel III) de que el manejo interdisciplinario especializado y el uso de ortesis robóticas disminuye la rigidez articular en los pacientes post-quirúrgicos de fracturas de la mano. Materiales y métodos: se seleccionaron 10 pacientes con fracturas de mano que presentaron signos clínicos de rigidez articular después de dos semanas del post operatorio, se les practicó terapia física y movilización pasiva con la ortesis robótica PRO-Dix. Resultados: todos los pacientes tuvieron mejoría funcional de la mano según escala DASH, disminución de la intensidad del dolor según escala visual análoga del dolor y recuperación del arco de movilidad articular según goniometría; además, retornaron a las actividades de la vida diaria que realizaban previas a la fractura. Discusión: se requieren ensayos clínicos aleatorizados para determinar las ventajas del protocolo de rehabilitación que incluye ortesis robótica versus la terapia convencional exclusivamente. Conclusiones: la movilización pasiva con ortesis robóticas complementa de forma eficaz la terapia física en pacientes post-quirúrgicos de fracturas de la mano, lo que favorece la recuperación de los arcos de movilidad articular y disminuye la rigidez articular.

Introduction: the present study corresponds to a series of clinical cases describing the results of the treatment of hand fractures carried out by the F- CIBER-HAND research group in Manizales, Colombia; this treatment integrates surgical management of the fracture, conventional rehabilitation and rehabilitation with robotic orthoses. Objective: to generate clinical evidence (level III) that specialized interdisciplinary management and the use of robotic orthoses reduces joint stiffness in post-surgical patients with hand fractures. Materials and methods: 10 patients with hand fractures who presented clinical signs of joint stiffness two weeks after surgery were selected and underwent physical therapy and passive mobilization with the PRO-Dix robotic orthosis. Results: all patients had functional improvement of the hand according to the DASH scale, reduction of pain intensity according to the visual analog pain scale and recovery of joint mobility arc according to goniometry; they also returned to their pre-fracture activities of daily living. Discussion: randomized clinical trials are required to determine the advantages of the rehabilitation protocol that includes robotic orthosis versus conventional therapy alone. Conclusions: passive mobilization with robotic orthoses effectively complements physical therapy in post-surgical patients with hand fractures, which favors the recovery of joint mobility arcs and reduces joint stiffness.

Sistema de biofeedback para rehabilitación de marcha asistida por un exoesqueleto / Biofeedback System for Exoskeletqn Assisted Gait Rehabilitation / Sistema de biofeedback para reabilitação de marcha assistida por um exoesqueleto

Resumen Los robots proporcionan nuevas formas de terapia para pacientes con desórdenes neurológicos. Las terapias de marcha asistidas con exoesqueletos pueden incrementar la duración y la intensidad de los entrenamientos para los pacientes y reducir el esfuerzo físico del terapeuta. Sin embargo, el uso de estos dispositivos para el entrenamiento de la marcha limita la interacción física entre el terapeuta y el paciente, en comparación con la terapia manual. Una apropiada realimentación de las funciones corporales y biomecánicas en la interacción con el sistema robótico facilita la evaluación del desempeño del paciente, motivándolo en el reaprendizaje de la marcha con resultados superiores. Este artículo presenta el diseño de una interfaz de usuario para un exoesqueleto de miembros inferiores para asistencia en la marcha y en terapias de rehabilitación. Se consideraron aspectos técnicos y clínicos para proporcionar ventajas del exoesqueleto durante las terapias, estableciendo una herramienta de apoyo para la configuración, monitoreo y registro de los parámetros involucrados. Se propuso un esquema de realimentación sensorial para el paciente acerca de la actividad muscular, la presión ejercida en diferentes puntos de los pies y algunas variables biomecánicas. Finalmente, se valida la herramienta con sujetos sanos por medio de un test de usabilidad propuesto.

Abstract The inclusion of robots in rehabilitation allow advantages for generate newer therapies in neurologic disorder patients. Assistive gait therapies using robots, like exoskeletons, allow increase the time and intensity training for patients while the strenuous labor of therapist is reduced. However, the physic interaction between therapist and patient in training with robots is limited, in relation to the traditional manual therapy. An appropriated feedback of biological and biomechanics functions in the robot interaction during training provides an easier performance evaluation of the patient for the therapist. Further, biofeedback gives a motivation to the patient and encourages him for gait relearning with higher effects than conventional. This paper presents a user interface design for a lower limb exoskeleton for human gait assistance in rehabilitation. Clinical and technical criteria for increasing the advantages of the exoskeleton in therapy were considered. A biofeedback scheme about muscle activity, plantar pressure and some biomechanics variables, for the patient is proposed. Finally, a validation for this tool with healthy subjects by a usability test was carried out.

Resumo A inclusão de robôs na reabilitação fornecem vantagens que promovem novas formas de terapia em pacientes com desordens neurológicas. Terapias de marcha assistidas por exoesqueletos permitem o aumento da duração e da intensidade dos exercícios com os pacientes, reduzindo o esforço físico dos terapeutas. Não entanto, o uso desses dispositivos para o treino da marcha limita a interação física entre o terapeuta e paciente, em comparação com a terapia manual. Uma apropriada realimentação das funções corporais e biomecânicas na interação com o sistema robótico facilita a avaliação do progresso do paciente, motiva e incentiva ao paciente na reaprendizagem da marcha gerando efeitos superiores aos convencionais. Neste artigo apresenta-se o desenho de uma interface de usuário para um exoesqueleto de membros inferiores para assistência na marcha e nas terapias de reabilitação. São considerados aspectos técnicos e clínicos para fornecer maiores vantagens do exoesqueleto durante as terapias, estabelecendo uma ferramenta de suporte para configuração, monitoramento e registro dos parâmetros envolvidos. Foi proposto um sistema de realimentação sensorial para o paciente sobre a atividade muscular, a pressão em diferentes pontos dos pés e algumas variáveis biomecânicas. Finalmente, é apresentada a ferramenta de validação para indivíduos saudáveis utilizando um teste de usabilidade proposto.

Algoritmo de metodología para desarrollar dispositivos mecatrónicos como ayuda a personas con distrofia muscular / Methodology algorithm to develop mechatronic devices to help people with muscular dystrophy

Introducción: El avance tecnológico permite desarrollar equipos tecnológicos y ayudas técnicas que apoyen el tratamiento dirigido a un paciente. Objetivo: Generar un algoritmo para desarrollar dispositivos mecatrónicos como ayudas técnicas para personas con discapacidad física. Métodos: Se tomó como base una clasificación del diseño de estudio de tipo descriptivo, para la propuesta de una metodología de diseño e implementación de dispositivos de ayuda técnica en personas con distrofia muscular. La propuesta hace referencia al conjunto de técnicas, procedimientos y soportes documentales empleados en el diseño de sistemas de ayuda técnica, donde se integran aspectos diversos de tal forma que el proceso global sea lógico y comprensible. Resultados: El diseño obtenido comprende el desarrollo de cuatro metodologías, que inician con el proceso investigativo, luego el dispositivo mecánico, después el sistema electrónico y finaliza con el sistema de comunicación. Se dan pautas para generar cada uno de los componentes del sistema y lograr obtener un dispositivo funcional. El diseño fue probado con resultados favorables. Conclusiones: En el área de rehabilitación física, se combinan los conocimientos médicos con los ingenieriles para obtener soluciones tecnológicas que facilitan las labores a personas con discapacidad física. El diseño desarrollado, al contar con un conjunto ordenado de operaciones sistemáticas y una serie de pautas específicas para la ejecución de actividades, donde se cursan una serie de etapas, permite solucionar el tipo de problemas de referencia(AU)

Introduction: The technological advance allows developing technological equipment and technical aids that support the treatment directed to a patient. Objective: Generate an algorithm to develop mechatronic devices as technical aids for people with physical disabilities. Methods: A descriptive study design classification was used as a basis for the proposal of a methodology for the design and implementation of technical assistance devices in people with muscular dystrophy. The proposal refers to the set of techniques, procedures and documentary supports used in the design of technical assistance systems, where diverse aspects are integrated in such a way that the overall process is logical and understandable. Results: The design obtained includes the development of four methodologies, which begin with the investigative process, then the mechanical device, then the electronic system and ends with the communication system. Guidelines are given to generate each of the components of the system and achieve a functional device. The design was tested with favorable results. Conclusions: In the area of ​​physical rehabilitation, medical and engineering knowledge are combined to obtain technological solutions that facilitate the work of people with physical disabilities. The developed design, having an ordered set of systematic operations and a series of specific guidelines for the execution of activities, where a series of stages are taken, allows solving the type of reference problems(AU)

Diseño de exoesqueletos para miembro inferior / Exoskeleton design for lower limb

Introducción: La desarticulación de cadera es realizada por cirujanos para prevenir el crecimiento de enfermedades malignas en casos que no pueden ser tratados en forma conservadora. Existe la posibilidad que la desarticulación pueda ser causada por un accidente traumático que comprometa uno o los dos miembros inferiores. Objetivo: modificar el diseño de una prótesis para personas con problemas de tensión muscular, para cargas pesadas y movimientos repetitivos, para ser usada en personas con desarticulación unilateral o bilateral de cadera, partiendo de la patente de invención. Métodos: El diseño se realizó teniendo en cuenta desplazamiento similar al sistema locomotor humano, el confort, las posibles lesiones en las prominencias óseas, la repetitividad y el bajo costo. Para garantizar el menor impacto en la prominencia ósea disminuyendo el riesgo de ruptura o ulceras se usó un escáner 3D con sensores de presión para una correcta distribución de la presión sobre toda la prominencia de la cadera. Resultados: El sistema propuesto resultó en una alternativa para personas con limitaciones de movilidad en miembro inferior permitiendo un movimiento más natural y así mejorar la calidad de vida de este tipo de pacientes. La técnica permitió al usuario un alto nivel de independencia en situaciones de pérdida de los miembros inferiores. Conclusiones: El estudio se centró en la modificación de una prótesis para miembro inferior usado para personas con baja tonicidad muscular o actividades repetitivas a un sistema para personas con desarticulación bilateral de cadera o pérdida de un solo miembro inferior(AU)

Introduction: Hip disarticulation is performed by surgeons to prevent the growth of malignant diseases in cases that can not be treated conservatively. There is a possibility that the disarticulation may be caused by a traumatic accident involving one or both lower limbs. Objective: to modify the design of a prosthesis for people with muscular tension problems, for heavy loads and repetitive movements, to be used in people with unilateral or bilateral hip disarticulation, starting from the patent of invention. Methods: The design was made taking into account displacement similar to the human locomotor system, comfort, possible lesions in bony prominences, repetitiveness and low cost. To guarantee the least impact on the bone prominence, reducing the risk of rupture or ulcers, a 3D scanner with pressure sensors was used to correctly distribute the pressure over the whole hip prominence. Results: The proposed system resulted in an alternative for people with mobility limitations in the lower limb allowing a more natural movement and thus improving the quality of life of this type of patients. The technique allowed the user a high level of independence in situations of loss of the lower limbs. Conclusions: The study focused on the modification of a lower limb prosthesis used for people with low muscle tone or repetitive activities to a system for people with bilateral hip disarticulation or loss of a single lower limb(AU)

Diseño de Exoesqueleto con base en Cuatro Casos de Estudio de Rehabilitación de Miembro Superior / Design of an Exoskeleton based on Four Cases of Upper Limb Rehabilitation Study

Resumen: En este artículo se presenta un enfoque para rehabilitación pasiva de miembro superior mediante la formulación de cuatro casos de estudio haciendo un análisis de las patologías y los ejercicios que se aplican. Para llevar a cabo la experimentación en los casos propuestos se registraron los datos de las trayectorias de las articulaciones del brazo de un paciente realizando los ejercicios de rehabilitación con un terapeuta. Se diseñó el exoesqueleto ERMIS de siete grados de libertad para emular los movimientos anatómicos en el brazo durante la rehabilitación a partir de los requerimientos de los casos de estudio. Para validar el funcionamiento del exoesqueleto en los casos se simuló el modelo dinámico del ERMIS y se compararon los datos con los datos muestreados de los ejercicios. Al final se presentan los resultados obtenidos de los ejercicios realizados con el exoesqueleto, obteniendo en la precisión un desempeño promedio del 95% en los movimientos de hombro, codo y muñeca al emular la terapia con timón.

Abstract: This paper presents an approach for passive upper limb rehabilitation based on four case studies by analyzing the pathologies and exercises that are applied. To carry out the experimentation in the proposed cases, the data from the trajectories of the patient's arm articulations were registered, performing the rehabilitation exercises with a therapist. The ERMIS exoskeleton´s seven degrees of freedom was designed to emulate the anatomical movements in the arm during rehabilitation from the requirements of the case studies. To validate the exoskeleton performance in the study cases, the ERMIS's dynamic model was simulated and the data were compared with the sampled data of the exercises. At the end, the results obtained from exoskeleton exercises emulating rudder therapy, where shoulder, elbow and wrist movements were showed with an accuracy of 95%.

Rehabilitación temprana de fracturas de mano con órtesis robóticas. Reporte de caso / Early rehabilitation of hand fractures with robotic orthosis. Case report

Introducción El presente estudio de casos revela los avances tecnológicos en el tratamiento de las fracturas de mano realizados por el grupo de investigación F-CIBER-HAND en Manizales, Colombia; integra la intervención quirúrgica practicada por el cirujano ortopedista de mano, la movilización temprana indicada por Fisiatría, la rehabilitación convencional por fisioterapeuta especializada en Ortopedia y Traumatología, y la terapia de movilización pasiva mediante ortesis robóticas. Materiales y métodos Se seleccionaron cuatro pacientes: paciente con fractura intraarticular compleja de la cabeza del quinto metacarpiano de la mano derecha; paciente con fractura conminuta de la base del cuarto metacarpiano de la mano izquierda; paciente con fractura diafisiaria del quinto metacarpiano de la mano derecha, y paciente con fractura subcapital del segundo metacarpiano de la mano izquierda, los cuales fueron tratados de acuerdo con los cuatro momentos terapéuticos descritos, con seguimiento de su evolución clínica individual. Resultados En todos los pacientes se ponen de manifiesto la recuperación funcional de la mano según la Escala de Discapacidades del Hombro, el Codo y la Mano (DASH), la disminución de la intensidad del dolor según la Escala Visual Análoga del Dolor (EVA) y la recuperación del arco de movilidad articular; además, todos los pacientes retornaron a las actividades de la vida diaria y laborales. Discusión Se concluye que con el manejo quirúrgico especializado y la rehabilitación temprana complementada con ortesis robóticas, se mejoró la funcionalidad de la mano, disminuyó el dolor, hubo ganancia del arco articular y reinserción a las actividades cotidianas. El propósito del estudio es generar evidencia clínica de que el manejo interdisciplinario especializado y el uso de ortesis robóticas mejora la condición clínica de los pacientes con fracturas de la mano. Nivel de evidencia clínica nivel IV.

Background The present cases study reveals technological advances in the treatment of hand fractures performed by the F-CIBER-HAND research group in Manizales - Colombia, integrating the surgical intervention by Hand Orthopedic Surgeon, early mobilization Indicated by Physiatry, the conventional rehabilitation by Physiotherapist specialized in Orthopedics and Traumatology, and passive mobilization therapy whit robotic orthoses. Materials and methods Four patients were selected: patient with complex intra-articular fracture in the head of the 5th right metacarpal, patient with a fracture in the base of the 4th left metacarpal, patient with diaphyseal fracture of the 5th right metacarpal, and patient with subcapital fracture of the 2nd left metacarpal, who were treated according to the four therapeutic moments described, with follow-up of their individual clinical evolution. Results In all patients was evident functional recovery of the hand according to the DASH scale, decrease of pain intensity according to analogous visual scale, and recovery of the joint mobility arc. In addition, all the patients returned satisfactorily to the daily life activities and jobs. Discussion It was concluded that with specialized surgical management and early rehabilitation complemented with robotic orthoses, the functionality of the hand was improved, pain decreased, there was gain of the articular arch and reinsertion to daily activities. The purpose of the study is to generate clinical evidence that specialized interdisciplinary management and the use of robotic orthoses improve the clinical condition of patients with hand fractures. Evidence level IV.

Diseño de un Prototipo de Exoesqueleto para Rehabilitación del Hombro / Design of an Exoskeleton Prototype for Shoulder Rehabilitation

Resumen: La discapacidad motora es un problema a nivel mundial y según el censo 2010 del INEGI, en México, las personas con problemas de movilidad representan el 58.3 % de la población con discapacidad. Para afrontar esta problemática, han surgido dispositivos robóticos para rehabilitación que permiten realizar terapias con precisión, eficiencia, reducción de esfuerzos físicos y la oportunidad de realizarlas en grupo. Sin embargo, estos dispositivos no pueden igualar la movilidad de los miembros a rehabilitar y su adaptación a la antropometría mexicana es limitada. En este artículo se presenta el diseño de un exoesqueleto enfocado a la población adulta mexicana con pérdida parcial de movilidad en el hombro. El objetivo es desarrollar un exoesqueleto capaz de generar los 3 movimientos básicos del hombro (flexión-extensión, abducción-aducción y rotación interna-externa), considerando las medidas antropométricas de la población objetivo. Para el diseño del prototipo se utiliza una adaptación de la metodología de diseño mecatrónico de robots. El diseño propuesto es validado cinemáticamente mediante simulaciones numéricas en Matlab® y en ADAMS™, comprobando el rango de movilidad de cada articulación. Además, se realiza el análisis de elemento finito para cuantificar los esfuerzos y las deformaciones en el exoesqueleto, verificando la selección de materiales para su manufactura.

Abstract: The motor disability is a problem at the global level and according to the census 2010 from INEGI, in Mexico, people with mobility problems represent 58.3 % of the population with disabilities. To face this problem, robotic devices for rehabilitation have emerged which allow to perform therapies with accuracy, efficiency, reduction of physical efforts and the opportunity to perform them in group. However, these devices may not match the mobility of the members to rehabilitate and their adaptation to the mexican anthropometry is limited. In this article, the design of an exoskeleton focused on the Mexican adult population with partial loss of mobility in the shoulder is presented. The objective is to develop an exoskeleton capable of generating the 3 basic movements of the shoulder (flexion-extension, abduction-adduction and internal-external rotation) considering the anthropometric measurements of the target population. For the design of the prototype, an adaptation of the mechatronic design methodology for robots is used. The proposed design is validated kinematically through numerical simulations in Matlab® and ADAMS™, the numerical results prove the range of mobility of each exoskeleton joint. Moreover, a finite element analysis is carried out to quantify the stress and strain levels in the exoskeleton, verifying the selection of materials for its manufacture.

Desarrollo de un exoesqueleto para rehabilitación de tobillo y rodilla / Development of an Exoskeleton for Ankle and Knee Rehabilitation

Los exoesqueletos son sistemas electro-mecánicos acoplados a las extremidades del cuerpo humano enfocados al incremento de su fuerza, velocidad y rendimiento principalmente. Las principales aplicaciones son en la milicia, en la industria y en la medicina, en particular se pueden utilizar para la rehabilitación de las extremidades. En este artículo se presenta un exoesqueleto de dos grados de libertad para realizar ejercicios de rehabilitación en tobillo y rodilla. El diseño y construcción del exoesqueleto está basado en la instrumentación y control de una ortesis del miembro inferior derecho. El Exoesqueleto utiliza sensores que estiman la fuerza producida por el humano y se encuentran acoplados a los actuadores SEA (Series Elastic Actuator) que se utilizan para amplificar la fuerza humana. La amplificación de la fuerza puede aumentarse o disminuirse según se necesite, permitiendo al usuario una mejora evolutiva hasta llegar a la rehabilitación. Además mediante sensores se estima la posición y velocidad angular de las articulaciones, que se utilizan para controlar el movimiento de la pierna. En resumen, el objetivo perseguido es de contar con un diseño propio de bajo costo de un exoesqueleto que ofrezca una disminución en el esfuerzo requerido por el usuario para mantenerse en pie y hacer algunos ejercicios de rehabilitación estáticos independientes como flexionar y extender la pierna derecha o izquierda.

Exoskeletons are electro-mechanical systems coupled to the body limbs focused mainly in increasing strength, speed and performance. The main applications are in the military, industry and medicine, particularly used for the rehabilitation in the extremities. In this paper we presented a exoskeleton with two degrees of freedom for rehabilitation of ankle and knee. The design and construction are based on the instrumentation and control of a right lower limb orthoses. The Exoskeleton uses sensors that estimate the force produced by the human, these sensors are coupled in the SEA (Series Elastic Actuator) used for amplify human strength. The amplification strength can be increased or decreased as needed, allowing the user an evolutionary improvement to reach rehabilitation. The exoskeleton has sensors for estimated angular position and angular velocity of joints, which are used to control the leg movement. The goal is to design a low-cost exoskeleton that provides a reduction in the effort required by the user to remain in in a standing position and to do some static rehabilitation exercises such as flexion and extension of the legs.

Co-simulación del Diseño Biomecánico para un Exoesqueleto Robótico del Miembro Inferior / Co-simulation of Biomechanical Design for a Robotic Exoskeleton for the Lower Limb

Este trabajo muestra como la co-simulación incrementa las ventajas y decrementa las desventajas para el diseño del exoesqueleto. La metodología propuesta tiene tres estados: el diseño de la parte biomecánica, el diseño mecánico y el sistema de control Para el análisis biomecánico, OpenSim® resuelve el sistema musculo-esquelético e incluye modelos para diferentes condiciones que pueden ser usados en el diseño de procesos. SolidWorks® que es aplicado en diseños asistidos por computadora evalúa la parte mecánica y Matlab® resuelve el sistema de control del exoesqueleto. Esto permite conseguir un diseño personalizado, que simula los movimientos de una marcha completa cubriendo las restricciones cinemáticas para lograr un movimiento natural y las limitaciones del usuario cuando tienen algún problema para caminar. El resultado muestra como es aplicada la co-simulación para hacer un prototipo virtual, como se unen y dependen los programas uno del otro. Aunque la simulación convencional de cada programa puede ahorrar dinero y tiempo, estos no resuelven completamente los problemas de diseño del exoesqueleto; por lo tanto la co-simulación es una excelente opción para la biomecánica, la mecánica y los sistemas de control que necesitan exactitud y rapidez en cada parte del proceso de diseño.

This work shows how the co-simulation increases the advantages and decreases the drawbacks for exoskeleton design. The proposed methodology has three stages: the design of a biomechanical part, the mechanical design and the control system. For the biomechanical analysis, OpenSim ® solves the muscle-skeleton system and includes models for different conditions that can be used in the design process. SolidWorks® that is applied in assistive computer design evaluates the mechanical part of the exoskeleton and Matlab® solves the control system that takes over the exoskeleton. It allows getting a personalized design which simulates the complete walking movements, covering the kinematic restrictions to achieve a natural human movement and the user limitations when they have any problem for to walk. The results show how the co-simulation is applied to complete a virtual prototype and the programs are linked hand in hand. Although conventional simulation by one program can save money and time, it cannot solve the entire exoskeleton design problem; as a result the co-simulation is an excellent option in biomechanical, mechanical and control systems that need accurate and swift results in each part of the design process.

Exoesqueletos para potenciar las capacidades humanas y apoyar la rehabilitación: [revisión] / Exoskeletons to enhance human capabilities and support rehabilitation: a state of the art: [review]

El presente artículo presenta una revisión bibliográfica sobre el diseño de exoesqueletos y las diferentes aplicaciones que estos pueden tener en la vida humana. Se exponen diferentes desarrollos, resaltando las partes más importantes de cada uno y prestando especial atención al área de la ingeniería electrónica presente en estas estructuras. Además, se realiza un agrupamiento de los diseños, dependiendo de la zona corporal para la cual se ha construido el exoesqueleto o de la finalidad del estudio realizado. Finalmente, se presentan desarrollos y estudios que buscan utilizar las señales mioeléctricas como parte fundamental del sistema exoesquelético.

This paper presents a literature review about exoskeletons and their applications in human life. Different developments highlighting the most important parts of each of them, and paying particular attention to the area of electronic engineering related to these structures, are shown. Also, a grouping of the different kinds of structures is made depending on the area of the human body to which the exoskeleton was intended to or depending on the purpose of the research. Finally, various studies and developments which use mioelectric signals as a fundamental part of the system are presented.