Diseño de un sistema robótico blando para tratamiento de linfedema en extremidades superiores

Abstract

Esta investigación se ubica en la línea de las Ciencias de Ingeniería, con el propósito de desarrollar un dispositivo robótico blando que puede ser aplicado en el tratamiento del linfedema en estadio 1 en las extremidades superiores, imitando el tratamiento denominado “Drenaje Linfático Manual” (DLM), el cual es, actualmente, el más eficiente y utilizado por especialistas. La enfermedad del linfedema en las extremidades superiores consiste en un aumento de la longitud perimétrica (hinchazón) de las extremidades, debido a una acumulación de líquido linfático. La causa principal de esta enfermedad es de naturaleza quirúrgica extractiva, como por ejemplo en la mastectomía (extirpación de glándulas mamarias) definida como el tratamiento para el cáncer de mama donde se realiza la extirpación de nódulos linfáticos localizados en las extremidades superiores (cercanos al hombro), produciendo una hinchazón de estas. El DLM utilizado en linfedema postmastectomía consta de dos interacciones ejercidas sobre la piel de la extremidad (antebrazo): una compresión y una tracción direccionada sobre la piel, con valores de presión y desplazamiento establecidos experimentalmente por especialistas. En esta investigación, ambos son ejercidos simultáneamente por el dispositivo robótico blando desarrollado ubicado en contacto con la piel (antebrazo) y accionado neumáticamente. Para validar el performance del dispositivo en comparación con el DLM, se miden los parámetros de desplazamiento/elongación de la piel y la presión ejercida sobre la misma ocasionado por el robot, haciendo uso de procesamiento de imágenes y de sensores de presión neumática y de fuerza de contacto, respectivamente. Se desarrolla un sistema de control de presión para controlar la presión máxima ejercida por el dispositivo, debido a que al aplicar mayor presión sobre la piel que la requerida, cualquier terapia, ocasiona un daño irreparable sobre el paciente. El estudio de la tesis aborda: la problemática, el diseño mecánico, la caracterización de la performance del dispositivo en fuerza-desplazamiento, el modelamiento matemático y el sistema de control. Las pruebas sobre la piel son realizadas en una persona voluntaria sana, llegando a la conclusión de la factibilidad del desarrollo de un dispositivo robótico blando para tratamiento del linfedema en extremidades superiores. En futuras investigaciones del autor, se proyecta el desarrollo de mecanismos de autoajuste para comprobar el funcionamiento en varias personas, así como comprobar el funcionamiento clínico en pacientes con diagnóstico de linfedema en extremidades superiores con la ayuda de médicos y fisioterapeutas.

This research is in the line of engineering sciences, with the objective of developing a robotic device that could be applied in the treatment of lymphedema at first stage in human upper extremities, mimicking the treatment called “Manual Lymphatic Drainage” (MLD), the most effective and used by specialists. The lymphedema disease consists of an increment in the peripheral length (swelling) of the limbs due to an accumulation of lymphatic fluid. The main causes of this disease are extractive surgical procedures, such in the case of mastectomy (removal of mammary glands), define as the treatment for breast cancer where lymph nodes, located near to shoulders, are extirpated, generating the swelling of upper extremities. The MLD used in post-mastectomy lymphedema for mastectomy consists of two interaction forces exerted over the upper-limb skin: a compression and traction, with pressure and displacement values established experimentally by specialists. In this investigation, both are simultaneously exerted by the developed soft device, placed in contact with the skin and pneumatically operated. To validate the system performance in comparison with MLD, the parameters of skin displacement and the pressure exerted on the skin by the actuator are measured, applying image processing and pressure sensors (pneumatic and by contact), respectively. A pressure control system is developed to regulate the maximum pressure that is required over the skin because any therapy could cause irreparable damage to the patient. This thesis report addresses; the state of the art, the mechanical design, the performance characterization of the device in force-displacement, mathematical modeling and the control system. Skin tests are performed on a healthy volunteer. In author’s future researches are projected, self-adjustment mechanisms to check the functioning of several people, as well as to check the clinical functioning of people suffering lymphedema in the upper limb with the help of physicians.