Metodología para desarrollar modelos predictivos de marcha patológica

Resumen

El desarrollo de modelos computacionales de simulación predictiva de la marcha resulta de gran utilidad a la hora de proponer y analizar dispositivos de asistencia a la marcha. Este trabajo se enmarca en un proyecto de investigación que pretende desarrollar exotrajes de asistencia a la marcha en pacientes de Charcot-Marie-Tooth, una patología hereditaria y degenerativa que provoca debilidad muscular. En su etapa inicial la debilidad se presenta en músculos distales. En el caso del tren inferior, provoca deficiencias en la plantaflexión de tobillo observándose el síndrome del pie caído, entre otras alteraciones.

En este trabajo se propone una metodología para realizar simulaciones predictivas de la marcha patológica. En la literatura existe un cierto consenso en que los modelos predictivos para el análisis de la marcha deben plantearse como problemas de control. Para ello, es habitual que la solución obtenida se vaya guiando con datos cinemáticos o cinéticos para que no se vuelva inestable en el tiempo.

Se disponen de datos experimentales de ocho pacientes de Charcot-Marie-Tooth del Hospital Universitario Virgen del Rocío de Sevilla. El conjunto de datos experimentales se compone de las trayectorias tridimensionales de marcadores reflectantes colocados según el protocolo de Davis-Heel a lo largo de un ciclo de marcha. Junto con los datos de trayectorias se dispone de datos de fuerzas de reacción con el suelo de una única plataforma de fuerza. Finalmente, se disponen de datos electromiográficos de los principales músculos superficiales del tren inferior, entre ellos el gastrocnemio y el soleo, dos músculos afectados por esta patología.

La simulación predictiva a partir de la tipología de datos disponibles plantea dos retos. En primer lugar, para completar un ciclo completo de marcha es necesario disponer de tres plataformas de fuerza que permitan obtener las fuerzas de reacción en el apoyo durante todo el ciclo, incluyendo las fases de doble apoyo. Mediante el método denominado deformación dinámica del tiempo se ha conseguido estimar los datos necesarios para completar un ciclo de marcha con los datos de la placa disponible y la cinemática del ciclo completo. Una vez obtenidos todos los datos de un ciclo de marcha completo, se ha resuelto un problema dinámico inverso en el software Opensim y se ha obtenido la cinemática y la cinética del tren inferior.

En segundo lugar, es necesario modelar el comportamiento patológico de los músculos afectados. Se ha propuesto un modelo de contracción para músculos patológicos a partir de los datos electromiográficos registrados en el hospital y de la resolución del problema de reparto de fuerzas musculares realizado en Opensim. De esta forma, se podrá realizar una predicción de la marcha basándose en datos experimentales.

Los resultados obtenidos permiten abordar la implementación de un modelo predictivo de la marcha para pacientes de Charcot-Marie-Tooth mediante la resolución de un problema de control óptimo.