Campo técnico

La presente invención se refiere a dispositivos de evaluación, tratamiento y prevención del dolor lumbar, para su uso en procedimientos basados en reeducación postural.

Estado de la técnica

La incidencia de dolor lumbar o lumbalgia (LBP, del inglés "low back pain") ha sido informado de que está en segundo lugar, solamente detrás de la gripe común, y en la población en general, hay una probabilidad del 80% de que una persona busque atención médica por un trastorno lumbar antes de la edad de 55.

Además, tal y como se indica en "Detección de malas posturas basada en la electromiografía para la prevención de lumbalgia" (Zabaleta H. et al, 3r Congreso Anual de la Sociedad de Ingeniería Biomédica Española, Navarra, España, 2012), se estima que cada año el 50% de los trabajadores activos sufren un episodio de esta enfermedad y que, en algún momento de sus vidas, el 80% de la población sufrirá al menos un episodio agudo de la misma. El LBP consume recursos sanitarios: citas médicas, exámenes complementarios, recetas, etc., así como recursos socioeconómicos, debido a las bajas por enfermedad. El 1 1 ,4% de todas las bajas laborales tramitadas durante 1997 en España fueron causadas por dolor lumbar, lo que implica un gasto anual de 55,1 millones de euros para ayudas financieras.

La bioretroalimentación o 'biofeeback' es utilizada para saber cómo cambiar la actividad fisiológica a efectos de mejorar la salud y el rendimiento mediante retroalimentación acerca de algunas de sus señales fisiológicas. Se ha demostrado su utilidad en muchos campos tales como el control del equilibrio, rendimiento deportivo, mejora de las tareas de movilidad, relajación mental, tareas de coordinación, así como para el tratamiento del dolor lumbar. El documento US-5086779-A describe un dispositivo diseñado para la evaluación de la función muscular en casos de LBP, sobre todo, para corroborar las reclamaciones por lumbalgia. Se basa en la monitorización de la frecuencia mediana (MF) de una señal de electromiograma (EMG). Se colocan seis electrodos de EMG de superficie activa bilateralmente sobre los sitios en los niveles L1 , L2, L5 de la zona lumbar que corresponden a thoraces longissimus, iliocostales lumborum y los músculos multifidus. Después, se realiza un análisis de regresión lineal en el parámetro MF (obtenido a partir del análisis espectral de las señales de EMG) en todos los niveles de fuerza y se realiza una clasificación basada en Fisher Zscore para la evaluación. Sin embargo, este sistema sólo es útil para un médico, no para el propio paciente.

La información retroalimentada al paciente mediante los dispositivos de bioretroalimentación del estado de la técnica son estímulos de naturaleza visual y/o acústica.

La bioretroalimentación también se ha utilizado en la enseñanza de deportes, tal como se describe, por ejemplo, en el documento US-8036849-B2. En este documento se proporciona un dispositivo con un módulo de bioretroalimentación para medir atributos físicos relacionados con el ejercicio, que comprende: una almohadilla que se puede unir o puede ser llevada por el cuerpo de una persona, una unidad de detección de señal instalada en la almohadilla para detectar al menos un tipo de señal de atributos físicos que cambia de acuerdo con los movimientos del cuerpo, y una unidad de transmisión para la señal. Este sistema, sin embargo, sólo es útil para evaluar si un sujeto tiene una postura correcta mientras practica deportes y no es adecuado para el tratamiento de pacientes con lumbalgia.

Si se utiliza la bioretroalimentación con propósitos de alerta y se entrega durante demasiado tiempo o demasiado frecuentemente, la conciencia de la retroalimentación puede ser menor debido a un problema de habituación. Se trata de un proceso básico de aprendizaje evidente en una disminución en las respuestas neuronales/de conducta a la estimulación sensorial repetida (Carsten M. Klingner y otros, "Habituation within the somatosensory hierarchy", Investigación del Comportamiento Cerebral, Volumen 225, Número 2, 1 de diciembre de 201 1 , Páginas 432-436, ISSN 0166-4328). El cerebro ignora la retroalimentación, ya que deja de procesar señales sensoriales asociadas a esos estímulos.

El efecto de la habituación se puede evitar controlando la estrategia de estimulación con el fin de aumentar significativamente la detección de un estímulo, (Wentink E.C. et al, " Vibrotactile stimulation of the upper leg: Effects of location, stimulation method y habituation", 33a Conferencia Internacional Anual IEEE EMBS, 30 de agosto-3 de septiembre de 201 1 , Boston, EE.UU.). Por lo tanto, es de vital importancia que el sistema de retroalimentación tenga un control completo sobre la amplitud, la temporización y el lugar donde se proporciona la retroalimentación.

La reeducación postural, tal como se utiliza en la presente memoria es una técnica de bioretroalimentación particular, en la que la información tomada del paciente es la actividad de cierto grupo de músculos. Dicha información se usa para determinar el patrón de actividad real y se compara con un patrón de normalidad. Los estímulos de bioretroalimentación se envían al paciente con el fin de aconsejarle de que debe realizar un ejercicio de corrección de la postura. Estudios recientemente publicados muestran que la reeducación postural es también eficaz contra LBP, por ejemplo, " Effectiveness of a global postural re-education program for persistent low back pain: a non-randomizaed controlled triar (Bonetti F. et al, I. BMC. Musculoskeletal Disorders, 16 de diciembre de 2010; 1 1 :285).

El patrón de actividad muscular también puede ser utilizado para realizar ejercicios terapéuticos. Si estos ejercicios no se realizan en la forma correcta, o no se logran ciertos niveles de actividad, de equilibrio/desequilibrio entre los grupos musculares, se envían estímulos de bioretroalimentación al paciente.

Descripción de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo para la evaluación, prevención y tratamiento del dolor lumbar, de acuerdo con la reivindicación 1 . Realizaciones preferidas del dispositivo se definen en las reivindicaciones dependientes.

Un primer aspecto de la invención se refiere a un dispositivo para la evaluación, prevención y tratamiento del dolor lumbar, que comprende:

- unas primera, segunda, tercera, cuarta, quinta y sexta unidades, comprendiendo cada unidad:

- un subsistema de adquisición EMG para medir señales de electromiog rafia, EMG, de superficie de un grupo específico de músculos de un paciente;

- medios de conexión para conectar el subsistema de adquisición EMG a un par de electrodos unidos a la piel del paciente, de manera que cada unidad recibe las señales de electromiografía, EMG, de superficie de un grupo específico de músculos del paciente, y,

- un actuador para proporcionar un estímulo háptico a dicho grupo muscular del paciente;

- al menos un subsistema de reconocimiento del patrón de actividad muscular y de generación de retroalimentación para:

- capturar, amplificar, filtrar y enviar dichas señales EMG de superficie;

- extraer ciertas características -tales como frecuencia media, RMS, amplitud media- de dichas señales EMG de superficie;

- interpretar dichas señales EMG de superficie y determinar un patrón de actividad muscular sobre la base de las características extraídas; - decidir si se necesita una corrección del patrón de actividad muscular, y

- si la corrección es necesaria, activar los actuadores correspondientes.

El dispositivo también comprende:

- una prenda de vestir que comprende:

- una porción central al que están unidas las segunda y quinta unidades paralelamente entre sí; y

- un conjunto de cuatro correas a las que están unidas las primera, tercera, cuarta y sexta unidades; teniendo las correas una longitud ajustable y estando dispuestas entre sí de modo que, al conectar el dispositivo a cada par de electrodos:

- la cuarta unidad se establece en una posición entre 40 ^e y 50 ^e respecto a las segunda y quinta unidades;

- la primera unidad se establece en una posición entre 130 ^e y 140 ^e respecto a las segunda y quinta unidades;

- la tercera unidad se establece en una posición entre -130 ^e y -140 ^e respecto a las segunda y quinta unidades;

- la sexta unidad se establece en una posición entre -40 ^e y -50 ^e respecto a las segunda y quinta unidades.

El posicionamiento particular de las unidades en el dispositivo de la invención es tal que, una vez que el dispositivo es llevado por el paciente, cada subsistema de adquisición EMG en cada unidad se extiende paralelamente a la dirección de las fibras musculares de los grupos musculares relevantes, lo que resulta en una colocación muy precisa de cada unidad.

El dispositivo de la invención, con su diseño distribuido, puede ser ventajosamente de construcción sencilla, reduciendo así los costes. También puede ser muy delgado, por lo que la realización de cualquier ejercicio es factible, incluso en una posición supina.

Los estímulos hápticos proporcionados por la presente invención no son interferidos por factores externos ni son sentidos por ninguna otra persona, excepto el usuario (al contrario que la bioretroalimentación acústica proporcionada por algunos aparatos conocidos).

El dispositivo de la invención también es versátil, ya que permite al paciente realizar ejercicios de corrección de la postura sin dirigirse a una pantalla para recibir bioretroalimentación, tal como ocurre con los aparatos visuales de la técnica anterior. Además, el usuario puede seguir haciendo sus actividades diarias, incluyendo trabajar.

De acuerdo con una realización preferida, los actuadores pueden proporcionar estímulos hápticos que pueden ser uno o más de: estiramiento de la piel, cambio de temperatura, vibración, tacto simple (no vibratorio), apriete del cabello de la piel y estimulación eléctrica. Los estímulos táctiles pueden ser estímulos táctiles de diferente naturaleza tanto monomodales o multimodales. Cuando los estímulos hápticos proporcionados son multimodales o tienen una naturaleza aleatoria (en temporización y/o amplitud), se evita ventajosamente el problema de habituación.

En una realización preferida, el actuador es un actuador de vibración.

El algoritmo de clasificación utilizado por el subsistema de reconocimiento del patrón de actividad muscular y generación de retroalimentación puede estar basado en un enfoque de umbral y/o en reconocimiento de patrones, y/o en aprendizaje automático o de máquina, y puede ser implementado en un microprocesador proporcionado en el subsistema de reconocimiento del patrón de actividad muscular y generación de realimentación.

El subsistema de reconocimiento del patrón de actividad muscular y de generación de retroalimentación puede estar también unido a la prenda de vestir.

Alternativamente, el dispositivo también puede comprender una unidad de control remoto unida a la prenda de vestir para permitir la comunicación entre las unidades y el subsistema de reconocimiento del patrón de actividad muscular y de generación de retroalimentación, siendo este subsistema de reconocimiento de patrón de actividad muscular y de generación de retroalimentación un elemento separado de la prenda de vestir.

El elemento de prenda de vestir puede ser un elemento de una sola pieza, o un elemento de múltiples piezas.

Otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a partir de la descripción detallada que sigue y que se señalará en particular en las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

Para completar la descripción y con el fin de proporcionar una mejor comprensión de la invención, se proporciona una serie de dibujos. Dichos dibujos forman una parte integral de la descripción e ilustran una realización de la invención, que no debe interpretarse como una restricción del alcance de la invención, sino sólo como un ejemplo de cómo la invención puede llevarse a cabo. Los dibujos comprenden las siguientes figuras:

La figura 1 muestra una primera realización preferida del dispositivo de la invención.

La figura 2 muestra una segunda realización preferida del dispositivo, llevado en el cuerpo de un paciente.

La figura 3 muestra una vista en perspectiva inferior de una de las unidades del dispositivo.

La figura 4 muestra una vista en perspectiva superior de la primera unidad de la figura 3.

La figura 5 muestra la primera unidad de las figuras 3 y 4, parcialmente desmontada. La figura 6 muestra un lado de la carcasa.

La figura 7 muestra una vista frontal de la primera unidad, junto con su carcasa, desmontada.

Descripción de una realización preferida

La siguiente descripción no debe ser tomada en un sentido limitativo, sino que se proporciona únicamente con el propósito de describir los principios generales de la invención. Las siguientes realizaciones de la invención se describirán a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos anteriormente mencionados, que muestran elementos y resultados según la invención.

Haciendo referencia a las figuras, se describe a continuación una realización preferida del dispositivo para la evaluación, la prevención y el tratamiento del dolor lumbar, LBP, de la invención.

Tal como se muestra en la figura 1 , una realización preferida del dispositivo 1 de la invención incluye seis unidades 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 10Of conectadas mediante cables 400a, 400b, 400c, 400d a un subsistema de reconocimiento del patrón de actividad muscular y de generación de retroalimentacion 200.

Las seis unidades 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 10Of y el subsistema de reconocimiento del patrón de actividad muscular y de generación de retroalimentacion 200 están fijados a un cinturón 300 o arnés hecho de un material textil o tejido. Los cables 400a, 400b, 400c 400d están incrustados u ocultos en el textil o tela, de modo que nunca están en contacto con la piel del paciente. Cada unidad 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 10Of incluye un subsistema de adquisición EMG 30a (véase la figura 5) para la medición de señales de electromiog rafia, EMG, de superficie de un grupo específico de músculos de un paciente.

Cada subsistema de adquisición EMG 30a está conectado a un par de conectores 10a- 20a, 10b-20b, 10c-20c, 10d-20d, 10e-20e, 10f-20f de encaje a presión, para conectar eléctrica y mecánicamente la unidad a un par de electrodos (no mostrados) unidos a la piel de un paciente.

Por medio de los conectores de encaje a presión y el subsistema de adquisición EMG, cada unidad recibe, cuando está conectada a la correspondiente pareja de electrodos unidos al cuerpo del paciente, las señales de electromiografía, EMG, de superficie del grupo muscular del paciente.

El subsistema de reconocimiento del patrón de actividad muscular y de generación de retroalimentación 200 recibe dichas señales EMG de superficie. Estos datos se pueden almacenar para su posterior análisis, o se pueden procesar para la extracción de características para su visualización. También se puede utilizar para la evaluación de una mala clasificación de actividad muscular, mediante un algoritmo de clasificación, para determinar si es necesaria una corrección del patrón de actividad muscular actual.

Tal como se muestra en la figura 5, cada unidad (en este caso se muestra la primera unidad 100a) también incluye un actuador de vibración 60a para proporcionar estímulos hápticos al área de dicho grupo muscular del paciente. Dado que las vibraciones pueden ser transmitidas por la propia unidad, no es necesario que los actuadores de vibración 60a estén en contacto con la piel.

Si al analizar las señales EMG de superficie recibidas desde cada unidad, el subsistema de reconocimiento del patrón de actividad muscular y de generación de retroalimentación 200 decide que es necesaria la retroalimentación, se activa el actuador de vibración 60a correspondiente.

La segunda unidad 100b y la quinta unidad 100e están unidas a una porción central 300e de cinturón 300 de una manera paralela.

El cinturón 300 tiene un conjunto de cuatro correas 300a, 300b, 300c, 300d, en cuyos extremos están unidas las primera, tercera, cuarta y sexta unidades 100a, 100c, 100d, 100e. Las correas 300a, 300b, 300c, 300d tienen una longitud ajustable y están dispuestas entre sí de tal manera que, al fijar el dispositivo 1 a un paciente mediante la conexión de cada par de conectores de encaje a presión para cada par de electrodos:

- la cuarta unidad 100d se posiciona a 45 ^e respecto a las segunda y quinta unidades 100b, 100e;

- la primera unidad 100a se posiciona a 135 ^e respecto a las segunda y quinta unidades 100b, 100e;

- la tercera unidad 100c se posiciona a -135 ^e respecto a las segunda y quinta unidades 100b, 100e;

- la sexta unidad 100e se posiciona a -45 ^e respecto a las segunda y quinta unidades 100b, 100e.

Con esta distribución específica de las seis unidades, el dispositivo de la invención es capaz de:

- medir las señales de EMG de superficie del lado izquierdo del grupo de músculos latissimus dorsi y proporcionar estímulos hápticos en el área de ese grupo muscular mediante la primera unidad 100a;

- medir las señales de EMG de superficie del lado izquierdo del grupo erector spinae y para proporcionar estímulos hápticos en el área de ese grupo muscular mediante la segunda unidad 100b;

- medir las señales de EMG de superficie del lado izquierdo del grupo de músculos oblicuo externo y proporcionar estímulos hápticos en el área de ese grupo muscular mediante la tercera unidad 100c;

- medir las señales de EMG de superficie del lado derecho del grupo de músculos latissimus dorsi y proporcionar estímulos hápticos en el área de ese grupo muscular mediante la cuarta unidad 100d;

- medir las señales de EMG de superficie del cuarto lado del grupo erector spinae y proporcionar estímulos hápticos en el área de ese grupo muscular mediante la quinta unidad 100e;

- medir las señales de EMG de superficie del lado derecho del grupo de músculos oblicuo externo y proporcionar estímulos hápticos en el área de ese grupo muscular mediante la sexta unidad 10Of . Es importante que el dispositivo de la invención sea capaz de medir las señales EMG de superficie de los grupos musculares latissumus dorsi, oblicuo externo y erector spinae, ya que estos son los principales grupos musculares responsables de la extensión de la médula espinal, la flexión lateral, y la rotación pélvica. También son los grupos de músculos principales que se analizan en las evaluaciones médicas para pacientes con dolor lumbar. El solicitante ha sido capaz de concluir, después de realizar numerosas pruebas sobre la actividad de los diferentes grupos musculares, que las sinergias entre los músculos son mínimas para los grupos musculares mediante la realización de un análisis de los componentes principales (Miljkovic N. et al, " Independent component analysis of EMG for posture detection: sensitivity to variation oí posture properties", 19 ^e Foro de Telecomunicaciones, TELFOR 201 1 , 22-24 de noviembre de 201 1 , Belgrado, Serbia, IEEE Press, 201 1 páginas 47-50, Artículo N ^e 6143889).

Por lo tanto, el dispositivo proporcionado por la invención es un dispositivo portátil, tal como un cinturón, que monitoriza el patrón muscular de los músculos lumbares utilizando EMG de superficie. Y, si se detecta algún patrón incorrecto, tal como un patrón asimétrico o sobre-activado, proporciona estímulos de retroalimentación al usuario que corrige el patrón.

Tanto el procesamiento y la decisión de si una postura es correcta se basa en la comparación con las señales EMG de superficie del usuario con sus propias señales (por ejemplo, asimetría, co-contracción, y contracciones mantenidas durante demasiado tiempo), de modo que no son necesarias bases de datos enormes de señales EMG de superficie como ocurre en la técnica anterior.

En la realización mostrada en la figura 2, el dispositivo comprende las seis unidades 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 10Of unidas a una cinta o cinturón hecho de un material textil o tejido, que está hechO de dos partes simétricas 301 y 302. En esta realización del dispositivo, el subsistema de reconocimiento del patrón de la actividad muscular y de generación de retroalimentación no está unido al cinturón, sino que es un elemento separado, tal como un ordenador personal 200, una tableta, un teléfono inteligente o una placa de circuito impreso específicamente diseñada.

Con el fin de permitir la comunicación entre las seis unidades y el ordenador 200, el dispositivo también comprende una unidad de control remoto 500, RCU, también unido al cinturón. Tal como se muestra en la figura 2, los datos relativos a las señales EMG fluyen desde la RCU 500 al ordenador 200, y una vez que el ordenador ha procesado los datos de EMG, proporciona datos de retroalimentación ('feedback') para la activación de los actuadores de vibraciones 60a correspondientes. Tal como se muestra en las figuras 3 y 4, cada unidad 100a comprende una carcasa con una porción superior 25a y una porción inferior 75a. Las porciones superior e inferior 25a, 75a encierran el extremo de la primera correa 300a. Las tercera, cuarta y sexta unidades 100c, 100d, 10Of están dispuestas de una manera similar en el extremo de la segunda, tercera y cuarta correas 300b, 300c y 300d.

La porción superior 25a y la porción inferior 75a de la carcasa de la unidad están provistas cada una de una ranura 80a, 90a que permiten que la carcasa se doble ligeramente para una mejor adaptación a la piel del paciente.

La figura 5 muestra la primera unidad 100a, en la que la porción superior 25a de la carcasa se ha retirado, para mostrar mejor los componentes en el interior de cada unidad. Tal como se puede observar, cada unidad incluye el subsistema de adquisición de datos EMG 30a y el actuador de vibración 60a.

La figura 6 muestra la porción inferior 75a de la carcasa que está provista de un par de orificios 50a, estando dimensionado cada orificio para sujetar un conector de ajuste a presión, de modo que cada conector está expuesto a través de la carcasa y sobresale ligeramente de la superficie de la carcasa.

Las señales EMG de superficie capturadas por cada par de electrodos mediante los conectores normalmente tienen baja amplitud (del orden de 10 μν) y necesitan acondicionarse y/o digitalizarse (muestrearse) antes de ser enviadas al subsistema de reconocimiento del patrón de actividad muscular y de generación de retroalimentación. El dispositivo también comprende un sistema electrónico destinado a amplificar, filtrar el paso banda, normalizar y/o muestrear las señales de EMG. Estos sistemas electrónicos son esencialmente conocidos en la técnica y, por lo tanto, no se describen con más detalle.

El subsistema de reconocimiento del patrón de la actividad muscular y de generación de retroalimentación toma decisiones en función del estado de funcionamiento del sistema en general. Cuando el sistema se está utilizando para terapia, solicita al usuario llevar a cabo ciertos ejercicios. Cada ejercicio tiene su propio patrón de actividad. Cuando este patrón no se alcanza, proporciona una retroalimentación.

Aunque el sistema se esté utilizando en el modo de reconocimiento de patrón erróneo, el algoritmo de decisión es un algoritmo de clasificación que monitoriza los parámetros calculados a partir de las señales EMG procesadas, y decide si el actual patrón de activación muscular es aceptable. Este algoritmo de clasificación se puede implementar usando tres enfoques diferentes: 1 ) Enfoque umbral: los valores fisiológicos y normales de los parámetros de decisión son conocidos en la literatura médica. El algoritmo comprueba en tiempo real si los valores de los parámetros están dentro de sus respectivos márgenes aceptables. Por ejemplo, la asimetría normal entre los niveles de activación de los lados izquierdo y derecho de la espalda es de hasta un 5%; valores superiores a ese no se consideran aceptables. Por otra parte, la actividad de los músculos puede ser muy simétrica, pero sobre-activada (co-contracción), que también se puede detectar mediante el análisis de esos parámetros.

2) Reconocimiento de patrones: a partir de un número dado de posiciones o gestos seleccionabas o clasificabas, se genera un patrón con sus correspondientes señales y características son extraídas de los mismos. El clasificador determina si la señal de entrada corresponde a una de las posturas o gestos clasificares. El algoritmo identifica las características específicas de la señal que corresponden a las posiciones o gestos dados. La identificación de patrones de señales útiles se facilita con diferentes técnicas de análisis discriminatorio que comparan la señal real y las características extraídas de los patrones que corresponden a posturas y gestos dados.

3) Aprendizaje automático: algoritmos, tales como redes neuronales artificiales (por ejemplo, perceptrones o basados en cuantización vectorial de aprendizaje ("Learning Vector Quantization")) o clasificación estadística. Estos algoritmos pueden aprender de forma automática de una manera supervisada, proporcionando ejemplos de posturas y gestos que el sistema puede clasificar.

Además, en base a la historia de la actividad muscular detectada del usuario, los algoritmos también se actualizan utilizando técnicas de aprendizaje automático, tales como la inferencia bayesiana. Es decir, cuando el usuario aprende a corregir su postura, el algoritmo se vuelve más "exigente" mediante la reducción de sus valores de aceptación.

El dispositivo 1 de la invención, con su diseño distribuido con todos sus elementos mantenidos juntos mediante el cinturón 300, puede hacerse muy delgado, por lo que la realización de cualquier ejercicio es factible, incluso en una posición supina.

En este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (tales como "comprendiendo", etc) no debe entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben interpretarse como excluyentes de la posibilidad de que lo que se describe y se define pueda incluir otros elementos, etapas, etc. En el contexto de la presente invención, el término "aproximadamente" y términos de su familia (como "aproximado", etc.) deben entenderse que indica valores muy cercanos a los que acompañan el término antes mencionado. Es decir, una desviación dentro de límites razonables de un valor exacto debería ser aceptada, porque un experto en la materia entenderá que tal desviación de los valores indicados es inevitable debido a las inexactitudes de medición, etc. Lo mismo se aplica a los términos "sobre" y "alrededor" y "sustancialmente".