ESTADO DE LA TECNICA EI temblor patol6gico es un efecto de algunas enfermedades neuroiogicas que da lugar a la discapacidad de la persona afectada. Esta caracterizado por contracciones rftmicas e involuntarias de los músculos del paciente. Como consecuencia la persona afectada esta sometida a oscilaciones involuntarias de sus miembros superiores y posiblemente otras partes del cuerpo.

La frecuencia de estas oscilaciones varia en function de que el tipo de temblor sea de reposo (característico de la enfermedad de Parkinson), postural (caracterfstico de pacientes con temblor esencial) o cinético (caracterfstico de pacientes con dano cerebral traumático). El rango comunmente aceptado oscila entre 2 Hz y 12 Hz.

La aproximación clásica para el tratamiento del temblor es la medicaci6n y la estimulación eléctrica de algunas zonas del cerebro. Hay sin embargo otros dispositivos que actual mediante la aplicacion de una carga mecanica resistiva o disipativa sobre el organo afectado. Tal es el caso del dispositivo comercializado con el nombre"Neater Eater". EI estado de la técnica es tal que en estos dispositivos se aplica una carga mecanica disipativa de forma independiente del tipo de temblor que afecte al paciente. Esta carga resistiva es edemas independiente del tipo de movimiento sobre el que se aplica, es decir, de si este es voluntario, tembloroso o una combinación de ambos. Como

consecuencia el paciente nota una carga resistiva zambien ante su movimiento intencional.

En el estado de la técnica existen algunas patentes cuyo objeto es la reduction del efecto del temblor en actividades concretas del paciente. Tal es el caso de la patente US6561993 que se centra en el filtrado de la senal temblorosa en dispositivos periféricos de entrada para computadores. El objeto en este caso no es alterar el patron de temblor en si, sino evitar que la sepal temblorosa se refleje en la salida del periferico del ordenador. Otras patentes, como la US5293879 o la US 5964720, se centran en procedimientos para la detección de temblor como consecuencia de enfermedades neurologicas y procedimientos para la monitorizacion fisiológica generic y en particular para la monitorización de temblor.

La presente patente se refiere a un método de cancelación selectiva del temblor. El método se estructura en torno a un lazo de control repetitivo. En el estado de la técnica existen varias realizaciones y patentes que emplean o se centran en este tipo de lazo de control. En concreto, la patente US5740090 se centra en la protection de un tipo de filtros sintonizados con una componente frecuencial principal,"notch filters", de orden igual o mayor que dos, y de estrategias de control repetitivo y de aprendizaje desarrolladas a partir de dicho filtro. Esta patente, cita edemas a otras patentes anteriores, como por ejemplo la patente US4821168 que se centra en aspectos de robustez de los mencionados lazos de control.

DESCR<PCf6N DE LA INVENCIÓN BREVE DESCRIPCI6N DE LA INVENCIÓN El temblor patológico se caracteriza por oscilaciones ritmicas de a ! gun miembro del cuerpo humano. Estas oscilaciones ritmicas estran superpuestas al movimiento voluntario del paciente. Las caracteristicas de amplitud y frecuencia de las oscilaciones temblorosas dependen del tipo de temblor, sea este de reposo, postural o cinetico. Edemas, para un mismo paciente estas caracteristicas pueden verse alteradas en function de la actividad o condiciones que desarrolle o a que este sometido.

Un procedimiento establecido cfinicamente para reducir los efectos del temblor es la aplicación de cargas mecanicas resistivas, sean estas disipativas o inerciales. La solucion ideal consiste en aplicar cargas de este tipo unicamente al movimiento tembloroso. Sin embargo, todas las realizaciones descritas en el estado de la técnica, aplican la carga biomecánica a la combinación del movimiento voluntario y tembloroso. Esto da lugar a una resistencia al movimiento intencional del paciente, y como consecuencia a falta de confort.

Adicionalmente, no existe en el estado de la técnica métodos que permitan la aplicacion especifica de cargas en function de las características concretas del tipo de temblor (frecuencias y amplitudes variables) ni de las caracterfsticas particulares en un instante determinado del temblor en un paciente, que por lo general seran distintas a las de cualquier otro instante.

La presente patente pretende proteger un método que permite la cancelaci6n, reducci6n o supresión selectiva del temblor, es decir sin afectar al movimiento voluntario del paciente. Ademas, el método propuesto permite adaptar esta accon de cancelación de forma automatic a cualquier tipo de temblor o a cualquier condition del temblor de un paciente.

EI método propuesto consta básicamente de dos etapas: 1. La primera etapa es una estrategia de identificación de las caracterfsticas del temblor a partir de información recogida por una variedad de sensores biomecánicos (de position, velocidad, aceleración o fuerza) o fisiológicos (de sepal electromiografica). Las caracterfsticas obtenidas mediante esta estrategia son al menos la frecuencia, fase y amplitud de la senal temblorosa, diferenciando esta de la sepal voluntaria, mediante cualquier algoritmo digital o circuito electr6nico digital o analogico disenado al efecto.

2. La segunda etapa esta constituida por un lazo de control repetitivo, que sintonizado con la información del temblor obtenida en la fase anterior a las características concretas de la sepal temblorosa, cancela selectivamente la parte temblorosa del movimiento. Para ello, una multiplicidad de actuadores permiten aplicar la accon de cancelaci6n del lazo de control, mediante la aplicación de fuerzas internas (solucion

ortesica) o mediante la aplicación de fuerzas extemas (solucion de sobremesa, para sillas de ruedas...).

Mediante este método se selecciona para posterior cancelación solo la parte temblorosa del movimiento del paciente. Dado que la primera etapa es de character general, la identificacion y seguimiento de la sepal temblorosa permite su aplicacion a cualquier tipo de temblor o a cualquier condition o actividad del usuario.

DESCR ! PC) 6N DETALLADA DE LA INVENT) 6N El temblor patologico presenta una oscilacion rftmica de los distintos segmentos del miembro superior de pacientes de algunas enfermedades de origen neurológico. Esta oscilación esta caracterizada por frecuencias comprendidas en el rango de 2 a 4 Hz para el caso de temblor de reposo caracterfstico de la enfermedad de Parkinson. El temblor postural esta sin embargo caracterizado por un rango frecuencial comprendido entre los 5 y 8 Hz y es caracteristico de la enfermedad de temblor esencial. Por su parte, el temblor cinético puede presentarse en frecuencias comprendidas entre 4 y 12 Hz y es caracteristico de pacientes con dano cerebral de origen traumatico.

Dado un paciente afecto de cualquiera de los temblores descritos mas arriba, sus caracterfsticas especfficas de la oscilación pueden variar en function de la actividad o condition que soporte. Dichas oscilaciones estaran en general superpuestas al movimiento intencional del paciente.

Generalmente el movimiento voluntario esta caracterizado por frecuencias significativamente mas bajas que las del temblor. Adem6s dste Ciltimo es un movimiento esencialmente armónico (rftmico). Aprovechando estas dos caracterfsticas es posible determinar estrategias que permitan diferenciar ambos tipos de movimiento. En concreto, una estrategia posible es: a) el filtrado de la sepal de movimiento con filtros pasa bajas o altas disenados con frecuencias de corte comprendidas en el rango frecuencial entre el movimiento voluntario y el tembloroso. Los filtros asf diseñados pueden ser implementados

tanto digital como analógicamente y pueden ser de cualquier orden, es decir, con pendientes de rechazo a las frecuencias prohibidas mayores o menores.

Aprovechando la caracteristica esencialmente armonica del temblor, otro procedimiento para la identificacion y seguimiento de la sepal temblorosa se fundamenta en: b) el modelado de esta mediante un desarrollo en serie de un armónico principal de frecuencia fo y M secundarios, tal como refleja la ecuación (1).

Se puede establecer el error, ek, entre el modelo de la ecuacion (1) y la sepal efectivamente obtenida a través de una variedad de sensores en el instante k, Sk, segun la ecuación (2).

Se puede utilizar este error para plantear un proceso de optimización por mínimos cuadrados de los parámetros del modelo de la ecuación (1).

El proceso descrito permite mediante la adecuada selección de los parametros de convergencia del proceso de optimización, la obtencion de un método recursivo para la estimation instantanea de las caracterfsticas de frecuencia, fase y amplitud de la senal temblorosa.

La estrategia descrita permite obtener una estimation instantanea de las caracterfsticas del temblor diferenciando estas del movimiento voluntario.

Aunque se han descrito dos alternativas para la implementación de esta estrategia, es la estrategia en sf la que permite la implementaci6n del metodo protegido en esta patente y como consecuencia pueden utilizarse combinaciones de ambas o terceros métodos desarrollados digitalmente en los dominios dol tiempo o de la frecuencia o analógicamente.

El control repetitivo es una variante del control de aprendizaje en el que se utiliza información previa sobre el tipo de perturbacion a que esta sometido un

sistema para mejorar el rechazo a las mismas. En concrete es de aplicacion cuando las perturbaciones son de character periodic.

En el caso del temblor patol6gico, el sistema a control es el miembro superior del paciente y la perturbacion es la oscilacion a que da lugar el temblor y que segun se indic6 mas arriba es rftmica (armónica). Por tanto, la cancelación o rechazo selectivo del temblor puede ser aproximado mediante lazos de control repetitivo.

En el control repetitivo se emplea una combinación lineal de uno o mas valores anteriores del error entre la referencia y la sepal medida para construir la sepal de entrada al controlador del sistema, vease la figura 1. El resultado es que la funci6n de transferencia del sistema de control presenta una atenuación muy grande a la frecuencia fundamental de la perturbacion y en sus correspondientes armónicos segun indica la figura 2. EI numero de valores previos de error y los coeficientes de la combinación lineal descrita mas arriba determinan la anchura de la zona de atenuacion y rechazo.

La estrategia descrita en los párrafos anteriores permite, una vez conocida la frecuencia principal del temblor, realizar una cancelación selectiva de la perturbación que representa el temblor al movimiento voluntario. Si, tal como se describio mas arriba, la estrategia de identificacion permite la identificacion instantánea de las caracterfsticas del temblor a partir de la información de los sensores, el método propuesto se adapta automaticamente al tipo de temblor y a las condiciones del paciente.

La implementación del método de control puede realizarse de forma tanto digital como analogic sin que esto afecte al fundamento del método protegido.

La accon de control descrita mas arriba da lugar a la aplicacion de una serie de esfuerzos biomecánicos sobre el miembro tembloroso. Estos esfuerzos pueden ser de caracter interno, es decir, aplicados sobre el miembro tomando como referencia otro segmento del cuerpo humano, dando lugar a soluciones ortesicas. Los esfuerzos pueden ser ademas de character externo, es decir, tomando como referencia cualquier elemento externo (mesa, silla de ruedas...), dando lugar a aplicaciones no ambulatorias.

El método descrito esta recogido esquemáticamente en el diagrama de la figura 3. Costa por tanto de una etapa de obtention de información sensorial, una estrategia de identificación y seguimiento de las características del temblor a partir de la información sensorial, un lazo de control repetitivo para el rechazo de la perturbacion debida al temblor y una multiplicidad de actuadores para la aplicación ffsica de la accon de control.

EJEMPLO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCI6N Como ejemplo de realización de la invencion se presenta el desarrollo de una solution ortésica para cancelación del temblor a nivel del codo. La ortésis esta formada por una estructura rigida que permite soportar un conjunto de sensores y actuadores para implementar los bloques 1 y 4 del método de cancelación descrito esquemáticamente en la figura 3.

En el ejemplo se emplean como sensores dos giroscopios situados a ambos lados de la articulacibn que ofrecen información sobre la velocidad angular absoluta de brazo y antebrazo en el plano de movimiento de la articulación. EI rango frecuencial de medida esta comprendido entre 0 y 50 Hz, cubriendo asi todo el rango frecuencia) de los posibles temblores. Se incluye zambien un motor ultrasónico para generar el par de cancelación del temblor en la articulacion de interes. El par del motor es de 1 mN, suficiente para contrarrestar el par medio del temblor a este nivel.

El conjunto esta controlado por un ordenador personal que incorpora tarjetas de adquisici6n de la suficiente velocidad de captura y resolucion, en este caso 200 Khz. y 12 bits respectivamente.

Se implementa una estrategia de identificación y seguimiento del temblor de acuerdo al estandar IEEE-STD-1057 para desarrollar el bloque 2 de la figura 3.

Esta estrategia supone que el temblor sigue un patron armónico y desarrolla un modelo del mismo de acuerdo con la ecuación (1). La optimización por mínimos cuadrados recursivos del error entre este modelo y la medida real del temblor permite la identificación instantánea de la frecuencia, fase y amplitud del temblor. La frecuencia de muestreo seleccionada para el lazo de identificación

es de 1 Khz.. Toda vez que la estrategia se ! eccionada otorga ia estimacion con un retardo de una unica muestra, el retardo de la estimation se reduce a 1 ms, despreciable en comparación con la frecuencia intrínseca del temblor que esta comprendida entre 2 y 12 Hz.

La frecuencia estimada del temblor se emplea para sintonizar el lazo de control repetitivo del bloque 3 de la figura 3. Se emplea para ello un vector en el que se almacena el error entre la referencia y la sepal en el periodo anterior. Se emplea en este caso una combinación lineal con un unico valor previo, el correspondiente a un retardo de un periodo de la sepal de temblor identificada.

Esta combinación lineal es la entrada de un controlador proporcional integral clasico.

EXPLICACI6N DETALLADA DE LOS DIBUJOS Figura 1 La figura representa esquematicamente un lazo de control repetitivo. EI bloque 1 representa la planta a control, que en este caso esta compuesta por el conjunto del miembro y el dispositivo empleado para la aplicación de fuerzas.

El bloque 2 representa el controlador que en function de la sepal de error er, genera la acci6n de control. EI bloque 3 desarrolla una combinación lineal de M valores anteriores del error e. En este esquema el error e esta determinado a partir de la diferencia entre el valor de referencia r y la senal medida s.

Figura 2 La figura representa la accon de control representada por un lazo repetitivo. La frecuencia central del temblor, fo, se emplea para sintonizar este lazo repetitive dando fugar a una gran atenuación o rechazo centrada en esta frecuencia y los armónicos correspondientes.

La selecci6n de la frecuencia central de rechazo, fo, implementada por el lazo de control repetitivo de acuerdo con las características instantaneas del temblor permite la cancelación, supresión o reducci6n biomecanica del temblor de forma independiente de sus caracterfsticas particulares.

Figura 3 La figura representa el conjunto de etapas necesarias para la implementación del metodo descrito en esta patente. El bloque 1 esta formado por una variedad de sensores que recogen información cinemåtica o cinética del temblor en un miembro determinado (posicion, velocidad, aceleración, fuerza o par mecanico) y/o información fisiológica del mismo (serial electromiografica). El bloque 2 representa la estrategia de identificacion y seguimiento de las características del temblor, emplea como entrada la información sensorial suministrada por el bloque 1 y genera una estimation de frecuencia, fase y amplitud de la parte temblorosa del movimiento del miembro afectado. EI bloque 3 representa la aplicacion de un lazo de control repetitivo sintonizado con la información suministrada por el bloque 2 para implementar una zona de rechazo de frecuencias ajustadas a las caracterfsticas del temblor. La accon de control representada por el bloque 3 es la entrada del bloque 4 que representa la aplicación biomecanica de la action de cancelacion del temblor mediante una multiplicidad de actuadores dispuestos en un sistema de esfuerzos internos (ortésis) y/o externos (dispositivos de sobremesa, sillas de ruedas...)