Planteamiento del procedimiento metodológico

Con base en la teoría del diseño centrado en el usuario (apoyándose en la norma ISO 9241-210) y otras técnicas y métodos aplicadas al diseño, se desarrolló un proceso metodológico para alcanzar una solución de diseño que cumpla con las necesidades de las personas parapléjicas (Figura 1).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 1 Propuesta metodológica centrada en el usuario. 

Etapa 1. Entendimiento y especificación del contexto de uso

En esta etapa de la metodología, se debe obtener la información necesaria sobre el usuario, sus características físicas, capacidades, necesidades, entorno social, etc. Los pasos y procedimientos establecidos aquí fueron los siguientes:

Etapa 2. Especificación de requerimientos

En esta etapa se determinan los requerimientos de diseño, tales como las características funcionales, la operación y los aspectos relativos a seguridad, esto con apoyo del método de despliegue de la función de calidad (QFD, por sus siglas en inglés quality function deployment), el cual utiliza una matriz para asignar los requisitos del usuario a las especificaciones del sistema; la matriz permite a los diseñadores ver el grado en que su trabajo satisface las necesidades del cliente (^{Wickens et al., 2014}).

Etapa 3. Producción de soluciones de diseño

Se producen soluciones de diseño basadas en los requerimientos obtenidos en la etapa anterior, las cuales, a su vez, se obtienen con el análisis de los pasos realizados en la primera etapa como la revisión de patentes y los resultados de las entrevistas. El orden para cumplir con esta etapa fue el siguiente:

Etapa 4. Evaluación

La evaluación es esencial en el diseño centrado en el usuario, esta puede utilizarse para proporcionar un retorno de información para mejorar el diseño y determinar si se han alcanzado los objetivos del usuario. Para gestionar el progreso del diseño iterativo, es conveniente registrar sistemáticamente el resultado de las evaluaciones (ISO 9241-210, 2019). Los pasos utilizados en esta etapa son los siguientes:

Etapa 1. Entendimiento y especificaciones del contexto de uso

Para dar pie al uso de la propuesta para el diseño, se tomó un estudio de caso considerando el siguiente planteamiento del problema:

Las dificultades físicas presentadas debido a una paraplejia se pueden tratar con terapia física, dichas dificultades encuentran apoyo mediante el uso de ayudas técnicas (dispositivos) diseñadas para problemas físicos específicos, desafortunadamente se tiene que considerar que no todas las personas con algún grado de discapacidad tienen acceso a la aplicación de terapias y a la utilización de ayudas técnicas.

La industria de la tecnología de asistencia está limitada y especializada, y atiende principalmente a mercados de altos ingresos. No solo hay falta de financiación pública, sino también de sistemas nacionales de prestación de servicios, de actividades de investigación y desarrollo centradas en el usuario, de sistemas de compras, de normas de calidad y seguridad y de productos cuyo diseño esté adaptado al contexto. (^{OMS, 2018})

Un programa de rehabilitación física, sistemático e intensivo puede lograr la disminución del proceso de las posteriores afectaciones (^{Hidalgo, 2017}), mejorando la calidad de vida de los pacientes (^{Okoye et al., 2022}).

Por las limitaciones propias de su condición, las personas que sufren de algún tipo de discapacidad física son las más vulnerables en este sentido, siendo las discapacidades motrices las que ocupan uno de los mayores porcentajes. El 37.7% tiene la limitación para caminar, subir o bajar usando sus piernas (^{Instituto Nacional de Estadística y Geografía [INEGI], 2017}), por lo que se seleccionó la paraplejia para delimitar al grupo de estudio debido a que con este tipo de lesiones medulares se pierde mayormente el control sobre los miembros inferiores del cuerpo.

Para la revisión de literatura, se seleccionaron bases de datos médicas, como Pubmed, National Library of Medicine y Science Direct, y de sitios especializados como Spinalcord.com, Livestrong.com, Sci.washington.edu y Burke.org. También se utilizaron SciELO y DOAJ. Además de las fuentes bibliográficas se determinó obtener información directamente de personas con paraplejia, fisioterapeutas y médicos especialistas en rehabilitación física.

Con la revisión de literatura relacionada al tema se encontró información respecto a las complicaciones que conlleva la falta de movimiento en los miembros inferiores en la salud de las personas parapléjicas. Considerando estos datos y la información encontrada respecto al vínculo existente entre las discapacidades físicas y la pobreza, se encontró un área de oportunidad.

La inactividad física en personas discapacitadas propicia complicaciones secundarias como atrofia muscular, pérdida del tamaño del músculo esquelético en las extremidades inferiores, infecciones del tracto urinario, úlceras de presión, enfermedades respiratorias, aumento de peso, problemas cardiovasculares, entre otros (^{Casajús & Vicente-Rodríguez, 2011}). El ejercicio de resistencia de las extremidades superiores puede mejorar la capacidad de ejercicio, la fuerza de los músculos respiratorios y la calidad de vida (^{Da Silva et al., 2018}).

De acuerdo con ^{Gilbert (2015)}, las personas con lesión de médula espinal que se mantienen más físicamente activas tienen menor riesgo de desarrollar complicaciones secundarias, los programas de rehabilitación física y las ayudas técnicas pueden ayudar a disminuir estas afectaciones y mejorar la calidad de vida de estas personas. Sin embargo, no todos tienen acceso a las terapias y ayudas técnicas. Asimismo, además de los problemas físicos y psicológicos a los que se enfrentan, también se encuentran con problemas socioeconómicos, ya que existe un vínculo entre la discapacidad física y la pobreza (^{Rocha-Rodríguez et al., 2014}).

Para obtener un panorama más integral sobre el problema, se realizaron entrevistas a personas con discapacidades motrices utilizando un cuestionario de 12 preguntas abiertas en el que participaron 14 personas, ocho mujeres y seis hombres; la edad de los participantes fue de los 25 a los 82 años. Los tres diagnósticos médicos más recurrentes de los participantes fueron los siguientes: lesión medular, neuropatía diabética y paraplejia.

De las personas entrevistadas, siete asistían a terapias físicas y siete no lo hacían; los que sí asistían a terapias realizaban reforzamiento de piernas, terapia motriz, fortalecimiento de brazos, hidroterapia, mecanoterapia y electroterapia. De estas siete personas, seis se apoyaron de algún tipo de dispositivo. De 14 personas entrevistadas, 13 consideraron necesarios nuevos productos para terapia física, y de estos, cinco participantes mencionaron cuáles serían estos productos que creían necesarios. Uno de los productos mencionados fue un dispositivo que se pueda utilizar en casa sin necesidad de salir, mientras que cuatro personas coincidieron en un producto que les permitiera movilizar las piernas.

Como parte de la primera etapa, también se aplicó un cuestionario de 12 preguntas abiertas a 18 especialistas en terapia física y rehabilitación, 16 de ellos fisioterapeutas y dos médicos especialistas en rehabilitación. Estos participantes fueron contactados en distintas clínicas y centros de rehabilitación física. Como puede apreciarse en la Figura 2, la actividad más recurrente dentro de este tipo de terapias son las movilizaciones activas y pasivas, seguido de la electroestimulación y ejercicios de fortalecimiento.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 2 Actividades más recurrentes llevadas a cabo en terapia física para pacientes parapléjicos. 

Los tres dispositivos o ayudas funcionales encontrados y que son más utilizados fueron: electroestimuladores, dispositivos para mover brazos y piernas y bipedestadores. Las principales contribuciones del equipo utilizado en la terapia física fueron mantener los arcos de movimiento, así como fortalecer y activar músculos. A la pregunta de si es recomendable llevar un plan de terapia física en casa, y si sería más benéfico para el paciente apoyarse en equipo o ayudas funcionales, el total de los especialistas coincidieron en que sí es recomendable para el paciente, ya que es necesario establecer un programa de ejercicios en casa y con ayuda de equipo sería mucho mejor.

Los especialistas recomendaron materiales duros para la estructura y blandos para las partes de contacto con el usuario. En el manejo del color, se inclinaron por el uso del color de acuerdo con el gusto del usuario y también como un aspecto poco importante del diseño. En cuanto a las características que debería tener un dispositivo de terapia física para personas con paraplejia para ser usado en el hogar, destacaron el diseño compacto, con peso ligero y la facilidad para moverlo (Figura 3).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 3 Características consideradas en el diseño de un dispositivo para terapia física de uso en el hogar. 

Entre las medidas de seguridad a considerar por parte de los especialistas en un diseño enfocado a personas con paraplejia, se descarta el uso de sujetadores, bordes romos y estabilidad en el dispositivo.

Respecto a la revisión de patentes, se realizó una comparación de 27 registros considerando dispositivos mayormente mecánicos y eléctricos dirigidos al ejercicio, a la terapia física y a la rehabilitación, los cuales en su mayoría están enfocados a la movilización tanto de piernas como brazos. Entre las patentes encontradas, la mayoría son de bicicletas de brazo y pierna y dispositivos tipo escaladora reclinada (recumbent stepper). Del total de patentes encontradas, fueron siete las que comparten similitudes con el planteamiento del problema, estas patentes comparten en común funcionar con una unidad mecánica y mover las piernas del usuario accionando el mecanismo por medio del movimiento de los brazos, algunas de estas tienen la opción de trabajar miembros superiores e inferiores de manera aislada. Las patentes fueron las siguientes:

Adicional a los registros de patente, se incluyó la búsqueda de productos existentes en el mercado, encontrando cuatro dispositivos para sillas de ruedas y dos dispositivos con asiento. Estos también fueron tomados en cuenta para la obtención de requerimientos y el diseño innovador. Un reporte de la información encontrada respecto a las patentes, productos existentes y cuestionarios se encuentra disponible en ^{Miranda-Bañuelos et al. (2019)}.

Etapa 2. Especificaciones de requerimientos de diseño

Del análisis de la información obtenida durante la primera etapa de la metodología, comprensión y especificación del contexto de uso, se hizo un listado con las necesidades a tomar en cuenta para diseñar un producto, quedando solo en la lista final aquellas que estuvieran lo suficientemente fundamentadas, ya sea con información bibliográfica, el análisis de patentes y productos comercializados, o los resultados de las entrevistas al grupo de estudio y especialistas.

El proceso para descartar necesidades que no contaban con fundamento suficientemente sólido y los pasos consecuentes del método QFD se llevaron a cabo mediante el consenso del grupo interdisciplinario formado para el proyecto.

Como parte del QFD se utilizó la primera matriz de valoración para obtener los requerimientos de diseño. Para obtener los requerimientos de cada una de las necesidades (CÓMOs en la matriz) se plantearon soluciones viables, siendo analizadas una por una, dando un total de 29 requerimientos para el diseño (Figura 4).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 4 Requerimientos de diseño utilizando QFD. 

Los requerimientos de diseño que obtuvieron una valoración más alta dentro del QFD fueron los siguientes:

1. Materiales con beneficio costo-calidad;

2. Considerar la biomecánica del usuario;

3. Materiales suaves en bandas, separador de muslos, etc;

4. Mecanismo de componentes prefabricados;

5. Ajustable a diferentes estaturas;

6. Diseño de apariencia robusta;

7. Considerar medidas antropométricas del usuario;

8. Mecanismo para mover brazos y piernas.

De igual forma, dentro de la matriz del QFD se hizo una valoración de la importancia del cliente para cada una de las necesidades, quedando con la valoración más alta: costo accesible, aparato para terapia física, uso en el hogar y seguro, mientras que poder variar la intensidad del esfuerzo quedó con la valoración más baja. Finalmente, en la matriz de correlaciones (en la parte superior del esquema) con las interrelaciones entre los requerimientos se identificaron las partes donde la aplicación de un requerimiento afectaría a otro.

Etapa 3. Producción de soluciones de diseño

Para la producción de soluciones de diseño se hicieron los primeros bocetos del desarrollo, dando prioridad a los requerimientos con la valoración más alta. A partir de los primeros bocetos se crearon otros con mayor detalle, considerando las mejores ideas de la primera parte del proceso y los requerimientos de diseño con puntuaciones más altas. Los bocetos se basaron principalmente en los tipos de movimientos identificados en los dispositivos de las patentes, es decir, los movimientos circulares ejecutados en los ergómetros para brazo y pierna y los movimientos lineales llevados a cabo en dispositivos tipo escaladora reclinada. De esta última etapa se definieron seis bocetos, los cuales se consideraron para el siguiente paso en el método propuesto (Figura 5).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 5 Propuestas de solución en bocetos. 

En esta etapa también se tomaron decisiones en la elección del mejor diseño. La herramienta de la matriz Pugh o método de convergencia controlada se utilizó vaciando los requerimientos de diseño con puntuaciones más altas en el formato de comparación, los seis diseños definidos en la etapa de bocetaje se colocaron en esta primera iteración. Consecuentemente, los bocetos con más requerimientos de diseño obtenidos en la primera iteración se pasaron al segundo esquema de matriz Pugh; los bocetos que pasan de una iteración a otra son mejorados. En este caso, se requirió de una cuarta iteración para determinar la propuesta de diseño mejor adaptada a los requerimientos de diseño (Figura 6).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 6 Cuarta y última iteración de matriz Pugh. 

El boceto con mayor peso obtenido en la cuarta iteración de la matriz Pugh permitió tener una base más sólida para la obtención del diseño final. Con este boceto se planteó una combinación entre un ergómetro de brazo y pierna y un dispositivo recumbent stepper; sin embargo, se optó por fijar el funcionamiento del dispositivo solamente como un dispositivo tipo recumbent stepper, ya que con la combinación de dispositivos los movimientos ejecutados con brazos y piernas no concordaban: para los brazos se trataba de movimientos lineales, mientras que para las piernas serían movimientos circulares, esto dio lugar en adaptar el mejor boceto de la cuarta iteración de la matriz, incluyendo mejoras y ajustes.

Para aplicar dimensiones al diseño se hicieron bocetos usando los datos del libro Dimensiones antropométricas de población latinoamericana. Se usaron los percentiles 5 y 95: el percentil 5 en mujeres con rango de edad de los 18 a los 24 años y el percentil 95 en hombres de los 18 a 65 años (^{Ávila-Chaurand et al., 2007}).

Posteriormente, se hizo un listado con los componentes necesarios para el diseño del prototipo con especificaciones de material, dimensiones y cantidades. Después, se trabajó el diseño en el software SolidWorks con apoyo de las medidas antropométricas y especificaciones de materiales obtenidos previamente; se modelaron el total de las piezas. Finalmente, se hizo el ensamble de todos los componentes del diseño (Figura 7).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 7 Modelado digital del ensamble. 

Como parte del proceso, se involucró nuevamente a usuarios y especialistas, esta vez para mostrarles el diseño propuesto. Se les mostró una simulación del movimiento ejecutado, la cual fue hecha con el software SolidWorks (Figura 8). Después de esto, se les aplicó un cuestionario de ocho preguntas abiertas; participaron un total de cuatro especialistas y seis usuarios.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 8 Secuencia digital de imágenes para utilización con usuarios y especialistas. 

Se aplicó el mismo cuestionario a usuarios y especialistas en terapia física, de los cuales se denotó similitud en los resultados (Tabla 1).

Posteriormente a la consulta a usuarios y especialistas, se hizo un análisis de las sugerencias para mejorar el diseño. En la propuesta de poder realizar más variaciones de movimientos, se coincidió con la opinión de los expertos en cuanto a la sujeción de miembros superiores a los manubrios, se planteó el uso de correas de seguridad y se hicieron ajustes al diseño en cuanto a la aplicación del color en los diferentes componentes; además, el sistema de ajuste para ángulo y altura se cambió de perforaciones con pernos en los tubulares a la utilización de abrazaderas rápidas. Obtenidas todas las piezas, y dados los acabados finales, se ensambló el prototipo (Figura 9).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 9 Fabricación y ensamble final del prototipo. 

Análisis biomecánico

En la simulación del movimiento al utilizar el prototipo, el análisis que hace el software sobre 3DSSPP indique en una escala de colores (verde, amarillo y rojo) si existe compresión de la espalda baja e indica el porcentaje de capacidad de fuerza para las diferentes partes del cuerpo como muñecas, codos, hombros, torso, cadera, rodillas y tobillos resultó en color verde dentro de la escala, al igual que con los porcentajes de capacidad de fuerza (Figura 10).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 10 Simulación de movimiento por software Kinovea. 

Para la aplicación de las pruebas se reunió a un grupo de 20 personas con edades a partir de los 19 años y de las cuales se registró la edad, estatura, peso, posibles lesiones o cirugías recientes y la fuerza de empuje al momento de utilizar la ayuda funcional (Tabla 2).

En la evaluación, el primer paso consistió en explicar el procedimiento y registrar los datos de los participantes, para después ponerse el traje y capturar el movimiento, así como colocar los marcadores por todo el traje siguiendo el patrón indicado por el software Motive Optitrack. El siguiente paso del procedimiento consistió en hacer la calibración con el traje puesto dentro del área designada. Una vez hecha la calibración, se les pidió a las personas voluntarias tomar posición para utilizar el prototipo y hacer una serie de 10 repeticiones. De forma simultánea, se hicieron la captura de movimiento con el sistema de cámaras Optitrack y se registró en video para respaldo, con la finalidad de realizar el análisis biomecánico. De igual forma, se hizo un registro fotográfico de las posturas adoptadas para su posterior análisis con el método RULA (rapid upper limb assessment).

Con la captura de movimiento en Optitrack se obtuvieron diferentes vistas de cada uno de los participantes: vista frontal, posterior, superior, derecha e izquierda (Figura 11).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 11 Captura de movimiento: vistas frontal, posterior, superior, derecha e izquierda. 

Para poder medir la fuerza de empuje, se utilizó un dinamómetro ajustado a los manubrios de aparato midiendo la fuerza ejercida por cada uno de los participantes (Figura 12). El resumen de los datos obtenidos se presenta en la Tabla 2. Como se puede ver, el esfuerzo promedio ejercido y desviación estándar fueron de 2.68 kg ± 0.21 kg.

Fuente: Elaboración propia.

Figura 12 Medición de fuerza de empuje al utilizar el prototipo. 

Para determinar si los rangos de movimiento ejecutados por los participantes se encontraban dentro de los parámetros de flexibilidad de las articulaciones, se utilizaron las capturas de movimiento, y para analizar las manos se usaron los videos, ya que en la captura de movimiento de las manos fue en donde hubo menor exactitud de registro. Se utilizó la herramienta de ángulos en el software Kinovea (Figura 13).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 13 Medición de ángulos (superior) y de trayectorias de movimiento (inferior) por software Kinovea. 

Al comparar los datos de los rangos de movimiento se tomaron como referencia las normas de flexibilidad para hombres y mujeres, establecidas por Van Roy y Borms en su capítulo de flexibilidad (^{Eston & Reilly, 2009}). Se utilizó el software Kinovea para analizar los videos de captura de movimiento de los 20 participantes, usando marcadores con los que se hizo un seguimiento de la trayectoria para hombro, codo, rodilla y pie. En todos los videos se analizó el lado derecho del cuerpo (Figura 13). La comparación con los valores máximos recomendados se encuentra en la Figura 14, en la cual los valores no utilizados se encuentran en blanco.

Fuente: Elaboración propia con datos de ^{Eston & Reilly (2009)}.

Figura 14 Comparación entre rangos de flexibilidad encontrados y máximos recomendados. 

Adicionalmente, y como forma de conocer mejor la actividad de las personas al utilizar el dispositivo, se obtuvieron diagramas para mostrar visualmente datos de cinemática lineal, como la distancia total, velocidad y aceleración (Figura 15).

Fuente: Elaboración propia.

Figura 15 Diagramas de velocidad, aceleración y distancia total. 

A partir de los datos obtenidos con apoyo del software Kinovea se registraron los valores máximos en las velocidades de rodilla, pie, codo y hombro para cada uno de los 20 participantes; la velocidad se registró en m/s, y se obtuvo el promedio final de cada grupo. En los 20 participantes la mayor distancia fue para el codo, seguido del pie, rodilla y hombro; el rango de tiempo y la distancia variaron, siendo la mayor distancia recorrida de 1.20 m y la menor de 0.60 m; el mayor tiempo fue de 3.4 s y el menor 1.46 s, estos tiempos fueron en los que se llevó a cabo una repetición.

Análisis ergonómico postural.

Con la finalidad de hacer una valoración del posible riesgo por adopción de posturas inadecuadas durante la utilización del prototipo, se utilizó el método RULA. Como apoyo se usó el software online que ofrece el sitio web Ergonautas.upv.es, desarrollado por la Universidad Politécnica de Valencia. Se evaluó el lado del cuerpo, y se seleccionó la postura que se consideró podría representar un mayor riesgo por tener mayor desviación respecto a la posición neutral. Se utilizaron las fotografías tomadas a los 20 voluntarios usando el prototipo, se hizo una medición de los ángulos solicitados por RULA, usando la herramienta RULER proporcionada por el sitio de internet antes mencionado.

Con base en los resultados arrojados, el software dio una puntuación de 4 en una escala de 0 a 7, en el que el nivel de actuación recomendado fue 2, este es para puntuaciones con valores entre 3 y 4, el cual sugiere que se pueden requerir cambios en el diseño de la tarea (Figura 16). La interpretación del RULA sería la siguiente: pueden requerirse cambios en el diseño de la tarea o puesto de trabajo. Este método fue creado principalmente pensando en puestos de trabajo, por lo que un artefacto para terapia física no tiene el uso prolongado que tendría un equipo de trabajo; sin embargo, de acuerdo con el resultado obtenido con el método, se detectaron puntos en los que conviene prestar mayor atención para reducir las malas posturas: abducción de brazos, desviación cubital de la muñeca y ángulo del cuello.

Fuente: www.ergonautas.upv.es

Figura 16 Resultado de la evaluación con el método RULA.