Post on 24-Jan-2020
Universidad Nacional de San Juan
Facultad de Ingeniería
Departamento de Electrónica, Automática y Bioingeniería
Carrera de Bioingeniería
Asignatura “Biomecánica”
Unidad Nº 3: “Biomecánica del Movimiento Humano”
Parte 4: Técnicas de análisis de movimiento y aplicaciones
Dra. Ing. Silvia E. Rodrigo
2019
UNIDAD 3: BIOMECÁNICA DEL MOVIMIENTO
• Cinemática y cinética (linear y angular) de segmentos y articulaciones anatómicas.
Modelos biomecánicos del cuerpo humano. Conceptos de antropometría. Técnicas
analíticas y experimentales de análisis del movimiento. Aplicación a la
Biomecánica de la locomoción humana.
TÉCNICAS DE ANÁLISIS DEL
MOVIMIENTO CORPORAL HUMANO
Analíticas: están orientadas a la descripción precisa de la cinemática y cinética del
cuerpo humano (se describieron al hablar de análisis cinemático y cinético).
Experimentales: permiten cuantificar las variables cinemáticas y cinéticas que describen
el movimiento corporal durante su actividad, utilizando sensores o transductores, o bien
el equipamiento disponible en laboratorios de análisis computarizado del movimiento.
También suele registrarse simultáneamente con las variables cinemáticas y cinéticas, la
actividad electromiográfica (EMG) de los principales grupos musculares que generan la
actividad del cuerpo humano que se quiere evaluar.
Se subdividen en:
Técnicas experimentales para registro de datos cinemáticos
Permiten medir parámetros temporales y espaciales o bien, parámetros
cinemáticos propiamente dichos.
Si bien el primer tipo de parámetros proporciona información importante, el
estudio del movimiento (evolución temporal de posición, velocidad y
aceleración) de segmentos y articulaciones durante una actividad particular
del cuerpo humano, aporta información más detallada sobre su comportamiento
mecánico durante esta actividad, tal como en el caso de la locomoción.
Se emplean cronómetro y cinta métrica, interruptores plantares u otros elementos para
medir distintos parámetros, tales como:
Distintos parámetros espaciales medidos durante un ciclo de marcha.
Longitud de zancada: distancia medida entre dos apoyos sucesivos del mismo pie (m).
Parámetros temporales y espaciales
Tiempo de ciclo: duración de un ciclo de marcha (s).
Cadencia: número de pasos ejecutados en un intervalo de tiempo (pasos por
minuto).
Velocidad de la marcha: distancia recorrida por el cuerpo en la unidad de tiempo,
en la dirección considerada.
v. media (m / s) = 0.5 x long. zancada (m) x cadencia (pasos/minuto) /60
Parámetros de marcha normal para varones (V) y mujeres (M).
1.46 1.28 1.43 1.28 111 117 Perry (1992)
1.41 1.30 1.34 1.27 112 115 Kadaba (1990)
1.42 1.22 1.20 1.10
102 108 Chao (1983)
1.57 1.33 1.53 1.30 117 117 Murray (1964, 1970)
V M V M V M Fuente
Long. zancada (m)
Velocidad (m/s) Cadencia (pasos/min)
Interruptores plantares: son una manera económica de medir estos parámetros.
Existen dos tipos básicos: de cierre por compresión y resistencias sensibles a la
fuerza (en inglés, force sensitive resistor, FSR), dispuestos generalmente sobre
plantillas delgadas, que se pueden colocar entre el pie y el zapato, o adherido a la
planta del pie descalzo.
Elementos de sensado de parámetros temporales y espaciales
La presión plantar causa que el carbono sobre una superficie contacte con una
plancha de metal en la otra superficie, generando una resistencia eléctrica entre
ambas. A medida que aumenta la presión plantar aplicada, la resistencia
disminuye hasta un nivel considerado como el cierre del interruptor.
Entre éstos figuran: goniómetros o bien, cámaras de video para efectuar estéreo-
fotogrametría, que permiten medir las posiciones sucesivas en el primer caso, y las
trayectorias temporales en el segundo caso (durante el movimiento del cuerpo
humano) de los marcadores colocados en segmentos y articulaciones. A partir de
estas trayectorias, se calculan luego las velocidades y aceleraciones respectivas.
También se utilizan acelerómetros para medir esta variable y calcular luego por
integración, velocidades y trayectorias de segmentos y articulaciones durante el
movimiento del cuerpo humano.
Elementos de sensado de parámetros cinemáticos
Configuración mecánica y
eléctrica de un goniómetro
localizado en la articulación de
la rodilla. El voltaje de salida es
proporcional al ángulo medido.
Goniómetros
Ventajas:
-poco costoso,
-señal de salida disponible instantáneamente para registro o procesamiento en una PC,
-registro de la rotación articular en 2D.
Desventajas:
-ángulo relativo y no absoluto,
-requiere un tiempo considerable para ajuste y alineación,
-puede dificultar el movimiento cuando se colocan varios goniómetros simultáneamente
para registrar el movimiento de distintas articulaciones,
-requiere goniómetros complejos para registrar el movimiento articular con 2 o 3 GDL.
Acelerómetros
Habitualmente se emplean transductores de fuerza diseñados para medir las
fuerzas asociadas a una aceleración dada.
Si a es la aceleración y m es la masa constante del sistema de medición, la fuerza
ejercida por la masa es F = ma, medida con transductores del tipo strain gauge o
piezoresistivos, que producen un voltaje de salida v = K an proporcional a la
magnitud y signo de la componente normal de la aceleración.
a
m
at
an v=K an
E
Para el estudio de los movimientos humanos se emplean generalmente los
transductores piezoresistivos, porque tienen buena respuesta en el rango de
aceleración útil en biomecánica (0 a 100 m/s2) y permiten la medida a bajas
frecuencias, desde 0 a 100 Hz, típicas del movimiento corporal.
Ventajas:
- señal de salida disponible instantáneamente para registro o procesamiento en una PC.
Desventajas:
- la aceleración medida es relativa a la posición del transductor en la extremidad,
- costo excesivo si se utiliza un gran número,
- puede dificultar el movimiento cuando se colocan varios transductores
simultáneamente, ya que se necesita cableado o bien, telemetría
- la masa del transductor puede producir medidas erróneas, especialmente en
movimientos rápidos o que involucren impactos.
Permite obtener información temporal y espacial del movimiento corporal a partir
de un sistema de captura de movimiento en distintos planos.
El equipo básico incluye:
- marcadores, sistema de referencia y sistema de iluminación,
- cámaras de video,
- equipo de digitalización,
- PC, periféricos y demás accesorios.
Estéreo-Fotogrametría
Marcadores:
Son pequeños objetos (de 1 mm a 1 cm) de forma cónica, esférica o circular,
cubiertos por material reflectante y con un sistema de sujeción al cuerpo o ropa.
Se emplean asociados a un sistema de iluminación. Su número varía entre 8 y
30 marcadores simultáneos.
Pueden ser pasivos o activos, estos últimos basados en diodos infrarojos que se
activan secuencialmente a fin de facilitar su visualización, seguimiento y
digitalización.
Permite describir el volumen del espacio del laboratorio en donde se registrarán
datos cinemáticos durante las pruebas de marcha, a fin de definir el SCG a utilizar.
Está formado por una estructura de dimensiones y forma conocidas, en cuyos
extremos tiene ubicados marcadores cuya posición es fija y se conoce con
precisión.
Para minimizar los errores, previo a cualquier medición es necesario calibrar el
sistema de captura de movimiento respecto de este sistema de referencia,
intentando cubrir el mayor volumen posible del campo de filmación y análisis.
Sistema de Referencia:
Se requieren al menos dos para lograr la visualización en 3D de un lado del cuerpo.
Para la visualización simultánea de ambas extremidades inferiores o de todo el
cuerpo se necesitan al menos 3 cámaras.
En laboratorios de referencia generalmente se utilizan 4 o 6 cámaras, dependiendo
de la precisión que quiera obtenerse.
La velocidad mínima ha de ser de 50 o 60 cuadros /s, si bien existen sistemas de alta
velocidad de hasta 600 o 1000 cuadros / s. Habitualmente se emplean cámaras de
video monocromáticas para luz visible o infrarroja.
Cámaras de Video:
Cámara de televisión infrarroja típica montada
permanentemente en un laboratorio clínico de
marcha (frecuencia de muestreo 120 Hz). Las
luces infrarrojas forman un aro alrededor de la
lente y se pulsan por un corto tiempo cada
fotograma a fin de congelar la imagen antes de
escanearla.
Prueba de marcha en un laboratorio.
Las 6 cámaras de video distribuidas
en las paredes del laboratorio captan
la trayectoria de los marcadores
reflectivos colocados a ambos lados
del cuerpo del paciente.
Datos cinemáticos sin procesamiento previo, de las coordenadas cartesianas del tobillo, rodilla y cadera
de la extremidad inferior derecha. Se visualiza el efecto del ruido de alta frecuencia, como consecuencia
del proceso de digitalización.
Datos Cinemáticos
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
0 20 40 60 80 100
% ciclo de marcha
Co
ord
en
ad
a x
(m
)
tobillo rodilla cadera
-0.08
-0.06
-0.04
-0.02
0
0 20 40 60 80 100
% ciclo de marcha
Co
ord
en
ad
a y
(m
)
tobillo rodilla cadera
0
0.4
0.8
1.2
0 20 40 60 80 100 % ciclo de marcha
Co
ord
en
ad
a z
(m
)
tobillo rodilla cadera
Movimiento rotacional de las articulaciones de la extremidad inferior derecha en el plano sagital durante el
ciclo de marcha. a) datos sin procesamiento previo. b) datos filtrados.
a
b
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
0 20 40 60 80 100
% ciclo de marcha
An
gu
lo d
e f
lexo
-exte
nsió
n (
gra
do
s) tobillo
rodilla
cadera
Resultados Cinemáticos
-40
-20
0
20
40
60
80
0 20 40 60 80
100
% ciclo de marcha
An
gu
lo d
e f
lexo
-exte
nsio
n (
gra
do
s)
tobillo
rodilla
cadera
Cinéticos: transductores de fuerza o plataformas de fuerza para medir la
fuerza ejercida durante el movimiento por un segmento corporal o la
fuerza de reacción del suelo en el pie en contacto con el suelo o bien,
plantillas instrumentadas para el registro de la distribución de presiones
plantares durante la marcha.
Elementos de sensado de datos cinéticos
Transductores y Plataformas de Fuerza
Permiten medir la fuerza ejercida por el cuerpo humano sobre un cuerpo externo o
carga, generando una señal eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.
Los transductores de fuerza pueden ser del tipo:
- strain gauge,
- piezoeléctrico,
- piezoresistivo,
- capacitivo, etc.
En todos los casos, la fuerza aplicada produce una cierta cantidad de deformación en
el transductor.
A fin de medir fuerzas en dos o más direcciones, es necesario utilizar un transductor de
fuerza bi o tridireccional sobre el segmento corporal a analizar, que consiste en dos o más
transductores de fuerza montados en ángulos rectos entre sí. El mayor problema es
asegurar que la fuerza aplicada actúe a través del eje central de cada uno de los
transductores individuales.
En laboratorios de marcha habitualmente se emplean plataformas de fuerza, que miden
las 3 componentes de la fuerza de reacción del suelo (FRS, componentes vertical,
anteroposterior y mediolateral) que actúa sobre el pie en contacto con el suelo durante
las pruebas de marcha. En base a la FRS se obtiene luego la solución del problema
dinámico inverso. Un tipo de plataforma de fuerza consiste en una superficie plana
soportada por 4 transductores triaxiales colocados en cada una de sus esquinas.
En particular, la componente vertical de los 4 sensores permite calcular la
trayectoria del centro de presiones (CDP, punto de aplicación de la FRS) en el plano
de apoyo.
La fuerza vertical total es: FY = F00 + FX0 + F0Z + FXZ.
Si las 4 fuerzas son iguales, el CDP está en el centro de la plataforma (X/2, Z/2).
En general, el CDP se calcula como:
En realidad la FRS es la fuerza neta o promedio de las fuerzas distribuidas que actúan
sobre el área de apoyo del pie (variable), para cada instante de tiempo de la fase de
apoyo del ciclo de marcha.
Un intento de calcular esta distribución de fuerzas variable en el tiempo es mediante las
plantillas instrumentadas, que sólo miden la distribución de la componente vertical de la
FRT, es decir, la distribución de presiones plantares durante la fase de apoyo de marcha.
Plantillas instrumentadas
Se utilizan para registrar en forma dinámica la distribución de presiones plantares
durante la locomoción.
Datos Cinéticos
Componentes de la fuerza de reacción de la tierra (sin procesamiento previo) para el pie derecho y el pie
izquierdo, durante el periodo de cadencia normal.
-150
-100
-50
0
50
100
150
0 20 40 60 80 100
% ciclo de marcha
Fx (
N)
pie derecho
pie izquierdo
-200
0
200
400
600
800
0 20 40 60 80 100
% ciclo de marcha
Fz (
N)
pie derecho
pie izquierdo
-40
-20
0
20
40
60
0 20 40 60 80 100
% ciclo de marcha
Fy (
N)
pie derecho
pie izquierdo
Módulos del momento neto de fuerza, calculado durante el análisis dinámico inverso para la
extremidad inferior derecha, asociados a los actuadores articulares del tobillo, rodilla y cadera.
Resultados Cinéticos
-400
0
400
800
1200
1600
0 20 40 60 80 100
% ciclo de marcha
Mo
me
nto
ne
to d
e fu
erz
a (
N m
)
Tobillo
Rodilla
Cadera
Se emplean electrodos superficiales o implantables para el registro de
potenciales eléctricos generados por la contracción muscular
(electromiografía dinámica).
Elementos de sensado de actividad muscular
Grupos de variables medidas para evaluar la locomoción humana.
Registro simultáneo de datos de marcha
Simulación computacional del movimiento de la marcha definido a partir de un modelo biomecánico del
cuerpo humano y de los datos registrados, que permiten realizar el análisis cinemático y dinámico inverso.
APLICACIONES A LA BIOMECÁNICA DE
LA LOCOMOCIÓN HUMANA
• Investigación básica: generar y definir patrones de marcha normal y patológica a
fin de entender los efectos que provocan sobre esta actividad, patologías de los
sistemas nervioso, muscular y esquelético.
Vertical component of ground reaction force (GRF) for both feet during a gait cycle (GC). Left: normal gait. Right:
parkinsonian gait. For normal gait stance phase (0-60% GC) begins at left heel strike (HS) and ends with toe off (TO).
Swing phase takes place between 60 and 100% GC. Notice how these percentages vary for parkinsonian gait.
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100
Right foot
Left foot
% gait cycle
Ver
tica
l co
mp
on
ent
of
GR
F (
N)
0
200
400
600
800
1000
0 20 40 60 80 100
Right foot
Left foot
% gait cycle
Parkinsonian Gait Normal Gait
HS TO HS TO
Ver
tica
l co
mp
on
ent
of
GR
F (
N)
• Entrenamiento deportivo: obtener mejoras en el rendimiento de los deportistas,
evitando al mismo tiempo las lesiones.
• Calzado o indumentaria deportiva: incorporar los últimos conocimientos de la
ambulación humana en estos productos.
• Análisis clínico de la marcha: aplicar los resultados de la investigación básica
para proporcionar al médico especialista, una herramienta de diagnóstico de
trastornos de marcha derivados de patologías de los sistemas nervioso, muscular
o esquelético.
• Rehabilitación motora: diseñar y desarrollar dispositivos ortoprotésicos
´(pasivos o activos) para individuos afectados por deficiencias neuromotoras o
músculo-esqueléticas.
a) Plantilla en el interior del calzado; b) Sujeto utilizando el prototipo.
Aplicaciones desarrolladas en la carrera de Bioingeniería de la UNSJ
1) Plantilla instrumentada:
Esquema de distribución de sensores de presión en la plantilla.
Materiales utilizados: 1- Base de poliéster, 2- Sensor, 3- Cubierta de cuero, 4- Alambre conductor.
Interfaz de usuario de la aplicación ejecutable.
Parámetros configurables.
Gráficos de barras de la distribución de presiones plantares correspondientes a dos sujetos de marcha
normal aparente. La barra izquierda indica el valor máximo de presión obtenido, mientras que la barra
derecha representa el valor promedio de presión para cada zona del pie. Los valores normales de
referencia están señalados en el recuadro situado en la parte inferior derecha.
Lokomat adultos
Está basado en el principio del
sistema de entrenamiento robotizado
de marcha para rehabilitación
Lokomat® (Hokoma):
2) Prototipo de exoesqueleto para rehabilitación de marcha neuropatológica: