Resumen El desarrollo de tcnicas cuantitativas, que permitan evaluar objetivamente las caractersticas mecnicas

de la marcha humana, es de suma importancia en la

actualidad si se tiene en cuenta el nmero creciente de

personas afectadas por patologas o discapacidades del sistema

locomotor. Considerando esta problemtica, el objetivo de este

trabajo fue disear y desarrollar un dispositivo prototipo para

el registro dinmico de las presiones plantares durante la

marcha del sujeto analizado, con el fin de brindarle al mdico

especialista, una herramienta para diagnosticar de manera

ms precisa los trastornos de la locomocin humana. Entre las

principales caractersticas requeridas para este tipo de

dispositivos figuran, el empleo de sensores piezoelctricos que

puedan operar como elementos miniaturizados y compactos,

integrables en sistemas porttiles y el desarrollo de una

interfaz que permita adquirir y procesar mediante una PC la

informacin sensorial, para la posterior representacin

numrica y visualizacin grfica de los resultados obtenidos.

El prototipo aqu propuesto rene las condiciones mnimas

necesarias para el registro y evaluacin de las presiones

plantares, a un costo significativamente menor que el de los

sistemas comercialmente disponibles.

Palabras clavepresiones plantares, medicin dinmica,

sensores piezoelctricos, trastornos de la marcha.

I. INTRODUCCIN

L inters de investigar la problemtica de la marcha

humana y de las soluciones tecnolgicas posibles de

implementar para las personas con trastornos de

locomocin, se fundamenta en los datos estadsticos

proporcionados por la Encuesta Nacional de Personas con

Discapacidad, ENDI (INDEC, 2003), que indican que del

total de personas con algn tipo de discapacidad, el 39,5%

corresponde a discapacidades motoras, y dentro de stas, el

61,6% se atribuye a miembros inferiores.

Existe por lo tanto, una creciente preocupacin nacional

por llevar a cabo acciones tendientes a mejorar y recuperar

las funciones motoras afectadas en estos individuos, a fin

de lograr su independencia funcional y por lo tanto, su

reinsercin a la sociedad en sus diversos aspectos.

En este sentido, si bien la evaluacin cualitativa de la

marcha de un sujeto con trastornos de locomocin es la ms

habitual en la prctica clnica, las anormalidades en la

marcha pueden ser determinadas ms precisamente, a travs

de un anlisis basado en datos provenientes de laboratorios

de marcha, en los cuales se cuantifican diferentes

parmetros relacionados con el sistema neuro-msculo-

esqueltico (SNME) involucrado en esta actividad. Entre

ellos, figuran la medicin de fuerzas y torques aplicados

por el suelo al pie del sujeto y de las presiones plantares

desarrolladas durante la marcha. La distribucin de

presiones entre el pie y la suela provee informacin valiosa

acerca de la estructura y funcin del SNME durante la

marcha, principalmente de las articulaciones del pie y del

tobillo [1], ya que estas dos articulaciones proporcionan el

soporte y flexibilidad necesarios para sustentar el peso del

cuerpo mientras se efecta la locomocin. El mtodo

cuantitativo ptimo para la medida de presiones plantares lo

constituye un sistema de sensores distribuidos en una

plantilla, que registra las presiones que se producen entre el

pie y el calzado del sujeto ambulante, permitiendo un

seguimiento continuo de la interaccin pie-suelo, sin las

restricciones de movilidad espacial que presentan otros

sistemas de medida de presiones plantares fijados al suelo,

tales como las plataformas de fuerza.

El registro de presiones plantares no slo es til para el

diagnstico sino que puede ser utilizado por el terapeuta

fsico para corregir el tratamiento del paciente a travs de

modificaciones en el calzado, ortesis de pie, programas de

ejercicios y restricciones en la cantidad de peso soportado

por zonas especficas de la planta del pie.

El registrador que se propone en este trabajo, est basado

en una matriz de sensores de presin distribuidos en una

plantilla y ubicados en aquellas zonas de la planta del pie

humano en donde se generan las presiones ms

significativas durante la marcha. Tal proyecto de

investigacin constituye un intento por integrar diferentes

reas de la bioingeniera, entre las cuales se destacan la

biomecnica, la ingeniera de rehabilitacin y el

procesamiento de seales biolgicas.

El objetivo general de este trabajo fue el diseo y

desarrollo de un dispositivo prototipo, que permita registrar

las presiones plantares que se generan durante la

ambulacin del ser humano, con el propsito de determinar

las caractersticas mecnicas de esta actividad en

condiciones normales y patolgicas. Para lograr este

objetivo se utilizaron herramientas de hardware (sensores,

tarjeta NI USB6009, etc.) y software (Labview, Delphi),

vinculadas de acuerdo al siguiente esquema:

Registrador de Presiones Plantares en

Condiciones Dinmicas

Manuel E. Battistella, Claudia N. Lescano, Silvia E. Rodrigo, Rodolfo H. Rodrigo

Gabinete de Tecnologa Mdica, F. de Ingeniera, U.N.S.J., manuel.battistella@gmail.com

E

II. DISEO Y DESARROLLO

El prototipo para la medicin de presiones plantares se

dise y desarroll en base al empleo de sensores

piezoelctricos [3] distribuidos en una plantilla, tcnica

conocida como plantilla instrumentada. Esta tcnica se

eligi debido a la practicidad que presenta a la hora de

realizar un anlisis de presiones plantares y a ventajas tales

como la portabilidad, versatilidad, facilidad de

implementacin de los distintos componentes del sistema,

comodidad para el paciente, etc.

Tal como se visualiza en el esquema anterior, el

prototipo consta de cuatro componentes principales, que se

detallan a continuacin.

II.1 Plantilla Instrumentada

Consta de ocho sensores piezoelctricos (de 0,7 mm de

espesor y 1,5 cm de dimetro, disponibles en el mercado),

tales como los que se encuentran formando parte de

parlantes y tweeters (Fig.1). Tales sensores estn

distribuidos en una plantilla en posiciones especficas,

correspondientes a las ocho regiones de mayor inters para

un anlisis estndar (Fig. 2), que pueden variarse a

eleccin, segn los requerimientos del estudio a efectuar.

Fig. 1: Sensores piezoelctricos utilizados.

Fig. 2: Zonas de registro de las presiones plantares

Para conectar los sensores se utilizaron conductores de

alambre autosoldable de 0,14 mm de espesor y para el

material base de la plantilla se utiliz polister de iguales

caractersticas al de las placas radiogrficas por su

flexibilidad y su rigidez para proteger el asiento de los

sensores; sobre los mismos se coloc una cubierta de cuero

fino para brindar una mayor proteccin (Fig.3).

Fig. 3: 1- Base de polister; 2- Sensor; 3-Cubierta de cuero;

4- Alambre conductor.

II.2 Tarjeta de Acondicionamiento de Seal

Debido a las caractersticas derivativas de los sensores

usados, stos se conectan a una tarjeta de

acondicionamiento de seal a fin de efectuar la lectura de

los valores medidos. Esta tarjeta se construy con el fin de

poder retener la energa entregada por el sensor durante el

tiempo necesario para poder efectuar una correcta medicin

de la seal. Sus componentes principales son, un capacitor

de entrada quien es responsable de almacenar la energa

generada por el sensor y un amplificador operacional en

configuracin seguidor. El capacitor va conectado con la entrada no inversora del seguidor que tiene como funcin

realizar la adaptacin de impedancia entre el sensor y el

dispositivo de adquisicin, adems este sencillo circuito

(Fig. 4) anula el efecto derivativo del sensor permitiendo

retener la energa entregada por el sensor cuando se le

aplica una presin. Se conecta un pulsador en paralelo al

capacitor, que tiene como funcin cortocircuitar el mismo a

masa para su descarga, evitando as errores en la medicin

por residuos de carga en el capacitor.

Fig. 4: Esquema circuital para una entrada.

Adems, cada sensor fue calibrado, obteniendo la

constante de calibracin c, a partir de la relacin existente

entre la fuerza F aplicada y la tensin V entregada:

V= c * F c = V/F

Para esto y mediante una prensa manual se aplicaron

distintos valores de fuerza sobre cada sensor, obteniendo

los valores de tensin correspondientes, que fueron

registrados a la salida del circuito de acondicionamiento,

utilizando un instrumento virtual desarrollado en Labview.

Estos datos fueron luego sometidos a un anlisis de

regresin lineal con STATGRAPHICS plus, versin 5.

Mediante este anlisis se pudo comprobar la existencia de

una relacin lineal significativa entre las variables tensin

fuerza, que permite determinar la constante de calibracin a partir de la pendiente de esta relacin.

II.3 Tarjeta de Adquisicin y Computadora Porttil

Para la recoleccin de datos se utiliza un dispositivo de

adquisicin que, a travs de un puerto de comunicacin

USB, comunica los datos adquiridos a una computadora

para su posterior procesamiento y visualizacin.

La tarjeta de adquisicin utilizada para esta tarea fue la

NI USB-6008/6009, representada en la Fig. 5 [4]. La misma

se seleccion debido a sus prestaciones electrnicas (Tabla

I), entre las cuales las ms relevantes son su velocidad de

muestreo, la comunicacin de datos por puerto USB y su

adaptabilidad a distintos lenguajes de programacin. Sus

dimensiones reducidas le confieren portabilidad, una de las

condiciones requeridas para el prototipo desarrollado.

Fig. 5: NI USB-6009 [4].

TABLA I

CARACTERSTICAS ELECTRNICAS DE LA TARJETA DE

ADQUISICIN

Entradas analgicas 8 simples, 4 diferenciales,

seleccionables por software.

Resolucin de entrada 14 bits IA diferencial, 13bits

IA simple.

Rango muestreo mximo 48 kS/s

Resolucin temporal 41,67ns 24MHz

Rango de entrada 10v entrada simple, 10 a

1v entrada diferencial.

Voltaje de trabajo 10v.

Impedancia de entrada 144k

Proteccin de sobrevoltaje 35v.

Fuente para trigger Por software o trigger

digital externo.

Ruido Ent. simple 5mV x Vrms.

Ent. difer. 0,5mV x Vrms.

El elemento final de procesamiento y almacenamiento

utilizado fue una computadora porttil de prestaciones poco

exigentes, como las que se mencionan a continuacin:

Memoria RAM: 512 Mb o superior.

Procesador 1GHz o superior.

Grabadora de cd/dvd para almacenar datos.

Puertos USB para comunicacin con la placa de adquisicin.

Sistema operativo: Windows XP/2000. Mediante la PC se procesaron los datos adquiridos por la

DAQ USB6009, a travs de la aplicacin de software

desarrollada, que se describe en el siguiente apartado.

II.4 Herramientas de Software

Para el desarrollo de este trabajo se utilizaron dos

herramientas de software. La primera de ellas es el entorno

de programacin LabView [5], [6], debido a su

compatibilidad con la tarjeta de adquisicin y su facilidad

de manejo en cuanto al entorno de programacin grfica.

Mediante LabView se verificaron las caractersticas de

adquisicin del dispositivo USB6009 y el funcionamiento y

calibracin de los sensores piezoelctricos, logrando as el

registro de la seal generada por stos y su posterior

procesamiento y reporte de datos.

Debido a que LabView es un software registrado cuyo

uso requiere de una licencia habilitante, para la generacin

de la interfaz de usuario se prefiri utilizar un lenguaje de

programacin libre, tal como el denominado Object Pascal

[7], que utiliza Borland Delphi [8] como entorno de

desarrollo de software, permitiendo as crear un aplicacin

ejecutable.

En la Figura 6 se muestra el panel principal de la

aplicacin desarrollada, que contiene en la parte superior

izquierda, un men con las denominaciones: Pacientes,

Setup, Grficas, Acerca. A continuacin y por debajo de

este men principal, se presentan datos del paciente que se

est evaluando, la fecha de realizacin del estudio y el tipo

estudio que se efectuar. El operador dispone tambin de un

navegador que permite seleccionar entre los distintos

estudios guardados en la base de datos, as como de una

grilla en la parte inferior izquierda en la que se visualizan

las presiones mximas y el promedio registrados por cada

uno de los sensores en el estudio en curso o en previos. En

la parte central del panel se presenta una grfica de la

plantilla en donde aparecen los valores de presin

registrados por cada uno de los sensores distribuidos en la

plantilla (valores mximos y promedio para cada sensor),

mientras que en la parte derecha del panel se muestran los

comandos que permiten iniciar, configurar y guardar la

medicin en curso.

Fig. 6: Interfaz de usuario de la aplicacin ejecutable.

Al acceder al submen Pacientes, el operador puede

ingresar los datos de un nuevo paciente, o arribar a los

existentes guardados en la base de datos.

La aplicacin tambin permite configurar distintos

parmetros a travs del submen Setup, referidos a los

sensores (calibracin, rea del sensor) y a la calibracin

previa del sistema, la seleccin de la zona plantar a analizar

y dentro de ella, el registro durante la prueba, de uno o

varios sensores en forma simultnea y de uno o ambos pies,

segn el criterio del mdico especialista (Fig. 7). La

visualizacin de los resultados se realiza de dos maneras:

mediante la imagen de una plantilla que presenta la

distribucin de los valores mximos y promedio de

presiones plantares, y a travs de un diagrama de barras al

cual se accede por medio del submen Grficas, que

permite comparar la distribucin de valores mximos y

promedio con la correspondiente a un patrn de normalidad

de presiones plantares. Esta ltima opcin de visualizacin

constituye una va rpida de evaluacin, que aporta al

mdico especialista informacin til para el diagnstico de

la patologa de la marcha que afecta al paciente

considerado.

Fig. 7: Parmetros modificables

III. EXPERIMENTACIN

En esta seccin se muestran las pruebas experimentales

de funcionamiento del prototipo de registro de presiones

plantares, realizadas sobre 4 sujetos. En la Fig. 8 se

representa el diagrama de barras para cada uno de los

sujetos analizados.

En el caso de la prueba correspondiente al sujeto 1, con

locomocin normal, los valores registrados estn dentro del

rango de normalidad establecido con plantillas

instrumentadas Biofoot/IBV [9]. Para el sujeto 2, de

caractersticas de marcha similares al anterior, existe un

predominio de mayores presiones en el sector del taln. Por

su parte, los sujetos 3 y 4 simularon un tipo especfico de

marcha patolgica. Para el sujeto 3, que realiz una marcha

balanceante, el registro de presiones plantares en la

extremidad afectada indica un aumento de su valor en todas

las regiones evaluadas, siendo notable el aumento de la

presin registrada en el sector medial del taln, lo cual

muestra una tendencia del paciente a apoyar con mayor

intensidad el sector medial del pie. Por ltimo, la prueba de

marcha del sujeto 4 consisti en realizar un salto y

continuar caminando luego en condiciones normales. Esto

se visualiza en el grfico, donde se observa un valor de

pico mximo ubicado en la regin del cuarto metatarso y un

valor medio significativamente menor respecto del mximo.

Fig. 8: Detalle de los grficos de barras de cada prueba. Se puede observar

en color rojo los valores mximos y en color verde los valores promedios

registrados.

IV. CONCLUSIONES

El prototipo aqu propuesto rene las condiciones

necesarias para el registro y evaluacin de las presiones

plantares, a un costo significativamente menor que los

sistemas comercialmente disponibles. El prototipo fue

evaluado por un profesional de la salud, quien manifest

su gran utilidad diagnstica y pronstica de patologas de

locomocin, a partir de una distribucin de presin plantar

anormal. El software gener buen impacto visual, result

de fcil manejo por la sencillez de la interfase

implementada, resaltando la accesibilidad a la informacin

y la practicidad debido a los bajos requerimientos de

instalacin.

AGRADECIMIENTOS

A nuestros familiares, amigos y a todos aquellos que

colaboraron desinteresadamente con nosotros en la

realizacin de este trabajo.

REFERENCIAS

[1] J. Snchez Lacuesta, J. Prat Pator, J. Hoyos Fuentes, E. Viosca Herrero, C. Soler Garcia, M. Comn Clavijo, R. Lafuente Jorge, A.

Corts i Fabregat, P. Vera Luna, Biomecnica de la marcha normal

y patolgica. Valencia: Instituto de Biomecnica de Valencia, 1999.

[2] J. Lpez, J. M. Terradas Covisa, Alteraciones de la marcha, Madrid: Hospital Universitario Infantil Nio Jess, 2008.

[3] M. A. Prez Garca, J.C. lvarez Antn, J.C. Campo Rodrguez, F.J. Ferrero Martn, G.J. Grillo Ortega, Instrumentacin Electrnica,

Madrid: Ed. Thomson, 2 ed., 2005.

[4] National Instrument Corporation: NI USB 6008-6009, User Guide and Specifications. 2009.

[5] Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/LabVIEW, 2009. [6] National Instrument Corporation: Labview User Manual, 1998. [7] A. M. Tenenbaum, M. J. Augstein, Data Structures Using Pascal,

1986.

[8] Wikipedia: http://es.wikipedia.org/wiki/Delphi. 2009. [9] A. Martnez Nova, R. Snchez Rodrguez, J. Cuevas Garca, Patrn

de presiones plantares en el pie normal: Anlisis mediante sistema

Biofoot de plantillas instrumentadas. Madrid: Universidad de

Extremadura, 2006.