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  • 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., [email protected]

    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.