SISTEMA _DIGITALIZACIÓ_ MARCHA _ ROJAS_2017

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SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA
MARCHA HUMANA EN 3D, CON TRANSMISIÓN INALÁMBRICA
A LARGA DISTANCIA

JHOAAN DAVID ROJAS AGUADO, rjoelecto@hotmail.com

Trabajo de grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico.

Asesor: Alexis Alberto Ramírez Orozco, Magister (MSc)

Institución Universitaria Antonio José Camacho
Facultad de Ingenierías
Ingeniería electrónica
Cali-Colombia
2017
http://electronicamarc.com/moodle/user/view.php?id=5&course=1
2

Nota de aceptación:

Aprobado por el Comité de Grado en
cumplimiento de los requisitos exigidos por la
Institución Universitaria Antonio José Camacho
para optar al título de Ingeniero Electrónico.

Ing. CESAR AUGUSTO ROMERO

Ing. ALBERTO JOSE ECHEVERRIA

Santiago de Cali, 12 de octubre 2017.
4

Dedicado al ser superior que rige las leyes de
la naturaleza, lo desconocido y lo que no tiene
respuesta; por colocar en mí camino unos seres
incondicionales y de gran nobleza, mis padres;
quienes han brindado todo su apoyo para que en mi
corta vida logre una meta más, junto a la armonía de
todos los que me rodean……

JHOAAN DAVID ROJAS AGUADO.
5

AGRADECIMIENTOS

El presente trabajo de grado es posible mediante el acompañamiento de diversas personas y entidades, las
cuales brindaron desde un apoyo basado en el conocimiento, la motivación, la confianza y el financiero; es por ello
que deseo manifestar mis más profundos agradecimientos.

Inicio exaltando a mis padres, el señor Ricaurte rojas y la señora Sandra aguado, quienes desde que nació
esta idea y hasta su final, brindaron su apoyo moral y financiero, permitiendo obtener el resultado deseado.

Al director de proyecto, el Ingeniero Alexis Ramírez, quien aterrizo una idea vaga a una realidad que
cumpliese con las expectativas deseadas y los lineamientos, para así optar por el título de ingeniero electrónico.

A los estudiantes de ingeniería electrónica, Diego Ibarra y Yerson Palacios por creer en mi solución y aplicarla en el
desarrollo de su proyecto de grado, generando mejoras y ampliando sus aplicaciones.

A la Ing. Josefina de Llano y el Ing. Cesar Romero; por despertar el espíritu de investigación y permitirme
estar al nivel de las más grandes instituciones de la región del valle del cauca.

A la joven investigadora y estudiante de Ing. Biomédica de la universidad autónoma de occidente María
Fernanda García Arrunátegui, por realizar recomendaciones de mejora al prototipo durante la etapa de desarrollo.

Al docente e Ing. José María Dávalos y al compañero juan David pino, de la institución educativa Antonio
José Camacho, por brindar una asesoría basada en el conocimiento y la experiencia en el mundo de la electrónica.

A los docentes de la Institución Universitaria Antonio José Camacho por alimentar mi conocimiento en
nuevas temáticas, como la Ing. Erika Sarria, el Ing. Guillermo David y el Ing. Andrés Hurtado.

A la fundación clínica infantil Club Noel, por abrir sus puertas para la identificación de un problema actual
de la salud, en la ciudad de Cali; todo esto mediante el acompañamiento de su directora médica Myriam Claros y el
Doctor ortopedista y traumatólogo Luis Alfonso Gallón; perteneciente a La Fundación de la Sociedad Colombiana de
Cirugía Ortopédica y Traumatología.

Agradecer a CRECIAT (Fondo de empleados de CIAT (centro internacional de agricultura tropical)), por
valorar mi esfuerzo y dedicación a lo largo de la carrear, exaltando mi buen desempeño con un apoyo financiero
(becas), con el cual pude obtener el conocimiento necesario para la realización de este trabajo de grado.

A la Institución Universitaria Antonio José Camacho por cumplir su meta, la de formar personas con
formación Integral de excelencia en diferentes niveles y metodologías de la educación superior.

Y por último a gradecer a todos aquellos que brindaron algún tipo de apoyo.
6

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ......................................................................................................................... 15
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 17
ALCANCE DEL PROYECTO ...................................................................................... 18
1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA .................................................................. 19
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 19
1.2. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................. 21
1.3. OBJETIVOS ......................................................................................................... 23
1.3.1. Objetivo general ............................................................................................. 23
1.3.2. Objetivos específicos ..................................................................................... 24
1.4. SOLUCIÓN PROPUESTA .................................................................................. 24
1.5. ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO ................................................................. 26
2. MARCO TEORICO ................................................................................................. 28
2.1. CONCEPTOS GENERALES PARA EL ANÁLISIS DE LA CINEMÁTICA DE
LA MARCHA HUMANA ......................................................................................................... 28
2.1.1. Biomecánica................................................................................................... 28
2.1.2. Cinemática de la marcha humana .................................................................. 32
2.1.3. Función articular ............................................................................................ 35
2.1.4. Ángulos de libertad, extremidades inferiores ................................................ 38
2.1.5. Goniometría ................................................................................................... 39
2.1.6. Metodología de valoración ............................................................................ 41
2.2. SISTEMA DE MONITORIZACIÓN DE POSICIÓN ANGULAR .................... 43
2.2.1. Sensor............................................................................................................. 43
2.2.2. Acelerómetro ................................................................................................. 43
2.3. COMUNICACIÓN ALÁMBRICA ...................................................................... 45
2.3.1. Comunicación serial ...................................................................................... 45
2.3.2. Bus I2c ........................................................................................................... 46
2.4. COMUNICACIÓN INALÁMBRICA ................................................................. 47
2.4.1. Bluetooth ........................................................................................................ 47
7

3. ESTADO DEL ARTE .............................................................................................. 48
3.1. SOLUCIONES ACTUALES ............................................................................... 48
3.1.1. Técnicas instrumentales ................................................................................. 48
3.1.2. XSENS ...........................................................................................................52
3.2. SITUACIÓN ACTUAL EN COLOMBIA ........................................................... 54
3.2.1. Laboratorio de marcha humana, Universidad Nacional de Colombia ........... 54
3.2.2. Dispositivo portátil para el análisis de la marcha humana, Universidad
Distrital Francisco José de Caldas. ......................................................................................... 56
4. IMPLEMENTOS SELECCIONADOS .................................................................... 61
4.1. ACELERÓMETRO SELECCIONADO .............................................................. 61
4.1.1. ADLX335 ...................................................................................................... 61
4.2. PLATAFORMA DE DESARROLLO ................................................................. 65
4.2.1. Microcontroladores ........................................................................................ 65
4.2.2. Arduino .......................................................................................................... 65
4.2.3. Lenguaje de programación de Arduino ......................................................... 70
4.3. INTERFAZ DEL SISTEMA PARA VISUALIZACIÓN EN 3D ....................... 71
4.3.1. Ingeniera de software ..................................................................................... 71
4.3.2. Software de visualización 3D ........................................................................ 72
4.3.3. Módulo Bluetooth HC05 ............................................................................... 74
4.3.4. Receptor Bluetooth 4.0 .................................................................................. 75
4.4. FUENTE DE VOLTAJE ...................................................................................... 76
4.4.1. Batería de polímero de litio ........................................................................... 76
5. DISEÑO DEL DISPOSITIVO ................................................................................. 77
5.1. DIAGRAMA GENERAL..................................................................................... 79
5.2. DISEÑO DEL SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS .............................. 80
5.2.1. Estructura y elementos físicos ....................................................................... 80
5.2.2. Hardware ........................................................................................................ 88
5.2.3. Alimentación de voltaje ................................................................................. 94
8

5.2.4. Software ......................................................................................................... 97
5.3. DISEÑO SOFTWARE DE VISUALIZACIÓN 3D Y DATA LOGGER ........ 105
5.3.1. Hardware ...................................................................................................... 105
5.3.2. Software ....................................................................................................... 107
5.3.3. Aplicación de visualización 3D con Unity .................................................. 111
6. IMPLEMENTACIÓN ............................................................................................ 113
6.1. EJECUCIÓN DE LA APLICACIÓN KINEMATIC 3D ................................... 113
6.2. CALIBRACIÓN DE LOS SENSORES ............................................................. 122
6.3. CINEMÁTICA DE LA MARCHA HUMANA ................................................. 125
7. PRUEBAS Y RESULTADOS ............................................................................... 133
7.1. PRUEBA SENSOR ............................................................................................ 133
7.2. PRUEBA COMUNICACIÓN ALÁMBRICA ................................................... 137
7.3. PRUEBA COMUNICACIÓN INALÁMBRICA ............................................... 139
7.4. RESULTADOS ESPECÍFICOS........................................................................ 140
7.5. RESULTADOS GENERALES .......................................................................... 141
8. CONCLUSIONES ................................................................................................. 143
9. RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS ............................................ 145
REFERENCIAS ............................................................................................................... 147
ANEXOS .......................................................................................................................... 151

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Especificación MEGA .......................................................................................... 67
Tabla 2. Especificaciones NANO....................................................................................... 69
Tabla 3. Valores de M respecto a voltajes censados por Arduino...................................... 89
Tabla 4. Valores experimentales respecto a la rotación del acelerómetro ......................... 90
Tabla 5. Pines acelerómetros respecto a cada tarjeta ......................................................... 92
Tabla 6. Tabla de consumo de corriente ............................................................................. 95

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.Dispositivo Desarrollado...................................................................................... 26
Figura 2.Modelamiento matemático de la marcha ............................................................. 32
Figura 3.Ciclo de la marcha humana .................................................................................. 33
Figura 4.Ángulos de caracterización de la marcha ............................................................. 34
Figura 5. Grafica fundamental de la marcha ...................................................................... 35
Figura 6.Articulaciones inferiores ...................................................................................... 36
Figura 7.conjunto de extremidades inferiores .................................................................... 37
Figura 8.Planos corporales ................................................................................................. 37
Figura 9.Ángulos de movilidad extremidades inferiores ................................................... 38
Figura 10.Flexión-extensión de rodilla ............................................................................... 40
Figura 11.Flexión-extensión de tobillo ............................................................................... 40
Figura 12.Arco de movimiento........................................................................................... 41
Figura 13.Acelerometro capacitivo .................................................................................... 45
Figura 14.Comunicación I2c .............................................................................................. 47
Figura 15. versiones Bluetooth ........................................................................................... 47
Figura 16.videogrametria ................................................................................................... 50
Figura 17.Utilizacion del goniómetro................................................................................. 51
Figura 18.visualización de software y utilización .............................................................. 53
Figura 19.Laboratorio de marcha ....................................................................................... 56
Figura 20.Software en ejecución ........................................................................................ 57
Figura 21.Modelamiento software ...................................................................................... 58
Figura22.Ubicación de acelerómetros ............................................................................... 58
Figura 23.Ubicación de acelerómetros ............................................................................... 59
Figura 24.Vectores con gravedad. ...................................................................................... 59
Figura 25.Diagrama de funcionamiento ............................................................................. 63
Figura 26.Operación respecto a la gravedad ...................................................................... 64
Figura 27.Tablero MEGA 2560 ......................................................................................... 67
Figura 28.Arduino NANO .................................................................................................. 69
Figura 29.PinOut NANO .................................................................................................... 70
11

Figura 30.Módulo CP 2102 de USB a TTL ....................................................................... 74
Figura 31.Módulo de Bluetooth HC05 ............................................................................... 74
Figura 32.modulo Bluetooth ............................................................................................... 75
Figura 33. Batería de LIPO ................................................................................................ 76
Figura 34. Metodología planteada ...................................................................................... 78
Figura 35.Diagrama general ............................................................................................... 79
Figura 36. Dado soporte y tapa de protección .................................................................... 81
Figura 37. Soportes de aletas, frontal posterior e inferior .................................................. 81
Figura 38.Caja completa estructura, caja completa con acelerómetro ............................... 81
Figura 39.Correa con pasador y caja; correar con pasador ................................................ 82
Figura 40.Correas para cada extremidad ............................................................................ 82
Figura 41.Bolsa para porte de dispositivo .......................................................................... 83
Figura 42.Plano esquemático de etapa número uno ........................................................... 84
Figura 43.diseño tarjeta física a doble faz .......................................................................... 85
Figura 44.diseño tarjeta física a doble faz cara superior y posterior .................................. 85
Figura 45.tarjeta con conectores para conexión de todos los elementos ............................ 86
Figura 46.Conector y cableado ribbon ............................................................................... 87
Figura 47. cableado ribbon con conectores hembras .......................................................... 87
Figura 48. Modelamiento acelerómetro ............................................................................. 89
Figura 49.Operación respecto a la gravedad ...................................................................... 90
Figura 50. conexión total bloque 1 ..................................................................................... 93
Figura 51.Estructura física del bloque uno ......................................................................... 94
Figura 52.Batería de LIPO seleccionada ............................................................................ 97
Figura 53.aceleracion y ángulo respecto a la tierra ............................................................ 98
Figura 54.Ejes de rotación a analizar ................................................................................. 99
Figura 55.Rotación de la extremidad respecto al eje X ...................................................... 99
Figura 56.Asignacion de acelerómetros y letras para ejes de rotación ............................. 100
Figura 57.Gran Dato ......................................................................................................... 101
Figura 58. Código HC05 .................................................................................................. 104
Figura 59.configuración de velocidad de puerto COM .................................................... 105
Figura 60.configuración de velocidad de puerto COM .................................................... 106
12

Figura 61.Entorno de desarrollo Unity ............................................................................. 111
Figura 62. Crear objetos. .................................................................................................. 111
Figura 63.Emparejamiento físico y lógico ....................................................................... 112
Figura 64.Orientación según color de cableado ............................................................... 113
Figura 65.Marquilla parte inferior acelerómetro .............................................................. 114
Figura 66.Ubicación de sensores en las extremidades inferiores ..................................... 114
Figura 67.Sensores acoplados .......................................................................................... 115
Figura 68.conexión de batería .......................................................................................... 115
Figura 69.sisitema encendido y en espera de emparejamiento......................................... 116
Figura 70.emparejamiento Bluetooth ............................................................................... 117
Figura 71.Configuracion de propiedades del puerto COM .............................................. 118
Figura 72.ejecutable Kinematic3D ................................................................................... 118
Figura 73. Visualización inicial de la aplicación .............................................................. 119
Figura 74. Ventana de interfaz y visualización ................................................................ 121
Figura 75.Posición de calibración .................................................................................... 122
Figura 76.cuadro de visualización de posicionamiento instantáneo. ............................... 123
Figura 77.Rotación en el pie izquierdo............................................................................. 124
Figura 78.Rotación en la rodilla izquierda ...................................................................... 125
Figura 79.Inicio de grabación de datos............................................................................. 126
Figura 80. Alertas de la hoja de cálculos de Excel ........................................................... 127
Figura 81.hoja de cálculo total ......................................................................................... 127
Figura 82.flexión, extensión de la cadera teórico y practica ............................................ 129
Figura 83.Flexión y extensión obtenido con Kinematic3D .............................................. 129
Figura 84. Flexión y extensión obtenido con Kinematic3D segmentada ......................... 129
Figura 85.flexión, extensión de la rodilla teórico y practica ............................................ 130
Figura 86.Flexión y extensión obtenido con Kinematic3D .............................................. 130
Figura 87.Flexión y extensión obtenido con Kinematic3D segmentada .......................... 131
Figura 88.flexión, extensión del tobillo teórico y practica ............................................... 132
Figura 89.flexión, extensión del tobillo teórico y practica ............................................... 132
Figura 90.Goniómetro...................................................................................................... 133
Figura 91.acople de goniómetro y acelerómetro .............................................................. 134
13

Figura 92.medición uno goniómetro y PC ....................................................................... 134
Figura 93.medición dos goniómetro y PC ........................................................................ 135
Figura 94.medición cuatro goniómetro y PC ................................................................... 135
Figura 95.Medición acelerómetro .................................................................................... 136
Figura 96.Medición goniómetro ....................................................................................... 136
Figura 97.cálculo de error entre goniómetro y acelerómetro ........................................... 137
Figura 98. Puerto con identificado por la computadora ................................................... 138
Figura 99.configuración puerto COM IDE Arduino ........................................................ 138
Figura 100.datos del puerto serie maestro ........................................................................ 138
Figura 101.comprovacion de comunicación sensores y maestro esclavo ........................ 139
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 14

LISTA DIAGRAMA DE FLUJO

Diagrama de flujo 1. Programa Maestro 102
Diagrama de flujo 2.Programa Esclavo 103
Diagrama de flujo 3. Programa mover Extremidades 108
Diagrama de flujo 4.programa graficar ángulos de rotación 109
Diagrama de flujo 5.Programa para crear archivo Excel 110

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 15

RESUMEN

En este documento se presenta una solución, en la cual mediante el diseño de un
dispositivo que se adapte a las tecnologías actuales del mercado, permita la visualización en 3D
de la cinemática de la marcha humana con transmisión inalámbrica; esto es posible mediante la
medición de los grados articulares y las variables temporales, acompañado de un sistema
inalámbrico, con capacidad de almacenar la información en una base de datos, la cual puede ser
enviada a cualquier lugar; siempre y cuando se cuente con conexión a la Internet.

Para obtener el resultado deseado se ha seguido la metodología fundamentada en la I+D
(investigación y desarrollo), donde se aborda lo relacionado con la biomecánica, los movimientos
rotacionales y las variables temporales, con estos argumentos se procede a observar el tipo de
tecnologías existentes y que tipo de dispositivos brindan la respuesta a las necesidades
planteadas, como es el caso de la acelerómetria, con la cual se realiza las mediciones de interés, a
su vez acompañada de tecnología OPEN SOURCE, lo cual permitirá que tanto el software como
el hardware del nuevo dispositivo sea un sistema electrónico económico, novedoso y actualizado,
para ello se han utilizado acelerómetros análogos, un sistema microcontrolado con tarjetas
ARDUINO, sistemas de transmisión, recepción de tecnología Bluetooth y motor para video juego
llamado UNITY.

Como resultado final se obtiene un instrumento con el cual se puede obtener la gráfica
fundamental de la marcha del movimiento, gracias a la recolección de la información de los
movimientos articulares.

Palabras claves: acelerómetria, cinemática, marcha humana, visualización 3D,
transmisión inalámbrica.
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 16

ABSTRACT

This document presents a solution, in which, in the design of a device that adapts
to the technologies available on the market, it allows the 3D visualization of the cinematography
of the march with the electric current; This is possible through the measurement of articulated
degrees and temporal variables, accompanied by a wireless system, capable of storing
information in a database, which can be sent anywhere; As long as you have an Internet
connection.

In order to obtain the desired result, the fundamental methodology in R & D (research and
development) has been followed, which deals with biomechanics, rotational movements and
temporal variables. With these arguments we proceed to observe the type of technologies There
are and what type of devices, the answer to the needs raised, as is the case of accelerometer, with
which measurements of interest are made, in turn accompanied by OPEN SOURCE technology,
Hardware of the new device mar an economic electronic system , New and updated, using analog
accelerators, a microcontrolled system with ARDUINO cards, transmission systems, reception of
Bluetooth technology and motor for video game UNIT.

the final result, an instrument is obtained with which to obtain the fundamental graph of
the movement, thanks to the collection of the information of the joint movements.

Keywords: accelerometer, kinematics, human gait, 3D visualization, wireless
transmission.

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 17

INTRODUCCIÓN

El análisis de la cinemática de la marcha humana se realiza mediante un procedimiento
manual, un médico especialista en ortopedia, con ayuda de un goniómetro análogo o digital,
ubicado en un espacio controlado y con tiempo necesario para ello procede a recolectar los
ángulos de rotación de la extremidades inferiores(caderas, rodillas y tobillos), mientras el
paciente camina; este procedimiento presentan algunas desventajas en la toma de datos debido al
posicionamiento, transcripción errónea del desplazamiento, lentitud en el momento de realizar el
procedimiento y difícil acople del dispositivo en el aparato locomotor.

La identificación de esta problemática fue posible con la visita realizada a la fundación
Clínica Infantil Club Noel, ubicada en la ciudad de Cali, durante un periodo de 7 meses, las
quejas y las constantes contradicciones entre especialistas de la salud, por la no sistematización,
digitalización del dictamen y el poco tiempo para el mismo, dio el inicio a la búsqueda de una
solución.

Las soluciones actuales para este tipo de problemática son diversas la más costosa y la
que actualmente se utiliza en espacios controlados es la técnica de videogrametría y una menos
costosa es la del uso de electrogoniómetros, ambos utilizan sistemas de adquisición y
procesamiento de datos, limitando las posibilidades de adquirirlo por parte de un especialista por
su elevado costo, por tener que estar en espacios controlados y la permanente presencia del
especialista.

La importancia del trabajo consiste en desarrollar un dispositivo de la cinemática de la
marcha en 3D inalámbrico, que funcione como sistema de adquisición de datos a bajo costo y a
su vez que sea inalámbrico; dicho dispositivo utiliza acelerómetros como sensores para detectar
la posición angular en los diferentes planos corporales y velocidad del desplazamiento articular;
lo que en biomecánica se denomina variables temporales.

Con ayuda de este tipo de dispositivo el profesional de la salud, realizara un análisis físico
que estará sustentado por medio de una prueba complementaria, con la que se podrá visualizar el
comportamiento del paciente, y obtener una base de datos donde el paciente al no estar en un
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 18

lugar controlado realizara tareas cotidianas permitiendo obtener una análisis más confiable y
desligando a la supervisión permanente del médico; acoplándose a el nuevo pensamiento medico
denominado telemedicina con el cual se podrá llegar a una mayor cobertura de la población
nacional.

ALCANCE DEL PROYECTO

El diseño e implementaciónde este proyecto posee características que permitirán cumplir
los objetivos planteados, para dar como resultado un dispositivo con:

Interfaz gráfica en la cual se pueden visualizar los movimientos articulares de las extremidades
inferiores en 3D, graficas respeto a los grados articulares. (variables temporales).

Medición de los grados articulares de las extremidades inferiores y velocidad angular de las
mismas como son (caderas, rodillas y tobillos).

Dispositivo con comunicación Bluetooth para el PC, con un alcance máximo de 10 m.

Base de datos en la cual se pueden almacenar los datos registrados de los movimientos
articulares y creación de alertas que faciliten al especialista de la salud la detección de
movimientos no naturales en la marcha.

 Un archivo de fácil uso como es el EXCEL, para enviar a cualquier lugar con ayuda de
conexión a la red.

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 19

1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los seres humanos al caminar, tienen un patrón especifico de movimiento caracterizado
por ser único de cada individuo; este debe cumplir como mínimo unos lineamientos de
uniformidad, si no es así, Perry plantea que se cuenta con un problema en la marcha del
individuo, lo que trae consigo complicaciones en su salud (Perry, 2010, pág. 34). El análisis de
este patrón es denominado cinemática de la marcha humana; en Colombia este se realiza en
ambientes controlados, y solo es tomado en cuenta las variables temporales, como lo plantea la
Fundación Universitaria de Ciencias de la Salud, donde a estos los han caracterizado por poseer
cámaras de detección y software especializados en el análisis de este movimiento (Fundacion
universitaria de ciencias de la salud, 2013).

Por medio de un acercamiento directo, en un centro asistencial de la ciudad de Santiago
de Cali; llamado Fundación Clínica Infantil Club Noel, donde de manera presencial y bajo la
supervisión del doctor ortopedista y traumatólogo Luis Alfonso Gallón; perteneciente a La
Fundación de la Sociedad Colombiana de Cirugía Ortopédica y Traumatología; se percibe una
problemática de carácter nacional; la cual es que en Colombia no se cuentan con numerosos
laboratorios para el análisis cinemático de la marcha humana respecto a las variables temporales,
debido a que es mayor el número de pacientes respecto al número de laboratorios; esta relación
genera una limitación, la cual es que no es posible suplir la demanda. Otra razón es que estos
laboratorios son espacios controlados; es decir se realizan actividades específicas, que determinan
algunos comportamientos o rutinas de marcha del paciente sin tener en cuenta su vida cotidiana.
Esto es debido, a que son demasiado costosos, según Torres estos se encuentran en un precio
estimado de 100 millones de pesos de manera básica, hasta 500 millones de pesos con tecnología
internacional actual (Paez Torres, 2009, pág. 14), sin cuantificar los gastos por funcionamiento;
requiriendo además un espacio fijo, una infraestructura que simule diferentes terrenos de la
geografía del país y tecnología sumamente costosa, como son las cámaras de detección de
movimiento, las cuales para dicha función deben ser de rápido procesamiento. Basado en esto el
primer informe del Observatorio nacional de salud (ONS) afirma que los laboratorios solo se
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 20

utilizan para la academia o para análisis en centros netamente especializados, para población en
situación de discapacidad (Instituto nacional de salud, 2011), discriminando aquellos que
necesitan de este tipo de exámenes para dar un dictamen; según sea la patología de carácter
médico (prevención o complicaciones médicas a corto o largo plazo); como si fuera poco también
se cuenta con otro percance, y es que todo esto se debe realizar con el acompañamiento de un
experto de la salud; y el paciente al ser observado y al estar consciente de las pruebas a realizar,
tiende a cambiar su patrón de marcha, generando un dictamen poco confiable para el médico.

Ante esta problemática, el gobierno debería implementar más laboratorios de análisis en
el territorio colombiano; pero no es posible como se argumentó anteriormente sería una inversión
económica desproporcional teniendo en cuenta el número de pacientes; o deberían los centros
académicos prestar el servicio al sistema de salud, pero tendrían que cobrar el valor neto del
examen, es decir no se contaría con un subsidio gubernamental; por lo tanto no se atendería a los
paciente en situación de vulnerabilidad, solo a los que tengan la capacidad económica para ello.
Teniendo en cuenta que estas soluciones son poco viables por ahora, se debe pensar en
alternativas no tan costosas y que puedan ser utilizadas sin tanta sofisticación, como plantean
Camargo,Garzon Y Camacho, donde una buena alternativa son los dispositivos portátiles de
análisis de marcha humana respecto a variables temporales (Camargo C., Garzon G., & Camacho
P., 2012, pág. 68); esto trae consigo que las pruebas no sean realizadas en espacios controlados,
ya que son portátiles y no necesita la supervisión directa del especialista de la salud de manera
continua. Con la ayuda de este dispositivo se reducirá en un gran porcentaje los sobre costos que
implica un laboratorio de marcha; y como característica de suma importancia, es que permite que
el paciente realice sus actividades diarias sin afectar su patrón de marcha, generando un díctame
más confiable; como lo establece la Ley 1419, donde la medicina convencional se acople a los
nuevos parámetros de la telemedicina y la digitalización de los dictámenes médicos (cogreso de
la republica de Colombia, 2010), lo cual permite una estandarización de un dictamen apoyado y
sustentado de manera cuantitativa; como lo propone Cubillos y Torres, donde manifiestan que
este tipo de exámenes anatómicos, no sean realizados de manera subjetiva como todavía se
implementan en la mayor parte de este país (Cubillos Mogollon & Torres Stuar, 2013, pág. 16).

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 21

Acoplándose a los prototipos existentes que censan los movimientos de las extremidades
inferiores del paciente, que recopilan la información y la guardan, para luego ser visualizada en
una computadora, la cual cuente con un software de visualización 3D que grafique los
movimientos del paciente, para ser procesados y obtener datos específicos para su análisis, de los
ángulos ubicados en las articulaciones inferiores con caracterización del desplazamiento en un
plano horizontal. En este documento se aborda la manera de realizar, un dispositivo que cuente
con las características actuales sumando que este sea inalámbrico, pueda comunicarse con una
computadora sin necedad de estar en un laboratorio controlado, para que la información pueda ser
recopilada y viaje a larga distancia, para luego ser monitoreada y recopilada en tiempo real;
permitiendo que no se dé un cambio del patrón de la marcha humana, no se cuente con espacios
controlados y lo más importante un monitoreo constante del profesional de la salud avalado por
el gobierno nacional a través de la resolución 1448; es decir sin estar presente en el lugar donde
se encuentra el paciente; aplicando la telemedicina (Ministerio de la proteccion social, 2006,
págs. 1-7).

Por otra parte, se debe caracterizar la importancia del desarrollo que se logra mediante la
solución propuesta, creando un nuevo camino dentro de la Institución Universitaria Antonio José
Camacho, guiando a la misma sobre el conocimiento de la electromedicina y a su vez creando
espacio para el desarrollo de nuevas tecnologías.

1.2. JUSTIFICACIÓN

La solución planteada medianteel dispositivo que se ha desarrollado tiene como objetivo
principal la visualización en 3D, del análisis de la cinemática de marcha humana en el ámbito
temporal, con transmisión inalámbrica a larga distancia, se entiende como a larga distancia que el
dispositivo se comunicara desde el paciente a una computadora en la cual se puede observar los
movimientos del paciente, recolectar la información necesaria para luego poder ser enviada a
cualquier lugar.

Los dispositivos actuales, como el de Camargo,Garzón Y Camacho, solo recopilan
información y la guardan, en memorias como son las micro SD (Camargo C., Garzon G., &
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 22

Camacho P., 2012, pág. 69); más no la transmiten en tiempo real; o si es así, no puede estar el
dispositivo a largas distancia del centro de mando (Cubillos Mogollon & Torres Stuar, 2013, pág.
18), como el de Cubillos y Torres, ya que la información solo puede ser observada en una
aplicación y no a manera de base de datos.

La importancia del desarrollo de este dispositivo, es que permite que la valoración del
análisis de la marcha humana en el ámbito temporal, no solo será realizada para fines académicos
o para personas en situación de discapacidad; la cual es la filosofía que determina la máxima
autoridad en el tema, el doctor Vladimir M. Zatsiorky perteneciente a la IASK(asociación
internacional cinética deportiva), Sociedad Internacional de Biomecánica; Sociedad Americana
de Biomecánica; Academia Americana de Cinesiología y Educación Física; Colegio Americano
de Medicina del Deporte; Motor Control Society; puesto a que dicha información debe ayudar a
personas que no posean el capital necesario, para este tipo de exámenes anatómicos, debido a que
es un dispositivo reutilizable, donde su precio no excede ni el 10% de un laboratorio de marcha
actual, ni llega al precio de los dispositivos de captura de movimiento como son los de la empresa
norteamericana y prestadora de servicios de sur américa como es Xsens MVN los cuales son de
cuerpo entero, con funciones que sobre salen del análisis básico del espacio temporal con un
coste de (US 50.0000) 154, 497,500 millones de peso colombianos con valorización según la
moneda actual (XSENS, 2017).

Esta idea también es planteada por Perry, donde determina que este tipo de dispositivos
deben ser utilizados para personas que necesitan la valoración e identificación de diferentes
patologías que pueden afectar su salud (Perry, 2010, pág. 36); generando una nueva alternativa
con enfoque social, la cual permita la atención a población vulnerable; y la apertura a la
innovación medica actual en Colombia.

Por medio de este dispositivo que no representara un costo tan elevado como es el de los
espacios controlados o laboratorios de marcha; los cuales según Torres tienen un valor estimado
entre 100 millones de pesos con tecnología rudimentaria, o hasta 500 millones de pesos con
tecnología actual (Paez Torres, 2009, pág. 14), lo cual permite identificar que este tipo de
solución no es viable, debido a la cuantiosa inversión que debería realizar el gobierno nacional, y
si a esto se le suma que la información suministrada por medio del primer informe del
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 23

Observatorio nacional de salud (ONS) , donde se aclara que son más los pacientes que los sitios
para este tipo de análisis, se debe concluir que si es necesario la aplicación de nuevas alternativas,
como es el dispositivo desarrollado (Instituto nacional de salud, 2011).

Al aplicar esta nueva alternativa como es el dispositivo en mención, el cual es portátil y
de comunicación a larga distancia; no se necesitara de la presencia permanente del especialista de
la salud, y a su vez permitirá que el paciente conserve su patrón de marcha ya que no es
observado, llevando a cabo su vida cotidiana y no necesitando estar en un espacios controlado;
permitiendo que los dictámenes médicos sean sistematizados, como lo plantea el gobierno
nacional a través de Ley 1419 la cual toma los exámenes médicos de manera cuantitativa y no
subjetiva; acoplándose a el nuevo servicio propuesto por el gobierno nacional denominado
telemedicina, permitiendo llegar a diferentes lugares del territorio nacional, implementando un
servicio público de salud, de manera equitativa donde no se tenga en cuenta ni el estrato ni la
condición geográfica, ya sea urbana o rural (cogreso de la republica de Colombia, 2010).

Otro beneficio de relevancia, es la apertura de la institución Universitaria Antonio José
Camacho en el área de la electromedicina, aplicada al análisis de la marcha, dentro de esta
institución no se encuentra un desarrollo basado en el método científico enfocado a este tipo de
análisis, por lo que el desarrollo de este dispositivo, permite crear un nuevo camino que genere el
desarrollo de nuevas tecnologías, nuevos espacios para la implementación y a la vez continuación
de proyectos con sentido de desarrollo e investigación como el que se desarrolla en este
documento.

1.3. OBJETIVOS

1.3.1. Objetivo general

 Desarrollar un dispositivo portátil para la visualización en 3D, del análisis de la
cinemática de marcha humana, con transmisión inalámbrica a larga distancia.

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 24

1.3.2. Objetivos específicos

 Identificar las diferentes partes que caracterizan los prototipos existentes, para el análisis de
la marcha humana de manera portátil.

 Diseñar el sistema que permita, la recolección, la trasmisión y visualización de la marcha
humana en 3D.

 Implementar un dispositivo que permita la digitalización de la cinemática de la marcha
humana en 3d.
 Acoplar las diferentes tecnologías para la realización del nuevo dispositivo propuesto.

Probar el funcionamiento del nuevo dispositivo, donde cumpla con los parámetros básicos
como son la visualización en 3D de la marcha humana, con apreciación en los ángulos de
rotación de las extremidades inferiores y el desplazamiento en el plano horizontal.

1.4. SOLUCIÓN PROPUESTA

La alternativa de solución que se propone en este proyecto y que se va a consignar en este
documento se describe en la Figura 1 y es la de un prototipo que permite el análisis de la
cinemática de la marcha humana en el ámbito temporal, con visualización en 3D con trasmisión
inalámbrica a larga distancia.

El dispositivo se conforma de una etapa inicial, en la cual se encuentra la captura del
movimiento de las extremidades inferiores, como es obtener los ángulos de rotación de las
caderas, las rodillas y los tobillos; esto es posible mediante varios sensores llamados
acelerómetros; los cuales se le ubican al paciente en las extremidades inferiores para obtener las
mediciones deseadas.

Luego de obtener la información suministrada por los sensores se realiza un proceso de
conversión de señales de carácter análoga a digital, para estandarizar la información en un
protocolo de comunicación serial, esto es posible mediante las tecnologías open source, en este
caso se optó por la de ARDUINO, con la que es posible utilizar tarjetas con este tipo de
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 25

conversores que manejan a su vez la comunicación planteada, como se puede observar en la
figura 1, hay dos, una tarjeta nano y una mega, con ellas se logra suplir el número de entradas
análogas dispuestas para los sensores.

Al tener la información en el protocolo de comunicación deseada, el dispositivo se
convierte en inalámbrico mediante el uso de un trasmisor de tecnología estándar IEEE 802.15.1.
(Bluetooth), luego de ello el sistema de medición y conversión, envía lainformación a un
receptor.

Por último el receptor recibe la información en el mismo estándar de la trasmisión
mediante un emparejamiento, la información se lee por medio de un puerto serial en la
computadora el cual aparece en el sistema operativo de la misma como (COM), al contar con la
comunicación se procede a ejecutar el software desarrollado en el motor de video juegos UNITY,
mediante este se obtiene la visualización en 3D de la cinemática de la marcha humana en el
ámbito temporal, con graficador de los ángulos de cada extremidad en los planos X y Y con
proyección en z; mediante el mismo se realiza un archivo de datos en tiempo real de lo que
realice al paciente, este se crea en un formato de fácil uso como es EXCEL, en él es posible
observar los ángulos por cada extremidad, su velocidad respecto al tiempo vs variación de
ángulos, y a su vez analizar una serie de alertas que orientaran al especialista de la salud a
determinar o analizar eventos de suma importancia.

Con el proceso realizado con el dispositivo y mediante conexión internet, es posible
enviar el archivo, permitiendo que el paciente no se encuentre en un lugar controlado, que el
médico no tenga que estar en el lugar del paciente y se abra una nueva oportunidad a quienes no
pueden optar por un laboratorio de análisis de la marcha aplicando, los ideales de la telemedicina.

https://es.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.15.1
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 26

Figura 1.Dispositivo Desarrollado

1.5. ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO

El contenido del libro se desarrolla por capítulos. En cada capítulo se documentan las
actividades realizadas en cada fase del desarrollo del proyecto. En este capítulo se describió el
contexto de la problemática y su solución.

En el capítulo dos se procede conocer la teoría detrás del dispositivo, que ciencia estudia
la problemática planteada, que tipo de teorías o avances tecnológicos.

El capítulo tres abarca todo lo relacionado con el estado del arte, que tipo de dispositivos
existen actualmente para este tipo de tareas, tanto a nivel internacional como nacional.

En el capítulo cuatro se disecciona el dispositivo planteado, explicando sus componentes,
en este se fundamenta información de tras de los dispositivos seleccionados; como son las
características y operación.
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 27

En el capítulo cinco se dispone a presentar los diseños creados para la construcción del
software, mediante diagrama de flujo, imágenes, comunicación tanto para el sistema electrónico
como el de interfaz gráfica; y por parte del hardware, planos pictóricos, esquemáticos e imágenes
de todos los dispositivos creados o acoplados.

En el capítulo seis se explica el funcionamiento total del dispositivo desarrollado, así
como un instructivo de utilización para obtener los mejores resultados tanto para el profesional de
la salud como el paciente.

En el capítulo siete se especifica el protocolo que se va a utilizar para la realización de las
pruebas de funcionamiento de todo el sistema, este dispositivo recolectara la información desde
los aspectos del hardware como software, unidos a su vez con pruebas de carácter operativo
desde un punto de vista electrónico y manual como se viene realizando a la fecha.

En el capítulo ocho se resaltan los resultados obtenidos de las pruebas realizadas
ordenándolos y dando a conocer al lector los principales elementos a tener encueta del dispositivo
desarrollado.

En el capítulo nueve se procede a presentar recomendaciones y trabajos futuros, las cuales
servirán a quienes esa útil el dispositivo desarrollado o quienes deseen realizar mejoras al mismo.

Por último en la sección de anexos se presenta información adicional correspondiente a
los capítulos del libro.
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 28

2. MARCO TEÓRICO

La digitalización de la cinemática de la marcha humana en 3D, es una versión estándar
utilizada para la recolección de información que permite la identificación de diferentes patologías
en pacientes con complicaciones motoras. Gracias a los avances tecnológicos actuales el paciente
puede ser valorado de manera directa a través de un mapa ergonométrico hecho a mano; lo cual
no se aplica a nuestro caso, debido a que es de manera manual y no electrónica; o de manera
indirecta mediante los laboratorios de marcha, los cuales funcionan mediante la videogrametría o
por dispositivos portátiles que miden los ángulos de rotación de las extremidades inferiores,
como son los acelerómetros.

A continuación, se precisa en el conocimiento necesario para comprender, plantear y
lograr obtener como resultado el dispositivo propuesto:

2.1. CONCEPTOS GENERALES PARA EL ANÁLISIS DE LA CINEMÁTICA DE LA
MARCHA HUMANA

2.1.1. Biomecánica

La ciencia detrás del dispositivo planteado es la biomecánica la cual se define de varias
maneras:

 Las bases mecánicas de la biología, la actividad muscular, el estudio de los principios y
relaciones implicadas (Webster´s, 1961).

 La aplicación de las leyes mecánicas a las estructuras vivas, especialmente al aparato
locomotor del cuerpo humano (Dorland´s, 1965).

 Es la ciencia que examina las fuerzas internas y externas que actúan sobre el cuerpo humano y
el efecto que ellas producen (G., 1978).

La unión de las anteriores definiciones se determina como:

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 29

El conjunto de conocimientos derivados de la física que tienen como objetivo
estudiar los efectos de las fuerzas mecánicas sobre los sistemas orgánicos de los
seres vivos y sus estructuras, para predecir cambios por alteraciones y proponer
métodos de intervención artificial que mejoren el desempeño. Las principales
aplicaciones están relacionadas con las áreas médica, deportiva, ocupacional,
industrial, ambiental; en un sentido más amplio, los estudios tecnológicos aportan
conocimiento en las ramas de maquinaria, muebles, deportes, salud y también en
la automotriz, apoyándose en estudios de antropometría (medición del cuerpo
humano) y de ergonomía (postura y funciones del cuerpo humano). (Hernandez
Trejo, 2006).

Mediante este concepto se determina la eficiencia en la técnica del desplazamiento; pues
la biomecánica es la unión de leyes de la mecánica las que determinan ángulos, distancia,
velocidad se debe realizarse un movimiento para ser eficiente o máximo para el fiel
funcionamientos del cuerpo humano (Suarez Ramon, 2009, pág. 18).

Para el análisis mediante la biomecánica es necesario hablar de magnitudes escalares, las
cuales son aquellas que sólo poseen un número que indica la cantidad y una unida; por otro lugar
también son necesarios los vectores los cuales poseen cuatro condiciones, un número que indica
cantidad, una unidad de medida, una dirección y un sentido; mediante la unión de estos dos
conceptos se puede plantear el análisis matemático del movimiento del cuerpo humano.; para el
caso del dispositivo planteado en este documento se debe centrar en las extremidades inferiores.

2.1.1.1. Formas de movimiento

Los movimientos que pueden ser caracterizados mediante vectores son de:

Traslación: la traslación (o movimiento linear) tiene lugar cuando un cuerpo mueve todas
sus partes de manera que todas recorren el mismo espacio, en la misma Dirección e intervalo de
tiempo. Una manera de determinar si el movimiento de un cuerpo en particular es de tipo
traslacional, es considerar el movimiento de una línea dibujada arbitrariamente sobre el cuerpo.
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA...30

Si durante el movimiento la línea permanece con la misma longitud y siempre está paralela a la
posición inicial, se puede concluir que el movimiento es lineal. Un cuerpo puede tener un
movimiento de translación que describe una trayectoria rectilínea, una trayectoria curvilínea
(como en el caso de un paracaidista que cae libremente luego de saltar desde un avión) o una
trayectoria no linear (como en el caso de un esquiador que se desliza sobre un terreno ondulado)
(Suarez Ramon, 2009, págs. 18-19).

Rotación: el movimiento rotatorio (o movimiento angular) tiene lugar cuando
todas las partes de un cuerpo se mueven a lo largo de una trayectoria circular
alrededor de una línea (considerada como eje de rotación), con el mismo ángulo, al
mismo tiempo. Este eje de rotación puede o no pasar por el cuerpo, pero siempre
es perpendicular al plano de rotación (Suarez Ramon, 2009, pág. 19).

Este es el tipo de movimiento que se analizara en el desarrollo del documento, debido a
que el análisis que se presenta sobre las extremidades inferiores las cuales son de carácter
rotacional, el movimiento localizado en cadera rodilla y tobillo.

2.1.1.2. Cinemática lineal

“La cinemática es la rama de la biomecánica que se centra en el estudio del movimiento
sin considerar las fuerzas que lo producen. Por tanto, se trata de estudiar tanto las propiedades
geométricas como las temporales del movimiento” (Ollero Baturone, 2001, pág. 64).

Teniendo en cuenta la definición anterior se debe considerar que el análisis de la
cinemática de la marcha humana, visto desde el ámbito médico y con el fin de suplir la
problemática planteada que da origen al dispositivo desarrollado en este texto se debe
comprender los siguientes conceptos:

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 31

2.1.1.2.1. Variables temporales

Se le denominan así por estar relacionadas con el tiempo, la cual se encuentra
representada internacionalmente por la unidad llamada segundo (Suarez Ramon, 2009, pág. 20).

El dispositivo desarrollado tiene como base las variables de carácter temporal, es por ello
que es capaz de plasmar en su base de datos el tiempo de rotación entre el eje de referencia y el
nuevo ángulo; con dicha información el especialista de la salud será capaz de determinar patrones
de respuesta respecto al tiempo de las extremidades inferiores del paciente.

2.1.1.2.2. Propiedades geométricas del movimiento

“Dichas propiedades se establecen; mediante el análisis geométrico realizado a un cuerpo,
el cual tiene como objetivo realizar un desplazamiento de carácter lineal o rotacional; por medio
del mismo es posible plantear un modelamiento matemático con base a la geometría”. (Izquierdo
Asensi, 2000, pág. 20)

En el caso de la cinemática de la marcha se debe tener como referencia principal los
ángulos de rotacionales de las extremidades inferiores, las cuales rotan sobre un mismo eje como
se puede ser observado en la Figura 2.

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 32

Figura 2.Modelamiento matemático de la marcha

Nota: fuente Modelo matemático y herramienta de simulación de exoesqueleto activo de cinco. Cruz Ardila,
Juan Carlos y Ramírez Escarpeta, José Miguel. Esquema de cinco eslabones para modelar la marcha humana.
Guillermo de Ockham.

2.1.2. Cinemática de la marcha humana

La marcha humana es un modo de locomoción bípeda con actividad alternada de
los miembros inferiores, que se caracteriza por una sucesión de doble apoyo y de
apoyo unipodal, es decir que durante la marcha el apoyo no deja nunca el suelo,
mientras que en la carrera, como en el salto, existen fases aéreas, en las que el
cuerpo queda suspendido durante un instante. También se puede definir como un
desequilibrio permanente hacia delante; desde una óptica dinámica, la marcha es
una sucesión de impulsos y frenados, en los que el motor o el impulso se sitúan a
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 33

nivel del miembro inferior posterior y el frenado en el anterior (Marco Sanz,
2016).

Al ser un movimiento unipodal se cuenta con un ciclo el cual inicia desde el contacto de
un talón con el suelo, hasta el siguiente contacto del mismo talón con el suelo. Durante un ciclo
de marcha completo, cada miembro inferior considerado pasa por dos fases; la fase de apoyo, en
la cual el pie de referencia está en contacto con el suelo y fase de oscilación, en la que el pie de
referencia está suspendido en el aire.

Un ciclo de marcha está caracterizado por poseer cuatro periodos como se puede observar
en la siguiente Figura 3.

Figura 3.Ciclo de la marcha humana

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 34

Como principal objetivo del dispositivo es el análisis de la cinemática de la marcha
humana, esta se caracteriza mediante la gráfica fundamental la cual se establece tomando como
referencia los ángulos respecto la cadera, rodilla y tobillo; como se puede observar en la siguiente
Figura 4.

Figura 4.Ángulos de caracterización de la marcha

Nota: fuente https://www.ingeniacity.com/blog/blog-de-ingeniacity-2/post/exoesqueleto-parte-4-14

Conforme a los ángulos a medición, se establece una gráfica fundamental la cual se
deriva, de los ángulos respecto al siclo de la marcha como se puede ver en la Figura 5; en este
punto del marco teórico, es importante comprender dicha grafica puesto que en ella se resume el
análisis de la cinemática de la marcha humana, mediante esta es posible visualizar los ángulos
más comunes respecto a el plano sagital de una persona sin limitaciones o problemas de
desplazamiento, respecto al tiempo. Este será el principal resultado de todo el dispositivo el cual
entregara en una base de datos los ángulos de rotación respecto al tiempo, no solo del plano
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 35

sagital sino también del frontal, generando un plus para este proyecto, así como también la
visualización en 3D de la cinemática.

Figura 5. Grafica fundamental de la marcha

Nota: fuente https://www.ingeniacity.com/blog/blog-de-ingeniacity-2/post/exoesqueleto-parte-4-14

2.1.3. Función articular

Manuel Pérez aclara que las articulaciones forman parte del aparato locomotor, que
estas son el punto de contacto entre 2 o más huesos, para ser más específico entre un hueso y un
cartílago o entre un tejido óseo y los dientes. Cuya función principal es la de facilitar los
movimientos mecánicos del cuerpo (Llusa Perez, Meri Vived, & Ruano Gil, 2004, pág. 15).

Estos hechos interesan no sólo al morfólogo, sino también al fisiólogo, ortopédico,
fisiatra y kinesiólogo, dado el importante papel que juegan las articulaciones en la
biomecánica. Al igual que en los movimientos de las máquinas, la realización
satisfactoria del movimiento articular necesita la integridad del juego articular y la
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 36

seguridad en la ejecución de sus movimientos. Estas dos características, integridad
y seguridad, aseguran la movilidad del organismo, representada por sus
articulaciones (Garcia Sanchez, 2012, pág. 23).

Este proyecto tiene como fin comprender los movimientos que pueden ser desarrollados
por el cuerpo humano mediante las extremidades inferiores; mediante los ejes frontal, sagital y
trasversal; Sánchez plantea que en dicho punto se encuentra la cadera, fémur, tibia peroné y
falanges del pie (Garcia Sanchez, 2012, pág. 23); en estas partes del cuerpo se cuenta con
enartrosis(esfera-cavidad, cadera), pivote y bisagra (trocleana, rodilla) y tarso(falanges);una
visión más completa de las distintas articulaciones pueden ser visualizadas en la siguiente Figura
6; y en la Figura 7 es posible conocer cómo se le llama al conjunto de ellas de manera unificada.

Al identificar las articulaciones necesarias para el análisis de la marcha, se establece el
lugar preciso para instaurar los acelerómetros que permitirán conocer los ángulos de rotación, del
plano corporal enfocado en el eje sagital como frontal, los cuales se observan en la Figura 8; las
zonas seleccionadas para ello son muslo pierna y pie.

Figura 6.Articulaciones inferiores

Nota: fuente Cmap.ihmc. Huesos inferiores y articulaciones
(http://www.educapeques.com/conocimiento-del-medio-2/conoce-los-huesos-la-mision-azul.html)
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 37

Figura 7.conjunto de extremidades inferiores

Nota: fuente.(https://comosellama.net/como-se-llama-el-hueso-mas-largo-del-cuerpo-humano)
(http://www.educapeques.com/conocimiento-del-medio-2/conoce-los-huesos-la-mision-azul.html)

Figura 8.Planos corporales

Nota: fuente. Claudio H. Taboleda goniometría, Goniometría una herramienta para la evaluación de la
incapacidades laborales.

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 38

2.1.4. Ángulos de libertad, extremidades inferiores

“Cada articulación tiene sus grados de amplitud de los movimientos y estos
quedan limitados en la mayor parte de las artropatías. El médico y el
kinesiólogo deben explorarlos en todas las direcciones, comparativamente con los
del lado opuesto; resulta conveniente medir los grados de amplitud de cada
movimiento” (Barrios Hernandez, 2013).

Con la información anterior es claro que la medición de los movimientos que se pueden
realizar en el plano sagital, los cuales son flexión y extensión, en el plano frontal como son
abducción y aducción; y en el plano sagital como es la rotación deben ser medidos y valorados,
respecto a patrones de uniformidad como se puede observar en la siguiente tabla de movimientos
articulares con rango de movimiento natural, como se puede observar en el la siguiente Figura 9.

Figura 9.Ángulos de movilidad extremidades inferiores

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 39

2.1.5. Goniometría

“Goniometría es la técnica de medición de los ángulos creados por la intersección de los
ejes longitudinales de los huesos a nivel de las articulaciones” (Taboadela, 2007, pág. 1). Por
medio de estas mediciones es posible realizar, una evaluación de una articulación en el espacio y
evaluar el arco de movimiento de una articulación en los tres planos del espacios denominados
(frontal,Y ; sagital X, trasversal Z).

En Ortopedia y Traumatología y en Reumatología, la goniometría se aplica para describir
la presencia de desejes a nivel del sistema osteoarticular con fines diagnósticos, pronósticos,
terapéuticos y de investigación, como es el caso del objetivo de este documento realizar un
análisis a la cinemática de la marcha humana es decir realizar las mediciones de las articulaciones
pero durante el periodo en que exista un desplazamiento (Taboadela, 2007, pág. 3).

Basados en los planos corporales, durante el desarrollo del documento se realizara el
análisis a las extremidades inferiores donde se tendrán en cuenta los movimientos en el plano
sagital denominados; flexión es todo movimiento en el plano sagital que desplaza una parte del
cuerpo hacia delante de la posición anatómica y extensión lo opuesto a flexión; y en el plano
frontal denominados abducción es todo movimiento en el plano frontal que aleja una parte del
cuerpo de la línea media y aducción lo opuesto a la abducción (Taboadela, 2007, págs. 9-11).

A nivel de la rodilla, se denomina paradójicamente extensión al movimiento que
lleva la pierna hacia delante de la posición neutra, y flexión, al movimiento que la
lleva hacia atrás. A nivel del tobillo, se denomina paradójicamente extensión al
movimiento que lleva el segmento distal (pie) hacia delante, y flexión, cuando lo
lleva hacia atrás (Taboadela, 2007, pág. 12). Ver Figura 10 y 11.

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 40

Figura 10.Flexión-extensión de rodilla

Nota: Fuente Goniometría: una herramienta para la evaluación de las incapacidades laborales.

Figura 11.Flexión-extensión de tobillo

Nota: Fuente Goniometría: una herramienta para la evaluación de las incapacidades laborales.

Para comprender la posición de las extremidades inferiores respecto al plano en tres
dimensiones con el cual se realizará la digitalización de la cinemática en 3D, es necesario
observar la siguiente Figura 12, en ella se percibe los grados de libertad rotacional con la que
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 41

cada extremidad se desenvolverá, se debe aclarar que durante el periodo de la marcha las
extremidades no superan los 90 grados ni los -90 grados.

Figura 12.Arco de movimiento

Nota: Fuente Goniometría: una herramienta para la evaluación de las incapacidades laborales.

2.1.6. Metodología de valoración

En los análisis que se realizan para la medición articular debe seguir un protocolo de
actuación para no perder datos en el camino y obtener un resultado confiable:

Primer paso: “Anamnesis, consistente en recoger el historial de todos aquellos aspectos
que puedan ser de interés en la afectación que presenta el paciente, por ejemplo, en el caso de una
marcha neurológica, como fue la lesión, cómo ha desarrollado su patología y sus alteraciones,
que medicación qué pueda inhibir la actividad músculo esquelética está tomando, etc.” (Mata
Francesc , 2014, pág. 20). Es el procedimiento inicial, pero se debe caracterizar a la realidad del
SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 42

contexto local como es el sistema público colombiano, donde al no poseer una base de datos o
registro de la marcha, el dictamen es netamente verbal y transcrito; sin unidad de medidas claras,
dando origen a una duda consecutiva por cada especialista que valora al paciente, es decir
dictámenes subjetivos y no cualitativos.

Segundo paso: “Exploración física, en la que se analiza al paciente, explorando
limitaciones articulares, estado general, aspectos relevantes, balances musculares, etc. En esta
fase se recomienda seguir un estudio morfológico progresivo de distal a proximal, comenzando
por lo pies, tobillos, rodillas y así progresivamente” (Mata Francesc , 2014, pág. 21). En esta fase
se estudia las pruebas complementarias relevantes como radiología entre otras (ver capítulo 3
sección 3.1.1); y es en este paso es cuando se debe de medir los ángulos de las articulaciones,
mediante la técnica de goniometría puesto que en los hospitales locales no se cuenta con otro tipo
de instrumento.

Paso tres: “Análisis visual de la marcha, en el que se observa al paciente en
bipedestación estática, y en movimiento, observando y aislando todos aquellos aspectos que nos
parecen anormales o alterados” (Mata Francesc , 2014, pág. 21).

Los tres pasos anteriormente nombrados son los que se utilizan en los hospitales locales
como el club Noel, puesto que solo cuentan con un instrumento llamado goniómetro, la
relevancia del análisis se ve demarcado por la subjetividad, debido a que el especialista no puede
realizar un análisis minucioso y afectando al paciente debido a que se encuentra con limitaciones
de tiempo por cada uno, sumado a esto se le debe de considerar que el dictamen se encuentra
registrado es por una patología sin caracterización de la misma; es decirno hay datos que
precisen la complejidad como ángulos, tiempos de respuesta, dimensión de la marcha entre otros.

Por ello el dispositivo desarrollado es de carácter portátil el cual permite que el paciente no se
encuentre en un lugar controlado ni tenga la estricta supervisión del médico, puesto de que luego
que se instale el dispositivo en las articulaciones ideales el mismo es capaz de crear una base de
datos, que especialista podrá utilizar para identificar patrones de alteración en los ángulos
articulares, tiempo de respuesta e implementación de prueba secundaria con sustento cuantitativo.

SISTEMA PORTÁTIL PARA LA DIGITALIZACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LA MARCHA... 43

2.2. SISTEMA DE MONITORIZACIÓN DE POSICIÓN ANGULAR

“Un Sensor o Sistema de Monitoreo, es un dispositivo que se encuentra en la capacidad de
tomar variables físicas o químicas con una determinada magnitud, para luego convertirlas en
variables de tipo eléctricas como por ejemplo resistencia, corriente, voltaje, entre otras.” (Abril Olaya
& Sanchez Quintero, 2016, pág. 10). Como ya se ha mencionado en ocasiones anteriores, este
proyecto se enfoca en la monitorización de la variable de rotación de las extremidades inferiores
denotada por ángulos, los cuales serán captados por un sensor que debe tener.

2.2.1. Sensor

El sensor es un elemento de entrada en un sistema, que cambia el dominio de una variable
física, en la mayor parte de los casos en una señal eléctrica de utilidad, la cual puede ser de
carácter análogo o digital. Un sensor se puede clasificar de distintas formas pero las más comunes
son por el tipo de principio de transducción o por el tipo de variable a medir (Corona Ramirez,
Abarca Jimenez, & Mares Carreño, 2014, págs. 17-18).

El sensor seleccionado es de principio de transducción capacitiva y la variable física a medir es la
aceleración.

2.2.2. Acelerómetro

Los acelerómetros son sensores inerciales que basan su funcionamiento en la Ley
Fundamental de la Dinámica o Segunda Ley de Newton. Proporcionan una medida
de la segunda derivada de la posición. Esta medida se obtiene a partir de la fuerza
de inercia que sufre una masa dispuesta convenientemente. Existen diversos tipos
dependiendo de la naturaleza del transductor, como mecánicos, capacitivos,
piezoeléctricos y piezoresistivos. Por su parte los giróscopos miden la velocidad
angular de rotación, o cómo de rápido gira un objeto sobre sí mismo. Existen
diversos tipos de giróscopos, cada uno de los cuales está regido por principios
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físicos diferentes mecánicos, ópticos y electrónicos. Gracias a la
micromecanización se dispone de microsensores o sensores miniaturizados,
frecuentemente fabricados en tecnologías estándar de integración de circuitos (o
bien en versiones ligeramente modificadas de estas tecnologías), que integran
acelerómetros y giróscopos. Estos dispositivos llamados unidades inerciales (IMU)
implementan internamente tres ejes ortogonales sobre los cuales se montan los
sensores de manera que a cada eje se le asigna un acelerómetro y un giroscopio.
Así, se tiene un sistema de referencia ortogonal y la información suministrada por
una IMU es la aceleración lineal y la velocidad angular correspondientes a cada
uno de los ejes del sistema con el correspondiente valor de tiempo común para
estos seis valores. Pueden incluir junto con éstos, los circuitos electrónicos
asociados para el acondicionamiento y procesamiento de la señal generada por el
sensor, así como algoritmos en los que se combinan las mediciones de la
aceleración y la velocidad angular para obtener valores precisos de la orientación
del dispositivo. En el cuerpo humano existen muchos movimientos que se pueden
medir; dependiendo del objetivo del estudio se colocarán un número de
acelerómetros en una posición concreta. Por ejemplo, para la medida del
movimiento de la pierna durante la marcha se coloca un acelerómetro en el muslo
o tobillo en el segmento corporal que se quiere estudiar (IZQUIERDO,
MARTÍNEZRAMÍREZ, & LARRIÓN, 2008, págs. 162-163).

La vida cotidiana tiene variables que se adaptan al censo realizado por un acelerómetro, es
decir son tomas de medidas sin tener en cuenta factores externos, que no pueden generar un error
notable, de ahí que se utilicen para la medida de movimientos básicos, tanto operativos como de
detección; en este campo se ubica la biomecánica, la autotrónica, las telecomunicación e incluso
la eletrómedicina; punto calve para la realización de este proyecto, donde se caracteriza el perfil
adecuado del acelerómetro a utilizar, para la detección de movimientos específicos de la
cinemática de la marcha humana.

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2.2.2.1. Acelerómetro capacitivo

Jara describe que para el censado del tipo capacitivo, el desplazamiento es detectado por
la medición del cambio de capacitancia entre la masa sísmica y los electrodos fijos adyacentes.
Los valores tan pequeños de capacitancias que presentan estos dispositivos son críticos para los
esquemas de conversión de voltaje, debido a las capacitancias parasitas que se presentan en la
integración de la señal de acondicionamiento, circuitos electrónicos y empaquetado (Rincon Jara
& R, Ambrosio, 2010, págs. 26-27). Como se puede visualizar en la siguiente Figura 13.

Figura 13.Acelerometro capacitivo

Nota:fuente .Tecnología detrás de giróscopos y acelerómetro.
( http://aerotornquist.blogspot.com.co/2010/08/tecnologia-detras-de-giroscopos-y.html)

2.3. COMUNICACIÓN ALÁMBRICA

2.3.1. Comunicación serial

La comunicación serie o comunicación secuencial, en telecomunicaciones e informática,
es el proceso de envío de datos de un bit a la vez, de forma secuencial, sobre un canal de
https://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicaciones
https://es.wikipedia.org/wiki/Inform%C3%A1tica
https://es.wikipedia.org/wiki/Bit
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comunicación o un bus; en este caso uno de tres hilos denominados Tx y Rx con GND de
referencia.

El dispositivo la utilizara para la comunicación entre la computadora mediante
comunicación Bluetooth. Ver sub capítulo 2.6.

Desde el lenguaje de programación del Arduino y la interfaz desarrollada mediante Unity
se utilizarán librerías, las cuales ya cuentan con el protocolo de datos y solo esperan el valor a
enviar o a recibir.

2.3.2. Bus I2c

El acrónimo I2C o I2C significa Inter Integrated Circuit; es decir, que cuando se habla del
bus I2C se quiere significar un bus cuyo ámbito de aplicación es la comunicación entre circuitos
integrados; para el dispositivo desarrollado será el que permita la comunicación entre el modulo
nano y la tarjeta mega (Moreno Fernández, 2004, pág. 185).

El bus I2C sólo define dos señales, además del común:

• SDA: Es la línea de datos serie. Eléctricamente se trata de una señal a colector o drenador
abierto. Es gobernada por el emisor, sea éste un maestro o un esclavo (Moreno Fernández, 2004,
pág. 187).

• SCL: Es la señal de sincronía (reloj serie, o Serial CLock en inglés). En un esclavo se trata de
una entrada, mientras que en un maestro es una salida (Moreno Fernández, 2004, pág. 187).

Por medio de este bus de comunicación se podrá realizar la conexión entre el maestro,
dispositivo que leerá las señales y las enviara a la computadora; y un esclavo es un recolector de
información que satisface las peticiones del maestro.

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Figura 14.Comunicación