Castro_Acevedo_Laura_Milena_2021

Bioingeniería

•

SIN SIGLA

Jose Daniel Maya Cedeño

15/4/2024

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Bioingeniería

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2021

DESARROLLO DE UN SISTEMA DE BIORREALIMENTACIÓN VISUAL DE
CONTRACCIÓN MUSCULAR COMO APOYO EN LA INTERVENCIÓN DE
DESÓRDENES MÚSCULO ESQUELÉTICOS

LAURA MILENA CASTRO ACEVEDO

UNIVERSIDAD EL BOSQUE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE BIOINGENIERÍA
BOGOTA D.C
2021

DESARROLLO DE UN SISTEMA DE BIORREALIMENTACIÓN VISUAL DE
CONTRACCIÓN MUSCULAR COMO APOYO EN LA INTERVENCIÓN DE
DESÓRDENES MÚSCULO ESQUELÉTICOS

LAURA MILENA CASTRO ACEVEDO

Trabajo de grado para optar por el título de Bioingeniero

Tutor:
Andrés Alberto Ramírez Duque
Doctor en Ingeniería Eléctrica

Cotutor:
Edith Pulido Herrera
Doctor en Ingeniería Informática

UNIVERSIDAD EL BOSQUE
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE BIOINGENIERÍA
BOGOTÁ D.C
2

A mi madre Sandra,
A mis hermanos Juan y Karen,
y a mis abuelos Manuel y Senovia
2

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mi familia por su apoyo incondicional, a la Universidad El Bosque por
poner a mi disposición sus instalaciones y su capital humano para el desarrollo del
presente proyecto.

Agradezco profundamente a los profesores Dr. Andrés Ramírez Duque y Dr. Edith
Herrera Pulido por su constante acompañamiento y colaboración durante la
realización de este trabajo de grado.

Tabla de Contenidos
RESUMEN .................................................................................................................... 1
PALABRAS CLAVE ...................................................................................................... 1
1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ................................................................................ 5
2. JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................... 7
3. OBJETIVOS .............................................................................................................. 9
3.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................ 9
3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................... 9
4. MARCO REFERENCIAL ......................................................................................... 10
4.1 Marco teórico .................................................................................................... 10
4.1.1 Dolor .......................................................................................................... 10
4.1.2 Lesiones osteomusculares ........................................................................ 10
4.1.2.1 Tipos de lesiones osteomusculares ........................................................... 11
4.1.3 Contracción muscular ................................................................................ 12
4.1.4 El músculo ................................................................................................. 13
4.1.5 Métodos diagnósticos ................................................................................ 14
4.1.6 Tratamientos.............................................................................................. 16
4.1.6.1 Fisioterapia ................................................................................................ 17
4.1.6.2 Farmacológico ........................................................................................... 17
4.1.7 Biofeedback (BFB) .................................................................................... 18
4.1.7.1 Funcionamiento del Biofeedback ............................................................... 19
4.1.7.2 Tipos de Biofeedback ................................................................................ 20
4.1.8 Evaluación técnica ..................................................................................... 20
4.2 Estado del arte ...................................................................................................... 21
5. REQUERIMIENTOS ............................................................................................... 27
5.1 Requerimientos funcionales.............................................................................. 27
5.2 Requerimientos operacionales ......................................................................... 27
5.3 Requerimientos de usuario ............................................................................... 28
5.4 Requerimientos legales .................................................................................... 28
6. METODOLOGÍA ..................................................................................................... 29
6.1 Elección de dispositivos y software .................................................................. 34
Requerimientos ........................................................................................................... 35
6.1.1 Elección del dispositivo de adquisición de señales ................................... 36

Requisitos ................................................................................................................... 37
6.1.2 Elección de sensores ................................................................................ 38
Requisitos ................................................................................................................... 39
6.1.1 Elección del diseño de la interfaz de biorrealimentación ........................... 43
6.2 Protocolo de experimentación .......................................................................... 45
7. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................... 48
7.1 Calibración de los sensores .............................................................................. 48
7.1.1 Calibración del sensor de fuerza ............................................................... 48
7.1.2 Calibración del sensor de electromiografía ............................................... 49
7.1.3 Calibración del sensor de pulso cardiaco .................................................. 50
7.2 Sistema de adquisición de señales fisiológicas ................................................ 50
7.3 Pruebas de adquisición de señales fisiológicas de sensores ........................... 57
7.4 Interfaz gráfica de biorrealimentación ............................................................... 62
7.5 Pruebas de funcionamiento del sistema de biorrealimentación ........................ 68
CONCLUSIONES ....................................................................................................... 71
RECOMENDACIONES ............................................................................................... 73
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................... 74

3
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Tabla de comparación de las diferentes interfaces de biofeedback con
enfoque en juegos para rehabilitación ................................................................ 24

Tabla 2. Comparación de software para desarrollo de la interfaz… .................... 34

Tabla 3. Matriz de decisión de la elección del software para el desarrollo de la
interfaz… ............................................................................................................. 35

Tabla 4. Comparación de dispositivos… .............................................................. 36

Tabla 5. Matriz de decisión de la elección del software para el desarrollo de la
interfaz… ............................................................................................................. 37

Tabla 6. Comparación de sensores de electromiografía… ..................................38

Tabla 7. Matriz de decisión de la elección del software para el desarrollo de la
interfaz… ............................................................................................................. 39

Tabla 8. Comparación de sensores de fuerza… .................................................. 40

Tabla 9. Matriz de decisión de la elección del software para el desarrollo de la
interfaz… ............................................................................................................. 41

Tabla 10. Comparación sensores de pulso cardiaco… ........................................ 42

Tabla 11. Matriz de decisión de la elección del software para el desarrollo de la
interfaz… ............................................................................................................. 43

Tabla 12. Resultados pruebas usuarios… ........................................................... 68
4
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Árbol del problema… .............................................................................. 6
Figura 2. Contracción muscular ............................................................................ 12
Figura 3. Estructura del musculo esquelético… .................................................... 14
Figura 4. Dinamometría… ..................................................................................... 15
Figura 5. Electromiografía… ................................................................................. 16
Figura 6. Fisioterapia ............................................................................................ 17
Figura 7. Ejemplo de biofeedback… ..................................................................... 18
Figura 8. Funcionamiento de biofeedback… ........................................................ 19
Figura 9. Diagrama de la metodología planteada ................................................. 29
Figura 10. Diagrama de bloques del sistema ........................................................ 33
Figura 11. Posición del usuario para la toma de pruebas ...................................... 46
Figura 12. Ubicación de los sensores .................................................................... 46
Figura 13. Acondicionamiento de la celda de carga………………………………….49
Figura 14. Sensor de electromiografía… .............................................................. 49
Figura 15. Esquemático general del sistema de adquisición electrónica de señales
fisiológicas………………………………………………………………………………..51
Figura 16. Planos del sistema de adquisición de señales fisiológicas ……………52
Figura 17. Renderizado del diseño sistema de adquisición de señales de fuerza.53
Figura 18. Diagrama de cuerpo libre de fuerzas presentes en el sistema de
adquisición de señales fisiológicas … .................................................................... 54
Figura 19. Montaje sistema de adquisición electrónico de señales fisiológicas… 55
Figura 20. Montaje sistema de adquisición de señales de fuerza (rojo: sensor de
fuerza; azul: sensor de EMG; verde: sensor de pulso cardiaco)…………………...56
5
Figura 21. Señal de EMG con Antebrazo relajado en Arduino .............................. 58
Figura 22. Señal de EMG con Antebrazo en contracción en Arduino ................... 58
Figura 23. Calibración del sensor de fuerza en Arduino ....................................... 59
Figura 24. Datos de la señal de fuerza adquirida en Arduino………………………60
Figura 25. Datos de la señal pulso cardiaco adquirida en Arduino ....................... 61
Figura 26. Tiempo de respuesta mostrado en Arduino… ...................................... 62
Figura 27. Prototipo de la interfaz de biorrealimentación ...................................... 63
Figura 28. Pantalla de inicio de la interfaz de biorrealimentación ......................... 64
Figura 29. Pantalla de configuración de la interfaz de biorrealimentación… ........ 64
Figura 30. Pantalla de escenarios de la interfaz de biorrealimentación…………...65
Figura 31. Escenario 1 de interfaz de biorrealimentación…………………………..66
Figura 32. Escenario 2 de interfaz de biorrealimentación…………………………..66
Figura 33. Escenario 3 de interfaz de biorrealimentación…………………………..66
Figura 34. Usuario 1…………………………………………………………………….69
Figura 35. Usuario 2…………………………………………………………………….69

1
RESUMEN

En el presente trabajo de grado se presenta el desarrollo de un sistema de
biorrealimentación que permite adquirir y visualizar el nivel de fuerza, señal de
electromiografía y el pulso cardiaco generado por el usuario al realizar una
contracción de tipo isotónica con alguna de sus extremidades superiores. Con el fin
de proporcionar un apoyo a profesionales de la salud en el proceso de diagnóstico
y de tratamiento de lesiones derivadas de desórdenes musculo esqueléticos. Este
sistema está conformado por dos partes esenciales, la adquisición de las señales
fisiológicas del usuario, que se realizó utilizando tres sensores, una celda de carga,
un sensor Myoware y un sensor de pulso cardiaco. Los sensores se adaptaron a un
dispositivo de soporte para facilitar el adquirir la señal de fuerza. Y finalmente es
posible el control de una interfaz gráfica por parte del usuario por medio de la
biorrealimentación de dichas señales. Adicionalmente la interfaz permite variar el
nivel de fuerza que el paciente debe realizar durante las pruebas de contracción
muscular.

PALABRAS CLAVE

Interfaz de biorrealimentación, Contracción muscular, Señal de electromiografía,
Fuerza.
2
INTRODUCCIÓN

Los desórdenes músculo esqueléticos (DME) afectan principalmente al sistema
osteomuscular y son el principal motivo de consulta médica de las personas en
Colombia. En Colombia al menos un 50% de la población sufre o ha sufrido de
dolores crónicos asociados al sistema osteomuscular, generando patologías de tipo
en el sistema musculo-esquelético (Castillo & Ballesteros,2016). Además, en el
campo laboral un estudio del año 2013 mostró que los DME son causantes del 88%
de los casos de ausentismo laboral, incapacidad prolongada y calificación de
enfermedad laboral; lo que supone que la enfermedad de tipo osteomuscular sea
muy común (Aguirre, 2020).

Existe una variedad de métodos tanto para el diagnóstico, como para alternativas
de tratamiento de lesiones de tipo osteomuscular; en los que se incluyen equipos
de alta sensibilidad como resonadores magnéticos, que permiten identificar lesiones
directamente en el hueso o músculo afectado (Arango, 2011). También hay otros
métodos que evalúan principalmente la capacidad del paciente para ejercer ciertos
movimientos con una parte específica de su cuerpo. En ambos casos la evaluación
se fundamenta en el análisis de señales de electromiografía o de fuerza al realizar
un movimiento de contracción muscular (Guzman, 2019).

Como complemento a los métodos anteriormente citados, se hace necesario
mencionar el término biofeedback que significa retroalimentación biológica; definido
como un procedimiento que permite al paciente aprender a controlar respuestas
fisiológicas de forma voluntaria que en condiciones normales no se pueden
controlar, o bien que sí se pueden controlar de forma intencional; pero por algún
proceso patológico ese control se ha perdido. Esta retroalimentación le brinda al
paciente información constante y precisa sobre la respuesta fisiológica que se está
siendo monitorizada (Carrobles, 2016).
3

En el presente trabajo de grado se presenta un sistema de biorrealimentación visual,
que permita evaluar y analizar la capacidad del usuario para realizar movimientos
de contracción muscular en las extremidades superiores, por medio del análisis de
señales de electromiografía y fuerza, utilizando una interfaz de usuario para el
control de dichas señales.
Se trabajó con el sistema de biorrealimentación de la contracciónmuscular de
extremidades superiores, utilizando sensores de fuerza y de electromiografía con el
fin obtener la información de la contracción voluntaria realizada por el usuario.
Además, se contó con una interfaz de visualización para permitir al usuario observar
los movimientos que ejecuta, mientras que se realiza un monitoreo constante de
ritmo cardiaco. Esto basado en la búsqueda bibliográfica de proyectos que emplean
técnicas similares a las usadas en este proyecto.

El presente documento está dividido en ocho capítulos, en los cuales se presenta el
planteamiento del problema (capítulo 1), la justificación (capítulo 2), los objetivos del
proyecto (capítulo 3), el marco referencial compuesto por marco teórico y estado del
arte (capítulo 4). En el capítulo 5 se presenta la metodología, exponiendo el
levantamiento de requerimientos en las distintas fases consideradas según el
modelo esperado; adicionalmente se presenta el diseño, implementación y pruebas
del sistema. En los resultados se muestra el desarrollo del hardware y el desarrollo
de la calibración de los sensores y la interfaz de biorrealimentación. Por último, se
presentan la discusión y las recomendaciones para dar continuidad al proyecto o
como insumo para otros.

El dispositivo planteado fue basado en el estudio del comportamiento de las señales
de electromiografía, del pulso cardiaco y del esfuerzo muscular, y su diseño fue
pensado como una herramienta de apoyo para los profesionales de la salud en
diferentes momentos o enfoques entre ellos el desarrollo de pruebas de diagnóstico
y en como opción de tratamiento y/o rehabilitación para las afectaciones del sistema
osteomuscular.

4
Adicionalmente el dispositivo brinda orientación al usuario que lo utilice, es decir, si
se utiliza como apoyo de diagnóstico, el profesional de la salud podrá visualizar las
señales fisiológicas ya mencionadas y determinar con certeza un diagnóstico. Si en
cambio se utiliza como apoyo en tratamiento y/o rehabilitación tanto el profesional
de la salud, como el paciente podrán mediante una aplicación tecnológica, hacer
seguimiento de la actividad que se está realizando, de esta manera el paciente
puede saber si el tratamiento se está ejecutando de manera correcta sin necesidad
de tener un acompañamiento contiguo de un profesional de la salud, así mismo el
profesional de la salud podrá supervisar las pautas recomendadas del paciente y
evaluar su evolución.

1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

El dolor físico es uno de los principales motivos de consulta en la atención médica
de la población en general. Aproximadamente la mitad de la población mundial ha
padecido algún tipo de dolor en el transcurso de la vida (Noceda, Moret & Lauzirika
2015). La Organización Mundial de la Salud (OMS) considera que un 20% de la
población sufre de dolor crónico en algún grado (Fernández Hernández, Bausas &
Martín, 2017). En Colombia al menos un 47,7% de la población alguna vez ha
manifestado dolor físico, del cual el 50% es crónico, que obedece a: dolor primario,
dolor por cáncer, dolor posquirúrgico, dolor neuropático, dolor visceral y/o dolor del
sistema osteomuscular (Castillo & Ballesteros,2016).
Los desórdenes músculo esqueléticos (DME) son lesiones derivadas de dolores del
sistema osteomuscular, presentados principalmente en miembros superiores y
columna vertebral en la población adulta. En Colombia, la mayoría de los DME son,
la tendinitis del manguito rotador, bursitis, síndrome del túnel del carpo, tenosinovitis
de Quervain, epicondilitis lateral, dolor lumbar inespecífico y enfermedad discal
(Moya & Ruiz, 2012). Colombia presentó 23 .477 casos de DME para el año 2005
(Sánchez Medina, 2018). Para el diagnóstico de estas patologías el profesional
tratante dentro de la valoración médica, debe indagar sobre la localización,
frecuencia de los síntomas y la duración del dolor, dando como resultado un
diagnóstico subjetivo de baja sensibilidad y eficacia. También pueden utilizarse
ayudas para el diagnóstico como la resonancia nuclear magnética, radiografía de
columna lumbosacra, radiografía de pelvis entre otras (Arango, 2011).
Adicionalmente, es posible realizar pruebas para diagnóstico de desórdenes
músculo esqueléticos, por medio de herramientas que permiten la medición de
variables físicas como la fuerza, posición o velocidad de la contracción del
músculo. Entre estas herramientas se encuentran los análisis de síntomas clínicos
y la dinamometría, en la cual se obtiene la capacidad muscular de un paciente
evaluando la cantidad de fuerza ejercida por este. Sin embargo, no hay
herramientas técnicas objetivas que ayuden a definir un patrón de referencia que
6
determine la veracidad del dolor detectado en el paciente durante las pruebas de
diagnóstico. Puesto que existen limitaciones técnicas que dificultan la aplicación
de algunas herramientas, como lo es la necesidad de una completa objetividad del
paciente durante el desarrollo de contracciones musculares de esfuerzo voluntario
en intervenciones de lesiones músculo esqueléticas (Bellas, Aguirre & Duque
2006). Generando desventajas de los métodos de diagnóstico existentes ya que
no le brindan al profesional de la salud la posibilidad de identificar otras variables
del origen de la anomalía, promoviendo a un diagnóstico sesgado. Además de que
es posible que el paciente realice tratamientos de manera errada causando
deterioro de su salud.
Por lo anterior se puede llegar a presentar una dificultad en mantener un buen
desempeño del paciente durante el desarrollo de pruebas de diagnóstico y/o
tratamiento osteomuscular por medio de medición de variables físicas. Debido a
esto a través del uso de herramientas técnicas objetivas se busca contribuir a la
solución de tal manera que el paciente realice las pruebas de intervención de
manera adecuada, de manera que los profesionales de la salud puedan realizar
un diagnóstico veraz de la condición física del paciente, y así mismo desarrollar un
plan de tratamiento de esta.

Figura 1. Árbol del problema
7
2. JUSTIFICACIÓN

En Colombia al menos un 47,7% de la población alguna vez ha presentado dolor
físico, con una prevalencia del 50% para dolor crónico (Castillo & Ballesteros,
2016). Los DME son lesiones derivadas de dolores músculo esqueléticos
principalmente en la población adulta. Existen varios métodos de diagnóstico de
estas patologías, como la valoración médica, el uso de elementos de ayuda al
diagnóstico como la resonancia nuclear magnética, radiografía de columna
lumbosacra entre otras, las cuales no son confiables debido a su baja sensibilidad
(Arango, 2011). También existen métodos para realizar el diagnóstico o tratamiento
en los que se evalúan características físicas del paciente como la fuerza, posición
o velocidad ejercida durante ciertas pruebas, métodos como la dinamometría o la
electromiografía. En los que se puede encontrar una limitación principal en
asegurar la veracidad del diagnóstico final, debido a que estas pruebas de
diagnóstico dependen directamente del desempeño del paciente.
Los métodos diagnósticos generalmente utilizados se basan en la obtención de
imágenes lo que depende directamente de la disponibilidad de un equipo
específico para poder obtener y analizar estas, por lo que emplear el uso de
señales de electromiografía y de fuerza es una buena alternativa para realizar el
diagnóstico de lesiones osteomusculares.
Dado que el buen resultado en las pruebas de diagnóstico depende directamente
del desempeño del paciente durante estas, se presenta una dificultad en que la
identificación de la actividad muscular realizada corresponda a los parámetros
físicos cuantificables requeridos para la terapia y/o diagnóstico de lesiones
osteomusculares (Bellas, Aguirre & Duque, 2006).
De acuerdo a la formación y perfil de un bioingenierouna de las actividades que
pueden ser realizadas es la elaboración de herramientas de soporte y apoyo al
diagnóstico médico, que le permitan al profesional de la salud conocer de manera
8

inmediata y veraz la actividad y la variabilidad de las características que está
evaluando en el paciente.
El desarrollo de este tipo de herramientas contribuye a mejorar las técnicas ya
existentes basándose en la teoría y en la evolución de la evidencia clínica de las
mismas, brindando nuevas alternativas a los profesionales de la salud siendo más
acertados en el diagnóstico y tratamiento elegido. Además de generar un impacto
positivo en los pacientes haciéndolos sentir incluidos en el seguimiento de su
tratamiento, mejorando la parte psicosocial y motivacional de ellos, acelerando su
evolución y evitando el abandono del tratamiento instaurado por el profesional de
la salud.
Para contribuir en el buen desempeño en pruebas de diagnóstico de lesiones
musculares, se puede ofrecer al paciente una retroalimentación visual del
movimiento (contracción muscular) que está realizando. Esto por medio de una
interfaz gráfica que tenga la capacidad de indicarle al usuario si la acción que está
realizando es correcta, y de esta forma aportar de manera positiva en un
diagnóstico veraz y al correcto desarrollo del tratamiento del paciente. Basándose
en señales de patrón muscular que deberán ser adquiridas por medio de
herramientas como sensores de fuerza y la electromiografía, se puede medir las
variables biomecánicas y fisiológicas durante la contracción muscular, que
alimentarán la interfaz gráfica.

3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Desarrollar un sistema de biorrealimentación que permita visualizar el desempeño
de pruebas de contracción muscular para la intervención de lesiones de tipo
osteomuscular por medio de señales de electromiografía y fuerza.

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

● Desarrollar un sistema para la adquisición y digitalización de las señales
fisiológicas de electromiografía y fuerza.
● Determinar las herramientas visuales que permitan una correcta realimentación
del movimiento de contracción muscular realizado.
● Desarrollar una interfaz gráfica interactiva que visualice señales de
electromiografía y fuerza determinando el desempeño del paciente en pruebas
de contracción muscular.
● Realizar pruebas de funcionamiento del sistema de biorrealimentación por medio
de un protocolo experimental del desarrollo de pruebas de intervención de
desórdenes músculo esqueléticos.
10

4. MARCO REFERENCIAL

4.1 Marco teórico

4.1.1 Dolor

El dolor es una experiencia sensitiva y emocional desagradable asociada con una
lesión de un tejido. Este se puede clasificar en dos grandes grupos: agudo y
crónico, dependiendo de la duración del dolor, y el tiempo de curación. El dolor
agudo es aquel que tiene un tiempo de duración limitado, y cuando este termina
se considera que la patología que generó el dolor desapareció (Castillo &
Ballesteros,2016).

El dolor crónico generalmente es producido por una enfermedad, produciendo
alteraciones físicas o conductuales a quien la padece, este persiste en el tiempo
debido a factores externos, que pueden ser psicológicos o sociales (Ortiz &
Velasco, 2017). El dolor crónico, se divide en diferentes categorías como, el dolor
primario, dolor por cáncer, dolor de cabeza, dolor visceral y dolor músculo-
esquelético. El dolor músculo-esquelético es un dolor persistente originado por
enfermedades que afectan directamente el sistema osteomuscular que relaciona
los huesos, articulaciones, músculos, o tejidos blandos relacionados (Castillo &
Ballesteros, 2016).

4.1.2 Lesiones osteomusculares

Las lesiones osteomusculares o también conocidas como músculo-esqueléticas
son un grupo de condiciones que involucra a los nervios, tendones, músculos y
estructuras de soporte del sistema osteomuscular como los discos
intervertebrales. La Organización Mundial de la Salud establece que las lesiones
osteomusculares hacen parte de un grupo de condiciones que pueden ser
causadas tanto por exposiciones ocupacionales, el ejercicio físico, condiciones
genéticas, vejez. Las lesiones osteomusculares son un problema de salud pública
principalmente para los trabajadores afectando su calidad de vida,
11

produciendo incapacidad temporal o permanente, y muchas veces inhabilitan la
realización de actividades rutinarias de quien las padece (Vargas, Ramirez & Porras,
2013).

4.1.2.1 Tipos de lesiones osteomusculares

En el sistema músculo esquelético se pueden llegar a presentar diferentes tipos de
lesiones como traumatismos, lesiones inflamatorias y lesiones degenerativas.
Generando múltiples problemas en columna vertebral, hombro, codo y puño y
demás articulaciones esenciales del sistema músculo esquelético (Zora, 2016).

La lumbalgia es un dolor localizado en la espalda baja, causada como reacción a
hernias discales, osteoartritis, entre otras, esta puede clasificarse según su duración
como aguda, subaguda y crónica (Calle, 2017).

Existen varios tipos de lesiones musculares, dependiendo del síntoma y la causa de
esta. Las agujetas son roturas de microestructuras celulares del músculo, que
generan dolor y entumecimiento del músculo. Los esguinces son desgarros de las
fibras de los ligamentos, estos pueden ser leves, graves o desgarros completos,
causando dolor agudo en la zona en la que ocurrió la lesión. La tendinitis es una
inflamación del tendón, debido a un movimiento excesivo del conjunto articular
afectado; causando dolor constante, alta sensibilidad en la zona afectada y se
encuentra limitado el movimiento de la articulación (Kaplan, 2005).

Un tirón muscular o sobre estiramiento es un desgarro de las fibras musculares,
que sucede cuando se realiza un movimiento repentino y brusco del músculo
afectado; estos pueden ser leves, severos y muy severos, causando alto dolor y
sensibilidad en la zona afectada, pérdida parcial o completa de movimiento
dependiendo del grado del sobre estiramiento (Kaplan, 2005).
12

4.1.3 Contracción muscular

Las contracciones musculares suceden cuando los músculos se contraen se
aproximan los puntos de anclaje óseo, como se observa en la Figura 2, si la
contracción genera movimiento la contracción es isotónica. Si no se produce
movimiento es isométrica (Alonso, González, Pino, Ramirez & Sanchez, 2016). En
la contracción isométrica el músculo se contrae sin generar un cambio de longitud y
no se genera movimiento de las articulaciones que involucra el músculo. Las
contracciones isotónicas se dividen en concéntricas y excéntricas. Las
contracciones isotónicas concéntricas suceden en las que las inserciones de los
músculos y generan movimiento en la articulación. En las contracciones isotónicas
excéntricas las fibras musculares ralentizan la acción de la gravedad, y el músculo
se contrae aumentando su longitud (Alonso, Gonzalez, Pino, Ramirez & Sánchez,
2016)

Figura 2. Contracción muscular (Patton,2021)

4.1.4 El músculo

El músculo tiene la función de generar fuerza o movimiento en respuesta a un
estímulo fisiológico. El ser humano tiene tres tipos diferentes de músculos
(esquelético, cardiaco y liso), cada uno con funciones específicas. El músculo
esquelético es responsable del movimiento voluntario de los huesos y producción
de fuerza. Este está presente en el control del ciclo respiratorio de los pulmones a
través de la contracción del diafragma. El músculo cardíaco actúa como bomba
biomecánica, impulsando la sangre a los pulmones y los tejidos. El músculo liso
proporciona el control mecánico de sistemas orgánicos (Boron & Boulpaep, 2017).

La unidad contráctil más pequeña del músculo esquelético es la fibra muscular o
miofibra. Un grupo de fibras forman un fascículo yvarios fascículos alineados
forman un musculo (ver Figura 6). Todo el músculo esquelético está bajo control
voluntario de motoneuronas del sistema motor. Las motoneuronas somáticas son
neuronas localizados en el sistema nervioso central. Una célula muscular responde
a una única motoneurona, y un grupo de fibras musculares inervadas por una sola
motoneurona es una unidad motora (Boron & Boulpaep, 2017).

Un músculo puede generar diferentes fuerzas dependiendo del número de
unidades motoras excitadas dentro del músculo. La inervación de un músculo
esquelético íntegro se depende del número de fibras musculares inervadas por una
sola motoneurona. Los músculos con una tasa de inervación pequeña controlan los
movimientos finos e implican a fuerzas pequeñas. Por ejemplo, músculos
extraoculares que controlan los movimientos del ojo debido a una inervación
pequeña de unas 3 fibras musculares por neurona. En cambio, músculos con una
tasa de inervación grande controlan los movimientos bruscos que se requieren para
el desarrollo de fuerzas notables, como el bíceps o el triceps (Boron & Boulpaep,
2017).
14

Figura 3. Estructura del musculo esquelético (Boron & Boulpaep, 2017).

4.1.5 Métodos diagnósticos

Para poder identificar los diferentes tipos de lesiones que se pueden llegar a
presentar en el sistema musculoesquelético, existen varios métodos de diagnóstico
como, la ecografía que es una herramienta portátil de bajo costo y alto rendimiento,
que permite realizar un análisis dinámico de una determinada lesión de tipo
osteomuscular. Sin embargo, para la realización de este examen requiere de
personal entrenado para el manejo del equipo, y presenta limitaciones en el acceso,
puesto que tiene un campo visual limitado y muchas veces en el caso de lesiones
musculoesqueléticas no es posible examinarlas correctamente si el tejido afectado
es profundo (Schvartzman et al., 2016).
La resonancia magnética (RM) es un examen de diagnóstico no invasivo. La RM no
utiliza rayos x, en su lugar tiene un campo magnético potente, ondas de radio que
generan imágenes internas del cuerpo. La RM tiene una alta resolución anatómica,
15
y es ideal para la detección y diagnóstico de lesiones osteomusculares debido a que
tiene una alta sensibilidad generando imágenes de alto contraste de tejidos en los
que la localización de la lesión presentada es profunda. Sin embargo, la RM da
como resultado una imagen estática, y necesita de más tiempo para la revelación
de resultados del examen, y algunas veces el paciente presenta incomodidad
durante el examen (Schvartzman et al., 2016).

La dinamometría es una herramienta que permite cuantificar la fuerza muscular
durante la realización de esfuerzos isométricos o isotónicos (ver Figura 4),
evaluando variables biomecánicas como el torque, fuerza, velocidad de movimiento
o el desplazamiento (Varas De la fuente & Gonzalez, 2004).

Figura 4. Dinamometría (Lopez,2002).

Para realizar la tensión generada por una contracción isométrica es necesaria la
colaboración del paciente; y esta solo analiza un punto específico de una
articulación o músculo específico, además que no permite la evaluación de grupos
de músculos, que implican un movimiento o contracción muscular. Las
contracciones isotónicas pueden evaluarse por medio de pesas o dinamómetros
isotónicos. Los dinamómetros isotónicos son dispositivos que permiten la
evaluación y medición de diferentes movimientos durante una contracción muscular
(Bellas, Aguirre & Duque 2006).

La electromiografía de superficie (EMGS) es una técnica no invasiva que registra
los potenciales eléctricos generados en el músculo durante acciones dinámicas
16
como en la contracción isométrica registrada en la superficie de la piel, el análisis
de esta se hace por medio de espectro de frecuencias de la señal como se presenta
en la Figura 5, permitiendo obtener la información necesaria para evaluar
contracciones voluntarias máximas (Guzmán-Muñoz & Méndez-Rebolledo, 2019).

Figura 5. Electromiografía (Pinzon,2012).

La EMGS utiliza electrodos que pueden ser alámbricos o inalámbricos, que se
ubican directamente sobre la piel que quiere analizarse. Las señales
electromiográficas son muy útiles para evaluar y comprender diferentes patrones
musculares que se presentan durante la ejecución de contracciones musculares,
que contribuyen en el entendimiento de causas y consecuencias de diferentes
lesiones osteomusculares (Guzmán-Muñoz & Méndez-Rebolledo, 2019).

4.1.6 Tratamientos

Los tratamientos que actualmente existen para lesiones musculares son
dependientes del tipo de lesión y la ubicación de esta, encontrando que hay
tratamientos de tipo fisioterapéutico, psicológico, farmacológico, entre otros.

17
4.1.6.1 Fisioterapia

Es una técnica realizada por un profesional denominado fisioterapeuta, el objetivo
de la fisioterapia es tratar las consecuencias (ver Figura 6) de todas las estructuras
asociadas a las lesiones musculares con el fin de hacer que la recuperación dure el
menor tiempo posible. Generalmente la terapia pretende favorecer la consolidación
(unir huesos luego de una fractura), tratar la afectación de las lesiones, y evitar
posibles complicaciones (Miralla, n.d.).

Figura 6. Fisioterapia.

De igual forma se debe tener precaución dependiendo de las patologías que
presente el paciente como en el caso de osteoporosis, las sesiones de terapia
deben ser cortas, sin realizar movimientos excesivos. Siendo la población de mayor
riesgo personas mayores, personas con parálisis cerebral y otros. En el caso de que
se presente una reacción inflamatoria en una extremidad se deberá estimular al
paciente a realizar movimientos en la extremidad afectada, para disminuir la
inflamación de esta (Miralla, 2020).

4.1.6.2 Farmacológico

Para el tratamiento de lesiones musculares puede también emplearse la
administración de medicamentos donde el objetivo es que el principio activo debe
llegar a la zona del organismo donde se encuentra la afectación del músculo. La
eficacia de estos tratamientos depende de la vía de administración y la formulación
18
del fármaco administrado. Sin embargo, los mecanismos de acción de estos y su
biotransformación, produce efectos secundarios que muchas veces afectan otros
órganos o tejidos desencadenando reacciones adversas a causa de los
medicamentos (Balzi et al., 2013).

4.1.7 Biofeedback (BFB)

La biorrealimentación se refiere a la actividad biológica y el biofeedback a la
detección de la actividad eléctrica muscular. El BFB es un medio para ganar el
control de nuestros procesos corporales, como la disminución de dolor, y también
para desarrollar modelos más sanos y eficaces para hacer frente a los problemas
de la vida (Arce, 2004).

Figura 7. Ejemplo de Biofeedback

El entrenamiento de BFB ayuda a un usuario con la actividad en diversos sistemas
del cuerpo para así aprender a controlar una actividad determinada para disminuir
la tensión y para mejorar la salud (ver Figura 7). El entrenamiento del BFB es un
proceso educativo para aprender habilidades de relación mente/cuerpo, ayudando
a familiarizarse con las reacciones psicofisiológicas del ser humano asociadas a la
tensión (nerviosismo, ansiedad), de tal forma que el usuario pueda controlar dichas
reacciones.
19
4.1.7.1 Funcionamiento del Biofeedback

Como se puede evidenciar en la Figura 8 todo biofeedback tiene un proceso de
funcionamiento general en el que primero se debe realizar la recepción, transmisión
y detección de la señal fisiológica por medio de sensores como los electrodos de
superficie. Después se debe realizar la transducción de la señal al entorno eléctrico,
y posteriormente pre-procesar la señal (amplificación, filtrado), con el fin de
desechar información que no es importante para el biofeedback(Marin & Vinaccia,
2005).
La señal tratada se debe traducir a estímulos visuales y/o auditivos, con el fin que
sea fácil de percibir para los usuarios la acción que están realizando. Lo último que
debe suceder en un biofeedback es la presentación de la información al sujeto con
la mayor velocidad posible, y por medio de esto la persona puede controlar y
modificar la respuesta del biofeedback (Marin & Vinaccia, 2005).

Figura 8. Funcionamiento del Biofeedback. Adaptado de Marín & Vinaccia (2005)

20
4.1.7.2 Tipos de Biofeedback

El biofeedback en rehabilitación física puede clasificarse como fisiológicas y
biomecánicas. Los biofeedback fisiológicos se dividen en neuromuscular,
respiratorio y cardiovascular, y el biofeedback biomecánico mide movimiento,
control postural y fuerza. El biofeedback de Electromiografía (EMG) crea nuevos
sistemas de retroalimentación a partir de señales mioeléctricas en el músculo en
señales visuales y auditivas. Utilizando electrodos de superficie para detectar un
cambio en la actividad del músculo, que luego se retroalimenta al usuario mediante
una señal visual o auditiva. El biofeedback de EMG ha sido útil en rehabilitación
musculo esquelética y neurológica. La biorretroalimentación cardiovascular
proporciona medidas de frecuencia cardíaca, variabilidad de la frecuencia cardíaca,
presión arterial y la temperatura de la piel. El biofeedback de frecuencia cardíaca
permite a los pacientes controlar su frecuencia cardíaca mostrándole el valor de su
frecuencia cardíaca en un dispositivo. Posiblemente ayudando a reducir
significativamente las anomalías cardiovasculares durante el ejercicio (Giggins,
Persson & Caulfield, 2013).
El biofeedback respiratorio utiliza diferentes electrodos o sensores que detectan la
respiración del paciente y la transforman en señales auditivas y visuales para el
usuario. Implementar el biofeedback en ejercicios de respiración es un tratamiento
efectivo para la hipertensión siendo la retroalimentación respiratoria bastante útil
para calmar la respiración y para promover la relajación del paciente. El biofeedback
biomecánico mide movimiento y fuerzas ejercidas por el paciente. Esto por medio
de sensores de inercia, placas de fuerza, electrogoniómetros, dinamómetros y
sistemas basados en cámaras. Así algunos de los dispositivos anteriormente
mencionados indican una característica biológica diferente, ya sea fuerza,
movimiento u otro (Giggins, Persson & Caulfield, 2013).
4.1.8 Evaluación técnica

Existen variedad de metodologías que son empleadas para realizar la verificación
mediante una evaluación que determina el cumplimiento de los requerimientos
21
especificados para un equipo con un fin específico. En la evaluación técnica se
realiza un examen de confirmación, en el que se presentan evidencias de que los
resultados obtenidos de las variables valoradas con el fin de mostrar que se cumple
con los requisitos especificados por el encargado (Haya, 2020).
La verificación se realiza para chequear que el modelo planteado se comporta de la
forma esperada, debe estar libre de errores. Se recomienda realizar análisis
estadísticos para verificar el funcionamiento del sistema en repetidas ocasiones. La
validación puede realizarse de dos formas, que el usuario comente acerca de su
experiencia utilizando el modelo, brindándole a este un resultado visual; o
estableciendo estadísticas que confirmen que los resultados obtenidos son similares
a los de un sistema ya establecido. Por último, un análisis de sensibilidad se realiza
para analizar la conducta y respuesta del modelo a diferentes condiciones. Este
proceso permite tener modelos con resultados razonables y también para verificar
los efectos de un cambio de condiciones de este (Fing, 2021).

4.2 Estado del arte

La aparición del biofeedback no es reciente, en el siglo XIX, se pensó la posibilidad
de controlar voluntariamente ciertas acciones neuromusculares como el movimiento
de la oreja por medio de funciones fisiológicas internas. Más adelante en los 70s se
realizaron otros estudios por parte de terapeutas en los que implementan la
electromiografía para comprobar la eficacia de relajación muscular, y para
tratamiento de la ansiedad, sin embargo, no se recibe una retroalimentación de la
actividad realizada y no se consideró llamarlo biofeedback (Pastor & Balaña, 2002).

Más concretamente el desarrollo del estudio del biofeedback, inició con la fundación
de la Sociedad Americana de Investigaciones en Biofeedback en los 60s hasta
comienzos de los 80s. Realizando el estudio de este con fines terapéuticos y de
tratamiento de diferentes trastornos psicofisiológicos. A partir de allí surgieron
numerosas investigaciones utilizando diferentes medidas fisiológicas
implementando el biofeedback en distintos trastornos (Pastor & Balaña, 2002).
22
En los últimos años se han realizado diferentes estudios enfocados a la biomedicina,
en los que implementan el uso del biofeedback en varios ámbitos, como la
rehabilitación asistida en marcha, de lesiones osteomusculares y demás patologías
asociadas al movimiento, esto por medio de la adquisición de señales con la
electromiografía y dinamometría.
En uno de ellos utilizaron la implementación del biofeedback para realizar
rehabilitación de la marcha por medio de un exoesqueleto. Este tiene asociada una
interfaz que le permite al usuario conocer cómo ha sido su desempeño durante la
terapia de rehabilitación, de tal manera que le permita saber si debe esforzarse más
o realizar la terapia de manera diferente, observando su progreso, implementando
la evaluación de variables biomecánicas del usuario (Villarejo, Valencia, Arango &
Caicedo, 2018).

En rehabilitación se ha usado el biofeedback visual como un tipo de “juego” en el
que el usuario tiene que cumplir una meta, como variar el tamaño de una Figura
geométrica a partir del movimiento o contracción de un músculo específico.
De tal forma que se detecta el movimiento de las extremidades superiores con el fin
de crear un prototipo para la rehabilitación de los movimientos básicos de las manos
y las muñecas. Esto con el uso de sensores y demás dispositivos electrónicos que
ayuden a diferenciar un movimiento de otro. Permitiendo el movimiento controlado
de un mouse realice el movimiento de manos y muñecas realizando terapia de estas
(Fiedorova, Baladova & Peter, 2019).
De igual manera el biofeedback se ha utilizado para desarrollo de terapias en
condiciones cognitivas especiales como lo es el déficit de atención. En un proyecto
implementaron la adquisición de señales de electromiografía, de tal manera que
evaluaban la estabilidad cognitiva del paciente presentando al usuario una interfaz
gráfica que se regulaba por medio del aumento o disminución de la tensión en el
músculo evaluado por EMG. Encontrando que implementar este tipo de terapias
reduce efectivamente algunos de los síntomas que presentan adultos con
desórdenes de déficit de atención (Barth, Mayer, Strehl, Fallgatter & Ehlis, 2017).
23
El uso de biofeedback implementando dinamometría se ha aplicado para el apoyo
al diagnóstico y evaluación de lesiones osteomusculares. De tal forma que se
evalúa la fuerza que realiza el paciente evaluado durante una contracción
isométrica, y con los datos obtenidos se pueda evaluar y determinar un tratamiento
en caso de alguna lesión (Ransom et al., 2020).

Adicionalmente se han realizado diferentes estudios con deportistas de alto
rendimiento en los que se ha evaluado la capacidad de realizar diferentes pruebas
de contracción muscular, evaluando el rendimiento de los deportistas durante las
pruebas con y sin realizar una realimentación visual del movimiento que están
realizando.
En dichos estudios midieron con un tensiómetro (realiza medición de la presión
arterial) las pruebas a nadadores y debíanrealizar una serie de movimientos como,
levantamiento activo de piernas rectas, la caída de rodillas dobladas, la prueba
abdominal de levantamiento de rodillas, y al realizar esta serie de movimientos los
deportistas encontrando que la interacción no tuvo un resultado significativo para la
retroalimentación visual (Solana-Tramunt et al., 2019).
Implementar biofeedback ha demostrado que en el caso de los adultos mayores
pueden modular la potencia del tobillo utilizando la retroalimentación de potencia
específica del tobillo. Esto evaluando el efecto de los cambios en la potencia del
tobillo y demás características biomecánicas de adultos mayores durante la marcha,
determinando un aumento en la capacidad de recuperación del tobillo del paciente
y aumentando la velocidad de la marcha sin generar afectaciones del sistema
osteomuscular (Browne & Franz, 2019).
En la evaluación del desempeño durante el proceso de la marcha de pacientes que
han sufrido accidentes cerebrovasculares, y que por lo tanto tienen una condición
cognitiva especial, el uso de la retroalimentación ha sido útil ya que esta ha ayudado
a idear un tipo de entrenamiento para estas personas, evitando que pierdan el
equilibrio y que sufran caídas fuertes.

24
En un estudio tomaron 30 pacientes que sufrieron accidentes cerebrovasculares y
realizaron un protocolo en el que las personas realizaron diferentes actividades de
marcha soportando su peso corporal sobre una cinta de correr conectada a una
interfaz de biofeedback visual. De igual forma las mismas actividades sin la
realimentación visual, de tal forma que fuera posible analizar la influencia de la
retroalimentación en la marcha de los participantes. Encontrando que se logró una
mejora en la velocidad de marcha, resistencia y movilidad sin sufrir caídas. A pesar
de esto no se puede asegurar que el entrenamiento de la cinta de correr con
biofeedback es el factor que produce una mejora mayor en la marcha (Mochizuki et
al., 2015).
A continuación, en la Tabla 1 se presenta una comparación realizada entre
diferentes proyectos, que se usaron como base para el diseño de la interfaz de
biorrealimentación del presente proyecto. En esta tabla se presentan interfaces en
las que emplearon el uso de interfaces de biofeedback, utilizando como base para
el desarrollo de esta la gamificación. Este es un término que se refiere al uso de
elementos de diseño de juegos, utilizando mecanismos de retroalimentación que le
permiten al usuario sentirse más comprometido cuando realizan las tareas que se
les propone.

Tabla 1. Tabla de comparación de las diferentes interfaces de biofeedback con
enfoque en juegos para rehabilitación.

Modelo o interfaz Descripción Referencia

Medicom
Proyecto orientado a mejorar la resistencia al
estrés, para lograr relajación psicológica y
activar la creatividad.

Es usado para desarrollar habilidades de
rapidez en la atención y concentración.

Usan EEG-EMG para control de concentración.

M
T
D
,
n
.
25

Enfocado en rehabilitación neurológica y
funcional de extremidades superiores.

Uso de EMG con biofeedback visual y acústico.

Realiza reeducación neuromuscular de una
manera estimulante.

Ayuda a rehabilitar los músculos pélvicos con el
apoyo del fisioterapeuta que guía el protocolo
de rehabilitación.
IL Giglio,
2020

Realizan análisis de marcha en una
caminadora, haciendo mediciones con
marcadores biomecánicos en ubicaciones
específicas (cabeza, pelvis, muslo, vástago y
pie).

Analizaron con y sin uso de biorrealimentación
visual, en la que mostraban un avatar que
realizaba los movimientos recibidos de los
marcadores.

Aquí se analizó la capacidad de modificar
patrones de flexión de rodilla por medio de
biorrealimentación cinemática visual.

El sistema de biorrealimentación
visual presenta una aguja de retroalimentación
primaria que presenta errores en la flexión de
rodilla (zona roja).

Christensen
et al., 2018

Oliveira,
Ehrenberg,
Cheng,
Blochlinger
& Barrance,
2019

Esta interfaz presenta en tiempo real un
gráfico de barras verticales para cada
extremidad, mostrando la fuerza máxima
aplicada en el suelo durante la marcha.

Indicando un objetivo a los participantes que
deberían modificar su movimiento y la fuerza
para que las barras coincidieran con el umbral
definido.
Luc-Harkey
et al., 2018
26

En esta interfaz evalúan si la retroalimentación
visual durante el entrenamiento de la marcha
supervisada interferiría o mejoraría la
movilidad en personas mayores después de
un accidente cerebrovascular.

Recibiendo señales de sensores de forma
inalámbrica.

Estos artículos usan un sistema multisensor
para implementar el biofeedback como una
técnica de interacción humano computadora,
usando diferentes sensores.

Utilizando las señales fisiológicas obtenidas
para controlar un juego de carreras de autos.
Byl, N.,
Zhang, W.,
Coo, S., &
Tomizuka,
M.,2020

Ortiz
,Uriarte,
Garcia &
Garcia,
2015

Las interfaces presentadas tienen varias ventajas en cuanto al manejo por parte del
usuario. Así en cada una de las interfaces presentadas los desarrolladores
realizaron pruebas con y sin la interfaz, con ello se comprobó que el uso de este
tipo de herramientas favorece significativamente el proceso de feedback de los
movimientos realizados por el usuario, a comparación de cuando no se usa la
interfaz. Sin embargo, estas interfaces al recibir señales fisiológicas de la acción
realizada por el usuario requieren de cables para realizar las conexiones al
computador para poder controlar la interfaz, lo que hace tedioso el uso de estos
sensores por el uso de estos cables. Además de que es necesario realizar varias
sesiones para poder conseguir los resultados esperados.
27

5. REQUERIMIENTOS

5.1 Requerimientos funcionales

● El dispositivo debe tener la capacidad de adquirir señales de fuerza y
electromiografías simultáneamente.
● El tiempo de respuesta del biofeedback debe ser de máximo 500 ms.
● Debe poseer un filtro a 60 Hz debido a las fuentes de alimentación.
● Se debe realizar una etapa de preprocesamiento de las señales de fuerza
y electromiografía.
● Se deberá tener una memoria de almacenamiento externa en caso de que
se puedan llegar a presentar fallas en el canal de adquisición.
● Se deberá hacer un monitoreo de ritmo cardiaco de quien esté haciendo
uso de la interfaz.
● Se debe tener un módulo de electromiografía Myoware muscle sensor (AT-
04001) para la adquisición de señales electromiográficas.
● Debe ser posible descargar la señal de electromiografía.
● Se debe usar la placa Arduino para la adquisición y procesamiento de
las señales fisiológicas recibidas en los sensores.

5.2 Requerimientos operacionales

● La interfaz debe mostrar una representación gráfica del nivel de fuerza y la
señal electromiográfica del usuario.
● La interfaz debe contar con valores referenciales donde se indique los
valores de los umbrales entre los cuales se debe realizar la contracción
muscular.
28

● Previo a la puesta en operación del sistema se debe realizar una
calibración respectiva del sistema de adquisición.
● La toma de datos debe estar basada en un protocolo experimental
previamente definido.

5.3 Requerimientos de usuario

● Se debe indicar al usuario el correcto funcionamiento del biofeedback, por
medio de un manual.
● Debe ser adecuado para pacientes con condiciones cognitivas
especiales.
● La interfaz gráfica diseñada debe responder a las necesidades del usuario
que la utilice según su condición.
● El dispositivo debe permitir la evaluación en movimientos de
extremidades superiores.

5.4 Requerimientos legales

● En caso de realizar ensayos con individuos se debe cumplir con la
normatividad vigentecon respecto al consentimiento informado según la
resolución 8430 de 1993 del Ministerio de Salud y Protección Social” Por
la cual se establecen las normas científicas, técnicas y administrativas para
la investigación en salud”
● Se debe tener en cuenta la confidencialidad de datos sensibles
consagrada en la ley 1581 de 2012 “por la cual se dictan disposiciones
generales para la protección de datos personales”
● DECRETO NÚMERO 4725 DE 2005 “por el cual se reglamenta el régimen
de registros sanitarios, permiso de comercialización y vigilancia sanitaria
de los dispositivos médicos para uso humano.”
29

6. METODOLOGÍA

El presente trabajo de grado fue desarrollado basado en el método human centered
design, que tiene como fundamento solucionar problemáticas presentes en los
seres humanos, este método consta de seis pasos principales y que fueron
adaptados al entorno del problema de estudio, tal y como se presenta en la Figura
9.

Figura 9. Diagrama de la metodología planteada. Adaptado de Babione, (2020)

Como ya se mencionó en la Figura 9. Diagrama de la metodología planteada se
muestra a modo de resumen, los pasos del método human centered design y al
frente de cada una, la descripción básica de la forma como se aplicó en el proyecto,
y a continuación se amplía un poco sobre cada paso y se relacionan los apartes en
los que profundiza con más detalle.

1. Primero se realizó una búsqueda de información referente al diagnóstico y
tratamiento de lesiones derivadas de desórdenes musculo esqueléticos, en los que
se tuvo en cuenta que las fuentes de consulta fueran oficiales, científicas y
soportadas en la evidencia, correspondiendo a el capítulo 4. Marco referencial.

2. Una vez revisada la literatura, se encontró en varias fuentes que existen ciertas
dificultades en identificar que las actividades de contracción muscular realizadas
durante pruebas de diagnóstico o durante tratamientos de lesiones
osteomusculares, correspondan a los parámetros requeridos por el profesional de
la salud tratante (Capitulo 2).

3. De acuerdo a lo anterior se propuso desarrollar un dispositivo en el que se le
ofrezca al paciente una retroalimentación visual de movimientos de contracción
muscular por medio de una interfaz de biorrealimentación. Esto como alternativa en
la solución en parte de las dificultades presentadas en algunas técnicas existentes
de diagnóstico y tratamiento de lesiones osteomusculares (Capitulo 3).

4. Para lo cual se realizó el diseño de un prototipo de un sistema de
biorrealimentación; que consta de una parte analógica (sensores) y una parte de
software (interfaz), y como se muestra en la sección 6, se realizó la elección de los
dispositivos y herramientas a utilizar teniendo en cuenta los requerimientos
necesarios para el uso del prototipo. El que debe poder ser utilizado por cualquier
usuario, además permitir al profesional de la salud tratante realizar un monitoreo y
seguimiento constante de la actividad del paciente que esté utilizando la
herramienta de bioretroalimentación.
31

5. Para el desarrollo del prototipo planteado primero se adquirieron los elementos
electrónicos necesarios para desarrollar el sistema de adquisición de las señales
fisiológicas con las que se trabajó, posteriormente se desarrolló el software de
adquisición de señales, y la interfaz gráfica de biorrealimentación (Capitulo 7).

Para el diseño de la interfaz se tuvo en cuenta una búsqueda bibliográfica mostrada
en la tabla 1 de la sección 4.2 en la que se evaluaron diferentes interfaces de
retroalimentación existentes, y basado en esto se propusieron diferentes diseños de
una posible interfaz tomando como tema principal interfaces que muestren medios
de transporte.

6. Para garantizar que el prototipo desarrollado funcionara correctamente, se
realizaron varias pruebas evaluando la funcionalidad de cada uno de los sensores
por separado, verificando que estos adquirieran correctamente las señales
fisiológicas (esfuerzo muscular, pulso cardiaco y de electromiografía) (capitulo 7).

En el caso del diseño de la interfaz, se expusieron los diseños propuestos a un
conjunto de cuatro personas de diferentes edades (14, 16, 20 y 42 años), y
basándose en los comentarios de estos posibles usuarios se realizaron ajustes en
el diseño de la interfaz, modificando los colores de la página principal y los estilos
de los fondos de los escenarios planteados, tratando de satisfacer los diferentes
gustos de los participantes.

Para asegurarse de que el prototipo realizado funcione correctamente se realizaron
varias pruebas de funcionamiento. En las que se evaluaron la funcionalidad de cada
uno de los sensores por separado verificando que estos adquieran correctamente
las señales fisiológicas (fuerza, pulso cardiaco y electromiografía) (capitulo 7).

En la Figura 10 se presenta un diagrama de bloques del sistema de biofeedback
diseñado para el desarrollo de este proyecto. Este cuenta con dos entradas
principales, una de las entradas es la energía de alimentación del sistema y la otra
32
corresponde a la información fisiológica que se obtiene a través del uso del prototipo
mediado por el usuario. Dicha información fisiológica es la fuerza, contracción
muscular y ritmo cardíaco del usuario. A esta información se le realizó una
transformación al entorno eléctrico por medio de sensores de tal manera que sea
posible su procesamiento. Luego se realizó el pre procesamiento y adquisición de
estas señales de pulso cardiaco, fuerza y de EMG utilizando la placa Arduino
realizando una conversión analógica - digital (ADC) de las señales percibidas por
los sensores, además de la respectiva calibración de los sensores, finalmente
recibiendo las señales en la plataforma Arduino.
Teniendo en cuenta el funcionamiento teórico de un biofeedback (ver Figura 7) se
transmiten las señales hacia la interfaz desarrollada en Unity realizando la
comunicación con la placa Arduino. Esta interfaz le muestra al usuario tres
escenarios diferentes entre los que el usuario puede elegir realizar la prueba de
contracción muscular. Una vez hecha la comunicación de Unity con Arduino, se
procesaron cada una de las señales adquiridas, brindando la posibilidad de
establecer un valor específico de la fuerza que debe realizar el usuario. Cuando el
usuario realice el movimiento especificado, se muestra en la interfaz el movimiento
de un objeto en la interfaz (determinado por el nivel de fuerza realizado), además
en pantalla también se muestra el pulso cardíaco y la señal de EMG del usuario
mientras realiza la prueba.
Finalmente, la interfaz visual de retroalimentación del movimiento que realiza el
usuario, genera alertas o alarmas visuales por medio de un led en caso de que dicho
movimiento esté fuera de los umbrales establecidos.
33

Figura 10. Diagrama de bloques del sistema

Adicionalmente se propone añadir alarmas visuales o auditivas llamativas que
puedan incentivar al usuario a alcanzar la prueba diagnóstica o tratamiento
esperado. Asimismo, para la fase de evaluación y realización de pruebas de
funcionamiento se propone realizar cuestionarios a los participantes, con opciones
de respuesta medibles incluyendo comentarios de su experiencia durante el
desarrollo de las pruebas de biorrealimentación. Adicionando la adquisición de
señales de electromiografía, y haciendo los cambios respectivos necesarios para el
funcionamiento de todo el sistema en conjunto.
34

6.1 Elección de dispositivos y software

Para la obtención de las variables fisiológicas y el desarrollo de la interfaz de
biorretroalimentación se evaluaron diferentes dispositivos y softwares
respectivamente. Realizando comparaciones de sus características básicas. De tal
forma fuera posible la elección de los sensores y herramientas desoftware ideales
con los que se obtendrá el mejor resultado posible.

Como se presenta en la Tabla 2 para el desarrollo de la interfaz gráfica se tuvieron
en cuenta tres plataformas, Python, Matlab y Unity. Que tienen diferentes
características entre las que se evaluaron su capacidad de realizar interfaz gráfica,
el costo de licencia, tamaño de instalación y los sistemas operativos compatibles.

Tabla 2. Comparación de software para desarrollo de la interfaz.

Software Permite interfaz
gráfica
Valor
licencia
Tamaño
(aprox)
Compatibilidad
Python Si Libre 2,6 MB Windows, OS/2, Mac,
Linux
Matlab Si $3.700.000 3-8 GB Windows, OS/2, Mac,
Linux
Unity Si $150.000 1-4 MB Windows, OS/2, Mac,
Linux

En la Tabla 3 se presenta una matriz de decisión en la que se evaluaron los
requisitos para el desarrollo de la interfaz, calificando el cumplimiento de los
requisitos de 1 a 5 siendo 1 deficiente y 5 excelente:

a. Capacidad de adquisición del software
b. Tamaño del software
c. Facilidad de manipular el entorno de desarrollo de la interfaz.

Tabla 3. Matriz de decisión de la elección del software para el desarrollo de la
interfaz.

Requerimientos

Software A B C Total
Python 5 4 2 11
Matlab 3 3 3 9
Unity 5 4 4 13

De acuerdo con la matriz de decisión de la Tabla 3 se decidió que la plataforma de
Unity tiene diferentes herramientas que permitirán obtener el mejor resultado
posible. Debido a que esta es una herramienta que tiene versión libre, que permite
crear juegos y animaciones en 2D y 3D. Posee un editor para crear escenas y
objetos realistas a gusto del programador, y permite incluir efectos especiales. Unity
incluso permite realizar interfaz de usuario, brindándole información necesaria a
quien use la interfaz.

Además, puede trabajar en sistema operativo Windows, MacOs, Linux, lo que es
favorable para el desarrollo del proyecto, y permite la comunicación digital serial con
sensores y otros dispositivos electrónicos como sistemas embebidos para la
adquisición de señales (Arrioja, 2013). Además, como se mencionó
36

anteriormente la elección de este software se hizo comparando con otros dos
mostrados en la Tabla 2, sin embargo, estos tienen otras características como su
precio, accesibilidad y otras características que al compararlas con la plataforma
Unity no son tan útiles y necesarias como las que este ofrece.
Los criterios de evaluación fueron de dos tipos, técnicos de manera que la
plataforma seleccionada sea accesible y fácil de manejar para el desarrollo de la
interfaz, y enfocado en que el usuario pueda manipular la interfaz fácilmente ya que
Unity brinda la posibilidad de que la interfaz del sistema de biorrealimentación
utilizado pueda adquirirse como una app en dispositivos como computadores,
tabletas y teléfonos Smartphone. De tal forma que el usuario pueda realizar la
instalación de la interfaz en el dispositivo de su preferencia. Lo que es una ventaja
si llegado el caso el profesional de la salud tratante decide realizar tratamiento de
rehabilitación desde el lugar de residencia del paciente. Ya que el usuario podrá
acceder a la herramienta fácilmente, siempre y cuando tenga el dispositivo de
adquisición de las señales.

6.1.1 Elección del dispositivo de adquisición de señales

Para la elección del dispositivo con el cual se realizará la adquisición de las señales
de EMG y de fuerza se tuvieron en cuenta 3, Arduino, Raspberry pi 4 y Beaglebone.
En la Tabla 3 se realizó una comparación de diferentes características presentes
de cada uno de ellos, como el voltaje de alimentación requerido, la memoria de
almacenamiento, tiempo de respuesta, precio, entre otras.

Tabla 4. Comparación de dispositivos

Opción Tamaño Voltaje
entrada
Memoria Vel. Precio
(COP)
Pines Puertos
USB
Arduino 7.6 cm x 1.9 cm
x 6.4 cm
7 a 12 V 1 KB 16 MHz $55.000 18 0
37
Raspber
ry pi 4
8.6cm x 5.4cm x
1.7cm
5 V 1.2-4 GB 1.5 GHz $340.000 40 2
Beagle
Bone
8.6 cm x 5.3 cm 5 V 512 MB 606
MHz
$428.000 26 1

En la Tabla 5 se presenta una matriz de decisión en la que se evaluaron los
requisitos para la elección del dispositivo que será utilizado para la adquisición de
las señales, calificando el cumplimiento de los requisitos de 1 a 5, siendo 1 deficiente
y 5 excelente:

a. Capacidad de adquisición (precio).
b. Entorno de programación permite conexión a Unity.
c. Facilidad de uso (lenguaje de programación conocido).

Tabla 5. Matriz de decisión de la elección del software para el desarrollo de la
interfaz.

Requisitos

Dispositivo A B C Total
Arduino 5 5 5 15
Raspberry 3 5 4 12
Beaglebone 2 4 4 10

Determinando por medio de una matriz de decisión mostrada en la Tabla 5, que
debido a cuestiones de costo y accesibilidad la opción ideal es el Arduino, que para
la aplicación deseada cumple con los requerimientos y características ideales para
la adquisición de las señales de los sensores.

38
6.1.2 Elección de sensores

En el mercado existen variedad de sensores que permiten la adquisición de señales
fisiológicas, como fuerza, electromiografía y pulso cardiaco. Para la elección del
sensor utilizado para la adquisición de la señal de electromiografía se compararon
los sensores mostrados en la Tabla 6.

Tabla 6. Comparación sensores de electromiografía

En la Tabla 7 se presenta una matriz de decisión en la que se evaluaron los
requisitos la elección del dispositivo por medio del cual se va a adquirir la señal de
electromiografía, calificando el cumplimiento de los requisitos de 1 a 5 siendo 1
deficiente y 5 excelente:

a. Capacidad de adquisición (precio)
b. Se puede conectar a Arduino
c. Tamaño

Tabla 7. Matriz de decisión de la elección del software para el desarrollo de la
interfaz.

Requisitos

Sensor
A B C Total
Myoware muscle sensor 4 5 5 14
Sensor de Biofeedback EMG para 4 1 5 10
Sensor EMG Grove 4 5 4 13
Equipo de electromiografía 2 5 3 10

En la Tabla 6 se presenta la comparación de 4 dispositivos que permiten la
adquisición de señales de electromiografía mediante la adquisición de potencial
eléctrico en la superficie de la piel por medio de electrodos. De acuerdo con la matriz
de decisión de la Tabla 7 se determinó que el sensor Myoware Muscle sensor es
el que cumple mejor con los requerimientos del sistema.

Dado que el sensor Myoware Muscle sensor tiene incluido todo un sistema de
adquisición de señales de electromiografía, incluyendo sistema de
preprocesamiento de las señales, brindando la posibilidad de variar su ganancia y
por lo tanto el procesamiento de la señal.

Es un sensor portable diseñado específicamente para microcontroladores que
permite su conexión a un sistema embebido y a un computador, por lo cual es ideal
para la aplicación deseada, además este presenta la posibilidad de adecuar su
configuración la adquisición de la señal natural de EMG y la señal rectificada (valor
RMS), facilitando la adquisición y análisis de estas señales (Advancer Technologies,
2015). Además, el sensor puede adaptarse fácilmente al usuario, ya que este
emplea la electromiografía de superficie utilizando tres electrodos que se conectan
al usuario, y dado su pequeño tamaño y portabilidad es ideal para realizar la
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adquisición de la señal de electromiografía durante la realización de pruebas de
contracción muscular.

Para la adquisición de las señales de fuerza se evaluaron cuatro sensores diferentes
que permiten la adquisición de valores de fuerza ejercida sobre ellos mostrados en
la Tabla 8; tres de estos sensores funcionan teniendo en cuenta la variación de
resistencia en ellos al aplicar una fuerza externa, y un dinamómetro comercial, con
el cual se pensaba trabajar desde la formulación del proyecto, pero a causade la
dificultad para acceder a este fue descartado.

Tabla 8. Comparación sensores de fuerza

En la Tabla 9 una matriz de decisión en la que se evaluaron los requisitos la elección
del dispositivo por medio del cual se va a adquirir la señal de fuerza ejercida por el
usuario, calificando el cumplimiento de los requisitos de 1 a 5 siendo 1, deficiente y
5 excelente:
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a. Capacidad de adquisición (precio).
b. Se puede conectar a Arduino.
c. Tamaño.
d. Permite adquirir 40 N.

Tabla 9. Matriz de decisión de la elección del software para el desarrollo de la
interfaz.

Requerimiento
Sensor

A B C D Total
Dinamómetro digital 2 2 4 4 12
Celda de carga YZC-133
de 50 Kg
4 5 4 3 16
Celda de carga YZC-133
de 5 Kg
4 5 4 5 18
Sensor resistivo FSR 402 4 5 4 3 16

De acuerdo a la comparación hecha en la Tabla 9 se eligió adquirir las señales de
fuerza utilizando una celda de carga YZC-133 de 5 Kg. Se eligió esta celda, dado
que teniendo en cuenta su parte electrónica, la adaptación del sensor a Arduino que
es el dispositivo con el que se va a trabajar, accesibilidad.
Esta celda de carga necesita de un conversor análogo - digital HX711 que tiene una
resolución de 24 bits con el fin de que los datos adquiridos por la celda se transmitan
correctamente al Arduino, y se puedan detectar cambios muy mínimos en el
sensado de la fuerza que está siendo ejercida por el usuario. Debido a que la
resolución del dispositivo de adquisición de señales no es suficiente para realizar la
conversión de los datos recibidos por esta celda (10 bits de resolución), por lo cual
no se tuvo en cuenta la resolución de la celda de carga, pero si la de su conversor
ADC. Este sensor es el que mejor se acopla a las necesidades del sistema de
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adquisición de fuerza por parte del usuario, teniendo en cuenta que la fuerza
ejercida por el usuario debe ser de máximo 5 Kg (50 N).

Para la adquisición de la señal de pulso cardiaco se compararon los cuatro sensores
mostrados en la Tabla 10, esto con el fin de realizar un monitoreo constante de la
condición general del usuario durante las pruebas de contracción muscular.

Tabla 10. Comparación de sensores de pulso cardiaco

En la Tabla 11 se presenta una matriz de decisión en la que se evaluaron los
requisitos la elección del dispositivo por medio del cual se va a adquirir la señal de
pulso cardiaco del usuario al realizar las pruebas de contracción muscular ejercida
por el usuario, calificando el cumplimiento de los requisitos de 1 a 5, siendo 1
deficiente y 5 excelente:
a. Capacidad de adquisición (precio).
b. Se puede conectar a Arduino.
c. Tamaño.

De acuerdo a la Tabla 11 para dar cumplimiento a uno de los requerimientos
establecidos anteriormente, se eligió un sensor de pulso cardiaco que tiene facilidad
de conexión a Arduino, teniendo en cuenta su accesibilidad y que cumpla con la
función de sensar el pulso cardiaco. Eligiendo el sensor KY-039 cuyas
características se presentan en la Tabla 10, este sensor adicionalmente está
diseñado de tal manera que el usuario simplemente ubique su dedo índice en este
e inmediatamente el sensor realizará el sensado.
Tabla 11. Matriz de decisión de la elección del software para el desarrollo de la
interfaz.

6.1.1 Elección del diseño de la interfaz de biorrealimentación

Existen varias herramientas que pueden implementarse en el desarrollo de
interfaces gráficas de biofeedback, pueden ser visuales o auditivas. Las visuales
basadas en representaciones gráficas de los datos, adquiridos ya sea
numéricamente o mediante el bosquejo de gráficas en tiempo real de los datos
adquiridos.

Otras herramientas corresponden a las agujas o manecillas móviles que indican el
aumento o disminución de los valores medidos durante la contracción muscular, o
de alertas producidas por medio de luces de colores, cuando los valores medidos
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no corresponden a los establecidos para un diagnóstico o tratamiento específico.
También puede realizarse una representación mediante imágenes, fotografías,
videos o animaciones, producto del proceso de la contracción muscular presentado
por el sujeto evaluado. Otro tipo de herramienta utilizada es el biofeedback auditivo,
que presenta la reproducción de tonos o notas de diferentes valores de frecuencia
o intensidad esto dependiendo del incremento o disminución del valor de la señal
recibida (Muñoz,2019).
Considerando diferentes diseños de interfaces gráficas encontradas en bibliografía,
se optó por realizar la interfaz de biorrealimentación basada en la metodología de
“videojuego” o “juego serio”. Se realizó una comparación de las características más
relevantes de estas, que como se describió en la sección 4.2, la mayoría de las
interfaces de usuario presentan imágenes de colores llamativos y diseños llamativos
para el usuario, como entornos conocidos para el usuario.

Como resultado se obtienen cuatro alternativas de interfaz, las cuales son
presentadas en la Figura 26. Se realizó una encuesta a cuatro individuos de
diferentes edades (43,16,35 y 20 años), a quienes se les explicó la finalidad de la
interfaz y que esta sería controlada con los sensores de fuerza y electromiografía.
Una vez realizada la explicación se les preguntó a los participantes si el diseño les
resultaba atractivo, si es fácil entender la dinámica del “juego”, y si se identificaba el
propósito de la interfaz.

Teniendo en cuenta lo anterior al realizar la elección de los dispositivos a utilizar se
tuvo en cuenta la compatibilidad entre estos, es decir, se aseguró que los sensores
utilizados fueran compatibles con la placa Arduino, y que la plataforma de Arduino
pudiera realizar una comunicación con la plataforma de Unity para realizar la
adquisición de las señales en la interfaz.

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6.2 Protocolo de experimentación

Para la evaluación del funcionamiento de la interfaz del sistema de biofeedback, se
realizó un protocolo de experimentación.

Según la resolución 8430 de 1993 del Ministerio de Salud y Protección Social, se
debe dar cumplimiento a la norma obteniendo el consentimiento informado de cada
sujeto con los que se llevará a cabo el protocolo de experimentación. Además de la
confidencialidad consagrada en la ley 1581 de 2012 “por la cual se dictan
disposiciones generales para la protección de datos personales” (ley estatutaria
congreso). Ya que los datos se presentan en tiempo real y no se están utilizando
datos personales de los usuarios como su número de identificación

A continuación, se presenta el procedimiento que se debe seguir para realizar la
toma de las señales fisiológicas del usuario, describiendo la posición del usuario, de
los sensores, y cómo se deben hacer las pruebas de contracción muscular.

Posición del usuario: para el desarrollo de las pruebas de funcionamiento el
usuario debe ubicarse sentado de frente al computador como se indica en la Figura
11, de manera que se forme un ángulo de 90 grados entre su brazo y antebrazo al
ubicar su antebrazo sobre la caja que contiene el sistema de adquisición electrónico
del sistema de biofeedback. Con el fin de que se adquieran las señales de manera
correcta y evitando todos los errores posibles.

Figura 11. Posición del usuario para la toma de pruebas

Ubicación de los sensores: los sensores de fuerza, pulso cardiaco y
electromiografía. Estos deben ser ubicados como se presenta en la Figura 12.

Figura 12. Ubicación de los sensores

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Para dar cumplimiento al último objetivo del presente proyecto se llevó a cabo las
pruebas del funcionamiento del sistema de biorrealimentación se tuvieron cuatro
usuarios de diferentes edades.

1. A cuatro usuarios se les presenta todo el sistema (sistema de adquisición de señales
fisiológicas