Una_aproximacion_a_la_compensacion_y_valoracion_fu

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Una aproximación a la compensación y valoración funcional de marcha
humana
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5 authors, including:
Juan C. Moreno
Spanish National Research Council
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Fernando Brunetti
Universidad Católica Nuestra Señora de la Asunción
45 PUBLICATIONS   1,826 CITATIONS   
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R. Ceres
University Foundation San Pablo CEU
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Lupita Calderón
Universidad Técnica de Manabí (UTM)
43 PUBLICATIONS   551 CITATIONS   
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UNA APROXIMACIÓN A LA COMPENSACIÓN Y VALORACIÓN 
FUNCIONAL DE MARCHA HUMANA 
 
 
J. Moreno, F. Brunetti, R.Ceres, L. Calderón, J.L. Pons 
Instituto de Automática Industrial. Consejo Superior de Investigaciones Científicas. 
Carretera de Campo Real, km 0.200. La Poveda, Arganda del Rey. 28500 MADRID 
moreno@iai.csic.es 
 
 
Resumen 
 
El proyecto Gait busca una solución de bioingeniería 
para las ortesis de miembro inferior. La ortesis 
desarrollada tiene como objetivos la compensación y 
monitorización de la marcha humana mediante una 
ortesis instrumentada. Para lograr los objetivos el 
proyecto propone una ortesis activa e instrumentada 
dotada de una unidad de control capaz de identificar 
los ciclos de marcha para la generación de las 
señales de control , y de una plataforma software 
para el análisis de la información generada y la 
monitorización en tiempo real de la marcha, para el 
ajuste de parámetros y configuración de la ortesis. 
 
Palabras Clave: Ortesis, biomecánica, sistemas 
activos, marcha humana, control, monitorización. 
 
INTRODUCCIÓN 
 
Tradicionalmente las ortesis funcionales se basan en 
un diseño más o menos complejo que considera una 
serie de características mecánicas que buscan 
proteger la articulación de cargas no deseadas y 
compensar por pérdida funcional. Las técnicas de 
supervisión de la marcha [1] han sido ampliamente 
utilizadas en la evaluación de pacientes con 
desórdenes en la rodilla y también en la valoración 
biomecánica de ortesis [2]. Aparte de los sistemas 
ortésicos híbridos en los que las ortesis son 
combinadas con sistemas de estimulación eléctrica 
funcional (FES), poco se ha investigado en cuanto a 
la integración de electrónica en ortesis de miembro 
inferior, que podría sentar las bases para las nuevas 
generaciones de ortesis 
 
Las técnicas para monitorización de la marcha 
humana han sido utilizadas ampliamente para la 
evaluación funcional de pacientes con articulaciones 
afectadas y también ha sido aplicadas en el desarrollo 
biomecánico de las ortesis. Sin embargo, este tipo de 
evaluaciones están restringidas al ambiente de 
laboratorio donde las condiciones normales de uso 
son difíciles de reproducir. Una ortesis inteligente, 
capaz de ir guardando la información generada por la 
ortesis durante el uso normal para un posterior 
tratamiento de esta información, resolvería el 
problema. 
 
El proyecto GAIT integra sistemas activos yortesis 
de miembro inferior con el propósito de 
proporcionar medios para la supervisión de la marcha 
durante situaciones reales de uso, aumentar el 
rendimiento funcional y mejorar la comodidad. La 
ortesis posee un sistema de control y monitorización, 
capaz de almacenar y procesar datos biomecánicos de 
la marcha humana y del confort del sistema. 
 
 
1 ORTESIS DE MIEMBRO 
INFERIOR 
 
Comúnmente conocidas como KAFOs (Knee Ankle 
Foot Orthosis), las ortesis de miembro inferior son 
prescritas en enfermedades neurológicas y 
ortopédicas para diferentes propósitos. 
Principalmente son usadas para estabilizar la rodilla 
durante la fase de apoyo, corregir y descargar el 
miembro superior durante sus tareas funcionales. 
 
De acuerdo a su funcionamiento, se distinguen 
básicamente dos tipos de articulaciones ortésicas 
como componentes de las KAFO, según tengan o no 
capacidad de bloqueo. Una articulación de rodilla 
que se mantiene bloqueada durante todo el ciclo de 
marcha, aunque garantiza la seguridad, requiere un 
consumo energético elevado para el paciente. Por 
otra parte, existen sistemas basados puramente en 
principios mecánicos [11] que permiten liberar la 
articulación en la fase de oscilación de la marcha (el 
miembro oscila libremente como un péndulo 
invertido en la dirección del desplazamiento). 
Evaluaciones clínicas de estos sistemas (e.g. la 
ortesis UTX) no concluyen ventajas obvias en 
términos de requerimientos de energía y aparecen 
como sistemas restringidos a un grupo de pacientes 
con algún control sobre los extensores de cadera. 
 
Un tercer grupo lo constituyen las configuraciones 
híbridas de KAFOs, que combinan la estimulación 
eléctrica funcional (FES) con una KAFO mecánica. 
El principio de los FES es aplicado para mejorar la 
oscilación de la pierna y por lo tanto la progresión 
hacia delante del cuerpo. Los FES son usados tanto 
en KAFOs con o sin sistemas automáticos de 
bloqueo. Una aplicación más ambiciosa de los FES 
está en permitir la flexión de la rodilla durante la 
oscilación pero los resultados aunque muestran 
mejoras en los ángulos de flexión, no reporta mejora 
energética [1] y las expectativas de funcionamiento 
no se cumplieron, además de presentar 
contraindicaciones en un gran número de 
enfermedades. 
 
Una cuarta categoría la constituye una ortesis que sea 
capaz de controlar el movimiento de las 
articulaciones. Un sistema desarrollado [4] controla 
una ortesis convencional mediante una computadora 
externa. El sistema incluía un microcontrolador, un 
freno, un servomotor para proveer energía, un 
goniómetro en la rodilla y un pulsador debajo del 
talón. Un patrón de marcha más suave fue observado 
en las pruebas con pacientes con debilidad muscular 
(cuadriceps) que fueron sometidos a intervenciones 
quirúrgicas en la rodilla. 
 
 
2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 
 
La ausencia o insuficiencia del control muscular da 
lugar a diferentes situaciones con determinado 
impacto en la locomoción. En el caso de debilidad 
del cuadriceps, la situación de la articulación de la 
rodilla, al final de la fase de apoyo se pierde la 
estabilidad pues esta flexiona de manera incontrolada 
poniendo en riesgo de caída al paciente. Por otra 
parte, se pierde el control de generar trayectorias de 
extensión y flexión necesarias tanto a lo largo de la 
fase de apoyo como de oscilación con el consecuente 
riesgo de caída y movimientos indeseados en una 
marcha normal [5]. En el caso de la articulación de 
tobillo la ausencia de control muscular 
principalmente genera problemas de control de 
trayectorias de flexión plantar (un desorden articular 
conocido como “caída plantar”) y flexión dorsal 
(arrastre de la puntera en la fase de oscilación). Por 
otra parte, en el seguimiento clínico de dichas 
patologías que afectan el miembro inferior y en 
general, en el campo del análisis de marcha humana, 
se han restringido las posibilidades al ámbito de los 
hospitales de rehabilitación y de los laboratorios 
especializados. Debido a los dos situaciones 
descritas, se plantea el diseño de un sistema capaz de 
compensar de forma activa los desórdenes de 
miembro superior y constituya una herramienta de 
monitorización de variables biomecánicas y de la 
interacción ortesis-usuario en condiciones de vida 
real. 
 
3 CONCEPTO DEL SISTEMA 
 
Para cumplir con los objetivos del proyecto el 
sistema consta de: un conjunto de sensores y 
actuadores, y de una unidad de control y 
monitorización integrados en la ortesis. Para la 
evaluación de los datos generados por la ortesis 
durante el uso normal de la misma, el sistema cuenta 
con una plataforma software. A continuación 
brindamos una descripción más detallada de los 
bloques del sistema. 
 
ORTESIS
Conjunto de
Sensores
Actuadores
Unidad de
Control
Unidad de
Comunicaciones
Estación
Base
Rodilla / Tobillo
Plataforma SW 
Figura 1: Gráfico conceptual del Sistema. 
 
 
3.1 SENSORES Y ACTUADORES 
 
2.1.1 Sensores 
 
El sistema sensorial con el que está instrumentada la 
ortesis está compuesto por transductores 
especializados para la medida de variables 
cinemáticas, cinéticas y de microclima. 
 
Se caracteriza típicamente el ciclo de marcha humana 
(Figura 2) como el seguimiento temporal de variables 
cinemáticas referentes a las articulaciones del tobillo 
y la rodilla [12], tales como ángulo, velocidad 
angular y aceleración angular, obtenidas a partir de 
electrogoniómetros, giroscopios y acelerómetros [7], 
[8]. 
 
Por otra parte es importante para el control del 
proceso de la marcha, la medición de variables 
cinéticas como los pares en las articulaciones, la 
distribución de presiones plantares y la fuerza de 
reacción del suelo, que determinan condiciones de 
activación basadas en criterios de estabilidad 
articular; por ejemplo, la magnitud y fase del vector 
de la fuerza de reacción que produce el suelo sobre el 
miembro, produce momentos y genera movimientos 
sobre cada articulación [5]. Esta información es útil 
para predecir y controlar trayectorias articulares. Para 
obtener este tipo de parámetros cinéticos, se utilizan 
galgas extensiométricas, plantillas instrumentadas [6] 
y resistencias sensoras de fuerza (FSRs). Para la 
medida del microclima en la interfaz se utilizan 
microsensores de humedad y temperatura. 
 
 
Fig 2: Datos biomecánicos de marcha normal [Winter, 
D.A.,1991]: Ángulos (superior), momentos (medio) y 
potencia (inferior) de la articulación del tobillo a 
cadencia natural (105 pasos/min) 
 
2.1.2 Actuadores y control. 
 
Dentro del marco del proyecto GAIT se analizan 
diferentes tipos de tecnologías de actuación que 
gestionadas por un sistema de control puedan llevar a 
cabo tareas para la compensación de desórdenes 
articulares. Estas tares principalmente incluyen 
funciones de a) frenado/bloqueo articular para 
garantizar la estabilidad, b) control de trayectorias 
articulares (por ejemplo, control en la absorción de 
choque al transferirse el peso del cuerpo durante la 
fase de apoyo), y c) funciones de aporte energético 
para la generación de movimientos. 
 
Las principales consideraciones en cuanto al sistema 
actuador se relacionan con la potencia necesaria, la 
velocidad de respuesta, el consumo y el tamaño. Los 
requerimientos de par para el sistema actuador varían 
en función del peso del paciente. De las curvas 
características de patrón de marcha humana [12] de 
Winter (Figura 2), se pueden extraer valores 
máximos en las fases de generación de potencia. En 
el caso de la articulación de la rodilla existe un 
máximo aproximado de 0.61 Nm/kg y un máximo 
para el tobillo en el momento en que el pie se 
despega del suelo, de 1.62 Nm/kg. Si bien el sistema 
muscular humano sobrepasa todavía cualquier 
tecnología de actuación desarrollada hasta la fecha en 
cuanto a potencia específica (relación entre potencia 
máxima y peso del actuador) y potencia volumétrica 
(relación entre potencia máxima y volumen del 
actuador), y no es posible obtener tales valoresde par 
sin actuadores de peso y volumen para su adaptación 
a una ortesis, se pueden aplicar estrategias de 
absorción y recuperación de energía potencial para la 
máxima reducción posible de dichos requerimientos. 
Estudios previos han representado la articulación del 
tobillo [9] como un modelo simple de masa-muelle-
amortiguador. Analizando los datos de marcha 
humana normal a cadencia natural de Winter, se han 
identificado fases donde las articulaciones se pueden 
caracterizar como muelles lineales. Así pues, se 
dotará de elasticidad a las articulaciones ortésicas de 
manera intermitente según la fase del ciclo de 
marcha. Se analizan articulaciones monocéntricas, 
policéntricas y mecanismos de cuatro barras desde el 
punto de vista del diseño biomecánico de la ortesis y 
del sistema de control. 
 
 
2.2 MONITORIZACION 
 
Para poder compensar la marcha humana y evitar 
deficiencias como la caída plantar o la falta de 
flexión dorsal es imprescindible detectar las fases del 
ciclo de marcha para poder tomar una medida de 
control en el momento deseado. Se desarrolla un 
protocolo de detección de estados de la marcha. Estos 
estados están caracterizados por el tipo de actividad 
que se está realizando como caminar, 
sentarse/levantarse y subir/bajar escaleras/cuestas. La 
unidad de control electrónica debe ser capaz de 
detectar estas transiciones mediante las medidas 
entregadas por el conjunto de sensores para poder 
generar las señales de control para los actuadores. El 
sistema de control entonces debe ser capaz de 
procesar la señales provenientes de los sensores para 
la toma de decisiones y almacenar las variables 
biomecánicas para la posterior evaluación de la 
marcha humana y del funcionamiento de la ortesis. 
 
El sistema no solo es capaz de almacenar las 
variables biomecánicas de la marcha humana sino 
también los indicadores del confort de la ortesis. El 
conjunto de sensores brinda toda esta información, la 
cual es grabada en memoria tipo RAM no volátil. Las 
variables biomecánicas almacenadas son: posición, 
velocidad y aceleración angulares; y el torque. 
Todas en ambas articulaciones: la rodilla y el tobillo. 
Para la evaluación del confort de la ortesis, los datos 
que brindan los sensores de microclima (humedad y 
temperatura) y presión se almacenan también en 
memoria. Pero no solo el valor de la variables 
durante el uso normal de la ortesis permiten una 
posterior evaluación de la marcha humana. Datos 
como la fase del ciclo de marcha, el tipo de actividad 
que se está realizando, marcas de tiempo, el nivel de 
carga de la batería y el par generado por los 
actuadores son necesarios a la hora de la evaluación 
de la marcha. Esta información es también 
almacenada con la demás variables. 
 
La frecuencia de muestreo es 60 Hz lo que implica 
una gran cantidad de información generada por la 
ortesis durante su uso normal. Las primeras 
estimaciones indican la necesidad de 8 Mbits de 
memoria por 1000 ciclos de marcha. Las pastillas de 
memoria RAM no volátil están en ese orden de 
capacidad. Toda esta información almacenada brinda 
las bases para el desarrollo de una ortesis inteligente, 
concepto que implica la capacidad de la ortesis de 
brindar toda la información necesaria para la 
posterior evaluación de la marcha humana. 
 
 
2.3 PLATAFORMA DE EVALUACIÓN 
 
Para la evaluación de los datos generados se 
desarrolla una plataforma software capaz de 
comunicarse con la ortesis en forma inalámbrica para 
la descarga de datos y configuración la ortesis. 
La plataforma está desarrollada en ambiente 
Windows. La tecnología utilizada para la 
comunicación inalámbrica es Bluetooth®. 
 
Plataforma SW
Interfaz del Usuario
Datos #
Datos #
Datos #
Report
Date #
Report
Date #
Report
Date #
Impresora
Generador de
Reportes
COMM Driver
Base
de
Datos
 
Figura 3: Componentes de la Plataforma Software 
para configuración de la ortesis y análisis de marcha. 
 
La plataforma consta de los siguientes componentes: 
 
Interfaz con el usuario: 
Para la evaluación de la marcha el software posee 
una interfaz grafica donde se muestran los valores de 
las variables biomecánicas y del microclima. 
También se puede acceder datos estadístico 
analizados por la plataforma acerca de los datos 
bajados desde la ortesis. 
 
Base de Datos: En la Base de datos se administra la 
información del usuario y el historial de los datos 
muestreados por la ortesis. 
 
Generador de Informes: Con esta opción el usuario 
del software podrá generar un informe basado en un 
análisis estadístico basados en los datos descargados. 
 
Módulo de comunicación: Este módulo es el 
encargado de comunicarse con la ortesis para la 
transferencia de los datos y parámetros de 
configuración a través de un canal duplex 
inalámbrico. La tecnología de comunicación 
utilizada es Bluetooth®. El perfil seleccionado para la 
aplicación de acuerdo al estándar[Referencia de 
Bluetooth] es SPP (“Serial Port Profile”) [3]. Para el 
módulo de comunicación residente en la ortesis se 
desarrolla la pila de protocolos Bluetooth® [2] a 
partir de la capa HCI. Cabe destacar que el Sistema 
tiene ciertas tareas de monitorización en tiempo real 
para la evaluación de la marcha, funcionamiento y 
configuración de la ortesis. El ancho de banda del 
perfil elegido de Bluetooth cumple las necesidades de 
tasa de transferencia de datos para la aplicación. 
 
 
3 DISCUSION Y FUTUROS 
TRABAJOS 
 
En este proyecto existen varios retos tecnológicos 
que se esperan superar para la obtención de los 
resultados deseados. Difícilmente se encuentran 
tecnologías que satisfagan todos los requerimientos. 
Por ejemplo los actuadores que brindan un gran par 
mecánico similar en magnitud al generado por el 
miembro inferior humano son de gran tamaño y peso 
lo que imposibilita una ortesis de la ligereza 
necesaria. Equipos portátiles que utilizan este tipo de 
tecnología son de poca autonomía y gran porcentaje 
de su peso total esta conformado por el peso de las 
baterías. 
 
Otro punto de discusión es la valoración de la 
información de la marcha humana para diagnóstico y 
corrección de patrones no deseados. La ortesis genera 
mucha información que serviría para el análisis de la 
marcha humana y proponer correcciones, facilitar 
terapias post-operatorias, diagnosticar hábitos 
incorrectos y principalmente optimizar la 
prescripción de las ortesis. No obstante no hay 
referencias sobre el uso de esta información para las 
tareas mencionadas. 
 
 
Agradecimientos 
 
Este trabajo ha sido financiado parcialmente por el 
proyecto GAIT del Programa IST de la UE (Contrato 
IST-2001-37751). Agradecemos a las siguientes 
personas su contribución al proyecto: J. Sánchez 
Lacuesta, R. Barbera, J. M. Baydal. (Instituto de 
Biomecánica de Valencia); B. Freriks, M. Ijzerman, 
V. Erren, C. Baten, A. Nene (Roessingh Research 
and Development); F. Thorsteinsson and H. 
Magnusdottir (OSSUR). 
 
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Specification of the Bluetooth System. Profiles 
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