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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

PROGRAMA DE MAESTRÍA Y DOCTORADO EN INGENIERÍA

DESARROLLO DE UN SISTEMA INALÁMBRICO PORTÁTIL

DE MONITORIZACIÓN PROLONGADA PARA LA

CUANTIFICACIÓN DE LA CINEMÁTICA DE LAS

EXTREMIDADES SUPERIORES.



INGENIERÍA ELÉCTRICA

PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES




EXTREMIDADES SUPERIORES.

TESIS QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE:

MAESTRO EN INGENIERÍA

ARMANDO SALOMÓN HERNÁNDEZ

DR. ARTURO VEGA GONZÁLEZ, FACULTAD DE INGENIERÍA



PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES




TESIS QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE:

MAESTRO EN INGENIERÍA

PRESENTA:

ARMANDO SALOMÓN HERNÁNDEZ DELGADO

TUTOR PRINCIPAL:

DR. ARTURO VEGA GONZÁLEZ, FACULTAD DE INGENIERÍA

UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM UNAM

Desarrollo de un sistema inalámbrico portátil de monitorización prolongada

para la cuantificación de la cinemática de las extremidades superiores.

Sustentante: Armando Salomón Hernández Delgado

Contenido:

1. Objetivo.

2. Introducción.

3. Requerimientos / diseño del sistema.

4. Implementación.

5. Evaluación: Colección y procesamiento de señales.

6. Conclusiones.

7. Perspectiva.


1. Objetivo.

Desarrollar un sistema para monitorizar la cinemática de las extremidades

superiores. Considerando las siguientes características:

• Portátil e inalámbrico. • Provea información de la posición de la muñeca con respecto al hombro. • Capacidad de monitorizar por periodos prolongados. • Permitir libremente las actividades de los usuarios. • Confortable • Cumpla con los estándares de equipo médico.


1. Objetivo.

Objetivos específicos.

i. Diseño e implementación de un sensor que mida movimiento y postura de

las extremidades superiores.

ii. Integración del sensor de actividad con un registrador electrónico portátil e

inalámbrico para producir un sistema de monitorización ambulatorio.

iii. Proponer métodos para la detección de movimiento / actividades

funcionales.


2. Introducción.

Movimiento Humano.

• El movimiento es un aspecto fundamental en la vida diaria.

• Las deficiencias en el movimiento tienen efectos serios en la salud.

• Su estudio permite comprender la función normal y patológica.


2. Introducción.

Evaluación de la movilidad.

La Organización Mundial de la Salud, en su Clasificación Internacional del

Funcionamiento, de la discapacidad y de la salud (CIF), fomenta la valoración de la

movilidad y se enfoca en las consecuencias funcionales de las enfermedades.


2. Introducción.

Contexto.

En el marco de la CIF, es importante:

• Caracterizar las posturas y actividades funcionales en situaciones de la vida real. • Evaluar limitaciones de actividad y el nivel de participación. • La evaluación del desempeño, es relativo a la condición anterior del paciente. • Existen diferentes aspectos y características de la movilidad que deben ser evaluados


2. Introducción.

Cuantificación de actividad funcional.

• Actividad funcional (de las extremidades superiores): Conjunto de movimientos asociados a actividades comunes que tienen el propósito de

realizar una tarea específica.

• ¿Porqué medir la actividad de las extremidades superiores? Permite establecer un perfil base de limitaciones y participaciones del paciente.

Puede ayudar a describir la función patológica e impacto de algún tratamiento.

• Objetivos de las terapias de rehabilitación: Mejorar la calidad de vida.

Reactivar el uso de la extremidad, maximizando su función.


2. Introducción.

¿Cómo medir?

Por tipo de instrumento

Por tipo de enfoque

• Test o Pruebas de funcionalidad. • Sistemas de medición in situ. • Sistemas de medición portátiles.

� Subjetivos: Observación directa (Estándar de oro) Auto evaluaciones/cuestionarios Análisis basado en video

� Objetivos: Análisis basado en video Goniómetros Acelerómetros Giroscopios Sensores de presión

� Procesamiento de señales y reconocimiento de patrones.


2. Introducción.

Actualmente no hay una solución satisfactoria para el problema de cómo evaluar el uso

real de las extremidades superiores. (Se reporta solo uso o no uso).

Durante y después de la terapia, se desconocen los beneficios funcionales del paciente en

una situación real.

En consecuencia, se desconoce la efectividad real y evaluación objetiva de las

intervenciones.


2. Introducción.

Definición del problema:

Se busca desarrollar un sistema de monitorización portátil y técnicas de evaluación de

funcionalidad de las extremidades superiores, que además permita el libre movimiento del

sujeto.


2. Introducción.

Monitorización (Winter D. 2009):

• Notar, percibir o registrar cambios (en un evento de interés) a través del tiempo. • La monitorización nos ayuda a determinar si existe mejora o no al aplicar una

terapia.


3. Requerimientos/Diseño del sistema

Definición de requerimientos.

1. Inalámbrico, portable y que permita la libre realización de actividades de la vida diaria

(ADL de sus siglas en inglés). (con posibilidad de utilizar más de un tipo de sensor).

2. Proveer información de movimiento y postura. El movimiento funcional, puede ser

expresado en términos del movimiento de la muñeca respecto al hombro

(desplazamiento vertical).

Medición basada en

sensor electro-hidráulico



3. Seguridad para uso con humanos.

4. Proponer algoritmos para el análisis de los datos

4.1. Parámetros relevantes para el médico.

4.2. Parámetros de funcionalidad.

5. Procesamiento que pueda ser ejecutado en un sistema de cómputo convencional.

6. Económico



Constructo del sistema de monitorización.

• Usuario: Agente externo. Provee la información de interés.

• Unidad de adquisición: Contiene el sensor y transmite datos inalámbricamente.

• Unidad de recolección: Realiza petición y recepción de datos a las unidades de adquisición

Contiene botón de evento: Iniciar/detener recolección de datos.



Diagrama de flujo de información.



Arquitectura del sistema.

Unidad de adquisición

Unidad de almacenamiento

≡ Capacidad de establecer redes

de sensores


Restricción de espacio

Batería de Litio

Recargable

W=28mm, H=18mm, L=40mm

4. Implementación

Dispositivos empleados

Adaptación del Sensor de presión

26PC01SMT (Honeywell)

Transceptor RF

nRF2401A

Amplificador de

Instrumentación INA333

4. Implementación

Dispositivos empleados.

Adaptación del Sensor de presión

Amplificador de

Instrumentación INA333


Prototipos del Sensor de movimiento

Implementación Final

Encendido/Apagado

Alimentación/carga

Sensor

Ajuste

Ganancia

Amplificador de

Instrumentación

INA333

µC PIC16F

Radio Tx/Rx

nRF2401A

4. Implementación

Diversas implementaciones.

Sensor de movimiento (Módulo Adquisición)

C PIC16F

Radio Tx/Rx

nRF2401A

4. Implementación

Diversas implementaciones.


Prototipo

4. Implementación

Modulo Almacenamiento

Implementación Final

4. Implementación

Almacenamiento.


4. Implementación

Sistema terminado.

Ejemplo de uso

Sistema completo

≡


5. Evaluación: Colección y procesamiento de señales.

Ejemplo de datos obtenidos. Colocación del sistema en el cuerpo

Perfil de Actividad (Extremidad dominante)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

50

100

150

200

250

t[hrs]

Perfil de actividades (Extremidad dominante)

0.145 0.15 0.155 0.16 0.16560

80

100

120

140

160

180

200

t[hrs]

A. Manos sobre piernas (Sentado) B. Brazo colgando libremente. C. Brazo extendido sobre la cabeza. D.Tomar agua de un vaso. E. Peinarse. F. Caminar. G.Escribiendo en una PC H.Lavarse los dientes.


5. Evaluación: Colección y procesamiento de señales

Obtención de datos experimentales.

Se contó con la participación de ocho voluntarios sanos para la recolección de datos.

Periodo de uso de 10:00 hrs a las 15:00 hrs.

Se solicitó realizar sus actividades de forma usual.

Participante género Estatura

[cm]

Brazo

dominante

Ocupación

a1 F 145 D Profesor

a2 F 150 D Profesor

a3 F 159 D Asist. Admon.

a4 M 172 D Profesor

a5 M 171 D Estudiante






Señal obtenida con sensores en brazos y torso.

Perfil de actividad

≡



Análisis preliminar del movimiento en extremidad superior.

• El movimiento puede ser caracterizado por su distribución en intervalos (verticales).

• Los intervalos o rangos de movimiento verticales podrían reflejar o estar relacionados a movimiento funcional.

• Obtener un conjunto de parámetros (medidas) objetivos que sean relevantes para la clínica:

- Patrones de actividad que se obtienen con determinados movimientos.

- Segmentación en movimiento y no movimiento.

- Tiempos de Movimiento / No Movimiento.

- Posición de la muñeca respecto del hombro.

- Rangos de movimiento vertical de la muñeca.



Segmentación: Movimiento/No Movimiento.

0 1.7 3.3 5.0 6.7 8.3 10.0-70

-61

-52

-43

-34

-25

-16

-7

2

11

20

Tiempo (min)

Am

pli

tud

Perfil de Actividad

-0.0 1.7 3.3 5.0 6.7 8.3 10.0

NM

M

Tiempo (min)

Cate

go

ria


Clasificación de movimiento en rangos

• Se requirió la participación de cuatro voluntarios.• Realizaron actividades ADL.• Segmentación de la señal en Movimiento / No movimiento• Obtención de zonas verticales de Movimiento

Voluntarios usando el sistema de medición,


Clasificación de movimiento en rangos verticales

participación de cuatro voluntarios.

Realizaron actividades ADL.

la señal en Movimiento / No movimiento.

zonas verticales de Movimiento

Voluntarios usando el sistema de medición, realizando las actividades propuestas.


verticales anatómicos.

propuestas.



Perfil de actividades realizadas.

0 3.5 7.0 10.5 13.9 17.4 20.9-70

20

110

200

290

Time

Am

pli

tud

e

Minutes



Perfil de actividades

0 1.1 2.3 3.4 4.6 5.7 6.8-60

25

110

195

280

Time

Am

pli

tud

e

Minutes



Perfil de actividades

0 2.2 4.5 6.7 8.9 11.2 13.4-70

20

110

200

290

Time

Am

pli

tud

e

Minutes



Rangos Funcionales.

Distribución vertical del movimiento.

No dominante Dominante

-77

-51

-25

127

-77

-51

-25

127

-129

0 0.2

0.3

0.5

0.7

-129

0 0.2

0.5

0.7

1.0



Segmentación de movimiento en Rangos Funcionales.

Perfil de actividad

Segmentación de Movimiento en rangos Funcionales

0 2.0 3.9 5.9 7.9 9.8 11.8-70

-61

-52

-43

-34

-25

-16

-7

2

11

20

Tiempo

Am

pli

tud

Perfil de Actividad

0 2.0 3.9 5.9 7.9 9.8 11.8

NM

FP0

FP1

FP2

FP3

FP4

Tiempo (min)

Cate

go

ria



0

100

200

300

FP0 FP1 FP2 FP3 FP4

No Dominante

Dominante

Resultados de segmentación ambas extremidades.

No dominante Dominante

0 2.0 3.9 5.9 7.9 9.8 11.8-70

-22.5

25

72.5

120

Tiempo (min)

Am

pli

tud

Perfil de Actividad

-0.0 2.0 3.9 5.9 7.9 9.8 11.8

NM

FP0

FP1

FP2

FP3

FP4

Tiempo (s)

Cate

go

rias

-0.0 2.0 3.9 5.9 7.9 9.8 11.8

NM

FP0

FP1

FP2

FP3

FP4

TS

Tiempo (s)

Cate

go

rias

Tiempo aproximado de movimiento [s].



Resultados.

Perfiles de Actividad obtenidos.

0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.1 6.1-50

-32

-14

4

22

40

58

76

94

112

130

Tiempo (horas)

Am

pli

tud

Perfil de Actividad

0 0.9 1.7 2.6 3.4 4.3 5.1-60

-39

-18

3

24

45

66

87

108

129

150

Tiempo

Am

pli

tud

Hours



Resultados.

Perfil de actividad y acercamiento.

0 0.9 1.8 2.7 3.6 4.5 5.5-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

Tiempo (horas)

Am

pli

tud

Hours

4.1 4.1 4.1 4.2 4.2 4.3 4.3-60

-42

-24

-6

12

30

48

66

84

102

120

Tiempo (horas)

Am

pli

tud

Hours



Tiempo total de movimiento en segundos

por extremidad y por participante.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8

mujeres hombres

Tiempo total de movimiento [s]

No Dominante

Dominante



Propuesta para reconocimiento de actividades Funcionales.

• Enfoque Bayesiano

Modelado de actividades.

Ingesta de agua

Abrir un frasco

Peinarse

Lavarse los dientes

Clasificador de actividades.

-51

-25

127

-51

-25

127

-129

0 0.1

0.1

0.2

0.3

-129

0 0.0

0.1

0.1

0.2

-51

-25

127

-51

-25

127

-129

-0.0

0.0

0.1

0.1

0.2

-129

-0.0

0.1

0.1

0.2

0.2

-51

-25

127

-51

-25

127

-129

-0.0

0.0

0.1

0.1

0.1

-129

0 0.1

0.1

0.2

0.3

-51

-25

127

-51

-25

127

-129

0 0.1

0.1

0.2

0.2

-129

-0.0

0.0

0.1

0.1

0.2


Propuesta para reconocimiento de actividades Funcionales

• Medida de semejanza: Dynamic Time Warping

Búsqueda de señal patrón (actividad)

Secuencia

Secuencia


Propuesta para reconocimiento de actividades Funcionales

namic Time Warping (DTW)

Búsqueda de señal patrón (actividad)

Secuencia X

Secuencia Y t






• Modelos Ocultos de Markov (HMM). Secuencias de movimientos o dinemas:

- Modelado / Detección de acciones Secuencia de acciones:

- Modelado / Detección de actividades

Reconocimiento de actividad basado en HMM


• Se implementó un sistema de monitorización inalámbrico para las extremidades superiores.

• Pueden integrarse módulos de adquisición adicionales, sin reducir confort.

• Una sola unidad de almacenamiento, eliminando problemas de sincronización.

• Se obtiene información relevante: - Movimiento y posición.

- Tiempo de movimiento en rangos verticales.

• Es considerado confortable sin que haya interferido en las actividades cotidianas. ♩

• Se proponen técnicas para detección de ADL: - DTW: alto potencial para detectar una actividad realizada a diferente rapidez.

- HMM: detectar o estimar la secuencia de actividades funcionales.



Sobre el Hardware:

- Transceptores de RF.

- Almacenamiento en memoria uSD, sistema de archivos FAT16/32.

- Sensor de postura.

- Manufactura de más unidades.

Sobre análisis de datos:

- Generar una base de datos.

- Técnica de análisis de No Movimiento Funcional.

- Técnica de análisis de Movimiento bimanual.

- Implementación y evaluación de algoritmos.


desarrollo de un sistema inalÁmbrico portÁtil unam … · µc pic16f radio tx/rx nrf2401a 4....

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