Universidad Nacional de San Juan

Facultad de Ingeniería

Departamento de Electrónica, Automática y Bioingeniería

Carrera de Bioingeniería

Asignatura “Biomecánica”

Unidad Nº 3: “Biomecánica del Movimiento Humano”

Parte 4: Técnicas de análisis de movimiento y aplicaciones

Dra. Ing. Silvia E. Rodrigo

2019

UNIDAD 3: BIOMECÁNICA DEL MOVIMIENTO

• Cinemática y cinética (linear y angular) de segmentos y articulaciones anatómicas.

Modelos biomecánicos del cuerpo humano. Conceptos de antropometría. Técnicas

analíticas y experimentales de análisis del movimiento. Aplicación a la

Biomecánica de la locomoción humana.

TÉCNICAS DE ANÁLISIS DEL

MOVIMIENTO CORPORAL HUMANO

Analíticas: están orientadas a la descripción precisa de la cinemática y cinética del

cuerpo humano (se describieron al hablar de análisis cinemático y cinético).

Experimentales: permiten cuantificar las variables cinemáticas y cinéticas que describen

el movimiento corporal durante su actividad, utilizando sensores o transductores, o bien

el equipamiento disponible en laboratorios de análisis computarizado del movimiento.

También suele registrarse simultáneamente con las variables cinemáticas y cinéticas, la

actividad electromiográfica (EMG) de los principales grupos musculares que generan la

actividad del cuerpo humano que se quiere evaluar.

Se subdividen en:

Técnicas experimentales para registro de datos cinemáticos

Permiten medir parámetros temporales y espaciales o bien, parámetros

cinemáticos propiamente dichos.

Si bien el primer tipo de parámetros proporciona información importante, el

estudio del movimiento (evolución temporal de posición, velocidad y

aceleración) de segmentos y articulaciones durante una actividad particular

del cuerpo humano, aporta información más detallada sobre su comportamiento

mecánico durante esta actividad, tal como en el caso de la locomoción.

Se emplean cronómetro y cinta métrica, interruptores plantares u otros elementos para

medir distintos parámetros, tales como:

Distintos parámetros espaciales medidos durante un ciclo de marcha.

Longitud de zancada: distancia medida entre dos apoyos sucesivos del mismo pie (m).

Parámetros temporales y espaciales

Tiempo de ciclo: duración de un ciclo de marcha (s).

Cadencia: número de pasos ejecutados en un intervalo de tiempo (pasos por

minuto).

Velocidad de la marcha: distancia recorrida por el cuerpo en la unidad de tiempo,

en la dirección considerada.

v. media (m / s) = 0.5 x long. zancada (m) x cadencia (pasos/minuto) /60

Parámetros de marcha normal para varones (V) y mujeres (M).

1.46 1.28 1.43 1.28 111 117 Perry (1992)

1.41 1.30 1.34 1.27 112 115 Kadaba (1990)

1.42 1.22 1.20 1.10

102 108 Chao (1983)

1.57 1.33 1.53 1.30 117 117 Murray (1964, 1970)

V M V M V M Fuente

Long. zancada (m)

Velocidad (m/s) Cadencia (pasos/min)

Interruptores plantares: son una manera económica de medir estos parámetros.

Existen dos tipos básicos: de cierre por compresión y resistencias sensibles a la

fuerza (en inglés, force sensitive resistor, FSR), dispuestos generalmente sobre

plantillas delgadas, que se pueden colocar entre el pie y el zapato, o adherido a la

planta del pie descalzo.

Elementos de sensado de parámetros temporales y espaciales

La presión plantar causa que el carbono sobre una superficie contacte con una

plancha de metal en la otra superficie, generando una resistencia eléctrica entre

ambas. A medida que aumenta la presión plantar aplicada, la resistencia

disminuye hasta un nivel considerado como el cierre del interruptor.

Entre éstos figuran: goniómetros o bien, cámaras de video para efectuar estéreo-

fotogrametría, que permiten medir las posiciones sucesivas en el primer caso, y las

trayectorias temporales en el segundo caso (durante el movimiento del cuerpo

humano) de los marcadores colocados en segmentos y articulaciones. A partir de

estas trayectorias, se calculan luego las velocidades y aceleraciones respectivas.

También se utilizan acelerómetros para medir esta variable y calcular luego por

integración, velocidades y trayectorias de segmentos y articulaciones durante el

movimiento del cuerpo humano.

Elementos de sensado de parámetros cinemáticos

Configuración mecánica y

eléctrica de un goniómetro

localizado en la articulación de

la rodilla. El voltaje de salida es

proporcional al ángulo medido.

Goniómetros

Ventajas:

-poco costoso,

-señal de salida disponible instantáneamente para registro o procesamiento en una PC,

-registro de la rotación articular en 2D.

Desventajas:

-ángulo relativo y no absoluto,

-requiere un tiempo considerable para ajuste y alineación,

-puede dificultar el movimiento cuando se colocan varios goniómetros simultáneamente

para registrar el movimiento de distintas articulaciones,

-requiere goniómetros complejos para registrar el movimiento articular con 2 o 3 GDL.

Acelerómetros

Habitualmente se emplean transductores de fuerza diseñados para medir las

fuerzas asociadas a una aceleración dada.

Si a es la aceleración y m es la masa constante del sistema de medición, la fuerza

ejercida por la masa es F = ma, medida con transductores del tipo strain gauge o

piezoresistivos, que producen un voltaje de salida v = K an proporcional a la

magnitud y signo de la componente normal de la aceleración.

a

m

at

an v=K an

E

Para el estudio de los movimientos humanos se emplean generalmente los

transductores piezoresistivos, porque tienen buena respuesta en el rango de

aceleración útil en biomecánica (0 a 100 m/s2) y permiten la medida a bajas

frecuencias, desde 0 a 100 Hz, típicas del movimiento corporal.

Ventajas:

- señal de salida disponible instantáneamente para registro o procesamiento en una PC.

Desventajas:

- la aceleración medida es relativa a la posición del transductor en la extremidad,

- costo excesivo si se utiliza un gran número,

- puede dificultar el movimiento cuando se colocan varios transductores

simultáneamente, ya que se necesita cableado o bien, telemetría

- la masa del transductor puede producir medidas erróneas, especialmente en

movimientos rápidos o que involucren impactos.

Permite obtener información temporal y espacial del movimiento corporal a partir

de un sistema de captura de movimiento en distintos planos.

El equipo básico incluye:

- marcadores, sistema de referencia y sistema de iluminación,

- cámaras de video,

- equipo de digitalización,

- PC, periféricos y demás accesorios.

Estéreo-Fotogrametría

Marcadores:

Son pequeños objetos (de 1 mm a 1 cm) de forma cónica, esférica o circular,

cubiertos por material reflectante y con un sistema de sujeción al cuerpo o ropa.

Se emplean asociados a un sistema de iluminación. Su número varía entre 8 y

30 marcadores simultáneos.

Pueden ser pasivos o activos, estos últimos basados en diodos infrarojos que se

activan secuencialmente a fin de facilitar su visualización, seguimiento y

digitalización.

Permite describir el volumen del espacio del laboratorio en donde se registrarán

datos cinemáticos durante las pruebas de marcha, a fin de definir el SCG a utilizar.

Está formado por una estructura de dimensiones y forma conocidas, en cuyos

extremos tiene ubicados marcadores cuya posición es fija y se conoce con

precisión.

Para minimizar los errores, previo a cualquier medición es necesario calibrar el

sistema de captura de movimiento respecto de este sistema de referencia,

intentando cubrir el mayor volumen posible del campo de filmación y análisis.

Sistema de Referencia:

Se requieren al menos dos para lograr la visualización en 3D de un lado del cuerpo.

Para la visualización simultánea de ambas extremidades inferiores o de todo el

cuerpo se necesitan al menos 3 cámaras.

En laboratorios de referencia generalmente se utilizan 4 o 6 cámaras, dependiendo

de la precisión que quiera obtenerse.

La velocidad mínima ha de ser de 50 o 60 cuadros /s, si bien existen sistemas de alta

velocidad de hasta 600 o 1000 cuadros / s. Habitualmente se emplean cámaras de

video monocromáticas para luz visible o infrarroja.

Cámaras de Video:

Cámara de televisión infrarroja típica montada

permanentemente en un laboratorio clínico de

marcha (frecuencia de muestreo 120 Hz). Las

luces infrarrojas forman un aro alrededor de la

lente y se pulsan por un corto tiempo cada

fotograma a fin de congelar la imagen antes de

escanearla.

Prueba de marcha en un laboratorio.

Las 6 cámaras de video distribuidas

en las paredes del laboratorio captan

la trayectoria de los marcadores

reflectivos colocados a ambos lados

del cuerpo del paciente.

Datos cinemáticos sin procesamiento previo, de las coordenadas cartesianas del tobillo, rodilla y cadera

de la extremidad inferior derecha. Se visualiza el efecto del ruido de alta frecuencia, como consecuencia

del proceso de digitalización.

Datos Cinemáticos

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2

0 20 40 60 80 100

% ciclo de marcha

Co

ord

en

ad

a x

(m

)

tobillo rodilla cadera

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0 20 40 60 80 100

% ciclo de marcha

Co

ord

en

ad

a y

(m

)

tobillo rodilla cadera

0

0.4

0.8

1.2

0 20 40 60 80 100 % ciclo de marcha

Co

ord

en

ad

a z

(m

)

tobillo rodilla cadera

Movimiento rotacional de las articulaciones de la extremidad inferior derecha en el plano sagital durante el

ciclo de marcha. a) datos sin procesamiento previo. b) datos filtrados.

a

b

-50

-30

-10

10

30

50

70

90

0 20 40 60 80 100

% ciclo de marcha

An

gu

lo d

e f

lexo

-exte

nsió

n (

gra

do

s) tobillo

rodilla

cadera

Resultados Cinemáticos

-40

-20

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80

100

% ciclo de marcha

An

gu

lo d

e f

lexo

-exte

nsio

n (

gra

do

s)

tobillo

rodilla

cadera

Cinéticos: transductores de fuerza o plataformas de fuerza para medir la

fuerza ejercida durante el movimiento por un segmento corporal o la

fuerza de reacción del suelo en el pie en contacto con el suelo o bien,

plantillas instrumentadas para el registro de la distribución de presiones

plantares durante la marcha.

Elementos de sensado de datos cinéticos

Transductores y Plataformas de Fuerza

Permiten medir la fuerza ejercida por el cuerpo humano sobre un cuerpo externo o

carga, generando una señal eléctrica proporcional a la fuerza aplicada.

Los transductores de fuerza pueden ser del tipo:

- strain gauge,

- piezoeléctrico,

- piezoresistivo,

- capacitivo, etc.

En todos los casos, la fuerza aplicada produce una cierta cantidad de deformación en

el transductor.

A fin de medir fuerzas en dos o más direcciones, es necesario utilizar un transductor de

fuerza bi o tridireccional sobre el segmento corporal a analizar, que consiste en dos o más

transductores de fuerza montados en ángulos rectos entre sí. El mayor problema es

asegurar que la fuerza aplicada actúe a través del eje central de cada uno de los

transductores individuales.

En laboratorios de marcha habitualmente se emplean plataformas de fuerza, que miden

las 3 componentes de la fuerza de reacción del suelo (FRS, componentes vertical,

anteroposterior y mediolateral) que actúa sobre el pie en contacto con el suelo durante

las pruebas de marcha. En base a la FRS se obtiene luego la solución del problema

dinámico inverso. Un tipo de plataforma de fuerza consiste en una superficie plana

soportada por 4 transductores triaxiales colocados en cada una de sus esquinas.

En particular, la componente vertical de los 4 sensores permite calcular la

trayectoria del centro de presiones (CDP, punto de aplicación de la FRS) en el plano

de apoyo.

La fuerza vertical total es: FY = F00 + FX0 + F0Z + FXZ.

Si las 4 fuerzas son iguales, el CDP está en el centro de la plataforma (X/2, Z/2).

En general, el CDP se calcula como:

En realidad la FRS es la fuerza neta o promedio de las fuerzas distribuidas que actúan

sobre el área de apoyo del pie (variable), para cada instante de tiempo de la fase de

apoyo del ciclo de marcha.

Un intento de calcular esta distribución de fuerzas variable en el tiempo es mediante las

plantillas instrumentadas, que sólo miden la distribución de la componente vertical de la

FRT, es decir, la distribución de presiones plantares durante la fase de apoyo de marcha.

Plantillas instrumentadas

Se utilizan para registrar en forma dinámica la distribución de presiones plantares

durante la locomoción.

Datos Cinéticos

Componentes de la fuerza de reacción de la tierra (sin procesamiento previo) para el pie derecho y el pie

izquierdo, durante el periodo de cadencia normal.

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 20 40 60 80 100

% ciclo de marcha

Fx (

N)

pie derecho

pie izquierdo

-200

0

200

400

600

800

0 20 40 60 80 100

% ciclo de marcha

Fz (

N)

pie derecho

pie izquierdo

-40

-20

0

20

40

60

0 20 40 60 80 100

% ciclo de marcha

Fy (

N)

pie derecho

pie izquierdo

Módulos del momento neto de fuerza, calculado durante el análisis dinámico inverso para la

extremidad inferior derecha, asociados a los actuadores articulares del tobillo, rodilla y cadera.

Resultados Cinéticos

-400

0

400

800

1200

1600

0 20 40 60 80 100

% ciclo de marcha

Mo

me

nto

ne

to d

e fu

erz

a (

N m

)

Tobillo

Rodilla

Cadera

Se emplean electrodos superficiales o implantables para el registro de

potenciales eléctricos generados por la contracción muscular

(electromiografía dinámica).

Elementos de sensado de actividad muscular

Grupos de variables medidas para evaluar la locomoción humana.

Registro simultáneo de datos de marcha

Sistema BTS

Simulación computacional del movimiento de la marcha definido a partir de un modelo biomecánico del

cuerpo humano y de los datos registrados, que permiten realizar el análisis cinemático y dinámico inverso.

APLICACIONES A LA BIOMECÁNICA DE

LA LOCOMOCIÓN HUMANA

• Investigación básica: generar y definir patrones de marcha normal y patológica a

fin de entender los efectos que provocan sobre esta actividad, patologías de los

sistemas nervioso, muscular y esquelético.

Vertical component of ground reaction force (GRF) for both feet during a gait cycle (GC). Left: normal gait. Right:

parkinsonian gait. For normal gait stance phase (0-60% GC) begins at left heel strike (HS) and ends with toe off (TO).

Swing phase takes place between 60 and 100% GC. Notice how these percentages vary for parkinsonian gait.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100

Right foot

Left foot

% gait cycle

Ver

tica

l co

mp

on

ent

of

GR

F (

N)

0

200

400

600

800

1000

0 20 40 60 80 100

Right foot

Left foot

% gait cycle

Parkinsonian Gait Normal Gait

HS TO HS TO

Ver

tica

l co

mp

on

ent

of

GR

F (

N)

• Entrenamiento deportivo: obtener mejoras en el rendimiento de los deportistas,

evitando al mismo tiempo las lesiones.

• Calzado o indumentaria deportiva: incorporar los últimos conocimientos de la

ambulación humana en estos productos.

• Análisis clínico de la marcha: aplicar los resultados de la investigación básica

para proporcionar al médico especialista, una herramienta de diagnóstico de

trastornos de marcha derivados de patologías de los sistemas nervioso, muscular

o esquelético.

• Rehabilitación motora: diseñar y desarrollar dispositivos ortoprotésicos

´(pasivos o activos) para individuos afectados por deficiencias neuromotoras o

músculo-esqueléticas.

a) Plantilla en el interior del calzado; b) Sujeto utilizando el prototipo.

Aplicaciones desarrolladas en la carrera de Bioingeniería de la UNSJ

1) Plantilla instrumentada:

Esquema de distribución de sensores de presión en la plantilla.

Materiales utilizados: 1- Base de poliéster, 2- Sensor, 3- Cubierta de cuero, 4- Alambre conductor.

Interfaz de usuario de la aplicación ejecutable.

Parámetros configurables.

Gráficos de barras de la distribución de presiones plantares correspondientes a dos sujetos de marcha

normal aparente. La barra izquierda indica el valor máximo de presión obtenido, mientras que la barra

derecha representa el valor promedio de presión para cada zona del pie. Los valores normales de

referencia están señalados en el recuadro situado en la parte inferior derecha.

Lokomat adultos

Está basado en el principio del

sistema de entrenamiento robotizado

de marcha para rehabilitación

Lokomat® (Hokoma):

2) Prototipo de exoesqueleto para rehabilitación de marcha neuropatológica: