ES2292560T3 - Procedimiento de analisis de irregularidades de la marcha humana. - Google Patents

Procedimiento de analisis de irregularidades de la marcha humana. Download PDF

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Abstract

Procedimiento de análisis de irregularidades de la marcha humana en el que se usan medidas de aceleración obtenidas durante al menos un desplazamiento controlado con velocidad estabilizada de un ser humano (1, 60, 90) mediante al menos un acelerómetro que mide en función del tiempo al menos una aceleración según al menos una dirección (21-23), detectando y analizando eventuales irregularidades de la marcha a partir de medidas de referencia, se someten dichas aceleraciones medidas a al menos una transformación en ondículas, y se usa la transformada en ondículas obtenida para detectar y analizar dichas irregularidades, y caracterizado porque se visualiza un espectro de dicha transformada en ondículas en tres dimensiones de tiempo, de frecuencia y de módulo de energía espectral respectivamente de la transformada en ondículas para detectar y analizar dichas irregularidades, consistiendo la transformación en una transformación continua en ondículas de Morlet caracterizadas por la fórmula: Psi (x) = k.exp (-x2/2) . cos (omegaox), en la que k es una constante de normalización y omega0 es la pulsación de la ondícula considerada.

Description

Procedimiento de análisis de irregularidades de la marcha humana.
La presente invención se refiere a un procedimiento de análisis de irregularidades de la marcha humana.
La invención se aplica en particular al análisis de la marcha humana en la práctica médica y paramédica, en particular para estudiar la degradación de la marcha y efectuar previsiones de caídas para implementar medidas de prevención, por ejemplo para personas mayores. La invención se aplica asimismo a medidas de claudicación que aparecen después de traumatismos o tratamientos médicos o quirúrgicos. Otro campo de aplicación es el de la marcha o de la carrera deportiva.
Se ha desarrollado dos familias de técnica complementarias para estudiar los movimientos del cuerpo humano y su mecánica, y han permitido así aumentar considerablemente los conocimientos de la fisiología de la marcha humana:
\bullet
métodos cinemáticos, que miden desplazamientos de las partes del cuerpo y de los ángulos articulares, mediante imágenes cinematográficas o vídeo, y
\bullet
métodos dinámicos, que miden fuerzas o aceleraciones que actúan sobre partes del cuerpo.
Los métodos cinemáticos son descriptivos y aportan numerosos detalles sobre los movimientos de cada segmento corporal, pero son muy pesados de realizar. Los métodos dinámicos son más explicativos, puesto que proporcionan informaciones sobre las acciones mecánicas origen del movimiento. Así, aportan una información más sintética, aunque sigue siendo, sin embargo, muy aguda.
Varios instrumentos de medición conocidos, usados en los métodos dinámicos (asimismo denominados cinéticos) son suelas baropodométricas, plataformas de fuerza y acelerómetros. Las suelas baropodométricas pueden aportar datos útiles para un clínico, pero no constituye ningún instrumento de medición de las fuerzas. Las plataformas de fuerza proporcionan, por su parte, informaciones fiables y precisas, pero el material es voluminoso y costoso. Además, sus dimensiones permiten solamente un único apoyo, lo que proporciona una información truncada y no permite un análisis de variabilidad de la marcha.
Los acelerómetros, constituidos por sensores sensibles a las variaciones instantáneas de velocidad no adolecen de los inconvenientes anteriores y permiten obtener resultados precisos y fiables. Se hará referencia en particular al artículo de Bernard AUVINET, Denis CHALEIL y Eric BARREY, "Analyse de la marche humaine dans la pratique hospitalière par une méthode accélérométrique", REV. RHUM. 1999, 66(7-9), p. 447-457 (edición francesa) y p. 389-397 (edición inglesa).
Medir las aceleraciones presenta la ventaja de suministrar informaciones sensibles y detalladas sobre las fuerzas que generan movimientos y puede ser sencillo de realizar. Además, el acondicionamiento y el tratamiento de datos son económicos frente al uso de imágenes. Por otra parte, mediciones de aceleración permiten encontrar todas las características cinéticas y cinemáticas de un movimiento.
El tratamiento de los resultados obtenidos, para detectar y analizar eventuales irregularidades de la marcha, se basa generalmente en transformaciones de Fourier. El artículo de AUVINET et al., mencionado anteriormente, propone asimismo cálculos basados en la función de autocorrelación de señales (estudio de la simetría y de la irregularidad de los pasos), completada por una transformación z de Fisher para llegar a distribuciones gaussianas.
Un inconveniente de los análisis frecuenciales (tales como los efectuados mediante transformaciones de Fourier rápidas) es que necesitan un número mínimo de puntos para obtener una información suficientemente precisa en frecuencia y en energía. Además, no permite ninguna localización en el tiempo de un evento en particular que provoca un cambio frecuencial rápido de la señal de aceleración. Por lo tanto, no es posible detectar un paso en falso aislado entre otros pasos normales. El análisis frecuencial está asimismo mal adaptado para irregularidades temporales del ciclo locomotor, que no son estacionarias pero que tienen propiedades caóticas (impredecibles a corto y largo plazo).
A propósito de los métodos de cálculo basados en funciones de autocorrelación, éstos permiten una muy buena detección de asimetrías dinámicas periódicas, pero son poco competentes para detectar irregularidades que no son ni estacionarias ni periódicas. Tampoco permiten identificar un evento aislado como un paso en falso deportivo o un paso en falso.
Por otra parte, se han desarrollado varias técnicas específicas para estudiar movimientos complejos en la marcha equina, que se basa asimismo en mediciones de aceleraciones. Sin embargo, los movimientos estudiados consisten en saltos de caballos de deporte o transiciones de velocidad de los caballos de doma (paso del trote al galope o inversamente), por lo tanto en movimientos transitorios. Por lo tanto, estas técnicas no se aplican a movimientos de velocidad estabilizada, tales como la marcha o la carrera humana.
Se da a conocer un procedimiento de clasificación de los movimientos basado en las señales suministradas por un dispositivo acelerómetro triaxial con registro de las señales realizado de manera continua en el tiempo, en el que se analizan las señales según una transformada en ondículas de Coiflet, en el documento de Sekine et al.: "Classification of accélération waveform in a continuous walking record". Proceedings of the 20th Annual conference of the IEEE in Medicine and Biology Society, Vol. 20, nº 3, 1988, páginas 1523-1526.
La presente invención se refiere a un procedimiento de análisis de irregularidades de la marcha humana que se basa en mediciones de la aceleración, que permite detectar ciclos locomotores anormales e irregulares en el tiempo.
El procedimiento de la invención no necesita propiedades matemáticas a priori de las señales estudiadas, tales como las necesitadas para transformaciones de Fourier (estacionariedad, periodicidad).
Además, el procedimiento de la invención puede permitir un análisis rápido y simple de los resultados obtenidos.
La invención tiene asimismo por objeto un procedimiento de análisis que puede proporcionar informaciones complementarias cuantitativas sobre la falta de regularidad dinámica de ciclos de marcha o de carrera.
Para ello, la invención se aplica a un procedimiento de análisis de irregularidades de la marcha humana, en el que se usan medidas de aceleración obtenidas durante al menos un desplazamiento controlado con una velocidad estabilizada de un ser humano, mediante al menos un acelerómetro que mide en función del tiempo al menos una aceleración según al menos una dirección, detectando y analizando eventuales irregularidades de la marcha a partir de medidas de referencia.
Según la invención, se someten las aceleraciones medidas a al menos una transformación en ondículas, y se usa de la transformada en ondículas obtenida para detectar y/o analizar las irregularidades.
Mediante la expresión "velocidad estabilizada", se entiende un movimiento repetitivo, aproximadamente periódico (tal como la marcha o la carrera), frente a un movimiento transitorio.
De manera sorprendente, la transformación en ondículas permite localizar anomalías a lo largo del tiempo para dicha velocidad estabilizada. Incluso un paso en falso aislado es detectable entre pasos normales. Así, este procedimiento es apropiado para detectar irregularidades muy cortas, al contrario de los métodos conocidos que se basan en transformaciones de Fourier.
Preferentemente, se visualiza un espectro de la transformada en ondículas en tres dimensiones respectivamente de tiempo, de frecuencia y de módulo de energía espectral de la transformada en ondículas para detectar y analizar las irregularidades.
Entonces, se representa ventajosamente el módulo de energía espectral de la transformada en ondículas mediante contornos coloreados o mediante un gradiente de color. Además, se usa ventajosamente una escala lineal para el tiempo, y logarítmica para la frecuencia.
La visualización directa de la ondícula ofrece una gran simplicidad de lectura, y permite identificar directamente irregularidades mediante lectura gráfica.
Preferentemente, la transformación en ondículas es continua, siendo esta transformación de forma ventajosa una transformación en ondículas de Morlet. Estas ondículas, simétricas, están bien adaptadas para análisis de bajas frecuencias, tales como las aceleraciones corporales en la proximidad del centro de gravedad. Se dan mediante la fórmula matemática (función \Psi de la variable x):
100
en la que k es una constante de normalización y \omega_{o} es la pulsación de la ondícula considerada, preferentemente comprendida entre 5 y 6 incluido. Se descompone una función de aceleración Acc dependiente del tiempo t sobre una familia de ondículas de este tipo mediante la fórmula
101
en la que:
-
los coeficientes C dan las proyecciones de la función Acc sobre las ondículas,
-
el parámetro a es un parámetro de escala (modificación del estiramiento de las ondículas) y
-
el parámetro b es un parámetro de translación (translación en el tiempo de las ondículas).
En una forma de realización preferida, teniendo la transformada en ondículas una energía espectral en función del tiempo, se define una banda de baja frecuencia en la que se concentra principalmente la energía espectral para una marcha normal, y se detectan y/o analizan dichas irregularidades usando la energía espectral fuera de esta banda. La banda de frecuencia está preferentemente comprendida entre 1 Hz y 4 Hz.
El uso de esta banda posibilita en particular dos tipos de análisis que pueden ser complementarios:
\bullet
la identificación de zonas de concentraciones de energía espectral fuera de la banda, y
\bullet
la cuantificación de energía espectral fuera de esta banda.
\vskip1.000000\baselineskip
Así, ventajosamente, se identifican y/o analizan las irregularidades localizando y/o estudiando picos de energía espectral fuera de la banda.
Así, se puede observar para una marcha patológica picos de alta frecuencia que tienen una densidad energética significativa que traspasa el límite superior de la banda de frecuencia (por ejemplo 4 Hz), siendo estos picos más o menos periódicos y regulares en el tiempo y en la frecuencia. Irregularidades gráficas de la forma de estos picos son reveladoras de alteraciones de la dinámica y de la irregularidad de la marcha.
Además, se calcula ventajosamente un grado de irregularidades de locomoción relacionando la energía espectral marginal fuera de la banda, con la energía espectral total.
Así, para una marcha patológica, se puede considerar que la energía marginal por encima de 4 Hz es superior a 6%.
En otro tipo ventajoso de análisis que se basa en la banda de baja frecuencia, se miden los valores localizados de energía espectral que sobrepasan la banda, por ejemplo en el caso de una marcha muy alterada con motivos de alta frecuencia y de forma y energía muy variadas.
Los análisis mediante transformación en ondículas se asocian ventajosamente con otros métodos que dan informaciones complementarias en el procedimiento de análisis de irregularidades de la marcha humana. Dichas informaciones se combinan con los resultados obtenidos mediante transformaciones en ondículas, para especificar el modo de uso de las ondículas, interpretar los resultados obtenidos mediante estas ondículas y/o completar los resultados recogidos de los análisis mediante ondículas.
Así, en una forma ventajosa de realización, los procedimientos de análisis según cualquiera de las aceleraciones son al menos dos, y para detectar y/o analizar las irregularidades, se usa asimismo al menos un diagrama vectorial (denominado "mariposa frontal") que representa la intensidad de una de las aceleraciones medidas en función de la intensidad de otra de las aceleraciones medidas. Así, se puede identificar visualmente derivaciones caóticas frente a un régimen estacionario y periódico.
Las aceleraciones usadas son preferentemente una aceleración vertical y una aceleración lateral del sujeto.
En un modo de realización preferido, para detectar y/o analizar las irregularidades, se usa asimismo al menos una representación en un espacio de las fases, dando la intensidad de al menos una de las aceleraciones en función de la intensidad de la derivada temporal de esta aceleración o en función de esta aceleración desplazada en el tiempo de un plazo determinado.
Así, se puede identificar visualmente el distanciamiento de un régimen estacionario y periódico hacía un régimen caótico. Ventajosamente, la aceleración estudiada es una aceleración vertical.
En esta forma de realización preferida, se calcula ventajosamente al menos un coeficiente de Lyapunov de la representación en el espacio de las fases, preferentemente el coeficiente de Lyapunoz máximo. Así, se pueden cuantificar irregularidades dinámicas de la marcha, midiendo dicho coeficiente la velocidad de divergencia de las órbitas de las señales de aceleración en el espacio de las fases.
Así, el coeficiente de Lyapunov máximo, calculado sobre una señal acelerométrica cráneo-caudal medida a nivel del centro de gravedad de un sujeto, cuantifica globalmente una falta de regularidad dinámica de los ciclos de la marcha. Permite detectar fluctuaciones temporales y dinámicas de coordinación en relación con un riesgo de caída. Esta medida global de regularidad de la marcha tiene un interés clínico para una predicción del riesgo de caída de un sujeto mayor. Así, la marcha se puede considerar como patológica cuando el coeficiente de Lyapunov usado es superior a un valor crítico.
Así, ventajosamente, se considera que se produce un desorden de coordinación si el coeficiente de Lyapunov máximo es superior a 0,4.
\newpage
El dispositivo usado para los acelerómetros y las mediciones de aceleración está preferentemente conforme con lo que se expone en el artículo de AUVINET et al., citado anteriormente. En particular, el procedimiento de análisis admite ventajosamente las siguientes características, consideradas separadamente o según cualquiera de sus combinaciones técnicamente posibles:
\bullet
las aceleraciones se miden mediante un sensor acelerométrico que comprende dos acelerómetros dispuestos según unos ejes perpendiculares:
\bullet
los acelerómetros se incorporan en un cinturón semi-elástico fijado en la cintura del sujeto, de tal manera que se aplican en la región lumbar mediana, frente al espacio intervertebral L3-L4;
\bullet
los acelerómetros se disponen en la proximidad del centro de gravedad del sujeto (localizándose este último en el ser humano en posición de pie en reposo frente a la segunda vértebra sacra);
\bullet
las aceleraciones se miden según ejes cráneo-caudales y laterales del sujeto, designados a continuación mediante eje verticales y laterales respectivamente:
\bullet
las mediciones de aceleración se registran mediante una grabadora portátil;
\bullet
se completan los resultados obtenidos mediante la transformación en ondículas, mediante la obtención de la frecuencia de los pasos, de la simetría y de la regularidad de los pasos, siendo las variables de simetría y de regularidad ventajosamente sometidas a una transformación z de Fisher;
\bullet
los desplazamientos controlados con velocidad estabilizada consisten en una marcha libre a una velocidad cómoda del sujeto sobre una distancia comprendida entre 25 y 50 m, y preferentemente igual a 40 m, ventajosamente ida y vuelta.
\vskip1.000000\baselineskip
Además, se realizan ventajosamente las siguientes características, separadamente o en combinación:
\bullet
las aceleraciones también se miden según un tercer acelerómetro, estando los tres acelerómetros dispuestos según ejes perpendiculares que corresponden respectivamente a los ejes cráneo-caudal, lateral y longitudinal (anteroposterior) del sujeto;
\bullet
para el análisis de movimientos deportivos, las aceleraciones medidas son aceleraciones cráneo-caudales y longitudinales (plano sagital del sujeto);
\bullet
para el análisis de movimientos deportivos, las mediciones se realizan durante ensayos de esfuerzo en pista o en cinta de correr;
\bullet
asimismo se realiza un análisis frecuencial de Fourier complementario en el procedimiento de análisis, calculando:
\bullet
la energía total del espectro (ésta disminuye para una marcha patológica)
\bullet
la energía relativa de la frecuencia fundamental, que corresponde a la frecuencia del paso (ésta disminuye y se distribuye hacia armónicos de frecuencias más altas para una marcha patológica) y/o
\bullet
la pendiente del espectro, calculada para una ecuación de regresión lineal en una representación semi-logarítmica de la energía espectral al cuadrado en función de la frecuencia (esta pendiente es aún más negativa cuando se altera la marcha en su regularidad temporal y dinámica).
\vskip1.000000\baselineskip
Además, se recurre ventajosamente al mismo tiempo a un sensor que comprende los acelerómetros, a una grabadora y a un aparato de marcación de eventos, previsto para marcar eventos sobre señales de aceleración registradas y/o sincronizar los registros de aceleración con otros aparatos de medición (cámara de vídeo o cinematográfica, plataforma de fuerza, célula de cronometraje, aparato EMG, etc.). Se interpone ventajosamente este aparato entre el sensor y la grabadora, y ventajosamente integrado en una caja de registro de la grabadora.
El aparato de marcación de eventos tiene preferentemente unas entradas de activación constituidas por contactos eléctricos manuales, optoelectrónicos (célula sensible a un flash de luz) y/o electrónicos.
Preferentemente, tiene salidas constituidas:
\bullet
por un emisor de onda cuadrada, que tiene ventajosamente un valor máximo (saturación) de una duración comprendida entre 10 y 50 ms y, preferentemente de 10 ms, para una frecuencia de adquisición de la señal a 100 Hz, ventajosamente emitida en las vías de la señal de aceleración a fin de marcar esta señal en un punto de medida;
\bullet
por una serie de diodos luminiscentes (LED) rojos, que se encienden para proporcionar una señal luminosa visible en una sola imagen mediante una cámara de video, ventajosamente durante un tiempo comprendido entre 10 y 50 ms, y preferentemente igual a 10 ms; y/o
\bullet
por una salida TTL que suministra ventajosamente una señal cuadrada de 5 V durante un tiempo comprendido entre 10 y 50 ms y preferentemente igual a 10 ms.
\vskip1.000000\baselineskip
El uso de dicho aparato de marcación de eventos es particularmente interesante para marcar instantes de paso (salida y llegada de un ensayo de una marcha o de una carrera) en registros de aceleración. Así, se puede obtener una localización espacial o cinemática (película de video sincronizada) del movimiento registrado, a fin de calcular distancias representativas de un movimiento deportivo.
La invención se refiere asimismo a las aplicaciones del procedimiento:
\bullet
al campomédico, en particular para la detección precoz de desórdenes neuro-motores de sujetos mayores (es entonces, especialmente interesante usar el coeficiente de Lyaponov máximo), y
\bullet
al campo deportivo, en particular para la detección de fallos técnicos de marchadores o de corredores deportivos.
\vskip1.000000\baselineskip
Así, el procedimiento de la invención se puede aplicar ventajosamente para la detección de las particularidades del paso del atleta durante un periodo de carrera, tal como el tiempo de vuelo, el tiempo de apoyo, la simetría de los semi-pasos derechos e izquierdos, las fuerzas de propulsión y de frenado derechas e izquierdas, y el índice de fluidez de la carrera.
Asimismo, el procedimiento según la invención se puede aplicar para medir y cuantificar las tensiones biomecánicas relacionadas con una afección del aparato locomotor, en particular en función de la velocidad de la carrera.
La característica de las particularidades del paso del atleta en carrera según el procedimiento de la invención es útil en particular para mejorar la eficacia y las prestaciones del deportista.
La caracterización de los parámetros de aceleración según el procedimiento de la invención es en particular útil para evaluar la tolerancia de una afección del aparato locomotor en función de las cargas de trabajo.
La presente invención se ilustrará y se entenderá mejor con la ayuda de los modos de realización particulares, sin ser limitativos, en referencia con las figuras anexas, en las que:
la Figura 1 representa un sujeto equipado con un sensor de aceleración, para la realización del procedimiento de análisis según la invención;
la Figura 2 muestra un dispositivo de medición, que se puede usar para realizar el procedimiento de análisis de la invención, y que corresponde al de la Figura 1;
la Figura 3 muestra una ampliación de una parte del dispositivo de medición de la Figura 2, sin el sensor;
la Figura 4 representa una vista frontal y en sección del sensor del dispositivo de medición de la Figura 2;
la Figura 5 representa una vista desde arriba y en sección del sensor del dispositivo de medición de las Figuras 2 y 4;
la Figura 6 muestra curvas de aceleraciones vertical y lateral en función del tiempo, sincronizadas con imágenes de un sujeto, para un paso de marcha normal;
la Figura 7 muestra curvas de aceleraciones vertical y lateral en función del tiempo sincronizadas con imágenes de un sujeto, para un paso de marcha patológica;
la Figura 8 representa curvas de evolución en el tiempo de las aceleraciones vertical y lateral para una marcha normal de un sujeto;
La figura 9 muestra una imagen espectral en tres dimensiones de una transformada en ondículas de Morlet obtenida a partir de la aceleración vertical de la Figura 8, según el procedimiento de análisis según la invención;
La figura 10 muestra una ampliación de la imagen espectral de la Figura 9;
la Figura 11 representa una curva que muestra la evolución en función del tiempo de la aceleración vertical para una marcha patológica de un sujeto mayor con tendencia a caerse;
la Figura 12 representa una imagen espectral en tres dimensiones de una transformada en ondículas de Mortel obtenida a partir de la aceleración vertical de la Figura 11;
La figura 13 es un diagrama vectorial denominado "mariposa frontal" que muestra la aceleración vertical en función de la aceleración lateral, que corresponde a la marcha asociada a las Figuras 8 a 10;
la Figura 14 es un diagrama de las fases de aceleración vertical que muestra la primera derivada de la aceleración frente al tiempo, en función de la serie temporal de esta aceleración, para una marcha normal que corresponde a las Figuras 8 a 10; y
la Figura 15 representa un diagrama de las fases de aceleración vertical que muestra la primera derivada de la aceleración frente al tiempo, en función de la serie temporal de esta aceleración, para una marcha patológica que corresponde a las Figuras 11 y 12;
la Figura 16 muestra una imagen espectral en tres dimensiones de una transformada en ondículas de Molret obtenida según el procedimiento de la invención en un periodo de carrera de un deportista cuyo paso es muy fluido;
La figura 17 muestra una imagen espectral en tres dimensiones de una transformada en ondículas de Morlet obtenida según el procedimiento de la invención, en un periodo de carrera de un deportista que tiene una alta asimetría de propulsión y de frenado.
En las figuras 16 y 17, el grafo superior ilustra las curvas de aceleración vertical, longitudinal y lateral en función del tiempo expresado en segundos; el grafo del centro ilustra la imagen espectral de la transformada en ondículas de los movimientos verticales en función del tiempo; el grafo inferior ilustra la imagen espectral de la transformada en ondículas de los movimientos longitudinales en función del tiempo expresado en segundos.
La figura 18 muestra curvas de aceleración vertical, anteroposterior y lateral en función del tiempo, sincronizadas con imágenes de un sujeto, para un paso de carrera normal.
Un dispositivo 10 de medición (Figuras 1 y 2) comprende un sensor 16 sensible a movimientos, conectado a una grabadora 20 ambulatoria que se presenta en forma de caja.
El sensor 16 es un sensor acelerométrico que comprende (figuras 4 y 5) unos acelerómetros 201, 202 y 203 dispuestos perpendicularmente, a fin de detectar aceleraciones en las direcciones 21, 22 y 23 perpendiculares respectivamente. A título ilustrativo, los tres acelerómetros 201, 202 y 203 se orientan respectivamente según una primera dirección 21 craneo-caudal a continuación vertical, según una segunda dirección 22 latero-lateral y según una tercera dirección 23 anteroposterior (a continuación: "longitudinal") de un sujeto 1. Estos acelerómetros 201-203 son sensibles a componentes continuos y dinámicos y están adaptados para medir movimientos de baja frecuencias. Su frecuencia propia es, por ejemplo, de 1.200 Hz, situándose el intervalo de medición entre \pm 10 g, y siendo la sensibilidad de 5 mV/g a 100 Hz. Forman un conjunto 205 cúbica, en el que su ortogonalidad está asegurada mediante unas escuadras 240. Est conjunto 205 se moldea en un revestimiento 200 de polímero paralelepipédico y de tamaño pequeño. El revestimiento 200 es aislante, rígido, protector y hermético. Por ejemplo, tiene una altura al (dirección 21), una anchura an (dirección 22) y una profundidad p (dirección 23) que valen respectivamente 40, 18 y 22 mm.
Cada uno de los acelerómetros 201, 202 y 203 está provisto de cinco bornes de conexión que comprenden:
\bullet
un borne de masa (bornes 210 y 220 de los acelerómetros 201 y 202 respectivamente ),
\bullet
un borne de alimentación negativa conectada al borne de masa (bornes 211 y 221 de los acelerómetros 201 y 202 respectivamente),
\bullet
un borne de alimentación positiva (bornes 212 y 222 de los acelerómetros 201 y 202 respectivamente),
\bullet
un borne de señal negativa (bornes 213 y 223 de los acelerómetros 201 y 202 respectivamente), y
\bullet
un borne de señal positiva (bornes 214 y 224 de los acelerómetros 201 y 202 respectivamente).
\vskip1.000000\baselineskip
Los bornes y los acelerómetros 201 a 203 se apoyan respectivamente sobre zócalos de cerámica 206 a 208.
Los bornes de masa y los bornes de alimentación negativa de los tres acelerómetros 201 a 203 están unidos entre sí.
El sensor 16 comprende asimismo un cable 251 con doce conductores de masa trenzados (trenzado metálico que evita los parásitos), que contiene cables que proceden de los bornes de alimentación y de señal de los tres acelerómetros 201 a 203. Este cable 251, que conduce a la grabadora 20, está parcialmente rodeado por una funda 250 semi-rígida termo retráctil que penetra en el revestimiento 200. Esta funda 250 permite evitar las rupturas del cable. Además, está bordeada en el exterior por el revestimiento 200 por una parte troncocónica 252 que forma una sola pieza con el revestimiento 200, que evita torsiones y riesgos de ruptura del cable. La parte troncocónica 252 tiene una longitud L, por ejemplo igual a 25 mm.
Además, el cable 251 está provisto de una grapa 253 prevista para hacer tope contra la funda 250 en caso de desplazamiento del cable 251 en la funda 250, a fin de evitar el arranque de las soldaduras.
El sensor 16 está incorporado en un cinturón 11 semi-elástico fijado a la cintura del sujeto 1, de tal manera que este sensor 16 se aplica en la región lumbar mediana, frente al espacio intervertebral L3-L4. Este posicionamiento del sensor 16 permite una buena estabilidad de los acelerómetros en la proximidad del centro de gravedad del sujeto 1, localizándose este centro de gravedad frente a la segunda vértebra sacra para un ser humano en posición de pie en reposo.
El sensor 16 está dispuesto en un espacio 17 formado por una parte suelta 12 del cinturón 11 y por un refuerzo 13 de cuero aplicado contra el cinturón 11, mediante cuñas 14 y 15 de tela de espuma de alta densidad, dispuestos a ambos lados de la parte 12 (Figuras 2 y 3). Las cuñas 14 y 15 permiten posicionar el revestimiento 200 del sensor 16 exactamente en el canal vertebral del sujeto 1.
La grabadora 20 presenta por ejemplo una frecuencia de adquisición de 100 Hz y una autonomía que permite un registro continuo durante 30 minutos. Está provista de un filtro pasabajos de frecuencia de corte de 50 Hz para evitar fenómeros de repliegue. Admite tres vías perpendiculares sincronizadas. Las mediciones de aceleración se digitalizan y se codifican, por ejemplo en 12 bits.
La grabadora 20 comprende medios de conexión a una unidad de tratamiento, por ejemplo a un ordenador de tipo PC mediante un puerto de comunicación serie con la ayuda de un programa de transferencia.
El dispositivo de medición 10 comprende asimismo un aparato de marcación de eventos 25, intercalado eléctricamente entre el sensor 16 y la grabadora 20, e integrado en la caja de la grabadora 20 (Figura 2). Este aparato 25 tiene por función marcar eventos sobre señales registradas y/o sincronizar de los registros de aceleración con otros aparatos de medición. Está provisto de una célula sensible a un flash de luz y está previsto para saturar la señal acelerométrica, por ejemplo durante 0,01 segundo para una adquisición a 100 Hz en el momento en el que se activa el flash.
En funcionamiento, el sujeto 1 anda en línea recta, por ejemplo en una distancia de 30 m ida y 30 m vuelta. Se dispone ventajosamente de células de cronometraje distantes 30 m en los extremos del trayecto seguido por el sujeto, a fin de poder medir las velocidades y sincronizar las mediciones. Estas células de cronometraje forman cada una de ellas una barrera infrarroja que comprende un emisor y un receptor. Están unidas respectivamente a unos flashes, que se encienden cuando la barrera infrarroja es atravesada por el sujeto 1, y son objeto de detecciones por el aparato de marcación de eventos 25.
Así, se obtiene, para un sujeto 60 que tiene un paso de marcha normal (Figura 6) y un sujeto 90 que tiene un paso de marcha patológica (Figura 7), las aceleraciones vertical y lateral en función del tiempo.
Así, para la marcha normal, se representa una curva 40 que muestra la aceleración vertical (eje 32, en g) y una curva 50 que muestra la aceleración lateral (eje 33, en g) en función del tiempo (eje 31, en segundos). Se identifican en estas curvas 40 y 50 diferentes etapas de la marcha, y se pueden relacionar con imágenes sincronizadas (registradas con una cámara de vídeo) del sujeto 60 en marcha. Así, se observan respectivamente en las curvas 40 y 50:
\bullet
unas zonas 41 y 51 que corresponden a un apoyo de la pierna izquierda 90a (imagen 61),
\bullet
unas zonas 42 y 52 que corresponden a un apoyo bipodal (imagen 62)
\bullet
unas zonas 43 y 53 que corresponden a un levantar de la pierna derecha 90b y a una flexión de la rodilla derecha (imagen 63),
\bullet
unas zonas 44 y 54 que corresponden a un apoyo unipodal vertical de la pierna izquierda 90a (imagen 64), y
\bullet
unas zonas 45 y 55 que corresponden a un empuje unipodal de la pierna izquierda 90a (imagen 65).
\vskip1.000000\baselineskip
De manera similar, las curvas 70 y 80 (Figura 7) representan respectivamente las aceleraciones vertical y lateral en función del tiempo, se identifican respectivamente en las curvas 70 y 80:
\bullet
unas zonas 71 y 81 que corresponden a un apoyo de la pierna derecha 90b (imagen 91),
\bullet
unas zonas 72 y 82 que corresponden a un apoyo bipodal (imagen 92)
\bullet
unas zonas 73 y 83 que corresponden a un levantar de la pierna izquierda 90a y a una flexión de la rodilla izquierda (imagen 93),
\bullet
unas zonas 74 y 84 que corresponden a un apoyo unipodal vertical de la pierna derecha 90b (imagen 94), y
\bullet
unas zonas 75 y 85 que corresponden a un empuje unipodal de la pierna derecha 90a (imagen 95).
\vskip1.000000\baselineskip
Se detallará ahora el procedimiento de análisis de irregularidades de la marcha humana, basada en dichos resultados. Así, se tiene interés en las curvas 100 y 110 (Figura 6) que dan respectivamente las aceleraciones vertical y lateral (en g, único eje 34 con translación de -1 g para la aceleración lateral) en función del tiempo (en segundos, ejes 31 y 35 respectivamente para las aceleraciones vertical y lateral, y eje 36 de referencia). Así, se identifican unos ciclos 101-105 en la curva 100 de aceleración vertical y unos ciclos 111-115 en la curva 110 (Figura 6) de aceleración lateral, sincronizadas y que corresponden respectivamente a movimientos de los pasos izquierdos y derechos.
De manera similar, se obtiene por ejemplo una curva 140 (Figura 9) que da la aceleración vertical (eje 32) en función del tiempo (eje 31) para una marcha patológica, admitiendo asimismo esta curva 140 unos ciclos 141-145.
Se somete la aceleración vertical para la marcha normal y para la marcha patológica a una transformación en ondículas continua de tipo Morlet. Dicha transformación se expresa generalmente en forma:
102
\bullet
designando la variable t el tiempo
\bullet
siendo Acc (t) la señal de aceleración vertical,
\bullet
siendo la función \Psi (at+b) la función de ondículas usada, por ejemplo de Morlet,
\bullet
siendo los parámetros a y b de la función de ondículas respectivamente los parámetros de estiramiento (o de escala) y de translación de la ondícula,
\bullet
siendo los coeficientes C (a, b) los coeficientes de la transformada en ondículas continua.
\vskip1.000000\baselineskip
A partir de los coeficientes C (a, b) se construye, para la marcha normal, una imagen espectral 120 (Figuras 7 y 8) en tres dimensiones, que corresponden respectivamente al tiempo, a la frecuencia y a la energía espectral. Esta imagen 120 se representa en un plano tiempo-frecuencia (o tiempo-escala) con una escala lineal para el tiempo (eje 3, en segundos) y una escala semi-logarítmica para la frecuencia (eje 37, en Hz). El módulo de energía (g^{2}) de la ondícula se representa por contornos coloreados.
De manera similar, se obtiene para la marcha patológica que corresponde a la Figura 9, una imagen espectral 150 de la transformada en ondículas de Morlet de la aceleración vertical (Figura 10).
La densidad de energía en la ampliación 130 y en la imagen espectral 150 se expresa en aceleración (g^{2}).
Se define en las imágenes espectrales 120 y 150 una banda de baja frecuencia que tiene bornes inferior 121 y superior 122, asociados respectivamente con valores de 1 Hz y de 4Hz. En el caso de una marcha normal, la densidad de energía del espectro está principalmente concentrada en esta banda. Se define más precisamente una zona normal 123 comprendida en la banda de frecuencias y una zona patológica 124 por encima de esta banda.
En efecto, se observa que para la marcha normal del sujeto 60 (Figura 7 y ampliación 130 de la Figura 8), la energía espectral está esencialmente concentrada en la zona 123, apareciendo unos picos 125-128 poco elevados y periódicos en la zona patológica 124 y que corresponden a los ciclos de marcha del sujeto 60.
Sin embargo, en la imagen espectral 150 asociada con la marcha patológica del sujeto 90, se observa:
\bullet
un descenso de la energía espectral total,
\bullet
unos picos 155-158 de altas frecuencias que tienen una densidad energética significativa que sobrepasan el límite 122 de los 4 Hz,
\bullet
teniendo estos picos 155-158 alteraciones de periodicidad y de regularidad en el tiempo y en frecuencia.
\vskip1.000000\baselineskip
Se pueden interpretar los picos 155-158 enunciando que cuanto más irregular gráficamente es su forma, más alterados están la dinámica y la regularidad de la marcha.
Además de estas informaciones gráficas, se calculan informaciones cuantitativas, tal como se expone a continuación. En particular, se determina en las imágenes espectrales 120 y 150, la cantidad total de energía espectral, así como la energía espectral marginal en el eje 37 de frecuencia, que corresponde a una energía superior al límite 122 de los 4 Hz. Los datos acumulados en casos de referencia muestran que para una marcha patológica, esta energía marginal es superior a 6%.
Así, se obtiene para la marcha normal del ejemplo (Figuras 7 y 8) una energía total de 22,97 g^{2} y una energía marginal que representa 5,3%, y para la marcha patológica (Figura 10), una energía total de 2,50 g^{2} y una energía marginal que representa 15,4%.
En el caso de una marcha muy alterada con motivos de alta frecuencia de forma y de energía muy variadas, se mide el valor puntual del módulo de energía en la imagen espectral.
Se completan preferentemente las informaciones así obtenidas mediante otras técnicas de análisis. En particular, es interesante profundizar las informaciones obtenidas mediante un análisis frecuencial y un cálculo de la simetría y de la irregularidad mediante la función de autocorrelación, de la manera indicada en el artículo de AUVINET et al., citado anteriormente. Así, se obtiene para la marcha normal anterior (Figuras 6 a 8):
\bullet
una frecuencia de pasos de 1,00 paso por segundo,
\bullet
una simetría de los pasos de 95,01%, con una transformada z de Fisher de 183,35, y
\bullet
una regularidad de los pasos de 186,27 (sobre 200), con una transformada z de Fisher de 337,56.
\vskip1.000000\baselineskip
Para la marcha patológica del ejemplo (Figuras 9 y 10) se obtiene:
\bullet
una frecuencia de pasos de 0,88 pasos por segundo (frecuencia demasiado lenta),
\bullet
una simetría de los pasos de 95,57%, con una transformada z de Fisher de 189.35, y
\bullet
una regularidad de los pasos de 160,93 (sobre 200), con una transformada z de Fisher de 222,41 (regularidad anormal).
\vskip1.000000\baselineskip
Se acoplan estos resultados con los obtenidos mediante transformaciones en ondículas. En particular, se relacionan los picos 125-128 ó 155-158 con la frecuencia de los pasos, y su alternancia derecha/izquierda con la simetría, y su similitud con la regularidad de los pasos.
Ventajosamente, se completan asimismo estos resultados obtenidos por transformación mediante un diagrama vectorial ("mariposa frontal"), tal como el 160 (Figura 11) obtenido para la marcha normal del ejemplo (Figuras 6 a 8) que da la aceleración vertical (eje 32, en g) en función de la aceleración lateral (eje 33, en g). Se observan en el diagrama vectorial 160 trayectorias cíclicas 161-163, que tienden a estar tanto más superpuestos unos encima de otros como normal es la marcha. En casos patológicos, estas trayectorias cíclicas se alejan unas de otras de manera identificable y analizable.
Asimismo se completa el análisis mediante un diagrama de las fases, dando por ejemplo para la aceleración vertical de la marcha normal (Figura 12) y de la marcha patológica (Figura 13) dadas en ejemplo anteriormente, la deriva de la aceleración (g.s^{-1}, eje 38) en función de la aceleración (en g, eje 32). Se obtienen así unos diagramas 170 y 180 que corresponden respectivamente a las marchas normal y patológica, y que tienen respectivamente trayectorias cíclicas 171-173 y 181-183.
La marcha irregular de un sujeto con tendencia a caerse, por ejemplo, se manifiesta por un régimen caótico, demostrado cualitativamente por una divergencia más marcada de las trayectorias cíclicas 181-183.
Se cuantifica la velocidad de divergencia de las trayectorias cíclicas (u órbitas) de las señales mediante al menos un coeficiente de Lyapunov. Dicho coeficiente evalúa la sensibilidad de un sistema para apartarse de un régimen estacionario y periódico a partir de un punto particular en el tiempo t_{0} en el que se conocen las características del sistema (condiciones iniciales).
El coeficiente de Lyapunov medio \lambda_{m} de N-1 coeficientes de Lyapunov obtenidos con un intervalo de muestreo igual a 1, se da habitualmente por una fórmula de tipo:
103
\bullet
siendo N el número de puntos tomados en cuenta,
\bullet
siendo n el número del punto actual, y
\bullet
representando I_{n} la distancia entre el punto indexado n que pertenece a una órbita y el punto vecino más próximo que pertenece a una órbita vecina en el espacio de las fases.
\vskip1.000000\baselineskip
Un método práctico de cálculo algorítmico de este coeficiente se expone, por ejemplo, en el artículo de WOLF et al., "Determining Lyapunov exponents form a time series", de la revista Physica, 16D, 1985, p. 285-317.
A título de ejemplo, para una dimensión de espacio de las fases igual a 3 y un intervalo de muestreo igual a 3 puntos, el coeficiente de Lyapunov máximo calculado en la señal acelerométrica vertical está comprendido entre 0 y 1, siendo este coeficiente cada vez más grande a medida que la patología aumenta. Así, para un valor superior a 0,4 la marcha es muy irregular. Este coeficiente cuantifica la falta de regularidad dinámica de los ciclos de marcha y detecta las fluctuaciones temporales y dinámicas de coordinación, en relación con un riesgo de caída.
Se combina el conjunto de los resultados obtenidos mediante estos diferentes métodos, centrados en el análisis por ondícula, para identificar las irregularidades de la marcha y cuantificarlas.
Los ejemplos mencionados, que se basan en las mediciones de las aceleraciones vertical y lateral para una marcha, están particularmente adaptados para la identificación de claudicación o de degradación de las capacidades de personas mayores, a fin de detectar precozmente riesgos de caída y adoptar medidas de prevención.
En otras formas de realización, se tiene interés en otras velocidades diferentes a la marcha y/o se usan otras aceleraciones. Así, por ejemplo, se analiza una marcha deportiva usando ventajosamente las aceleraciones vertical y anteroposterior del raquis (plano sagital del sujeto, direcciones 21 a 23). Preferentemente, se detectan así fallos técnicos de un atleta de marcha deportiva, tales como una flexión de la rodilla en el momento del apoyo y/o una ruptura simultánea de contacto con el suelo de los dos pies del atleta.
En otra forma de realización, se analiza una carrera deportiva. Las figuras 16 y 17 ilustran la imagen espectral en tres dimensiones de una transformada en ondículas obtenida respectivamente en un deportista que tiene un paso fluido (figura 16) y en un deportista que tiene un paso irregular (figura 17). En la figura 17 se observa, en el trazado de aceleración longitudinal (curva <fre pro> de la parte superior) y el espectro de ondículas correspondiente (abajo), un pico de frecuencia elevado a 0,2-0,4 s que corresponde a una brusca deceleración de frenado en el momento del apoyo del pie izquierdo. En el tiempo 0,6-0,8, el apoyo del pie derecho no presenta ningún frenado brusco sino una propulsión más marcada que a la izquierda. Estos análisis del paso permiten visualizar y caracterizar las asimetrías del paso y determinar así las características biomecánicas del paso de un atleta. Una comparación de las características del paso del mismo atleta analizado en dos momentos dados espaciados en el tiempo permite identificar la presencia de anomalías del paso caracterizadas por cambios en sus características biomecánicas. Los análisis del paso del atleta en cuestión según el procedimiento de la invención permite asimismo cuantificar, y por lo tanto controlar, la tolerancia funcional de una afección del aparato de la marcha del deportista.
En esta otra forma de realización del procedimiento de la invención para el análisis de una carrera deportiva, la figura 18 muestra las curvas de aceleración vertical, anteposterior y lateral en función del tiempo sincronizadas con las imágenes del sujeto.
En estas curvas, se pueden observar:
-
el momento (300) de toma de apoyo de la pierna izquierda (G);
-
el momento (301) de medio apoyo de la pierna izquierda (G);
-
el momento (302) de empuje de la pierna izquierda (G); y
-
el momento (303) de fin de apoyo de la pierna izquierda (G).

Claims (15)

1. Procedimiento de análisis de irregularidades de la marcha humana en el que se usan medidas de aceleración obtenidas durante al menos un desplazamiento controlado con velocidad estabilizada de un ser humano (1, 60, 90) mediante al menos un acelerómetro que mide en función del tiempo al menos una aceleración según al menos una dirección (21-23), detectando y analizando eventuales irregularidades de la marcha a partir de medidas de referencia, se someten dichas aceleraciones medidas a al menos una transformación en ondículas, y se usa la transformada en ondículas obtenida para detectar y analizar dichas irregularidades, y caracterizado porque se visualiza un espectro de dicha transformada en ondículas en tres dimensiones de tiempo, de frecuencia y de módulo de energía espectral respectivamente de la transformada en ondículas para detectar y analizar dichas irregularidades, consistiendo la transformación en una transformación continua en ondículas de Morlet caracterizadas por la fórmula:
104
en la que k es una constante de normalización y \omega_{0} es la pulsación de la ondícula considerada.
2. Procedimiento de análisis según la reivindicación 1, caracterizado porque se representa el módulo de energía espectral de la transformada en ondículas mediante unos contornos coloreados o mediante un gradiente de colores.
3. Procedimiento de análisis según la reivindicación 2, caracterizado porque se usa una escala lineal para el tiempo y logarítmica para la frecuencia.
4. Procedimiento de análisis según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque teniendo la transformada en ondículas una energía espectral distribuida en el tiempo, se define una banda de baja frecuencia en la que se concentra principalmente la energía espectral para una locomoción normal, y se detectan y/o analizan dichas irregularidades usando la energía espectral fuera de dicha banda.
5. Procedimiento de análisis según la reivindicación 4, caracterizado porque dicha banda está comprendida entre 1 Hz y 4 Hz.
6. Procedimiento de análisis según una de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque se identifican y/o analizan dichas irregularidades repitiendo y/o estudiando unos picos (124-128, 155-158) de energía espectral que sobrepasan dicha banda.
7. Procedimiento de análisis según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque se calcula un grado de irregularidad de la marcha relacionando la energía espectral marginal fuera de dicha banda con la energía espectral total.
8. Procedimiento de análisis según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichas aceleraciones son al menos dos, y porque para detectar y/o analizar dichas irregularidades, se usa asimismo al menos un diagrama vectorial (160) que representa la intensidad de una de las aceleraciones medidas en función de la intensidad de otra de las aceleraciones medidas.
9. Procedimiento de análisis según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para detectar y/o analizar dichas irregularidades, se usa asimismo al menos una representación (170, 180) en un espacio de las fases, dando la intensidad de al menos una de dichas aceleraciones en función de la intensidad de la derivada temporal de dicha aceleración o en función de dicha aceleración, desplazada en el tiempo de un plazo (d) predeterminado.
10. Procedimiento de análisis según la reivindicación 9, caracterizado porque se calcula al menos un coeficiente de Lyapunov de dicha representación (170, 180) en el espacio de las fases, preferentemente el coeficiente de Lyapunov máximo.
11. Procedimiento de análisis según la reivindicación 10, caracterizado porque se considera que se produce un desorden de coordinación si el coeficiente de Lyapunov máximo es superior a 0,4.
12. Aplicación del procedimiento de análisis según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el campo médico, en particular para la detección precoz de desórdenes neuro-motores de sujetos mayores.
13. Aplicación del procedimiento de análisis según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 en el campo deportivo, en particular para la detección de fallos técnicos de andadores o de corredores deportivos.
14. Aplicación del procedimiento de análisis según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, para la detección de las particularidades de pasos del atleta durante un periodo de carrera.
15. Aplicación del procedimiento de análisis según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, para medir y cuantificar las tensiones biomecánicas relacionadas con una afección del aparato locomotor.
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