ES2656511A1 - Dispositivo para la medida de la velocidad de la marcha - Google Patents

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Elena VILLALBA MORA
Xavier FERRÉ GRAU
Francisco Del Pozo Guerrero
Alberto SÁNCHEZ SÁNCHEZ
Williams Alejandro AGUILERA CORREIA
Arnaud VAN DER POORTEN
Leocadio RODDRIGUEZ MAÑAS
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Fundacion Para La Investigacion Biomedica Del Hospital Universitario De Getafe
Fundacion Para La Investigacion Biomedica Del Hospital Univ De Getafe
Universidad Politecnica de Madrid
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Fundacion Para La Investigacion Biomedica Del Hospital Universitario De Getafe
Fundacion Para La Investigacion Biomedica Del Hospital Univ De Getafe
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    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/50—Systems of measurement, based on relative movement of the target
    • G01S15/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
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    • G01S1/72—Beacons or beacon systems transmitting signals having a characteristic or characteristics capable of being detected by non-directional receivers and defining directions, positions, or position lines fixed relatively to the beacon transmitters; Receivers co-operating therewith using ultrasonic, sonic or infrasonic waves

Abstract

Dispositivo para la medida de la velocidad de la marcha. Se divulga un dispositivo para la medida de la velocidad de la marcha por medio de detección por sensores de ultrasonidos que integra la tecnología de detección por ultrasonidos con algoritmos de medida diseñados para replicar las pruebas de evaluación de la velocidad de la marcha y que permite la evaluación funcional de sujetos en un entorno no supervisado, con un mínimo impacto en su vida y de forma completamente segura, inocua y discreta. Además, el dispositivo permite asegurar que la prueba se realiza en un entorno controlado y sin interferencias, replica los métodos de medida utilizados en la práctica clínica y verifica que la prueba se ha realizado correctamente, aportando una medida fiable, comparable y con un alto valor clínico en el seguimiento de pacientes.

Description

OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene por objeto proporcionar un dispositivo para la medida de la velocidad de la marcha por medio de detección por sensores de ultrasonidos que integra la tecnología de detección por ultrasonidos con algoritmos de medida diseñados para replicar las pruebas de evaluación de la velocidad de la marcha y que permite la evaluación funcional de sujetos en un entorno no supervisado, con un mínimo impacto en su vida y de forma completamente segura, inocua y discreta. Además, el dispositivo permite asegurar que la prueba se realiza en un entorno controlado y sin interferencias, replica los métodos de medida utilizados en la práctica clínica y verifica que la prueba se ha realizado correctamente, aportando una medida fiable, comparable y con un alto valor clínico en el seguimiento de pacientes.
SECTOR TÉCNICO
El sector técnico de la presente invención es la biomedicina. En particular, la invención es una solución tecnológica para la evaluación funcional y física de sujetos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La velocidad de la marcha es una de las herramientas más valiosas de las que disponen los profesionales sanitarios en la evaluación funcional de sujetos y una de las más utilizadas en la práctica clínica. Entre las características que diferencian a la velocidad de la marcha destaca su rapidez, simplicidad, y fiabilidad. Además, se ha demostrado la relación entre un aumento en el tiempo requerido para la realización de la prueba con la hospitalización, el ingreso en residencias, la mortalidad, la baja calidad de vida, el deterioro funcional físico y cognitivo y el riesgo de caídas.
En el caso de la velocidad de la marcha se deben diferenciar dos aplicaciones:
Por un lado, las pruebas controladas que se realizan en la práctica clínica. Éstas se realizan sobre una distancia concreta, y se utilizan criterios definidos para identificar el momento de comienzo y final de la prueba. El más extendido y aceptado es el momento en el que el último pie del sujeto supera las líneas que marcan los puntos de comienzo y final. La principal ventaja de este tipo de tecnología es la obtención de una medida directa, estandarizada y validada que permite establecer comparaciones significativas entre sujetos y seguir la evolución de un sujeto.
Por otro lado, la medida de la velocidad de la marcha fuera de la pruebas controladas, que incluye no sólo la medida de la velocidad, si no otros parámetros como la longitud del paso, de la zancada, la variabilidad de los patrones de marcha, etc. Éstas medidas aportan información personalizada sobre cada sujeto y permiten hacer una evaluación más exhaustiva. Sin embargo, desde un punto de vista práctico, el análisis de los resultados y su estandarización es muy complicada.
En la actualidad existen distintas tecnologías que apoyan la evaluación funcional o de desempeño físico de sujetos, y que podrían ser alternativas a la presente invención.
En primer lugar hay que destacar la medida clásica de la velocidad de la marcha, que se realiza por medio de un cronómetro y las capacidades sensoriales de un profesional sanitario entrenado en la realización de la prueba, que cronometra el tiempo que transcurre entre el paso del último pie del sujeto por encima de una marca en el suelo y el paso del último pie del sujeto por otra marca en el suelo situada a una distancia conocida, lo que permite el cálculo de la velocidad de la marcha a partir del tiempo y esa
constante de espacio. Esta medida requiere la presencia de esa supervisión, lo que implica un aumento en el uso de recursos económicos y humanos y un impacto en la calidad de vida del sujeto, que debe desplazarse a un centro sanitario para ser evaluado.
Existen otras tecnologías que han intentado resolver este problema, como la acelerometría, con ejemplos como el descrito en la patente US2002040601 (A1) o en la CN104434128 (A). Este concepto se basa en la obtención de distintos parámetros de la marcha por medio del análisis de las señales del cambio de velocidad en uno o más ejes de sensores colocados en el cuerpo del sujeto o embebidos en elementos vestibles. Este tipo de soluciones aportan gran cantidad de información respecto a los patrones de movimiento del sujeto y han alcanzado éxito comercial en aplicaciones como la cuenta de pasos en los teléfonos inteligentes. Sin embargo, no permiten replicar las pruebas estandarizadas en la práctica clínica, al no ser capaces de identificar el punto de partida y de llegada en la prueba. Además precisan que el sujeto lleve un elemento adherido al cuerpo o en su ropa, y el análisis de las señales es costoso y requiere la implicación de expertos.
Otras soluciones han intentado caracterizar la marcha por medio de ultrasonidos, colocando emisores y receptores en el mismo dispositivo o uno enfrentado a otro. Es el caso de la invención descrita en la patente US5831937
(A) o la CN104434128 (A). En todos los casos las invenciones se alejaban del procedimiento estándar para la medida de la velocidad de la marcha, y requerían que el sujeto transportase o llevase puestos elementos en su cuerpo. En algunos casos además precisaban de soportes que dificultan la geometría y comprometen el espacio para replicar la prueba adecuadamente.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En un aspecto de la invención, se divulga un dispositivo para la medida de la velocidad de la marcha, que comprende: unos sensores colocados en una línea paralela a la marcha, orientados de manera perpendicular a esta y separados
entre sí una distancia preestablecida; un microprocesador conectado a los sensores. Donde cada uno de los sensores comprende un campo de detección del sensor configurado para enviar al microprocesador un evento de entrada cuando un objeto en movimiento de la marcha entra en el campo de detección y un evento de salida cuando el objeto sale del campo de detección, de tal forma que el microprocesador calcula una velocidad de la marcha a partir del campo de detección del sensor y de un tiempo medido por el microprocesador entre el evento entrada y el evento de salida. De forma preferida, los sensores son sensores de ultrasonidos. El microprocesador puede calcular la velocidad de la marcha de un sujeto a partir de la velocidad de la marcha calculada para un sensor a partir del evento de entrada y del evento de salida recibidos del mismo sensor o como la media aritmética de las velocidades calculadas para cada sensor, que sería la velocidad de marcha del sujeto para todo el dispositivo.
En una realización de la invención, el dispositivo adicionalmente comprende un módulo de comunicación conectado al microprocesador para el envío de la velocidad de la marcha a un dispositivo externo. El módulo de comunicación puede ser una comunicación de tipo Bluetooth o WiFi.
El dispositivo puede tener una alimentación autónoma mediante baterías internas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1: La figura 1 presenta la disposición de los sensores en la invención. Los sensores (1a-1e) se encuentran en una línea con sus campos de detección (2a-2e) orientados perpendicular a dicha línea y a la marcha.
Figura 2: La figura 2 presenta la misma disposición de los sensores (1a-1e) en tres dimensiones, con la orientación de los pulsos de ultrasonido en cada uno de los sensores (3a-3e).
Figura 3: La figura 3 presenta el evento (A) que se usa como criterio para considerar que el sujeto ha alcanzado ese sensor (1), y que se corresponde con el momento en es detectado por última vez dentro del campo de detección (2).
Figura 4: La figura 4 representa el primer paso del algoritmo de verificación que se utiliza para garantizar que la prueba y la medición se realizan de forma correcta. El sujeto entra (evento A) en el campo de detección (2a) del primer sensor (1a).
Figura 5: La figura 5 representa el segundo paso del algoritmo de verificación. El sujeto abandona (evento B) el campo de detección (2a) del primer sensor (1a).
Figura 6: La figura 6 representa el tercer paso del algoritmo de verificación. El sujeto abandona (evento C), el campo de detección (2b) del siguiente sensor (1b).
Figura 7: La figura 7 muestra el dispositivo de la presente invención conectado a dispositivo móvil mediante conexión Bluetooth.
Figura 8: La figura 8 muestra el dispositivo de la presente invención con los sensores alineados a distancias preestablecidas y conectado a dispositivo móvil mediante conexión Bluetooth
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
La invención es una nueva disposición de sensores de ultrasonido y un algoritmo de medida basado en la detección del sujeto que permite hacer una medida de la velocidad de la marcha sin supervisión, replicando los procedimientos que se llevan a cabo en la práctica clínica, y garantizando por tanto la validez de la medida obtenida.
Los sensores ultrasónicos permiten calcular la distancia hasta cualquier objeto que se sitúe en su campo de detección mediante el envío de un pulso, que rebota en el primer obstáculo que encuentre y la recepción de su eco en el receptor. La distancia a la que se encuentra el objeto detectado se puede calcular gracias a la velocidad constante del pulso ultrasónico y su eco.
En dispositivo de la presente invención comprende un número de sensores de ultrasonido (1a-1e) equidistantes que se sitúan en una línea paralela a la trayectoria de la prueba, con el emisor de pulsos y el receptor de ecos orientados perpendicularmente a la marcha, de forma que, cuando el sujeto va caminando por delante de ellos, el dispositivo detecta y registra su paso (ver Figura 1 y Figura 2). En el dispositivo de la presente invención, la distancia a la que esté el sujeto no es relevante, siempre que esté dentro del rango de detección del sensor. El algoritmo de medida se basa en la detección del sujeto dentro del rango, no en la distancia al sensor. Las lecturas de los sensores aportan esa información. Cuando el sujeto se encuentra en el campo de detección del sensor (2a-2e), la distancia detectada es significativamente menor a cuando está fuera, lo que permite la utilizar la medida de los sensores para caracterizar el avance del usuario y su posición a lo largo del recorrido de la prueba.
La medida del tiempo entre el punto de inicio y de final lo marca un evento que se va a repetir en todos y cada uno de los sensores: el momento en el que el último pie del sujeto abandona el campo de detección, al que llamaremos evento de salida. Este método de medida replica fielmente el criterio que se emplea en la medida tradicional de la velocidad de la marcha, en la que el cronómetro se activa cuando el último talón del sujeto supera la línea de inicio y se detiene cuando supera la línea de final. (ver Figura 3).
La distancia entre sensores es conocida y fija y el ángulo que forma su campo de detección es igual. Asumiendo que el sujeto camina en una línea recta, los
puntos en los que el último pie del sujeto abandona los campos de detección estará separado por la misma distancia que los sensores. Por lo tanto, mediante el dispositivo de la presente invención se pueden obtener medidas del momento de paso por cada sensor, y por lo tanto la diferencia entre tiempos de paso. Esto permite calcular el tiempo empleado en cada segmento entre sensores, así como el tiempo para realizar el recorrido completo que se desea medir.
Teniendo en cuenta que la distancia entre sensores es constante y conociendo el tiempo para cada segmento, por medio del dispositivo se pueden calcular la velocidad de la marcha para cada segmento y a lo largo de toda la prueba aplicando la fórmula:
La invención permite replicar la prueba de evaluación de la velocidad de la marcha fielmente, y proporciona una medida fiable y equivalente en valor cínico al obtenida en un entorno supervisado.
El algoritmo de medida por lo tanto sería el siguiente: 1. El sujeto sería detectado por el primer sensor (1a en Figura 4) en su camino (evento A en la Figura 4). 2. El momento en el que fuese detectado por última vez por ese sensor (1ª en la Figura 5) sería registrado, con una marca temporal (evento B en la Figura 5). 3. El momento de salida en el siguiente sensor (1b en la Figura 6) en la marcha (evento C en la Figura 6) permite verificar que realmente el evento de salida que fue registrado en el sensor fue el último momento en el que el sujeto estuvo en el campo de detección. Se ha elegido el evento de salida en lugar del evento de entrada en el siguiente sensor como elemento de verificación para evitar el error que se pudiese producir en caso de un solapamiento de los campos de detección de sensores consecutivos en la cinta.
En el caso del último sensor, al no contar con un sensor siguiente, se establece un límite de tiempo después del último evento de detección para comprobar que la prueba ha finalizado.
Una vez que se obtengan todos los tiempos de paso para cada sensor, y teniendo en cuenta que conocemos el tiempo para cada segmento (diferencia entre tiempos de paso de los sensores que lo delimitan) y su longitud (distancia entre esos sensores, que es constante), se puede calcular la velocidad de la marcha para cada segmento, y de la prueba al completo.
El algoritmo de verificación de la medida del tiempo de paso (presentado en las figuras 4, 5 y 6) permite además asegurar la correcta realización del test, comprobando que el sujeto camina en una sola dirección, y que camina por delante de todos los sensores. Además, antes de la realización de la prueba, el sistema de sensores puede comprobar que el espacio para la realización de la prueba está disponible sin obstáculos y que no hay elementos que puedan interferir en la detección del sujeto.
Por último, la invención está completamente adaptada al entorno domiciliario. El dispositivo de medida es de pequeño tamaño, silencioso, inocuo y la medida de la velocidad de la marcha se realiza de una forma prácticamente invisible para el sujeto, que no se ve en la obligación de acarrear ningún elemento vestible o dispositivo en su cuerpo. De esta forma se reduce la posibilidad de rechazo de los sujetos, ya que la aplicación tendría el mínimo impacto en su calidad de vida y no supone una carga adicional desproporcionada teniendo en cuenta los beneficios.
La realización preferida sería la integración del sistema de sensores por medio de una cinta que los mantenga a la misma distancia y que permita su fácil instalación y desinstalación en el entorno domiciliario. La invención se debería situar en un lateral de un pasillo o sala, completamente estirado y fijo, para
evitar que pueda ser deteriorado o pisado o suponer un obstáculo con el que se pudiesen tropezar los sujetos de la prueba.
Los sensores y sus conexiones deberían estar protegidos por cajas de un material resistente e indeformable. El control de los sensores y la captura de datos crudos debería realizarse por medio de un microcontrolador o microprocesador como un Arduino UNO, que debería alimentarse con una batería externa y estar a su vez protegido por otra caja resistente.
Para una solución integrada en un sistema de información y para el registro de las medidas la invención debería incluir un sistema de transmisión de datos como Bluetooth o WiFi a un dispositivo externo, que recogiese y permitiese registrar y analizar los datos, como podría ser un teléfono inteligente. Las conexiones entre los distintos elementos se presentan en la Figura 7. La realización preferida del dispositivo se presenta en la Figura 8.
La invención podría realizarse de forma que los sujetos realizasen la prueba a voluntad, para lo que habría que proporcionarles una herramienta usable y adaptada para poder controlar cuándo realizar la prueba. Un ejemplo de este tipo de realización sería la integración de la invención con una aplicación móvil que guiase y asistiese al sujeto en la realización de la prueba.
Además, la invención podría realizar una medida de la velocidad de la marcha completamente invisible, sin la necesidad de intervención de ningún tipo. En el caso de este tipo de medida, si se produjese en un ámbito no supervisado la identificación del sujeto sería crucial para determinar la validez de la medida. Esto se podría realizar incorporando tecnología como los identificadores de radio frecuencia o reglas estadísticas para diferenciar las medidas del sujeto de interés.

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    1. DISPOSITIVO PARA LA MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE LA MARCHA,
    caracterizado porque comprende: unos sensores (1a-1e) colocados en una línea paralela a la marcha, orientados de manera perpendicular a esta (3a-3e) y separados entre sí una distancia preestablecida; un microprocesador (4) conectado a los sensores;
    donde cada uno de los sensores (1a-1e) comprende un campo de detección del sensor (2a-2e) configurado para enviar al microprocesador un evento de entrada (A) cuando un objeto en movimiento de la marcha entra en el campo de detección y un evento de salida (B,C) cuando el objeto sale del campo de detección, de tal forma que el microprocesador
    (4) calcula una velocidad de la marcha a partir del campo de detección del sensor (2a-2e) y de un tiempo medido por el microprocesador entre el evento entrada (A) y el evento de salida (B,C).
  2. 2.
    DISPOSITIVO PARA LA MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE LA MARCHA, según reivindicación 1, caracterizado porque adicionalmente comprende un módulo de comunicación (5) conectado al microprocesador para el envió de la velocidad de la marcha a un dispositivo externo (6).
  3. 3.
    DISPOSITIVO PARA LA MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE LA MARCHA, según reivindicación 1 o 2, caracterizado porque que los sensores (1a-1e) son sensores de ultrasonidos.
  4. 4.
    DISPOSITIVO PARA LA MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE LA MARCHA, según reivindicación 1, caracterizado porque el microprocesador calcula la velocidad de la marcha para un sensor a partir del evento de entrada y del evento de salida recibidos del mismo sensor.
  5. 5.
    DISPOSITIVO PARA LA MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE LA MARCHA, según reivindicación 4, caracterizado porque el microprocesador calcula la velocidad de la marcha como la media aritmética de las velocidades calculadas para cada sensor.
  6. 6.
    DISPOSITIVO PARA LA MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE LA MARCHA, según la reivindicación 2, caracterizado porque el módulo de comunicación (5) comprende una comunicación Bluetooth o WiFi.
    10 7. DISPOSITIVO PARA LA MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE LA MARCHA, según la reivindicación 1, adicionalmente comprende una alimentación autónoma mediante baterías internas (7).
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