Albert Jerez y Diana Diplán
Estudiantes Escuela de Ingeniería en Computación y Telemática, Campus Santiago
PUCMM
Ser físicamente funcional
Las lesiones musculoesqueléticas representan una carga considerable para la salud y el bienestar global. Desde atletas de élite hasta individuos con estilos de vida activos, estas lesiones tienen un impacto devastador en la calidad de vida y la funcionalidad. Más allá del dolor físico, las lesiones podrían conducir a discapacidades a largo plazo, limitando la capacidad para trabajar, participar en actividades diarias e incluso disfrutar de recreaciones normales a nivel social.
Ante este desafío identificado y con el apoyo del departamento de Terapia Física de la Pontificia Universidad Católica Madre y Maestra (PUCMM) se busca abordar la necesidad de desarrollar herramientas y tecnologías innovadoras para una evaluación precisa y una intervención temprana en el análisis de la caminata. El objetivo siendo prevenir lesiones, mejorar los resultados del tratamiento y fomentar la salud y calidad de vida de las personas.
En esta entrada de este blog de innovación se presentará la implementación de un sistema para la el análisis de la caminata en procesos de terapia física. El sistema desarrollado cuenta con técnicas de visión computacional que permiten crear toda una reportería que asista al especialista en la evaluación del proceso de caminata de un paciente. El sistema agrega la data de sensores inerciales así como el uso de cámaras para la obtención de los reportes propuestos.
Integración de Tecnología en los procesos de Terapia Física
De acuerdo con F.R. Andrea Ramos, en «La importancia de una valoración en Fisioterapia», una de las áreas más afectadas por las lesiones musculoesqueléticas es la caminata. La capacidad de caminar eficientemente y sin dolor era fundamental para la movilidad y la independencia. Sin embargo, las lesiones en pies, tobillos y piernas alteran significativamente la biomecánica de la marcha, resultando en dolor crónico, discapacidad y una disminución de la calidad de vida. Además, las lesiones relacionadas con la marcha aumentan el riesgo de desarrollar problemas de salud más graves, como osteoartritis y enfermedades cardiovasculares, lo que podría tener consecuencias devastadoras a largo plazo para la salud y el bienestar general.
Sabiendo esto, en el estudio realizado por E. BV. llamado “Evaluación del control postural a través de Microsoft Azure Kinect DK: Un estudio de evaluación”, se compararon las trayectorias de movimiento del Kit Kinect utilizado con un sistema 3D estándar de seguimiento de alta precisión, relacionándolo a una posible solución. Veintiséis sujetos realizaron ejercicios específicos para su evaluación. El Kit Kinect demostró un seguimiento preciso de las articulaciones principales durante movimientos laterales, con un Error Cuadrático Medio (RMSE) de aproximadamente 0.2cm para ejercicios laterales y hacia adelante, y de 0.47cm para equilibrio. El Error Absoluto Medio angular osciló entre 5 y 15 grados para articulaciones superiores, mientras que las inferiores mostraron mayores errores. Se observaron mejores resultados en movimientos lentos. El estudio destaca el potencial del enfoque en base al Kit Kinect para la rehabilitación en el hogar, especialmente en la evaluación del control postural.
Otro bajo que busca analizar el proceso de movimiento del cuerpo humano es el presentado por Y. Wang, S. Liu. Y S. Zhang. En el mismo se propone un algoritmo eficiente de reconocimiento de gestos manuales (HGR) para aplicaciones de interfaz humano-máquina (HMI) basados en el sensor BNO055. Utilizando datos de este sensor y considera su naturaleza temporal, lo que mejora el rendimiento de reconocimiento. La técnica de transformadas discretas de ondículas (DTW) es aplicada, mostrando que ofrece buenos resultados, pero su complejidad dificulta el aprendizaje en tiempo real. El algoritmo que implementaron el HGR, se basa en una red neuronal de energía de columna restringida (RCE) con un esquema de aprendizaje simple. Al reemplazar la métrica de la RCE con la distancia DTW mejora el reconocimiento de gestos con datos temporales y admite el aprendizaje en tiempo real. En pruebas con una FPGA, alcanzaron una precisión del 98.6% y soportaron operaciones en tiempo real a 150 MHz, lo que son resultados prometedores en el contexto del desarrollo del sistema.
Estos trabajos ponen el relieve dos puntos importantes: la importancia de la analítica del movimiento humano y la dificultad en procesar este tipo de datos. Por lo que el presente trabajo es un aporte importante en el desarrollo de este tipo de sistemas y en el estudio de diversas metodologías que puedan apoyar en el desarrollo de los procesos de fisioterapia.
Solución Propuesta
La solución propuesta para el análisis de la marcha en terapia física implicó el uso de tecnología de seguimiento de movimiento y un software de análisis de datos. Mediante el empleo de microcontroladores como el ESP32 (Lolin32) y un acelerómetro BNO055, colocados en diversas partes del cuerpo del paciente se busca poder medir el movimiento y la posición tridimensional durante la el proceso de caminata (marcha). El software de análisis procesó y visualiza los datos recopilados para mostrar patrones de movimiento precisos y objetivos durante la caminata. Esto buscando proporcionar a los fisioterapeutas una evaluación detallada y objetiva de la marcha de cada paciente, permitiéndoles diseñar un tratamiento personalizado y efectivo. En la siguiente figura se muestra el diagrama en bloque para la integración de todos los elementos a ser utilizados en el sistema propuesto.
Para la parte de visión computacional, se desarrolló un sistema automático de análisis de la marcha utilizando la librería MediaPipe. Esta herramienta permitiría una evaluación más eficiente y precisa de la marcha de los pacientes en terapia física. Al automatizar este proceso, se busca reducir el tiempo necesario para la evaluación inicial y mejorar la precisión de los diagnósticos, lo que a su vez conduciría a tratamientos más efectivos y una recuperación más rápida y completa para los pacientes en fisioterapia. En última instancia, se espera que este proyecto contribuya significativamente al bienestar y la calidad de vida de los pacientes en rehabilitación.
MediaPipe es una biblioteca de código abierto desarrollada por Google, especializada en análisis y procesamiento de datos de visión por computadora, ofreciendo seguimiento de movimientos y detección de objetos en tiempo real, así como mediciones precisas de velocidad, longitud del paso, cadencia y equilibrio durante la caminata. Luego de implementada, esta librería permitió capturar imágenes precisas y detalladas del movimiento del paciente durante la marcha, con la capacidad de capturar imágenes en 3D utilizando sensores de profundidad avanzados. En la siguiente imágen se aprecia la capacidad de MediaPipe de capturar puntos específicos del cuerpo, en este caso los hombros.
Metodología
El desarrollo del sistema de análisis de deficiencias en la marcha se llevó a cabo mediante un enfoque metodológico que abarcó desde la configuración inicial hasta la implementación práctica. Se inició con la configuración de los componentes hardware y la instalación del software de análisis de datos, seguido de pruebas preliminares para calibrar los sensores y ajustar su sensibilidad y precisión. El desarrollo del software implicó la configuración de algoritmos de seguimiento de movimiento y la visualización de datos en tiempo real. Esta metodología queda esquematizada en la siguiente imagen.
Se integraron un total de tres cámaras de alta resolución para capturar imágenes en 3D del movimiento del paciente, estableciendo protocolos para la sincronización y captura de datos en tiempo real. Adicionalmente, se hizo uso de unos guantes para integrar los sensores del tipo acelerómetro seleccionados junto con el microcontrolador. Esto permitió obtener la medición de la aceleración en las cuatros extremidades del paciente, lo que brinda posibilidad de aplicar técnicas de análisis basadas en fusión de datos de distinta naturaleza. En la figura siguiente se muestra el sensor utilizado para la creación de este sistema de captura.
Resultados Obtenidos
Después del desarrollo preliminar, se llevaron a cabo extensas pruebas y análisis para evaluar la efectividad de los métodos y algoritmos empleados en el análisis de las deficiencias en la caminata de los pacientes. Estos se centraron en la verificación y validación de los resultados obtenidos para garantizar la precisión y confiabilidad del sistema. Además, se realizaron ajustes y optimizaciones para adaptar el sistema a diferentes perfiles de pacientes y condiciones.
Se diseñó una interfaz de usuario para la visualización de datos, que incluía gráficos y tablas para presentar resultados de manera clara. Se realizaron pruebas exhaustivas para validar la precisión y confiabilidad del sistema, ajustando según fuera necesario para mejorar la exactitud del análisis. En la siguiente figura se muestra la interfaz del aplicativo WEB, este permite la configuración de umbrales para los procesos de detección y la visualización de la reportería por paciente.
Se llevaron a cabo pruebas simuladas y estudios con pacientes reales, bajo la supervisión de profesionales de la salud. Los resultados obtenidos fueron analizados y comparados con evaluaciones manuales realizadas por fisioterapeutas experimentados, demostrando la capacidad del sistema para detectar y cuantificar deficiencias específicas en la marcha. Debajo se muestra un ejemplo de una gráfica de captura de movimiento.
El sistema fue configurado para detectar las siguientes anomalía:
- Inclinación excesiva de hombros
- Declive de los codos
- Diferencia de alineación entre las muñecas
- Diferencia de alineación entre las rodillas
- Desalineación en la cadera
- Separación anormal de rodillas
- Inclinación de la columna
Conclusiones
El sistema ofrece varias ventajas clínicas, incluida su capacidad para detectar patrones anómalos en la marcha de los pacientes y su potencial en la monitorización continua en entornos clínicos. Además, su adaptabilidad y facilidad de uso lo hacen una herramienta prometedora para la evaluación y el seguimiento de pacientes en rehabilitación. Las perspectivas futuras incluyen la aplicación del sistema en investigaciones adicionales para mejorar aún más su precisión y funcionalidad, así como su integración en entornos clínicos para mejorar la calidad de vida y el bienestar de los pacientes con deficiencias de movimiento.
La adaptabilidad del sistema, su capacidad para detectar patrones anómalos y su potencial en la monitorización continua de pacientes en entornos clínicos, junto con su aplicabilidad en investigaciones futuras, destacan como aspectos prometedores para su utilización.
Referencias
Antico, M., Balletti, N., Laudato, G., Lazich, A., Notarantonio, M., Oliveto, R., Ricciardi, S., Scalabrino, S., & Simeone, J. (2021). Postural Control Assessment via Microsoft Azure Kinect DK: An evaluation study. Computer Methods and Programs in Biomedicine, 209, 106324. https://doi.org/10.1016/j.cmpb.2021.106324