A. Construcción del Sistema

Cuando los fisioterapeutas utilizan básculas como ayuda en la medición de la postura, se basan en la suposición de que un cuerpo bien balanceado o con una postura correcta, debería distribuir el peso de forma simétrica en cada pie. Por lo tanto, una diferencia en el peso medido en cada báscula indica una postura incorrecta y consecuentemente, el paciente debe modificar su postura hasta lograr un peso igual en cada báscula. En este trabajo, a diferencia del sistema de básculas en cada pie, se propone medir la presión plantar en áreas de los pies donde se sabe que se concentra la mayor presión. Esto proporciona información de la distribución no sólo lateral sino también anteroposterior del cuerpo. De acuerdo a Cavanagh ^[11], el 60% del peso corporal se concentra en los talones, con presiones no mayores a 140 kPa, el 28% en el antepie y el 8% en la parte media del pie con presiones no mayores a 60 kPa.

Considerando lo anterior se utilizaron sensores de tipo FSR (Force Sensitive Resistor) de la empresa Interlink® los cuales soportan hasta 200 kPa, son ligeros, delgados (0.45 mm) y ampliamente disponibles. Se eligieron sensores FSR402 con un diámetro de 18.28 mm para colocarlos en el área de la primera y cuarta cabeza metatarsiana y sensores FSR406, cuadrados con un área de 39.6 mm ² para colocarlos en el talón (ver la Figura 5). Cabe mencionar que el rango de ambos sensores es el mismo (200 kPa).

Figura 2. Conexión eléctrica de los sensores a la tarjeta arduino. 

Figura 3. Pantalla touch del sistema donde se muestran los botones de inicio y paro de medición, magnitud de la fuerza aplicada a cada sensor y el estado de estabilidad o no. 

Figura 4. Diagrama de flujo simplificado para la determinación de postura correcta. 

Figura 5. Puntos de colocación de sensores en los pies. 

Dado que son sensores que presentan un cambio de resistencia inversamente proporcional a la presión aplicada, se conectaron en una configuración de divisor de tensión a las terminales del ADC del Arduino Mega 2560^TM. Aprovechando la alta impedancia de entrada de los canales ADC se pudieron conectar directamente las salidas de los divisores de tensión. El ADC de la tarjeta Arduino se configuró para funcionar en un rango de 0 a 5 V usando 10 bits de resolución. Lo anterior proporciona una resolución de 4.8 mV/bit aproximadamente. En la Figura 2 se observa el diagrama electrónico de conexión de los sensores a la tarjeta Arduino.

El voltaje de salida del divisor de tensión está dado por la Ecuación (Ec. 1. ), donde Rx, en este caso, tiene un valor de 820 Ω y Sx es el valor de resistencia que tendrá cada sensor dependiendo del peso que incida sobre el mismo.

Con el valor elegido de resistencia y tomando en cuenta el rango de valores de resistencia reportados en la hoja de datos del sensor (0.2 kΩ a 100 kΩ), se obtienen valores de voltaje en el divisor de tensión de 0.04 V a 4.02 V. Además, aun cuando el fabricante de los sensores los recomienda para aplicaciones de 0 a 200 kPa, se ha comprobado que realmente pueden medir más allá, aunque, obviamente esto no está garantizado por el fabricante. Sin embargo, con esto en consideración se contempla que el rango completo del ADC sea de 0 a 5 V.

Es importante mencionar que se eligió la plataforma Arduino por simplicidad en el desarrollo, gracias a sus múltiples librerías para el control de pantallas touch LCD, manejo de tarjetas tipo SD. Se utilizó una pantalla genérica LCD TFT a color de 320 x 240 pixeles, con controlador SPFD5408A (Orise Tech) la cual incluye una membrana táctil de tipo resistivo y un zócalo para memoria microSD™. En la Figura 3 se muestra la pantalla en funcionamiento del sistema propuesto. Se desarrolló un firmware para colocar botones táctiles de inicio y final de la medición. En la pantalla se dibujó la imagen de unos pies y unos círculos rojos que representan la colocación de los sensores y que cambian de diámetro de acuerdo a la presión ejercida en ellos de manera directamente proporcional. El mismo firmware se encarga de almacenar los datos recolectados de los sensores en una memoria microSD™ a una tasa de muestreo de 5 Hz. Esta tasa de muestreo fue la máxima que se consiguió debido a que la mayoría de los recursos del microcontrolador se ocupan para el manejo de la pantalla LCD, incluyendo temporizadores y módulos de interrupción. La tasa de muestreo es adecuada para la evaluar la postura del pie del sujeto, ya que la tarea de mantener una postura es casi estática y su ancho de banda está por debajo de 2 Hz ^{[12] [13]}.

El procedimiento para realizar el diagnóstico de postura y concluir si es estable o inestable se basó en la lectura de cada uno de los sensores y la comparación entre ellos. Es decir, el sensor en el talón izquierdo debía medir lo mismo que el sensor en el talón derecho y la comparación se hace así para cada sensor y su contraparte en el otro pie. Heurísticamente se determinó una diferencia máxima entre el valor de cada sensor de 40 unidades del ADC., como la mejor para determinar estabilidad de postura o no. El diagrama de flujo de la Figura 4 describe en forma simplificada el firmware realizado para el sistema.

A. Protocolo de pruebas

Para realizar las pruebas con el prototipo se colocó un sujeto de prueba, descalzo, frente a una pared con la pantalla del prototipo justo en frente, a la altura de los ojos. Los sensores se colocaron en las zonas de interés de los pies y se fijaron por medio de una cinta adhesiva con el fin de evitar movimientos que pudieran afectar el funcionamiento del sistema (ver la Figura 5).

Se le pidió al sujeto que, utilizando la información mostrada por el dispositivo ajustara él mismo su postura hasta lograr que en la pantalla LCD apareciera la leyenda “ESTABLE”, indicando con esto que su postura era correcta.

Una vez que el usuario encontró su punto de estabilidad, se le pidió que se balanceara hacia a delante y atrás, a la izquierda y la derecha, con el objetivo de observar la variación de señales en esas posiciones. Para evaluar su postura en todo momento, se colocaron dos cámaras de video, una a espaldas del sujeto y la otra a su costado izquierdo.

La Figura 6 muestra la posición y señales obtenidas cuando el sujeto estaba estable (6A) y después, cuando se mueve hacia atrás (6B), se puede observar como cae la presión en los sensores del antepie (S2, S3, S5 y S6) y aumenta la de los sensores en el talón (S1 y S4). En las imágenes siguientes, la línea verde sobre el sujeto indica una posición correcta y la línea roja indica una desviación.

Figura 6. A) postura correcta del sujeto. B) Sujeto desviándose hacia atrás, C) Sujeto totalmente desviado en su postura. 

Para todas las imágenes siguientes las unidades en el eje vertical son una representación en valores decimales del voltaje leído en el sensor (no volts), en el eje horizontal es el número de muestras.

En la Figura 7 se observa el movimiento contrario a la Figura 6. Ahora el sujeto se balancea hacia adelante, causando con ello reducción en la presión en los talones (S1 y S4) y aumento de presión en los sensores del antepie (S2, S3, S5 y S6).

Figura 7. A) Sujeto en una postura correcta, B) Moviéndose hacia adelante, C) Postura totalmente desviada hacia adelante. 

Algo similar ocurre para los movimientos en el plano sagital, hacia la izquierda y derecha. En la Figura 8 y en la Figura 9 se puede observar el comportamiento de las señales en los pies durante estos movimientos respectivamente.

Figura 8. A) Postura estable, B) Moviéndose, C) Inestable inclinado hacia la izquierda. 

Figura 9. A) Postura estable, B) Moviéndose a la derecha, C) Inclinado totalmente a la derecha. 

Es importante comentar que, siempre que el sujeto lograba colocarse de manera que el dispositivo indicaba una posición “ESTABLE”, esto se podía corroborar con imágenes. De acuerdo con la guía de evaluación postural ^[14], una correcta posición se considera cuando se puede trazar una línea recta que pase por delante del maléolo externo, delante de la articulación de la rodilla y cadera, por la articulación del hombro, por el meato auditivo externo y detrás del vértice de la sutura coronal, lo anterior visto en el plano lateral. Para la vista frontal, se traza una línea recta imaginaria que divide al cuerpo en dos y se trazan líneas horizontales que deben pasar por las clavículas, las crestas iliacas, la parte superior del fémur y las rótulas.

B. Discusión

De acuerdo a lo observado en las imágenes y comparando con las señales obtenidas de la posición, se observa una clara correspondencia. Esto era de esperarse debido a la colocación de sensores y a los movimientos realizados. Lo más importante es que, por medio de la medición de estos puntos y con el algoritmo presentado, es posible determinar un punto “ESTABLE” que, de acuerdo con las imágenes tomadas de los videos concuerda con una postura correcta. En las figuras y con ayuda de las líneas grises es posible ver que las imágenes del sujeto estable coinciden aproximadamente con estas restricciones para una postura correcta. Si bien, es cierto que para validar completamente a este dispositivo se deben realizar más pruebas, además de comparar los resultados con los de un método tradicional ayudados por expertos en el área, portando la vestimenta adecuada para observar los puntos de interés. Esa será la segunda etapa de este proyecto. Con los datos obtenidos en dichas pruebas futuras se pretende formalizar el algoritmo para garantizar que el sistema funcione independientemente del tipo de complexión del sujeto.