Desenvolvimento de uma rede de sensores inerciais para a determinação da dinâmica espacial do segmento tornozelo-pé e suas assimetrias

Abstract

Através de dispositivos e técnicas desenvolvidas na área da Instrumentação Biomédica, é possível desenvolver sistemas capazes de atuar no sentido de colaborar no diagnóstico de variáveis relacionadas à biomecânica do ser humano. Estes diagnósticos recaem sobre a reabilitação de indivíduos, análise de patologias e aumento de performance. A partir disso, desenvolveu-se uma rede de sensores inerciais para o monitoramento e determinação da dinâmica espacial do segmento tornozelo-pé, além de ser capaz de gerar dados suficientes para analisar as assimetrias de marcha. Com a utilização deste sistema foi possível determinar a influência do calçado sobre as anomalias na marcha, assim como, observou-se como o segmento de interesse se comporta, tanto no ensaio calçado quanto no descalço, durante as fases que compõem um ciclo de marcha. Encontrou-se um padrão de curva para a marcha neutra, um padrão para a pronação e dois padrões para a supinação. Além disso, obteve-se que o calçado pode induzir assimetrias, podendo estas deteriorar ou otimizar o padrão de marcha. Para a realização do sistema, foram posicionados quatro módulos inerciais, de tecnologia MEMS (Sistema Micro-Eletro-Mecânico), em posições estratégicas sobre o segmento tornozelo-pé. Cada módulo possui um acelerômetro e um giroscópio tri-axial, e seus dados são controlados através de um barramento I²C com a utilização de um microcontrolador. As fases da marcha foram determinadas a partir das curvas de aceleração, ao passo que as respostas angulares foram obtidas através da integração dos dados coletados dos giroscópios. No projeto de experimentos, optou-se por realizar os ensaios de acordo com um Projeto de Experimentos do Tipo Bloco Aleatorizado. Sendo assim, neste caso, o fator controlável Velocidade foi aleatorizado e os fatores Sujeito e Condição (calçado/descalço) foram blocados. Portanto, não foi possível analisar as interações entre os fatores controláveis, somente a influência de cada um deles sobre a variável de resposta.

Through devices and equipment developed in the area of Biomedical Instrumentation, it is possible to develop systems capable of acting without the sense of the collaborator of the diagnosis of variables related to the biomechanics of the human being. These diagnoses refer to a rehabilitation of resources, analysis of pathologies and increase of performance. Then, a network of inertial sensors was developed to monitor and determine the spatial dynamics of the ankle-foot segment, besides being able to generate enough data to analyze how gait asymmetries. With a use of this system was designed to determine the influence of footwear on gait abnormalities, as well as, it is observed how the segment of interest behaves, both in the footwear test and without barefoot, during which phases make up a gait cycle. Was found a curve pattern for a neutral gait, a pattern for pronation, and two patterns for supination. In addition, it has been found that footwear can induce asymmetries, which can deteriorate or optimize gait pattern. For the realization of the system, four inertial modules, MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) technology, were positioned in strategic areas on the ankle-foot segment. Each module has an accelerometer and a tri-axial gyroscope, and its data is controlled through an I²C bus using a microcontroller. The gait phases are determined from the acceleration curves, while the angular responses were obtained by integrating the data collected from the gyroscopes. There is no experimental design, it was decided to carry out tests according to the Randomized Block Type Experiment Design. Therefore, in the case, the controllable factor Speed for randomized and the factors Subject and Condition (footwear / barefoot) were blocked. On the other hand, it is not possible to analyze the interactions between controllable factors, only an influence of each of them on a response variable.