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Análisis de la marcha

Adquisición de información sobre la posición de los marcadores en 2D a través de las cámaras de la izquierda y la derecha, dando lugar esta combinación de información a una imagen 3D sobre la posición de los marcadores.

El análisis de la marcha es el estudio sistemático de la locomoción animal , más específicamente el estudio del movimiento humano, utilizando el ojo y el cerebro de los observadores, complementado con instrumentación para medir los movimientos corporales, la mecánica corporal y la actividad de los músculos. [1] El análisis de la marcha se utiliza para evaluar y tratar a personas con afecciones que afectan su capacidad para caminar. También se utiliza comúnmente en biomecánica deportiva para ayudar a los atletas a correr de manera más eficiente e identificar problemas relacionados con la postura o el movimiento en personas con lesiones.

El estudio abarca la cuantificación (introducción y análisis de parámetros medibles de la marcha ), así como la interpretación, es decir, sacar diversas conclusiones sobre el animal (salud, edad, tamaño, peso, velocidad, etc.) a partir de su patrón de marcha.

Historia

Los pioneros del análisis científico de la marcha fueron Aristóteles en De Motu Animalium (Sobre el andar de los animales) [2] y mucho más tarde, en 1680, Giovanni Alfonso Borelli , también llamado De Motu Animalium (I y II) . En la década de 1890, el anatomista alemán Christian Wilhelm Braune y Otto Fischer publicaron una serie de artículos sobre la biomecánica de la marcha humana en condiciones de carga y descarga. [3]

Fotografía de la marcha médica, 1918.

Con el desarrollo de la fotografía y la cinematografía, fue posible capturar secuencias de imágenes que revelan detalles de la locomoción humana y animal que no se notaban al observar el movimiento a simple vista. Eadweard Muybridge y Étienne-Jules Marey fueron pioneros de estos avances a principios del siglo XX. Por ejemplo, la fotografía en serie reveló por primera vez la secuencia detallada del " galope " del caballo, que normalmente estaba tergiversada en las pinturas realizadas antes de este descubrimiento.

Aunque gran parte de las primeras investigaciones se realizaron utilizando cámaras de película, la aplicación generalizada del análisis de la marcha en humanos con afecciones patológicas como parálisis cerebral , enfermedad de Parkinson y trastornos neuromusculares comenzó en la década de 1970 con la disponibilidad de sistemas de cámaras de video que podían producir estudios detallados de pacientes individuales dentro de limitaciones realistas de costo y tiempo. El desarrollo de regímenes de tratamiento, que a menudo implican cirugía ortopédica , basados ​​en resultados de análisis de la marcha, avanzó significativamente en la década de 1980. Muchos hospitales ortopédicos líderes en todo el mundo cuentan ahora con laboratorios de la marcha que se utilizan habitualmente para diseñar planes de tratamiento y seguimiento. [ cita necesaria ]

El desarrollo de sistemas informáticos modernos se produjo de forma independiente a finales de los años 1970 y principios de los 1980 en varios laboratorios de investigación de hospitales, algunos a través de colaboraciones con la industria aeroespacial. [4] El desarrollo comercial pronto siguió con la aparición de la televisión comercial y, más tarde, los sistemas de cámaras infrarrojas a mediados de la década de 1980.

Proceso y equipo

Laboratorio de análisis de la marcha equipado con cámaras infrarrojas y plataformas de fuerza montadas en el suelo

Un laboratorio típico de análisis de la marcha tiene varias cámaras (de vídeo o infrarrojas) colocadas alrededor de una pasarela o una cinta de correr, que están conectadas a una computadora. El paciente tiene marcadores ubicados en varios puntos de referencia del cuerpo (p. ej., espinas ilíacas de la pelvis, maléolo del tobillo y cóndilos de la rodilla), o grupos de marcadores aplicados a la mitad de los segmentos del cuerpo. El paciente camina por la pasarela o la cinta y el ordenador calcula la trayectoria de cada marcador en tres dimensiones. Se aplica un modelo para calcular el movimiento de los huesos subyacentes. Esto proporciona un desglose completo del movimiento de cada articulación. Un método común es utilizar el juego de marcadores del Hospital Helen Hayes , [5] en el que se colocan un total de 15 marcadores en la parte inferior del cuerpo. Los 15 movimientos del marcador se analizan analíticamente y proporcionan el movimiento angular de cada articulación. [ cita necesaria ]

Para calcular la cinética de los patrones de marcha, la mayoría de los laboratorios tienen transductores de carga montados en el piso, también conocidos como plataformas de fuerza, que miden las fuerzas y momentos de reacción del suelo, incluida la magnitud, la dirección y la ubicación (llamada centro de presión). La distribución espacial de fuerzas se puede medir con equipos de pedobarografía . Agregar esto a la dinámica conocida de cada segmento del cuerpo permite la solución de ecuaciones basadas en las ecuaciones de movimiento de Newton-Euler que permiten calcular las fuerzas netas y los momentos netos de fuerza alrededor de cada articulación en cada etapa del ciclo de la marcha. El método computacional para esto se conoce como dinámica inversa. [ cita necesaria ]

Sin embargo, este uso de la cinética no da como resultado información para músculos individuales sino para grupos de músculos, como los extensores o flexores de la extremidad. Para detectar la actividad y la contribución de los músculos individuales al movimiento, es necesario investigar la actividad eléctrica de los músculos. Muchos laboratorios también utilizan electrodos de superficie adheridos a la piel para detectar la actividad eléctrica o electromiograma (EMG) de los músculos. De esta manera es posible investigar los tiempos de activación de los músculos y, hasta cierto punto, la magnitud de su activación, evaluando así su contribución a la marcha. Las desviaciones de los patrones cinemáticos, cinéticos o EMG normales se utilizan para diagnosticar patologías específicas, predecir el resultado de los tratamientos o determinar la eficacia de los programas de entrenamiento [ cita necesaria ]

Factores y parámetros

El análisis de la marcha está modulado o modificado por muchos factores, y los cambios en el patrón de marcha normal pueden ser transitorios o permanentes. Los factores pueden ser de varios tipos:

Los parámetros que se tienen en cuenta para el análisis de la marcha son los siguientes:

Técnicas

Secuencias de caminata grabadas mediante captura de movimiento.

El análisis de la marcha implica la medición, [7] donde se introducen y analizan parámetros mensurables, y la interpretación, donde se extraen conclusiones sobre el tema (salud, edad, tamaño, peso, velocidad, etc.). El análisis es la medición de lo siguiente:

Temporal/espacial

Consiste en el cálculo de la velocidad, la duración del ritmo, el tono, etc. Estas mediciones se realizan a través de:

Cinemática

  1. La cronofotografía es el método más básico para registrar el movimiento. En el pasado se ha utilizado iluminación estroboscópica de frecuencia conocida para ayudar en el análisis de la marcha en imágenes fotográficas individuales. [10] [11]
  2. Se pueden utilizar películas de cine o grabaciones de vídeo utilizando imágenes de una o varias cámaras para medir los ángulos y las velocidades de las articulaciones. Este método se ha visto favorecido por el desarrollo de software de análisis que simplifica enormemente el proceso de análisis y permite el análisis en tres dimensiones en lugar de solo dos dimensiones.
  3. Los sistemas de marcadores pasivos, que utilizan marcadores reflectantes (normalmente bolas reflectantes), permiten una medición precisa de los movimientos utilizando varias cámaras (normalmente de cinco a doce cámaras) simultáneamente. Las cámaras utilizan luces estroboscópicas de alta potencia (normalmente rojas, infrarrojas cercanas o infrarrojas) con filtros correspondientes para registrar el reflejo de los marcadores colocados en el cuerpo. Los marcadores se encuentran en puntos de referencia anatómicos palpables. Según el ángulo y el retardo de tiempo entre la señal original y la reflejada, es posible la triangulación del marcador en el espacio. Se utiliza software para crear trayectorias tridimensionales a partir de estos marcadores a los que posteriormente se les asignan etiquetas de identificación. Luego se utiliza un modelo de computadora para calcular los ángulos de las articulaciones a partir de las posiciones relativas de los marcadores de las trayectorias etiquetadas. [12] Estos también se utilizan para la captura de movimiento en la industria cinematográfica. [13]
  4. Los sistemas de marcadores activos son similares al sistema de marcadores pasivos pero utilizan marcadores "activos". Estos marcadores se activan con la señal infrarroja entrante y responden enviando una señal propia correspondiente. Luego, esta señal se utiliza para triangular la ubicación del marcador. La ventaja de este sistema sobre el pasivo es que los marcadores individuales funcionan en frecuencias predefinidas y, por tanto, tienen su propia "identidad". Esto significa que no se requiere posprocesamiento de las ubicaciones de los marcadores; sin embargo, los sistemas tienden a ser menos indulgentes con los marcadores fuera de la vista que los sistemas pasivos. [14]
  5. Sistemas inerciales (sin cámara) basados ​​en sensores inerciales MEMS , modelos biomecánicos y algoritmos de fusión de sensores. Estos sistemas de cuerpo completo o parcial se pueden utilizar en interiores y exteriores independientemente de las condiciones de iluminación.

Captura de marcha sin marcadores

Medición de presión

Los sistemas de medición de presión son una forma adicional de medir la marcha al proporcionar información sobre la distribución de la presión, el área de contacto, el centro de movimiento de la fuerza y ​​la simetría entre los lados. Estos sistemas suelen proporcionar algo más que información sobre la presión; La información adicional disponible de estos sistemas es la fuerza , el tiempo y los parámetros espaciales. Hay diferentes métodos disponibles para evaluar la presión, como una alfombra o pasarela para medir la presión (más larga para capturar más golpes del pie), así como sistemas de medición de la presión en el zapato (donde se colocan sensores dentro del zapato). [17] [18] [19] Muchos sistemas de medición de presión se integran con tipos adicionales de sistemas de análisis, como captura de movimiento, EMG o placas de fuerza para proporcionar un análisis completo de la marcha. [ cita necesaria ]

Cinética

Es el estudio de las fuerzas que intervienen en la producción de los movimientos.

Electromiografía dinámica

Es el estudio de los patrones de actividad muscular durante la marcha.

Aplicaciones

El análisis de la marcha se utiliza para analizar la capacidad para caminar de humanos y animales, por lo que esta tecnología se puede utilizar para las siguientes aplicaciones:

Diagnóstico médico

La marcha patológica puede reflejar compensaciones de patologías subyacentes o ser responsable de la causa de los síntomas en sí misma. Los pacientes con parálisis cerebral y accidente cerebrovascular se ven comúnmente en los laboratorios de la marcha. El estudio de la marcha permite realizar diagnósticos y estrategias de intervención, además de posibilitar futuros desarrollos en la ingeniería de rehabilitación . Además de las aplicaciones clínicas, el análisis de la marcha se utiliza en el entrenamiento deportivo profesional para optimizar y mejorar el rendimiento deportivo.

Las técnicas de análisis de la marcha permiten evaluar los trastornos de la marcha y los efectos de la cirugía ortopédica correctiva. [20] Las opciones para el tratamiento de la parálisis cerebral incluyen la parálisis artificial de los músculos espásticos usando Botox o el alargamiento, la reinserción o el desprendimiento de tendones particulares . También se realizan correcciones de la anatomía ósea distorsionada ( osteotomía ). [20]

Usos quiroprácticos y osteopáticos.

La observación de la marcha también es beneficiosa para el diagnóstico en profesiones quiroprácticas y osteopáticas , ya que los obstáculos en la marcha pueden ser indicativos de una pelvis o sacro desalineados. A medida que el sacro y el ilion se mueven biomecánicamente en oposición entre sí, las adherencias entre ambos a través de los ligamentos sacroespinoso o sacrotuberoso (entre otros) pueden sugerir una pelvis rotada. Tanto los médicos quiroprácticos como los osteopáticos utilizan la marcha para discernir la inclinación de la pelvis y pueden emplear diversas técnicas para restaurar una gama completa de movimiento en las áreas involucradas en el movimiento ambulatorio. El ajuste quiropráctico de la pelvis ha mostrado una tendencia a ayudar a restaurar los patrones de marcha [21] [22] al igual que la terapia de manipulación osteopática (OMT). [23] [24]

Biomecánica comparada

Al estudiar el andar de animales no humanos, se puede obtener más información sobre la mecánica de la locomoción, lo que tiene diversas implicaciones para comprender la biología de las especies en cuestión, así como la locomoción en general.

La marcha como biometría

El reconocimiento de la marcha es un tipo de autenticación biométrica del comportamiento que reconoce y verifica a las personas por su estilo y ritmo al caminar. [25] [26] Los avances en el reconocimiento de la marcha han llevado al desarrollo de técnicas para uso forense, ya que cada persona puede tener una marcha definida por medidas únicas, como la ubicación del tobillo, la rodilla y la cadera. [27]

Vigilancia

En 2018, hubo informes de que el Gobierno de China había desarrollado herramientas de vigilancia basadas en el análisis de la marcha, lo que les permitía identificar de forma única a las personas, incluso si sus rostros estaban ocultos. [28] [29]

Medios populares

Ver también

Referencias

  1. ^ Levine DF, Richards J, Whittle M. (2012). Análisis de la marcha de Whittle Análisis de la marcha de Whittle Ciencias de la salud de Elsevier. ISBN  978-0702042652
  2. ^ Aristóteles (2004). Sobre el andar de los animales. Editorial Kessinger. ISBN 978-1-4191-3867-6.
  3. ^ Fischer, Otto; Braune, Wilhelm (1895). Der Gang des Menschen: Versuche am unbelasteten und belasteten Menschen, Banda 1 (en alemán). Editorial Hirzel.
  4. ^ Sutherland DH (2002). "La evolución del análisis clínico de la marcha: Parte II Cinemática". Marcha y postura . 16 (2): 159-179. CiteSeerX 10.1.1.626.9851 . doi :10.1016/s0966-6362(02)00004-8. PMID  12297257. 
  5. ^ Kadaba, diputado; Ramakrishnan, Hong Kong; Wootten, ME (mayo de 1990). "Medición de la cinemática de las extremidades inferiores durante la marcha nivelada". Revista de investigación ortopédica . 8 (3): 383–392. doi : 10.1002/jor.1100080310 . PMID  2324857. S2CID  17094196.
  6. ^ Schweitzer, Eric. "¿Qué es un análisis de la marcha?". Ejecución ideal .
  7. ^ U. Tasch, P. Moubarak, W. Tang, L. Zhu, RM Lovering, J. Roche, RJ Bloch. (2008). Un instrumento que mide simultáneamente los parámetros espaciotemporales de la marcha y las fuerzas de reacción del suelo en ratas locomotoras, en las actas de la novena conferencia bienal de ASME sobre diseño y análisis de sistemas de ingeniería, ESDA '08. Haifa, Israel, págs. 45–49.
  8. ^ Piérard, S.; Azrour, S.; Phan-Ba, R.; Van Droogenbroeck, M. (octubre de 2013). "GAIMS: un sistema de medición de la marcha fiable y no intrusivo". Noticias ERCIM . 95 : 26-27.
  9. ^ "El proyecto GAIMS".
  10. ^ Étienne-Jules Marey
  11. ^ Eadweard Muybridge
  12. ^ Davis RB, Õunpuu S, Tyburski D, Gage JR (1991). "Una técnica de reducción y recopilación de datos de análisis de la marcha". Ciencia del movimiento humano . 10 (5): 575–587. doi :10.1016/0167-9457(91)90046-z.
  13. ^ Robertson DGE, et al. (2004). Métodos de Investigación en Biomecánica . Champaign IL: Pubs de cinética humana.
  14. ^ Mejor, Russell; Mendigar, Rezaul (2006). "Descripción general del análisis del movimiento y las características de la marcha". En Begg, Rezaul; Palaniswami, Marimuthu (eds.). Inteligencia computacional para las ciencias del movimiento: redes neuronales y otras técnicas emergentes . Idea Group (publicado el 30 de marzo de 2006). págs. 11-18. ISBN 978-1-59140-836-9.
  15. ^ X. Zhang, M. Ding, G. Fan (2016) Estimación de la marcha humana basada en video mediante el uso de colectores de postura y marcha conjunta , Transacciones IEEE en circuitos y sistemas para tecnología de video, 2016
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  17. ^ "Análisis de la marcha con medición de presión". Tekscan . 9 de junio de 2017 . Consultado el 29 de septiembre de 2017 .
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  25. ^ Alzubaidi, Abdulaziz; Kalita, Yugal (2016). "Autenticación de usuarios de teléfonos inteligentes mediante biometría del comportamiento". Encuestas y tutoriales de comunicaciones IEEE . 18 (3): 1998-2026. arXiv : 1911.04104 . doi :10.1109/comst.2016.2537748. ISSN  1553-877X. S2CID  8443300.
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  29. ^ La tecnología china puede reconocer tu caminata , consultado el 27 de diciembre de 2021.

Otras lecturas

enlaces externos

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