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Análisis de la marcha

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

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Adquisición de información sobre la posición de los marcadores en 2D a través de las cámaras izquierda y derecha; esta combinación de información da lugar 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 del movimiento humano, utilizando la vista y el cerebro de los observadores, complementado con instrumentación para medir los movimientos corporales, la mecánica corporal y la actividad muscular. [ 1 ] El análisis de la marcha se utiliza para evaluar y tratar a personas con afecciones que afectan su capacidad para caminar. También se usa comúnmente en la biomecánica deportiva para ayudar a los atletas a correr de manera más eficiente y para identificar problemas posturales o relacionados con 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, extraer 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 la marcha de los animales) [ 2 ] y mucho más tarde, en 1680, Giovanni Alfonso Borelli en 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 sin carga. [ 3 ]

Fotografía médica de la marcha, 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 apreciaban 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 solía representarse erróneamente en las pinturas anteriores a este descubrimiento.

Aunque gran parte de la investigación inicial se realizó con cámaras de cine, la aplicación generalizada del análisis de la marcha en personas con patologías como la parálisis cerebral , la enfermedad de Parkinson y los trastornos neuromusculares comenzó en la década de 1970 con la disponibilidad de sistemas de videocámara que permitían realizar estudios detallados de pacientes individuales dentro de límites de costo y tiempo realistas. El desarrollo de regímenes de tratamiento, a menudo con cirugía ortopédica , basados ​​en los resultados del análisis de la marcha, avanzó significativamente en la década de 1980. Muchos de los principales hospitales ortopédicos del mundo cuentan ahora con laboratorios de análisis de la marcha que se utilizan habitualmente para diseñar planes de tratamiento y para el seguimiento de los pacientes.

El desarrollo de sistemas informáticos modernos se produjo de forma independiente a finales de la década de 1970 y principios de la de 1980 en varios laboratorios de investigación hospitalarios, algunos mediante colaboraciones con la industria aeroespacial. [ 4 ] El desarrollo comercial no tardó en llegar con la aparición de la televisión comercial y, posteriormente, de 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 cuenta con varias cámaras (de vídeo o infrarrojas) colocadas alrededor de una pasarela o cinta de correr, conectadas a un ordenador. El paciente lleva marcadores ubicados en diversos 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 corporales. El paciente camina por la pasarela o la cinta de correr 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 conjunto de marcadores del Hospital Helen Hayes [ 5 ] , en el que se colocan un total de 15 marcadores en la parte inferior del cuerpo. Los movimientos de los 15 marcadores se analizan analíticamente, lo que proporciona el movimiento angular de cada articulación.

Para calcular la cinética de los patrones de marcha, la mayoría de los laboratorios cuentan con transductores de carga instalados en el suelo, también conocidos como plataformas de fuerza, que miden las fuerzas y momentos de reacción del suelo, incluyendo su magnitud, dirección y ubicación (denominada centro de presión). La distribución espacial de las fuerzas se puede medir con equipos de pedobarografía . Al añadir esta información a la dinámica conocida de cada segmento corporal, se pueden resolver ecuaciones basadas en las ecuaciones de movimiento de Newton-Euler, lo que permite 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.

Sin embargo, este uso de la cinética no proporciona información sobre músculos individuales, sino sobre grupos musculares, como los extensores o flexores de la extremidad. Para detectar la actividad y la contribución de cada músculo al movimiento, es necesario investigar su actividad eléctrica. 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 muscular y, hasta cierto punto, la magnitud de dicha activación, evaluando así su contribución a la marcha. Las desviaciones de los patrones cinemáticos, cinéticos o electromiográficos normales se utilizan para diagnosticar patologías específicas, predecir el resultado de los tratamientos o determinar la eficacia de los programas de entrenamiento.

Factores y parámetros

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

  • Extrínsecos: como el terreno, el calzado, la ropa, la carga.
  • Factores intrínsecos: sexo, peso, altura, edad, etc.
  • Físico: como peso, altura, complexión
  • Psicológico: tipo de personalidad, emociones
  • Fisiológicas: características antropométricas, es decir, medidas y proporciones del cuerpo.
  • Patológicas: por ejemplo, traumatismos, enfermedades neurológicas, anomalías musculoesqueléticas, trastornos psiquiátricos.

Los parámetros tenidos en cuenta para el análisis de la marcha son los siguientes:

  • longitud del paso
  • Longitud de zancada
  • Cadencia
  • Velocidad
  • Base dinámica
  • Línea de progresión
  • Ángulo del pie
  • Ángulo de la cadera
  • Rendimiento en sentadillas [ 6 ]

Técnicas

Secuencias de caminata grabadas mediante captura de movimiento

El análisis de la marcha implica medición, [ 7 ] donde se introducen y analizan parámetros medibles, e interpretación, [ 8 ] donde se extraen conclusiones sobre el sujeto (salud, edad, tamaño, peso, velocidad, etc.). El análisis consiste en 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 mediante:

  • Cronómetro y marcas en el suelo.
  • Caminar sobre una esterilla de presión.
  • Sensores láser de alcance que escanean un plano a pocos centímetros del suelo. [ 9 ] [ 10 ]
  • Sensores inerciales y software para interpretar datos de giroscopios 3D y datos acelerométricos 3D.

Cinemática

  1. La cronofotografía es el método más básico para registrar el movimiento. En el pasado, se ha utilizado iluminación estroboscópica a una frecuencia conocida para ayudar en el análisis de la marcha en imágenes fotográficas individuales. [ 11 ] [ 12 ]
  2. Las grabaciones de cine o vídeo, obtenidas con una o varias cámaras, pueden utilizarse para medir ángulos y velocidades articulares. Este método se ha visto facilitado por el desarrollo de software de análisis que simplifica enormemente el proceso y permite el análisis en tres dimensiones, en lugar de solo en dos.
  3. Los sistemas de marcadores pasivos, que utilizan marcadores reflectantes (normalmente esferas reflectantes), permiten medir con precisión los movimientos mediante múltiples cámaras (normalmente de cinco a doce) simultáneamente. Las cámaras utilizan luces estroboscópicas de alta potencia (normalmente rojas, infrarrojas cercanas o infrarrojas) con filtros compatibles para registrar el reflejo de los marcadores colocados en el cuerpo. Los marcadores se ubican en puntos de referencia anatómicos palpables. Basándose en el ángulo y el retardo temporal 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 las que posteriormente se les asignan etiquetas de identificación. A continuación, se utiliza un modelo informático para calcular los ángulos articulares a partir de las posiciones relativas de los marcadores en las trayectorias etiquetadas. [ 13 ] Estos sistemas también se utilizan para la captura de movimiento en la industria cinematográfica. [ 14 ]
  4. Los sistemas de marcadores activos son similares a los sistemas de marcadores pasivos, pero utilizan marcadores "activos". Estos marcadores se activan mediante la señal infrarroja entrante y responden emitiendo una señal propia. Esta señal se utiliza para triangular la ubicación del marcador. La ventaja de este sistema sobre el pasivo radica en que cada marcador funciona a frecuencias predefinidas y, por lo tanto, posee su propia "identidad". Esto significa que no se requiere ningún procesamiento posterior de la ubicación de los marcadores; sin embargo, estos sistemas tienden a ser menos tolerantes a los marcadores que quedan fuera del campo de visión que los sistemas pasivos. [ 15 ]
  5. Sistemas inerciales (sin cámara) basados ​​en sensores inerciales MEMS , modelos biomecánicos y algoritmos de fusión de sensores. Estos sistemas, que abarcan todo el cuerpo o solo una parte, pueden utilizarse tanto en interiores como en exteriores, independientemente de las condiciones de iluminación.

Captura de la marcha sin marcadores

  • Los sistemas de captura de marcha sin marcadores utilizan una o más cámaras a color o sensores de profundidad 2.5D (por ejemplo, Kinect) para calcular directamente las posiciones de las articulaciones del cuerpo a partir de una secuencia de imágenes. El sistema sin marcadores permite el análisis no invasivo de la marcha humana en un entorno natural sin necesidad de colocar marcadores. La eliminación de marcadores puede ampliar la aplicabilidad de las técnicas de medición y análisis de la marcha humana, reducir considerablemente el tiempo de preparación y permitir una evaluación del movimiento eficiente y precisa en todo tipo de aplicaciones. Actualmente, el principal sistema sin marcadores es la captura de movimiento basada en vídeo con una cámara monocular o un estudio con varias cámaras. [ 16 ] Hoy en día, el análisis de la marcha basado en sensores de profundidad para aplicaciones clínicas se está volviendo cada vez más popular. Dado que los sensores de profundidad pueden medir la información de profundidad y proporcionar una imagen de profundidad 2.5D, han simplificado eficazmente la tarea de sustracción de primer plano/fondo y han reducido significativamente las ambigüedades de la postura en la estimación de la postura humana monocular . [ 17 ]

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 movimiento del centro de fuerza y ​​la simetría entre los lados. Estos sistemas suelen proporcionar más que solo información de presión; información adicional disponible de estos sistemas son fuerza , tiempo y parámetros espaciales. Hay diferentes métodos para evaluar la presión disponibles, como una alfombra de medición de presión o una pasarela (de mayor longitud para capturar más impactos del pie), así como sistemas de medición de presión dentro del calzado (donde los sensores se colocan dentro del calzado). [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Muchos sistemas de medición de presión se integran con otros tipos de sistemas de análisis, como captura de movimiento, EMG o plataformas de fuerza para proporcionar un análisis de la marcha completo.

Cinética

Es el estudio de las fuerzas involucradas en la producción de 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 de caminar de humanos y animales, por lo que esta tecnología se puede utilizar para las siguientes aplicaciones:

diagnósticos médicos

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

Las técnicas de análisis de la marcha permiten evaluar los trastornos de la marcha y los efectos de la cirugía ortopédica correctiva. [ 21 ] Las opciones para el tratamiento de la parálisis cerebral incluyen la parálisis artificial de los músculos espásticos mediante Botox o el alargamiento, la reinserción o la desinserción de tendones específicos . También se realizan correcciones de la anatomía ósea distorsionada ( osteotomía ). [ 21 ]

Usos quiroprácticos y osteopáticos

La observación de la marcha también es beneficiosa para los diagnósticos en las profesiones quiropráctica y osteopática , ya que las dificultades en la marcha pueden indicar una desalineación de la pelvis o el sacro. Dado que el sacro y el ilion se mueven biomecánicamente en oposición, las adherencias entre ambos a través de los ligamentos sacroespinoso o sacrotuberoso (entre otros) pueden sugerir una rotación pélvica. Tanto los quiroprácticos como los osteópatas utilizan la marcha para determinar la inclinación de la pelvis y pueden emplear diversas técnicas para restaurar la amplitud completa de movimiento en las áreas involucradas en la deambulación. El ajuste quiropráctico de la pelvis ha mostrado una tendencia a ayudar a restaurar los patrones de marcha [ 22 ] [ 23 ] , al igual que la terapia manipulativa osteopática (TMO). [ 24 ] [ 25 ]

Biomecánica comparada

Al estudiar la forma de andar de los animales no humanos, se puede obtener una mayor comprensión de la mecánica de la locomoción, lo que tiene diversas implicaciones para entender la biología de la especie en cuestión, así como la locomoción en general.

La marcha como medida biométrica

El reconocimiento de la marcha es un tipo de autenticación biométrica conductual que reconoce y verifica a las personas por su estilo y ritmo al caminar. [ 26 ] [ 27 ] 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 mediciones únicas, como la ubicación del tobillo, la rodilla y la cadera. [ 28 ]

Vigilancia

En 2018, se informó que el Gobierno de China había desarrollado herramientas de vigilancia basadas en el análisis de la marcha, lo que les permitía identificar de forma unívoca a las personas, incluso si sus rostros estaban ocultos. [ 29 ] [ 30 ]

  • G. K. Chesterton basó uno de sus misterios del padre Brown , "Los pies extraños", en el reconocimiento de la forma de andar.
  • En su libro Little Brother , Cory Doctorow hace mucho hincapié en el reconocimiento de la forma de andar como técnica de seguridad utilizada en una escuela secundaria .
  • En su obra Estudio en escarlata , Arthur Conan Doyle hace que Sherlock Holmes utilice el análisis de la marcha para determinar la altura del asesino Rache .
  • La película Misión Imposible: Nación Secreta incluye un análisis de la marcha en una escena donde Benji Dunn debe infiltrarse en una instalación que utiliza software de análisis de la marcha como parte de su protocolo de seguridad.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Levine DF, Richards J, Whittle M. (2012). Análisis de la marcha de Whittle. Análisis de la marcha de Whittle. Elsevier Health Sciences. ISBN 978-0702042652
  2. ↑ Aristóteles (2004). Sobre la marcha de los animales . Kessinger Publishing. 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". Gait & Posture . 16 (2): 159– 179. CiteSeerX 10.1.1.626.9851 . doi : 10.1016/s0966-6362(02)00004-8 . PMID 12297257 .  
  5. ↑ Kadaba, MP; Ramakrishnan, HK; Wootten, ME (mayo de 1990). "Medición de la cinemática de las extremidades inferiores durante la marcha en terreno llano" . Journal of Orthopaedic Research . 8 (3): 383– 392. doi : 10.1002/jor.1100080310 . PMID 2324857. S2CID 17094196 .  
  6. ↑ Schweitzer, Eric. "¿Qué es un análisis de la marcha?" . IdealRun .
  7. ↑ U. Tasch, P. Moubarak, W. Tang, L. Zhu, RM Lovering, J. Roche, RJ Bloch. (2008). Un instrumento que mide simultáneamente parámetros espaciotemporales de la marcha y fuerzas de reacción del suelo en ratas en movimiento, en Actas de la 9.ª Conferencia Bienal de la ASME sobre Diseño y Análisis de Sistemas de Ingeniería, ESDA '08. Haifa, Israel, págs. 45-49.
  8. ↑ "Universidades en Lahore - Análisis de la marcha impulsado por IA en el Doctorado en Terapia Física (DPT)" . Neilti .
  9. ↑ Piérard, S.; Azrour, S.; Phan-Ba, R.; Van Droogenbroeck, M. (octubre de 2013). "GAIMS: Un sistema fiable y no intrusivo para la medición de la marcha" . ERCIM News . 95 : 26–27 .
  10. ↑ "El proyecto GAIMS" .
  11. ↑ Étienne-Jules Marey
  12. ↑ Eadweard Muybridge
  13. ↑ Davis RB, Õunpuu S, Tyburski D, Gage JR (1991). "Una técnica de recopilación y reducción de datos de análisis de la marcha". Human Movement Science . 10 (5): 575– 587. doi : 10.1016/0167-9457(91)90046-z .
  14. ↑ Robertson DGE, et al. (2004). Métodos de investigación en biomecánica . Champaign IL: Human Kinetics Pubs.
  15. ↑ Best, Russell; Begg, 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). pp. 11–18 . ISBN  978-1-59140-836-9.
  16. ↑ X. Zhang, M. Ding, G. Fan (2016) Estimación de la marcha humana basada en vídeo mediante el uso de variedades de postura y marcha conjunta , IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2016
  17. ↑ "Investigación – Meng Ding" .
  18. ↑ "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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  20. ↑ "Descripción general de SCIENCE Insole3 - Moticon" . Consultado el 18 de diciembre de 2020 .
  21. 1 2 Amen, John; ElGebeily, Mohamed; El.Mikkawy, DaliaM. E.; Yousry, AhmedH; El-Sobky, TamerA (2018). "Cirugía multinivel de un solo evento para niños con parálisis cerebral en posición de cuclillas: correlaciones con la calidad de vida y la movilidad funcional" . Journal of Musculoskeletal Surgery and Research . 2 (4): 148. doi : 10.4103/jmsr.jmsr_48_18 . S2CID 81725776 . 
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  23. ↑ RO, Robinson; W, Herzog; BM, Nigg (1 de agosto de 1987). "Uso de variables de plataforma de fuerza para cuantificar los efectos de la manipulación quiropráctica en la simetría de la marcha". Journal of Manipulative and Physiological Therapeutics . 10 (4): 172– 6. ISSN 0161-4754 . PMID 2958572 .  
  24. ↑ MR, Wells; S, Giantinoto; D, D'Agate; RD, Areman; EA, Fazzini; D, Dowling; A, Bosak (1 de febrero de 1999). "El tratamiento manipulativo osteopático estándar mejora agudamente el rendimiento de la marcha en pacientes con enfermedad de Parkinson" . The Journal of the American Osteopathic Association . 99 (2): 92– 8. doi : 10.7556/jaoa.1999.99.2.92 . ISSN 0098-6151 . PMID 10079641 .  
  25. ↑ Vismara, Luca; Cimolin, Veronica; Galli, Manuela; Grugni, Graziano; Ancillao, Andrea; Capodaglio, Paolo (marzo de 2016). "El tratamiento manipulativo osteopático mejora el patrón de marcha y la postura en pacientes adultos con síndrome de Prader-Willi". Revista Internacional de Medicina Osteopática . 19 : 35–43 . doi : 10.1016/j.ijosm.2015.09.001 .
  26. ↑ Alzubaidi, Abdulaziz; Kalita, Jugal (2016). "Autenticación de usuarios de teléfonos inteligentes mediante biometría conductual" . IEEE Communications Surveys & Tutorials . 18 (3): 1998– 2026. arXiv : 1911.04104 . doi : 10.1109/comst.2016.2537748 . ISSN 1553-877X . S2CID 8443300 .  
  27. ↑ "Avances en el reconocimiento automático de la marcha – Publicación de la Conferencia IEEE" (PDF) . doi : 10.1109/AFGR.2004.1301521 . S2CID 13304163 . {{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  28. ↑ Bouchrika, Imed; Goffredo, Michaela; Carter, John; Nixon, Mark (julio de 2011). "Sobre el uso de la marcha en biometría forense". Journal of Forensic Sciences . 56 (4): 882– 889. doi : 10.1111/j.1556-4029.2011.01793.x . ISSN 1556-4029 . PMID 21554307. S2CID 14357171 .   
  29. ↑ Kang, Dake (6 de noviembre de 2018). "Tecnología china de 'reconocimiento de la marcha' identifica a las personas por su forma de caminar" . Associated Press . Consultado el 15 de junio de 2020 .
  30. ↑ La tecnología china puede reconocer tu forma de caminar , 2 de julio de 2020 , consultado el 27 de diciembre de 2021

Lecturas adicionales

  • Análisis de la marcha: función normal y patológica, segunda edición . Autoras: Jacquelin Perry y Judith M. Burnfield.
  • Biomecánica y control motor del movimiento humano. Autor: David A. Winter . Cuarta edición. Publicado por John Wiley & Sons, Nueva York.
  • Análisis de la marcha. Autores: David F. Levine , Jim Richards y Michael Whittle.
  • Análisis observacional de la marcha. Autor: Centro de Investigación y Educación Los Amigos
  • Análisis de la marcha: teoría y aplicación. Autoras: Rebecca L. Craik y Carol S. Oatis,
  • "El tratamiento de los problemas de la marcha en la parálisis cerebral", Clinics in Developmental Medicine n.° 164-165, editado por James R. Gage, 2004.
  • Análisis forense de la marcha: principios y métodos . Editores: Birch I., Nirenberg M., Vernon W. y Birch M. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2020.
  • Análisis clínico de la marcha
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