ads:
UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES
GABRIELA ALEJANDRA MOYA FERNANDEZ
DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVO PARA ANÁLISE
TRIDIMENSIONAL DE MOVIMENTO EM AMBIENTE
AQUÁTICO
Mogi das Cruzes, SP
2010
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES
GABRIELA ALEJANDRA MOYA FERNANDEZ
DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVO PARA ANÁLISE
TRIDIMENSIONAL DE MOVIMENTO EM AMBIENTE
AQUÁTICO
Orientador:: Prof. Dr. Ricardo Toshiyuki Irita
Tese apresentada ao Programa
Universidade de
Mogi das Cruzes
para a obtenção do Título de
Doutor em Engenharia.
Mogi das Cruzes, SP
2010
Pós-Graduação Integrada da
Área de Concentração: Processamento
de Sinais e Imagens Médicas.
ads:
FINANCIAMENTO
F
ICHA
C
ATALOGRÁFICA
Universidade de Mogi das Cruzes - Biblioteca Central
Fernandez, Gabriela Alejandra Moya
Desenvolvimento de dispositivo para análise
tridimensional de movimento em ambiente aquático /
Gabriela Alejandra Moya Fernandez. – 2010.
94 f.
Tese (Doutorado em Engenharia Biomédica) -
Universidade de Mogi das Cruzes, 2010
Área de concentração: Processamento de Sinais e
Imagens Médicas
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Toshiyuki Irita
1. Acelerômetro 2. Hidroterapia 3. Análise de
movimento 4. Viodeogrametria 5. Eletrogoniômetro I.
Irita, Ricardo Toshiyuki
CDD 615.853
AGRADECIMENTOS
À Deus, por tudo.
Aos meus Pais, Leopoldo e Gabriela, Meus Pilares, Meu “Porto Seguro”, pelo
amor, pela ajuda e apoio incondicional.
À minha Irmã Viviana, minha amiga, minha parceira, minha companheira, por
partilhar cada oração, cada sorriso e cada lágrima Sempre.
Ao meu “irmão pequeno” Clélio, pela espera em cada partida e abraço a cada
chegada.
Ao meu “irmão grande” Leopoldo e sua esposa Soraya, pelos pernoites,
esfirras e conversas à meia noite.
Ao meu “pequeno grande sobrinho” Matheus, por trazer mais alegria às nossas
vidas e pelos DVDs assistidos (e cantados!).
À minha tia Lala, pela compreensão, apoio e incentivo.
À minha madrinha Genilda, ao Tio João, minha afilhada Vanessa e meus
primos Júnior e Paulo e suas esposas Gisele e Gislaine, por toda a ajuda,
apoio e por serem minha família no Brasil.
Ao professor Dr. Ricardo T. Irita, orientador deste trabalho, por todo empenho,
ajuda, conhecimento, paciência e principalmente perseverança dedicados à
esta pesquisa...Obrigada Professor!
Aos professores do Programa de Engenharia Biomédica da Universidade de
Mogi das Cruzes, por toda a ajuda e atenção durante a realização deste
trabalho.
Aos membros da banca examinadora, Dr. Antonio Carlos Shimano, Dra.
Cynthia Yukiko Hiraga, Dr. Daniel Gustavo Goroso, Dr. Jean Jacques Bonvent,
pelos comentários e sugestões.
Aos amigos Alessandro, Helinhu e Terige, por toda a ajuda e dedicação à este
trabalho, carinho e amizade.
Aos amigos de laboratório Jefferson, Juliana e ao Felipe, pela ajuda, carinho e
amizade.
Às amigas Irmãs Andréia e Carol pela amizade, pelo ombro solidário, pelas
boas histórias divididas e escapas pra cantina.
À amiga Irmã Daniele, seu esposo Fernando e minha querida sobrinha Isabela,
por todo apoio, ajuda e por fazerem parte da minha vida.
Ás amigas do “Poderoso Quinteto”, especialmente minhas amigas Irmãs
Lindsay e Luciana, pelo apoio, incentivo, pelas conversas, conselhos, histórias,
choros e risadas divididas.
Ao Rico do NPT, por sempre ter me ajudado com os testes quando preciso e à
Regiane Santana, pela ajuda nos testes em piscina, Obrigada queridos!
À ASPAD – Associação de Pais e Amigos do Dowm – por ter cedido a piscina
para a realização dos testes em ambiente aquático.
Ao Sr. Vitor José pelo auxílio com os desenhos e companheirismo durante
nossa convivência.
A Capes pelo apoio financeiro.
A todos que contribuíram direta ou indiretamente para a realização deste
trabalho.
“Nunca digas: “Não posso”
Não fales: “Impossível”
Não perguntes: “Quem sou”
Não afirmes: “Não tenho”
Não te queixes: “Sou fraco”
Não clames: “Nada valho”
Não te digas inútil,
Não te creia sem força.
Age servindo aos outros,
Não deixes de ajudar.
Trabalha e Deus por ti criará maravilhas”.
(Emmanuel)
RESUMO
O estudo do movimento humano é de conhecida importância para os
profissionais da área da saúde envolvidos com o tratamento e reabilitação de
pessoas acometidas por desordens neuro motoras, uma vez que um programa
de tratamento clínico deve ser embasado em informações que possibilitem
avaliar com precisão as deficiências a serem sanadas. Embora existam
métodos que auxiliem na mensuração de movimentos corporais, as avaliações
físicas na maioria das vezes ainda são realizadas em ambiente de solo devido
à dificuldade na utilização de instrumentos capazes de mensurar os
movimentos corporais em ambiente aquático. Devido a esta carência, é
apresentado o estudo, desenvolvimento e aplicação de uma ferramenta
denominada AXXIS para análise de movimento baseado em sensor de
aceleração e que atenda as condições de uso em hidroterapia. Para auxiliar na
calibração da ferramenta proposta, foi utilizado um eletrogoniômetro e a
videogrametria. Após a etapa de calibração, foram obtidos através de testes de
correlação, valores próximos de 1, atestando a representatibilidade entre os
métodos utilizados. No trabalho são apresentados os resultados e análise de
movimentos do conjunto ombro e braço de um voluntário em ambiente fora e
dentro da água, demonstrando assim que a ferramenta AXXIS possibilita a
verificação e análise de parâmetros biométricos como velocidade, aceleração e
ângulo de uma articulação de interesse.
Palavras-chaves: hidroterapia, análise de movimento, videogrametria,
acelerômetro, sensor, eletrogoniômetro.
ABSTRACT
The professionals involved with treatment and rehabilitation of people affected
by motor neuron disorders, knows that the study of human movement
represents great importance in a clinical treatment program, because a program
treatment must be grounded in information that will assess accurately the
deficiencies to be remedied. Although there are methods that assist a
measuring body movement, the physical assessments in most cases are still
used in soil environment due the difficult in using instruments for measure the
human movements in the aquatic environment. So, this study presents the
development and implementation of a tool called AXXIS for motion analysis
based in an acceleration sensor with conditions for use in hydrotherapy. For to
assist in the calibration of the proposed tool, it was used a electrogoniometer
and videogrammetry. After the calibration stage, were obtained through tests of
correlation, values near 1, confirming the representativity of the used methods.
Thus, the tool AXXIS make possible the verification and analysis of biometric
parameters such as speed, acceleration and angle of a joint interest.
hydrotherapy, analysis motion
, videogrametry, accelerometer,
sensor, electrogoniometer.
Key words:
LISTA DE FIGURAS
Figura 1Posicionamento do sensor (KUMAR et al 2009). ............................... 19
Figura 2 Placa contendo o sensor de aceleração utilizado. ............................ 37
Figura 3 Eixos verificados durante a aceleração dinâmica (FREESCALE
SEMICONDUTOR, 2005) ................................................................................. 38
Figura 4 A Coordenadas adotadas pelos eixos do sensor; B - esquema dos
eixos x, y e z em relação a g; C – ângulos em relação aos eixos X, Y e Z. ..... 39
Figura 5 Apresentação geométrica para cálculo dos ângulos - exemplo no eixo
X. ...................................................................................................................... 40
Figura 6A - 6B . A área sobre a curva pode ser representada por um retângulo.
......................................................................................................................... 44
Figura 7 Esquema relacionando massa corpórea e as forças atuantes. .......... 46
Figura 8 Esquema representando o ambiente em que o corpo está inserido e o
cálculo para a Força equivalente. ..................................................................... 46
Figura 9 Diagrama em blocos da conversão de sinal de aceleração e
comunicação com o computador através da comunicação serial RS232. ....... 48
Figura 10 Potenciômetro como sensor de deslocamento angular. .................. 48
Figura 11 Diagrama em blocos da conversão de sinal de ângulo e
condicionamento de comunicação com o computador através da placa de
aquisição CAD12/32 com o conector ISA no computador. ............................... 49
Figura 12 Fluxograma de aquisição, calculo e armazenamento dos dados
capturados do sensor aceleração e do potenciômetro no LabView®. ............. 51
Figura 13 Fluxograma de aquisição e armazenamento dos dados capturados
do sensor.......................................................................................................... 52
Figura 14 Fluxograma com as operações de abertura, manipulação de dados e
mostra de resultados da rotina “cálculo”. ......................................................... 53
Figura 15 Posicionamento do acelerômetro, do potenciômetro, das hastes e do
goniômetro para a realização dos testes. ......................................................... 54
Figura 16 Ambiente utilizado para a execução dos testes dinâmicos. ............ 55
Figura 17 Motor utilizado para monitorar o deslocamento constante do
acelerômetro e do potenciômetro. .................................................................... 56
Figura 18 Configuração total em diagrama de blocos. .................................... 58
Figura 19 Verificação angular utilizando o acelerômetro, eletrogoniômetro e
imagem............................................................................................................. 59
Figura 20 Posicionamento dos marcadores e do sensor para a captação dos
dados. .............................................................................................................. 60
Figura 21 Materiais utilizados para os testes do acelerômetro em ambiente
aquático. ........................................................................................................... 62
Figura 22 Testes utilizando o acelerômetro em ambiente aquático. ................ 63
Figura 23 Utilização do acelerômetro para análise de movimento em ambiente
aquático. ........................................................................................................... 63
Figura 24 Comportamento do potenciômetro em relação ao goniômetro ........ 64
Figura 25 Janela do programa desenvolvido em LabView®. .......................... 65
Figura 26 Visualização dos valores angulares captados pelo eletrogoniômetro
e pelo acelerômetro no eixo X. ......................................................................... 65
Figura 27 Visualização dos valores angulares captados pelo eletrogoniômetro
e pelo acelerômetro no eixo Y. ......................................................................... 66
Figura 28 Visualização dos valores angulares captados pelo eletrogoniômetro
e pelo acelerômetro no eixo Z. ......................................................................... 66
Figura 29 Visualização dos dados obtidos em uma velocidade constante. ..... 67
Figura 30 Deslocamento verificado com o acelerômetro, o eletrogoniômetro e
o processamento de imagens. ......................................................................... 68
Figura 31 Variação da aceleração a partir dos dados angulares. .................... 69
Figura 32 Variação da velocidade a partir do deslocamento angular realizado.
......................................................................................................................... 69
Figura 33 Variação do deslocamento a partir dos dados angulares. ............... 70
Figura 34 Gráfico referente aos dados verificados com o sistema de imagens e
com o acelerômetro no eixo X. ......................................................................... 71
Figura 35 Gráfico referente aos dados verificados com o sistema de imagens e
com o acelerômetro no eixo X. ......................................................................... 71
Figura 36 Gráfico referente aos dados verificados com o sistema de imagens e
com o acelerômetro no eixo Y. ......................................................................... 72
Figura 37 Gráfico referente aos dados verificados com o sistema de imagens e
com o acelerômetro no eixo Z. ......................................................................... 72
Figura 38 Janela do programa desenvolvido em Matlab®. ............................. 73
Figura 39 Visualização das acelerações nos eixos X, Y e Z durante a
movimentação do braço. .................................................................................. 74
Figura 40 Visualização da aceleração 3D durante o movimento realizado. .... 74
Figura 41 Visualização da variação angular em X, Y e Z. ............................... 75
Figura 42 Variação das velocidades angulares em X, Y e Z. .......................... 75
Figura 43 Variação das forças durante o movimento realizado. ...................... 76
Figura 44 Verificação do deslocamento captado pelo acelerômetro,
eletrogoniômetro e sistema de imagens ........................................................... 77
Figura 45 Acelerações nos eixos x, y e z durante a movimentação do braço . 78
Figura 46 Visualização da aceleração durante o deslocamento. ..................... 78
Figura 47 Variação angular no movimento realizado. ..................................... 79
Figura 48 Gráfico com as velocidades angulares captadas com o sensor. ..... 79
Figura 49 Gráfico das forças nos eixo X, Y e Z. .............................................. 80
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Seqüência de etapas do projeto ........................................................ 33
Tabela 2Lista de materiais utilizados para desenvolvimento do AXXIS. .......... 34
Tabela 3Lista de materiais utilizados no sistema fotogramétrico ..................... 34
Tabela 4 Coeficiente de Correlação -dados do potenciômetro e acelerômetro. 67
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A/D Analógico para digital
ADM Amplitude de Movimento
Ang Ângulo
PCA Peso Corporal Aparente
PO Pós-Operatório
FC Freqüência Cardíaca
cm Centímetro
Kg Kilograma
DAQ Data Acquisition (Aquisição de Dados)
Hz hertz (unidade de freqüência)
MSD Membro Superior Direito
PA Pressão Arterial
LCA Ligamento Cruzado Anterior
PC Personal Computer (Computador Pessoal)
IC Integrate Circuit (Circuito Integrado)
DLT
Direct Lienar Transformation ( Transformada Linear
Direta)
PIC Microcontrolador da Microchip
USB Universal Serial Bus
t tempo
p peso
m massa
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................. 13
1.1 OBJETIVOS
.......................................
........................................................... 14
1.1.1 Objetivo Geral ............................................................................................ 14
1.1.2 Objetivos Específicos ................................................................................. 14
1.2 JUSTIFICATIVA ............................................................................................ 15
2 ESTADO DA ARTE ......................................................................................... 17
2.1 UTILIZAÇÃO DE ACELERÔMETROS PARA ANÁLISE DE MOVIMENTO .. 17
2.2 VIDEOGRAMETRIA ...................................................................................... 21
2.3 ESTUDOS EM AMBIENTE AQUÁTICO E HIDROTERAPIA ......................... 24
2.4 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO ...................................................................... 30
3 METODOLOGIA .............................................................................................. 32
3.1. ETAPAS EXECUTADAS NO PROJETO ...................................................... 32
3.2. MATERIAIS UTILIZADOS ............................................................................ 33
3.3 ETAPA 1: ESTUDO DO MOVIMENTO 3D E A ESCOLHA DOS
PARÂMETROS DE INTERESSE PARA ESTE TRABALHO. .............................. 35
a) movimentos analisados ................................................................................... 35
b) Parâmetros de Interesse na Análise ............................................................... 36
3.4 ETAPA 2: ESCOLHA DO SENSOR E O CÁLCULO DOS PARÂMETROS
FÍSICOS A SEREM MOSTRADOS PARA MONITORAMENTO NO
DISPOSITIVO. .................................................................................................... 37
Parâmetros a serem calculados a partir dos dados de aceleração ..................... 39
3.5 ETAPA 3: DESENVOLVIMENTO DO CIRCUITO E FLUXOGRAMA DE
FUNCIONAMENTO DO DISPOSITIVO COM SENSOR ..................................... 47
Fluxograma dos programas de aquisição, cálculos e mostra dos parâmetros no
LabView
®
............................................................................................................. 50
Fluxogramas dos programas de aquisição, cálculos e mostra dos parâmetros
no Matlab
®
. .......................................................................................................... 51
3.6 ETAPA 4: CALIBRAÇÃO E TESTES DO DISPOSITIVO COM SENSOR ..... 54
3.7 ETAPA 5: ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS DADOS APÓS A CALIBRAÇÃO
DO SENSOR. ...................................................................................................... 56
3.8 ETAPA 6: IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA DVIDEO AO DISPOSITOVO
PARA ANÁLISE E PROCESSAMENTO DE IMAGENS. ..................................... 57
Parâmetros calculados a partir de processamento de imagens .......................... 59
3.9 ETAPA 7: UTILIZAÇÃO DO SISTEMA CONJUNTO – ACELERÔMETRO
+SISTEMA DE IMAGEM – EM ANÁLISE DOS MOVIMENTOS EM MEMBRO
SUPERIOR EM AMBIENTE TERRESTRE. ........................................................ 59
3.10 ETAPA 8: UTILIZAÇÃO DO SISTEMA CONJUNTO – ACELERÔMETRO +
SISTEMA DE IMAGEM – TESTE EM AMBIENTE AQUÁTICO. ......................... 60
4 RESULTADOS ................................................................................................. 64
5 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO ......................................................................... 81
6 TRABALHOS FUTUROS................................................................................. 87
REFERÊNCIAS ................................................................... 88
................................
13
1 INTRODUÇÃO
Exercícios em ambiente aquático são amplamente empregados em
programas de reabilitação (BARBOSA et al, 2009; BISCARINI et al, 2007;
POYHONEN et al,2001b; BARELA et al, 2008;BARELA et al, 2005), pois a as
propriedades físicas da água minimizam o contato das forças e o impacto sobre
as articulações, ossos e músculos. A pressão hidrostática ainda reduz o
prejuízo do inchaço e incrementa a circulação sanguínea, sendo que a força de
resistência da água também pode ser utilizada nas sessões de hidroterapia
conforme a resposta muscular de cada paciente.
Os benefícios fisiológicos provocados pelo exercício físico quando
realizado em situação de imersão são bem conhecidos (PRINS, 2009),
contudo, os sistemas de análises de movimentos existentes no mercado, são
direcionados especificamente para ambiente terrestre. Desse modo, poucos
são os estudos que envolvem a análise biomecânica e hidrodinâmica de
exercícios aquáticos durante a reabilitação, ainda que a hidroterapia seja
extensamente recomendada para auxiliar na reabilitação de atletas ou
pacientes com alterações neuro motoras (MOMBERG et al 2008, BISCARINI et
al 2005, KANEDA et al 2007). Bates e Hanson (1998) sugerem que um
programa de reabilitação efetivo começa com uma coleta de informações sobre
o paciente de modo a poder avaliar com precisão a gravidade da disfunção
apresentada para que o terapeuta possa definir as metas e objetivos de
tratamento fisioterapêutico. O terapeuta deve documentar o progresso do
paciente durante todo o programa, anotando tanto os resultados positivos como
os negativos. Relatórios precisos e com riqueza de informações ajudam a
avaliar a performance de um programa terapêutico de acordo com as metas e
objetivos estabelecidos. Desta forma, a mensuração de parâmetros biométricos
é de conhecida importância para os profissionais envolvidos com o tratamento
de desordens neuro motoras, o que demonstra que a utilização de um sistema
para análise de movimento baseado em sensores sensíveis ao deslocamento
corporal se mostra não apenas útil para a avaliação das alterações motoras de
14
um paciente, mas também para o acompanhamento da evolução física durante
um programa de reabilitação.
Neste trabalho no capítulo 1, os objetivos e a justificativa são
apresentados. No capítulo 2 são verificados o estado da arte relacionado aos
estudos voltados à hidroterapia bem como trabalhos de processamento de
imagens e sensores utilizados em estudos biomecânicos seja em ambiente
terrestre ou ambiente aquático. Já no capítulo 3, é apresentada a metodologia
e os materiais utilizados neste trabalho, enquanto que no capítulo 4 os
resultados são descritos. No capítulo 5 é realizada a discussão e a conclusão,
avaliando as dificuldades encontradas bem como os pontos alcançados e os
pontos que por ventura não se mostraram satisfatórios. Para finalizar a Tese,
no capítulo 6 são apresentadas as considerações finais.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral
Este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema baseado em
sensor de aceleração para análise tridimensional de movimento para uso em
ambiente aquático.
1.1.2 Objetivos Específicos
Testar e validar o acelerômetro em ambiente terrestre e ambiente
aquático.
Calibrar o acelerômetro.
Comparar os resultados em ambiente de solo com outros
sistemas de mensuração de movimentos – eletrogoniômetro e
videogrametria.
15
Comparar os resultados em ambiente aquático com outro sistema
de mensuração de movimentos – eletrogoniômetro e
videogrametria.
Implementar o acelerômetro em uma análise 3D de movimento
humano.
1.2 JUSTIFICATIVA
A mensuração de movimentos corporais é de grande importância para
aplicações clínicas uma vez que é capaz de auxiliar no diagnóstico e análise de
desordens neuro motoras (LUINGE et al 2007, CROCE et al 2004). Contudo,
poucos são os estudos que focalizam o desenvolvimento de sistemas de
análise de movimento em ambiente aquático (RIBAS et al 2007, ERVILHA, et al
2002).
Um método amplamente utilizado no estudo do movimento humano é a
análise vídeo-assistida, que utiliza câmeras de vídeo para a captura dos dados
dos movimentos a serem estudados(BAHMm et al 2003; SCHWARTZ et al
2005, SIMCOX et al , 2005; PARK et al 2008, WILLIMAS et al 2006. No
entanto, quando este método é aplicado em ambiente aquático, a presença das
bolhas de ar e a turbulência da água podem tornar o marcador invisível em
determinadas situações, ocasionando perda e conseqüente eliminação das
coordenadas de interesse (OLGY et al ,2000).
A utilização de acelerômetros, ou seja, sensores capazes de mesurar a
aceleração de movimentos para a aquisição de dados de movimento, também
vem sendo amplamente empregada em estudos do movimento humano
(JÄMSÄ et al, 2005, JOVANOV et al, 2005; SIMCOX et al, 2005, LUINGE et al
2007; MU et al 2008), já que apresentam a vantagem de serem de pequena
dimensão física, não interferindo de maneira significativa nos movimentos a ser
realizado (LUINGE et al, 2004; GIANSANTI et al, 2005). Além disso,
dispositivos como o acelerômetro apresentam a particularidade de serem de
baixo custo (BOONSTRA et 2006; BARRY et al, 2007).
16
Sendo assim, este trabalho apresenta o desenvolvimento do sistema
AXXIS - dispositivo eletrônico de monitoramento de movimentos humanos -
baseado em sensor de aceleração e adaptado para uso em ambiente aquático.
17
2 ESTADO DA ARTE
Neste capítulo são abordados temas referentes aos trabalhos
desenvolvidos utilizando acelerômetros na análise de movimento bem como a
aplicabilidade deste tipo de sensor em sistemas biomédicos, observando
também estudos que utilizam a fotogrametria como ferramenta para a
verificação do movimento. Além disso, os estudos realizados em ambiente
aquático também são referenciados, seja focando no instrumental utilizado ou
nos trabalhos voltados à hidroterapia, a fim de propiciar comparações com o
sistema proposto.
2.1 UTILIZAÇÃO DE ACELERÔMETROS PARA ANÁLISE DE
MOVIMENTO
Os sensores sensíveis aos deslocamentos tiveram o seu uso limitado
para utilização em análise de movimentos no início do século passado pela
grande dificuldade no tratamento de sinais além de serem de tamanhos e
pesos significativos, pois eram necessários uns emaranhados de fios e
conexões para a sua operação, ocasionando em riscos de descargas elétricas
ao usuário. Com o desenvolvimento de sensores mais confiáveis, menores e,
principalmente, com a chegada da tecnologia sem fios (wireless) foi reaberta a
possibilidade de uso destes mecanismos novamente para a análise de
movimento, como verificado no estudo realizado por Corkery et al (2005), onde
a utilização de sensores mostra-se uma alternativa viável para a aquisição de
dados de mobilidade em ambulatório para o monitoramento contínuo dos
movimentos humanos . Neste estudo, os sensores utilizados consistiram em
acelerômetros (Analog Devices ADLX 202), giroscópio (Murata ENC-03J),
magnetômetros (Honeywel HMC1052) e sensor de temperatura (Analog
Devices TMP36) arranjados ortogonalmente para mensurar em três dimensões
e assim adquirir dados de mobilidade a fim de determinar informações
18
confiáveis sobre as atividades diárias dos usuários. O princípio de operação foi
estimado pela orientação baseada nas análises das saídas de todos os
sensores. Acelerômetros mensuram tanto a aceleração estática quanto a
aceleração dinâmica, e como o campo de gravidade sempre tem a mesma
direção e valor, os acelerômetros triaxiais foram posicionados em um objeto
tendo a direção para o local de aceleração vertical. Com os magnetômetros, o
campo magnético foi orientado para o norte com o ângulo dependente da
latitude do local monitorado, combinado com a saída da velocidade angular do
giroscópio, dessa forma, foi possível então determinar o perfil da atividade que
estava sendo realizada, e por conseqüência monitorar o movimento dos
usuários.
Outro estudo que lançou mão de acelerômetros na análise de
movimento, foi realizado por Luinge et al (2007), que para avaliar o impacto das
alterações neuro musculares em extremidades superiores durante as
atividades funcionais de vida diária utilizou um sistema baseado em
acelerômetro e giroscópios em ambiente ambulatorial. Durante o
desenvolvimento do estudo foi possível adquirir dados a cerca da velocidade e
dos ângulos de movimento durante o deslocamento do braço, no entanto, foi
observado que o sistema apresentava dificuldades na captação de informações
quando os movimentos eram realizados apenas no plano horizontal.
No trabalho realizado por Roetenberg et al (2008), acelerômetros
também foram utilizados para análise de movimentos em ambulatório
combinando os sinais dos acelerômetros com sinais de giroscópios e
magnetômetros. O objetivo deste trabalho foi apresentar um método para
estimar a orientação e posição do corpo humano de forma tridimensional
através da integração de sinais de acelerômetros e giroscópios. O método
proposto foi aplicado em uma análise de marcha, portanto os sensores foram
posicionados nos pés, pernas, coxas e pelve (bilateralmente). Um indivíduo
saudável foi instruído a caminhar em velocidade confortável por 10 metros em
um corredor do ambulatório. Após os dados inerciais capturados, foi possível
verificar as alterações de posição, concluindo que o método apresentado
19
permitiu a análise de movimento proposta com a utilização de sensores
inerciais em análises 3D.
No trabalho desenvolvido por Lee et al (2009), um sensor de aceleração
foi utilizado para a realização de um monitoramento detalhado dos movimentos
humanos a nível de ambulatório. Neste trabalho um acelerômetro 3D foi
posicionado na cintura de um voluntario, sendo que as mudanças da
aceleração foram medidas enquanto o voluntário repetia posturas como
levantar, sentar, repousar, andar a e correr com uma freqüência de
amostragem de 100Hz, calculando-se posteriormente a aceleração máxima,
média e desvio padrão captados a partir dos canais de aceleração. Embora o
sensor utilizado tenha apresentado deficiência para mensurar os movimentos
de subir e descer escadas, nas outras cinco atividades (em pé, sentado,
deitado, andando e correndo) os dados obtidos foram satisfatórios, uma vez
que a atividade no reconhecimento dessas características (utilizando algoritmo
de classificação Fuzzy C) demonstrou 99,5% de precisão nos dados obtidos
com o método proposto.Já no trabalho desenvolvido por Kumar et al 2009, um
sensor de aceleração ADLX 330 tri axial da Analog Devices foi utilizado para
medir as fases , duração e a velocidade da marcha, sendo que os dados foram
obtidos a partir de indivíduos saudáveis. A tensão de saída do acelerômetro foi
calibrada de acordo com o movimento humano correspondente, ou seja, nas
coordenadas X, Y e Z. O sensor foi posicionado em 3 diferentes locais da
perna: na lateral logo abaixo do joelho (Posição 1), na lateral em região de
tornozelo (Posição 2) e na região inferior frontal da perna (Posição 3) conforme
a figura abaixo (figura 1).
Figura 1 Posicionamento do sensor .
Fonte: Kumar et al (2009).
20
Com o desenvolvimento do trabalho foi concluído que o sensor de
aceleração utilizado mostrou precisão, confiabilidade e repetibilidade nos dados
obtidos. Foi também verificada concordância com os conceitos de biomecânica
que relatam maior variedade de movimentos no segmento inferior (tornozelo),
em comparação com o segmento superior (tronco). Neste trabalho também
observou-se a possibilidade de utilizar o sensor no controle do comportamento
de uma prótese de joelho, auxiliando assim pacientes amputados a adquirirem
uma marcha mais próxima da natural.
Em outro estudo da marcha realizado por Djikstra et al (2008), o objetivo
foi examinar se o período e o número de passos da marcha poderiam ser
detectados com precisão por um pequeno sinal de um dispositivo fixado ao
corpo de pacientes idosos com mal de Parkinson. Foi utilizado o sistema Dyna
Port contendo 3 sensores acelerômetros posicionados de forma ortogonal,
cada um mensurando a uma taxa de 100HZ com dados obtidos armazenados
em uma SD Card.Este sistema foi fixado em um cinto posicionado na cintura
de um voluntário, sendo que também foi utilizado o sistema Yamax, ou seja,
dois pedômetros fixados ao cinto no lado direito e esquerdo do quadril. O
protocolo de marcha incluiu oito tarefas executadas em uma área definida de
um corredor interno realizadas de forma confortável ao voluntário, sem
qualquer tipo de comando. Cada tarefa consistia em andar um percurso em
linha reta três vezes. Todas as medidas foram filmadas com uma câmera de
vídeo posicionado a cerca de 2,0m atrás da linha de chegada, por isso as
características da marcha foram avaliadas a partir de uma vista frontal. O limiar
de caminhada foi determinada a partir da resultante obtida dos três sensores
de aceleração. As características observadas no vídeo foram tomadas como
“padrão ouro”. Os efeitos entre os instrumentos e as tarefas realizadas foram
analisadas estatisticamente utilizando a ANOVA. Apesar de várias tarefas
realizadas com elementos da marcha diária analisadas, para a validação do
sistema faz-se necessário continuar como o monitoramento de longo prazo na
comunidade ou na casa do usuário, onde caminhar é mais diversificado e não
exclusivamente restrito em linhas. No entanto, concluiu-se que os sistemas
21
DynaPort e Yamax fornecem uma maneira simples e amigável ao voluntário de
mensurar a marcha e atividades físicas.
Outro trabalho que demonstrou a classificação dos movimentos do corpo
utilizando acelerômetros é visto no estudo realizado por Mannini et al 2010, que
utilizou os dados coletados por 5 acelerômetros biaxiais localizados no quadril,
pulso, braço, tornozelo e coxa em um freqüência de 76,25Hz. Neste estudo, foi
discutido como a atividade física humana pode ser classificadas através de
acelerômetros no corpo, com uma maior ênfase dedicada ao algoritmos
computacionais utilizadas para essa finalidade. Embora sensores inerciais
sejam uma escolha interessante por serem são auto-suficientes, não sofrerem
oclusões e serem imune a interferências visuais, o tratamento dos dados pode
ser comprometido pelo ruído apresentado pelo sensor, o que pode impedir de
fornecer a posição exata / dados de orientação para além de alguns segundos
ou minutos. No entanto, a precisão de classificação obtidos através da análise
do conjunto de aceleração neste trabalho, foi extremamente alto, motivando
desta forma a continuidade do trabalho que visa desenvolver um sistema de
sensores portáteis de navegação para pedestres, já que a disponibilidade de
um sistema capaz de classificar automaticamente a atividade física realizada
por um sujeito humano é extremamente atraente para muitas aplicações no
domínio da vigilância de saúde e no desenvolvimento de avançadas interfaces
homem-máquina.
2.2 VIDEOGRAMETRIA
Dentre as ferramentas utilizadas para a análise biomecânica dos
movimentos corporais a videogrametria ou fotogrametria, definida como arte,
ciência ou tecnologia para se obter informações quantitativas de objetos físicos
através de gravação, medição e interpretação de imagens fotográficas
(KARARA, 1988) é amplamente conhecida. O instrumento básico para medidas
cinemáticas é baseado em câmeras de vídeo que registram a imagem do
22
movimento, para posteriormente através de softwares específicos, calcular as
variáveis cinemáticas de interesse.
Para uma análise cinemática, a correta colocação dos marcadores é
muito importante para gerar um sistema de coordenadas reprodutíveis. Os
marcadores podem ser divididos basicamente em dois grupos:
Marcadores ativos: geralmente diodos emissores de luz (LEDs), que
emitem luz infravermelha ao sensor;
Marcadores passivos: dispositivos refletores, refletindo a luz ambiente
ou projetada de volta ao sensor (KARARA, 1988).
No trabalho apresentado por Miltner et al (2002), é visto um método
para análise tridimensional dos movimentos do membro superior com enfoque
em uma primeira aplicação clínica que utilizou a videogrametria como
ferramenta para análise do movimento. O método envolveu uma marcação
baseada na análise tridimensional dos movimentos do pulso e cotovelo através
dos movimentos das extremidades dos membros superiores. Foram avaliados
dez sujeitos saudáveis e 8 pacientes (7 operados e 1 em terapia) utilizando
essas marcações como parâmetros nas análises realizadas com vídeo. Os
sujeitos saudáveis revelaram uma curva de movimento reproduzível para o
movimento específico testado. As curvas foram definidas como o padrão
normal e foram utilizadas para comparações em outros testes. No grupo em
que era realizado algum tratamento, uma melhora no movimento tridimensional
pôde ser documentada pelo efeito da reabilitação no ombro. Sendo assim,
concluiu-se que este procedimento com marcadores desenvolvidos para
análise tridimensional dos movimentos é apropriado para a captura de
movimentos complexos não restritos.
Na pesquisa desenvolvida por Park et al (2008), a videogrametria foi
utilizada no estudo das estratégias de balanço humano durante a perturbação
do equilíbrio, para tanto, dez voluntários participaram da aquisição dos dados.
Os voluntários foram instruídos a levantar caixas no plano sagital sem
orientações específicas de como deveria ser feito. Foram utilizadas duas caixas
com peso de 9.09kg e 13.6kg, sendo solicitadas duas repetições de cada
levantamento. Os voluntários receberam marcadores ópticos na mão, cotovelo,
23
ombro, tornozelo, joelho e quadril no hemicorpo direito, o que possibilitou ao
sistema de câmeras utilizadas determinarem a posição e tempo das trajetórias
dos seis marcadores, gravados com uma freqüência de amostragem de 60 Hz.
Para cada movimento registrado, os ângulos articulares bem como as
trajetórias foram calculados com base no modelo de articulação cinemática.
Este modelo consiste em cinco corpos rígidos (parte inferior da perna, coxa,
tronco e cabeça, braço, antebraço e mão) e cinco ângulos articulares
(tornozelo, joelho, quadril, ombro e cotovelo). Desta maneira, após a análise
dos dados capturados, foi possível observar quantitativamente as
características envolvidas nas estratégias de equilíbrio dos movimentos
humanos, como por exemplo, nas articulações do tornozelo e quadril, o que
atesta o método proposto, como uma ferramenta útil para o estudo das
estratégias de equilíbrio humano.
No trabalho desenvolvido por Mottram et al (2009), o principal objetivo foi
quantificar os movimentos que ocorrem comumente durante exercícios
voltados para a escápula. O segundo objetivo foi descrever a capacidade dos
indivíduos em aprender esses exercícios após um breve período de instrução.
Para a medição das ações musculares e da posição, foi utilizada a
eletromiografia e um sistema de vídeogrametria que contou com marcadores
ativos de LED posicionados no tórax (T1, T3, T6), no ângulo inferior da espinha
da escápula e região póstero-laterlal do acrômio. As posições dos marcadores
foram capturadas a uma freqüência de 100Hz e participaram do estudo 30
voluntários com alguma patologia envolvendo a região de ombro. Ao término
do estudo, observou-se que o músculo trapézio demonstrou atividade
significativa durante o movimento solicitado, sendo que também foi percebido a
capacidade dos voluntários em repetir com precisão os movimentos sem
qualquer tipo de orientação posterior.
No estudo desenvolvido por Leardini et al (2009), a videogrametria foi
utilizada com o objetivo de comparar quantitativamente diferentes modelos
para a cinemática do tronco humano durante a locomoção tendo como base o
mesmo movimento. Participaram do estudo 10 voluntários, que receberam 14
marcadores de superfície no tronco, sendo que o posicionamento destes
24
marcadores foram identificados a partir da união de 8 modelos atualmente
utilizados na análise cinemática do tronco. Foram verificadas atividades da vida
diária (andar, sentar, levantar), bem como os movimentos elementares do
tronco (flexão, extensão e rotação axial). Após a coleta e interpretação dos
dados, foi concluído que a análise cinemática do tronco de todos os modelos
utilizados, tanto em termos de posicionamento dos marcadores, quanto em
relação aos sistemas de referência utilizados, devem ser observados com
cuidado e atenção antes de interpretar os resultados na tomada de decisões
clínicas.
2.3 ESTUDOS EM AMBIENTE AQUÁTICO E HIDROTERAPIA
Conforme Prins (2009), as propriedades físicas da água promovem um
ambiente único para exercícios que desenvolvem a força, flexibilidade e
incremento das condições cardiovasculares. Estes benefícios são percebidos
tanto durante a prática de natação por pessoas saudáveis, quanto por pessoas
acometidas por alguma patologia e que sejam submetidas a sessões de
hidroterapia (BARBOSA et al, 2009). Sendo assim, ao se saber que a utilização
do meio líquido desenvolve vantagens fisiológicas ao corpo humano, estudos
referentes aos efeitos e princípios físicos da água em um contexto terapêutico
são abordados em estudos como no trabalho apresentado por Caromano et al
(2002) onde é apresentada uma visão geral dos aspectos físicos que
influenciam na imersão e no movimento do corpo humano na água e suas
implicações para a hidroterapia. O objetivo do trabalho foi fornecer elementos
para o fisioterapeuta compreender as adaptações orgânicas desencadeadas a
partir da imersão do corpo na água durante a prática de exercícios físicos,
verificando as respostas cardiovasculares, os efeitos da imersão no sistema
respiratório e renal, bem como a resposta do metabolismo energético aeróbio,
energético anaeróbio, circulação sanguínea, ventilação, regulação da
temperatura e sistema endócrino. A fim de avaliar os efeitos da
hidrocinesioterapia, ou seja, terapia de reabilitação realizada em piscina
25
terapêutica, Fiorelli et al (2002) relatam em artigo seus efeitos na amplitude de
movimento em indivíduos utilizando o método Bad Ragaz , e que se caracteriza
por utilizar as propriedades da água de turbulência, hidrodinâmica e flutuação.
Ao término deste trabalho, os autores concluíram que o Método Bad Ragaz
produziu efeitos positivos e significativos na alteração da ADM – Amplitude de
Movimento - nas articulações estudadas, para a população especificada. No
artigo de Barbosa et al (2009) foi relatada a resposta fisiológica do corpo
humano frente aos exercícios aquáticos segundo a temperatura da água,
profundidade, tipo de exercício, equipamentos adicionais utilizados, segmentos
corporais exercitados bem como a cadencia musical utilizada. Sobre as
adaptações crônicas, os resultados relataram adaptações cardiovasculares e
metabólicas, alongamento muscular, flexibilidade e composição corporal
melhoradas.
No estudo realizado por Kabuki et al (2007), foram verificados os efeitos
da hidroterapia na Pressão Arterial (PA) – e Freqüência Cardíaca (FC) em
pacientes portadores de acidente cerebrovascular, para mensurar as
alterações fisiológicas de interesse, um estetoscópio, um esfignonamômetro e
um frequencimetro foram utilizados para verificar as alterações na PA e FC
antes e depois de cada terapia realizada em uma piscina aquecida a 34 graus
centígrados. Participaram deste estudo 2 pacientes com 65 anos de idade, com
diagnóstico de acidente cerebrovascular há um ano. Foram realizadas 24
sessões de hidroterapia, sendo que a terapia foi baseada em exercícios de
alongamento global, exercícios ativos-livres, exercícios passivos e de
condicionamento cárdio-respiratório. Os pacientes apresentaram pressão alta
antes do início de cada sessão e após o término de cada terapia apresentaram
diminuição tanto na pressão sistólica, quanto na diastólica. A freqüência
cardíaca teve seu valor aumentado após as sessões, porém durante os treinos
cárdio-respiratorios com a imersão de face, houve uma diminuição da
freqüência cardíaca. Com este estudo, verificou-se que os pacientes avaliados
apresentaram uma diminuição da pressão sistólica em 4,1% e da pressão
diastólica em 10,1%, após as terapias. A freqüência cardíaca teve um aumento
de 15,3% após as sessões, e durante uma queda de 1%. Desta maneira,
26
concluiu-se que a hidroterapia e a atividade física, quando associadas, atuam
tanto na pressão arterial, quanto na freqüência cardíaca.
Para o estudo do movimento em ambiente aquático, a implementação de
sensores mostra-se como uma alternativa possível para esta finalidade, como
observado no trabalho de Biscarini, et al (2007), que teve como objetivo o
desenvolvimento de um modelo analítico para estimar quantitativamente a
resistência hidrodinâmica e das forças na articulação durante no movimento
subaquático de extensão do joelho, e particularmente verificar a importância
dos exercícios aquáticos no programa de reabilitação do ligamento cruzado
anterior (LCA). Neste trabalho foram utilizados “strain-gauges” (extensômetros)
sobre a articulação do joelho para medir a força atuante dos ligamentos
durante os exercícios subaquáticos, destacando que exercícios aquáticos
podem ser úteis se seguramente implementados em um programa de
reabilitação em um quadro de PO (Pós – Operatório) de LCA (Ligamento
Cruzado Anterior), mas que, no entanto é necessário evitar excessos quanto a
uma sobrecarga articular mesmo em sessões de hidroterapia. Outro método
para verificação de movimentos em ambiente aquático foi utilizado por
Veneziano et al (2004), que utilizou a eletromiografia em ambiente aquático a
fim de verificar a influência dos efeitos físicos da imersão na amplitude do sinal
miográfico de superfície do grupo tenar . Durante o estudo, uma seqüência de
movimentos ativos foram realizados fora e dentro da água, o que possibilitou a
comparação entre os sinais obtidos nas duas situações.
Para analisar o trajeto das mãos de nadadores em estilo livre nos jogos
olímpicos, e assim quantificar a força hidrocinética que era exercida nas mãos
dos atletas, LIU et al (1993) utilizou um sistema de aquisição de imagens
utilizando duas câmeras submersas. Neste trabalho porém, não foi possível
reconhecer todos os movimentos de braçadas sob a água devida á presença
das bolhas de ar. Na continuidade deste estudo, Olgy et al (2000) apresentou a
proposta de utilizar um método para avaliar e analisar a técnica de braçada de
nadadores utilizando acelerômetros. Para mensurar a aceleração do punho,
foram utilizados dois sensores (ADLX250), sendo que um deles foi posicionado
no plano horizontal, e o outro foi preso no plano perpendicular ao primeiro de
27
forma ortogonal, havendo assim a possibilidade de mensurar três diferentes
eixos de aceleração. Também foi utilizado um CI (Circuito Integrado), que foi
posicionado junto ao sensor, o conjunto foi então selado em um relógio de
pulso dentro de uma caixa impermeável. Este dispositivo foi preso ao punho de
um atleta, possibilitando a verificação de três eixos: o eixo x representou a
direção do polegar da mão definindo a direção ulnar-radial. O eixo y
representava a direção do punho para articulação do cotovelo, direção distal-
proximal, enquanto que o eixo z representava a direção de retorno da palma da
mão. No trabalho também foram utilizadas duas câmaras de vídeo,
possibilitando a vista anterior e posterior do nadador. Foram analisados os
dados da aceleração durante um ciclo da braçada por baixo da água, que foi
captada em vídeo. Somente a aceleração da mão direita e seu trajeto foram
vistos na análise. Para a análise tridimensional dos vídeos, foi aplicado o
método de análise DLT- Direct Lienar Transformation. Um ponto de referência
foi definido na falange proximal do polegar para a análise dos movimentos da
mão. Como as bolhas de ar tornaram o marcador invisível em determinadas
situações suas coordenadas foram perdidas e, portanto, eliminadas. As
coordenadas restantes capturadas foram utilizadas para uma aproximação
polinomial de 6ª ordem do movimento da mão. Os resultados demonstraram
que a aceleração do pulso em nado livre pode ser discriminada conforme as
seguintes fases do curso do movimento: a aceleração máxima em X do eixo
global indica o início do Insweep (empurre), a aceleração mínima no eixo Y
após o Insweep indica o início do movimento, enquanto que o sinal de
aceleração em Z indica o momento de entrada da palma da mão na superfície
da água. Sendo assim, verificou-se que as acelerações do pulso promovem
informações úteis sobre as fases de movimentos subaquáticas e o nível de
habilidade do nadador.
Na análise de aspectos espaços temporais e cinemáticos da marcha de
adultos sadios no ambiente terrestre e no ambiente aquático, Barela et al
(2005), realizaram um estudo sobre o padrão da marcha no ambiente aquático,
mais especificamente, informações sobre as diferenças e semelhanças do ciclo
da marcha no ambiente terrestre e no ambiente aquático. A proposta de análise
28
em ambiente aquático também envolveu dois níveis de imersão, ao nível de
crista ilíaca e ao nível do processo xifóide do esterno, a fim de verificar a
redução do peso corporal aparente nos dois níveis. Cinco adultos sem qualquer
queixa de comprometimento no aparelho locomotor participaram do estudo. Os
participantes andaram com velocidade auto-selecionada primeiramente em
ambiente terrestre (laboratório) e em seguida em uma passarela montada em
uma piscina semi-olímpica coberta e aquecida (ambiente aquático). Uma
plataforma de força (OR6WP-1000, AMTL), foi embutida no chão do laboratório
e a outra, à prova d’água (OR6WP-1000, AMTI) foi embutida na passarela da
piscina para aquisição dados referentes à força de reação do solo (FRS).Para
aquisição dos dados cinemáticos, marcadores reflexivos foram afixados no lado
direito dos participantes em pontos anatômicos. O movimento dos participantes
no plano sagital foi filmado com câmeras digitais a 60Hz, e uma delas foi
colocada em um invólucro à prova d’água, para aquisição de dados
cinemáticos dentro da água. As filmagens e os dados da FRS foram
sincronizados via um gatilho, acionado manualmente, que emitia um sinal
luminoso para as câmeras e um sinal elétrico para o computador. Dez
repetições foram adquiridas para cada participante. Após o término da coleta
de dados em cada condição, uma aquisição em que os participantes
permaneciam parados sobre a plataforma de força durante 15 segundos foi
coletada. Essa aquisição foi utilizada para medir o peso aparente dos
participantes no ambiente aquático e o peso corporal no ambiente terrestre e
também para obter a posição dos marcadores afixados nos pontos anatômicos
para calcular os ângulos articulares e segmentar na posição neutra. Para o
estudo, as seguintes variáveis foram analisadas: comprimento, duração,
velocidade, cadência e duração do período de apoio da passada; redução do
peso corporal aparente (PCA) nas duas profundidades; amplitude de
movimento (ADM) das articulações do joelho e do tornozelo e do segmento da
coxa; e ângulos dos mesmos nas fases de contato inicial e balanço inicial. O
estudo investigou indivíduos sem qualquer comprometimento músculo-
esquelético, motor e sensorial que pudessem alterar o padrão da marcha,
portanto, as alterações constadas puderam ser atribuídas às características
físicas da água. Com o estudo, notou-se que o nível de imersão interferiu na
29
minoria das variáveis investigadas, ou seja, independentemente do nível de
imersão selecionado, é importante notar que o padrão da marcha no ambiente
terrestre não foi reproduzido no ambiente aquático, devido às características
físicas diferentes entre os dois ambientes.
No trabalho de mestrado de Fernandez et al ( 2007), houve a proposta
de utilizar acelerômetros para análise angular de membro superior em
ambiente aquático. O método empregado envolveu duas etapas: inicialmente
em ambiente de solo e posteriormente em piscina. Após a calibração do
sistema contendo o sensor acelerômetro (ADLX 202 da Analog Devices) e do
sistema fotogramétrico (Vicon 370) um voluntário utilizando uma órtese de
posicionamento para Membros Superiores (MMSS) realizou o movimento de
abdução de ombro. Durante este movimento, foram analisados 4 pontos
angulares, que foram reproduzidos em piscina posteriormente. Foi
desenvolvida uma caixa estanque a fim de acondicionar o sensor e possibilitar
assim seu uso em ambiente aquático. Com o desenvolvimento da proposta, foi
verificada a particularidade dos sensores de aceleração quanto ao seu
posicionamento, pois os acelerômetros utilizam a aceleração da gravidade
como referência, o que implica em atenção quanto à direção dos seus eixos.
Também observou-se a limitação da mensuração de ângulos próximos a 90
o
,
onde se observou um erro significativo (maior que 10%), o que impossibilitou o
seu uso para mensuração nessa angulação. Porém para as outras medidas
foram bem reproduzidas com erros menores que 5%. No entanto, mesmo com
as dificuldades encontradas na instrumentação voltada para ambiente aquático,
foi verificado neste trabalho, a possibilidade na utilização de acelerômetros não
apenas para a análise angular de um determinado segmento, mas também
para análise de outros parâmetros como deslocamento, velocidade e
aceleração a partir de um determinado referencial.
Para realizar análise de movimento em ambiente aquático e assim
avaliar e comparar os parâmetros de arrasto e eficiência durante a natação
subaquática e de superfície, Nicolas et al (2009), utilizou a videogrametria.
Participaram deste estudo 12 nadadores de nível internacional, e tiveram seus
movimentos analisados durante o nado subaquático e durante o nado na
30
superfície da água. Os nadadores percorreram uma distância de 25m com
marcadores de superfície na cor preta (num total de 11) fixados na lateral de
todo um hemicorpo, abrangendo as pernas, o tronco e os braços. Uma câmera
digital foi colocada em uma caixa estanque, própria para o ambiente aquático,
e os movimentos foram então gravados a uma freqüência de 50hz. Como
esperado, os resultados mostraram velocidades significativamente mais baixos
durante a natação na superfície. Já as velocidades durante os movimentos
subaquáticos e a natação de superfície foram fortemente correlacionados. A
eficiência para a natação de superfície foi cerca de 6% inferior à natação
subaquática. Estes resultados sugerem que o desempenho melhor durante a
natação subaquática não está apenas ligado a um efeito de redução de arrasto
de onda, mas também a uma técnica específica de natação devido à superfície
livre.
2.4 CONCLUSÃO DO CAPÍTULO
A busca da utilização de sensores para monitoramento e análise de
movimentos humanos vem aumentando com o avanço da tecnologia em
conjunto com as técnicas de processamento de imagem, abrindo a
possibilidade de monitoramento menos subjetivo e com maior eficácia capaz de
ser incorporado na prática clínica (CORKERY et al, 2005. Entre os vários tipos
de sensores sensíveis ao movimento, destaca-se o uso de sensores do tipo
acelerômetro (LEE et al,2009; ROETENBERG et al, 2008; KUMAR et al, 2009;
MANNINI et al, 2010) pois além de apresentarem a característica de serem de
pequena dimensão física, são de baixo valor comercial, o que propicia a
acessibilidade à este tipo de dispositivo (LUINGE et al, 2007).
Outra ferramenta conhecida para análise biomecânica do movimento é a
videogrametria, utilizada seja para uma análise voltada a um determinado
segmento corporal, como no membro superior (MILTNER, et al 2002), ou na
verificação da perturbação de equilíbrio (PARK et al, 2008), no entanto, esse
tipo de método de mensuração de movimentos pode sofrer limitações em
31
ambiente aquático por possíveis oclusões dos marcadores, seja devido à
presença de bolhas de ar desprendidas durante a execução de um movimento,
ou devido à distorção da imagens causada pela movimentação da prpria água
durante os deslocamentos (LIU et al, 1993).
Embora seja possível encontrar trabalhos relacionando o uso de
acelerômetros para o estudo de movimentos em ambiente aquático (OLGY et
al, 2000), verificou-se a possibilidade em explorar de forma mais detalhada a
utilização da aceleração para obter demais dados biométricos como
deslocamento, ângulo e velocidade, e também a possibilidade em utilizar esse
tipo de monitoramento em ambiente aquático, voltando sua utilização para a
área da hidroterapia mesmo que, embora seja alvo de estudos que destaquem
os benefícios fisiológicos da imersão (PRINS 2009; BARBOSA et al, 2009,
CAROMANO et al, 2002); por vezes utiliza de instrumentos não desenvolvidos
especificamente para uso em meio líquido durante a mensuração de alterações
fisiológicas (KABUKI et a, 2007).
O diferencial do trabalho desenvolvido em mestrado por Fernandez et al,
(2007) consistiu no uso de apenas um sensor de aceleração para o cálculo de
ângulos das posições de abdução do braço, enquanto que em outros trabalhos
sempre se recomendam mais sensores para a mesma prática. Este trabalho,
porém, foi realizado apenas para utilização estática 2D em ambiente aquático.
Assim, verifica-se a escassez de trabalhos que detalhem mais os
movimentos e parâmetros biométricos durante movimentos dinâmicos no modo
3D em geral, principalmente dentro do ambiente aquático, portanto, neste
trabalho é feita a proposta de um método para verificação de parâmetros
biométricos envolvidos durante o movimento humano, seja ele realizado em
ambiente de solo, ou aquático.
32
3 METODOLOGIA
Para realizar o estudo e desenvolvimento de um dispositivo capaz de
realizar mensurações do movimento humano em ambiente aquático, o
acelerômetro utilizado foi ajustado para uso junto a outros meios de medição
(goniômetro, potenciômetro e processamento de imagens) englobando várias
etapas de execução, como o estudo, desenvolvimento, calibração, teste e
analise do dispositivo. Nomeou-se como AXXIS – versão 1.0, o dispositivo
eletrônico de monitoramento de movimentos humanos desenvolvido neste
trabalho.
Para o desenvolvimento do AXXIS, foram utilizados programas para o
processamento das imagens e dispositivos mecânicos (goniômetro) e
eletrônicos (acelerômetro e potenciômetro linear) conectados a um computador
através de uma placa de aquisição de dados com comunicação serial RS232 e
porta USB. Todos estes dispositivos foram gerenciados através de algoritmos
codificados com o uso de ambiente de programação gráfica para captura e
armazenamento dos dados do movimento. Para garantir a precisão dos dados
adquiridos, os sensores foram calibrados individualmente e posteriormente em
conjunto. Para tanto, foi elaborada uma seqüência de etapas a fim de realizar a
calibração e assim proporcionar a repetibilidade dos testes. Por último é
apresentado o monitoramento dos movimentos do braço de um voluntário para
comprovar a viabilidade e a aplicabilidade do dispositivo na prática, tanto em
terra como na água.
3.1. ETAPAS EXECUTADAS NO PROJETO
Com o intuito de estruturar e facilitar o acompanhamento da evolução
deste trabalho, o projeto foi subdividido em uma seqüência de etapas, como
mostra a tabela 01.
33
Tabela 1Seqüência de etapas do projeto
3.2 MATERIAIS UTILIZADOS
Os materiais utilizados na construção, desenvolvimento e testes do
dispositivo AXXIS são listados na Tabela 02 e 03, sendo que na Tabela 2 são
listados os materiais referentes ao desenvolvimento do sensor de aceleração e
na tabela 3 os materiais referentes ao sistema de imagens.
34
Tabela 2Lista de materiais utilizados para desenvolvimento do AXXIS.
Tabela 3Lista de materiais utilizados no sistema fotogramétrico
35
3.3 ETAPA 1: ESTUDO DO MOVIMENTO 3D E A ESCOLHA DOS
PARÂMETROS DE INTERESSE PARA ESTE TRABALHO.
O monitoramento de movimentos é importante tanto no
acompanhamento da evolução de um paciente como na análise e prescrição
de novos exercícios para auxiliar no recondicionamento físico de pessoas com
limitações motoras. A escolha dos movimentos e parâmetros de interesse
biomecânico foi realizada a fim de atender as necessidades citadas
anteriormente e foram utilizadas para comprovar a aplicabilidade do dispositivo
desenvolvido neste trabalho.
Descrevemos a seguir os movimentos submetidos à análise, bem como
os parâmetros de interesse envolvidos para o estudo e desenvolvimento do
dispositivo AXXIS.
a) movimentos analisados
A articulação do ombro é constante foco de tratamentos em programas
de reabilitação – seja por patologias ortopédicas ou neurológicas – sendo
assim, a análise de movimento das extremidades superiores pode beneficiar
desde o diagnóstico até o tratamento e acompanhamento da evolução de
pacientes que apresentem alterações neuro-motoras nos membros superiores
(WILLIANS et al, 2005; LUINGE et al, 2007).
Qualquer análise básica da articulação do ombro envolve os movimentos
listados a seguir e que, portanto, são objetos de estudo deste trabalho:
Flexão/ Extensão
Abdução/Adução
Rotação Interna/Externa
36
b) Parâmetros de Interesse na Análise
As realizações dos movimentos citados acima englobam parâmetros
biomecânicos como posicionamento e força aplicada em função do tempo dos
locais específicos do membro em estudo.
Com relação ao posicionamento em função do tempo podemos ter a
variação ou não do mesmo em relação ao tempo. Não existindo a variação do
posicionamento ao longo do tempo e conhecido como posicionamento estático,
e existindo a variação teremos o posicionamento dinâmico.
O posicionamento estático engloba o estudo de parâmetros físicos como
posicionamento em relação a um ponto referencial (distância); ângulo formado
em relação a um plano referencial e a força exercida devido à força peso. Já
para o posicionamento dinâmico têm-se as variações acontecidas durante um
determinado tempo, tais como: deslocamento, velocidade e aceleração nas
coordenadas cartesianas e coordenadas polares. Além destes parâmetros , a
força exercida pelos músculos para realizar um movimento também é um
parâmetro muito verificado. Essa força pode ser calculada subtraindo
vetorialmente a força peso da força total resultante do movimento.
Portanto são analisados neste trabalho os seguintes parâmetros:
Ângulo
Velocidade
Deslocamento
Aceleração
Força
37
3.4 ETAPA 2: ESCOLHA DO SENSOR E O CÁLCULO DOS
PARÂMETROS FÍSICOS A SEREM MOSTRADOS PARA
MONITORAMENTO NO DISPOSITIVO.
Um dos dispositivos eletrônicos que ganharam destaque nos últimos
anos foram os acelerômetros. Graças ao avanço da tecnologia dos
semicondutores e da diminuição dos sistemas mecânicos, esses sensores
conseguem medir a variação da aceleração através da variação da tensão
proporcionada pelo movimento de microestruturas dentro de um pequeno
invólucro polarizado eletricamente. Esses dispositivos inicialmente lançados no
mercado para medir aceleração em apenas um eixo (unidimensionais),
atualmente um único dispositivo consegue medir 3 eixos simultaneamente,
proporcionando a medição tridimensional.
Dentre os sensores disponíveis no mercado o acelerômetro MMA7260Q
da Motorola
®
é um sensor de aceleração de baixo custo microcontrolado com
condicionamento de sinal integral com filtro passa baixa e que permite a
mensuração em três eixos com seleção da sensibilidade, ou seja, + / -
1,5g/2g/4g/6g de aceleração. Na figura 02 é possível visualizar o sensor de
aceleração utilizado neste trabalho
.
Figura 2 Placa contendo o sensor de aceleração utilizado.
38
Uma vez que o sensor MMA7260Q se mostra sensível aos
deslocamentos no três eixos de movimento, ou seja, X, Y e Z, (figura 03) é
possível utilizar o sistema de coordenadas para a mensuração e análise de
movimentos de interesse (figura 04A), já que ao se trabalhar com
acelerômetros, a referência utilizada é a gravidade da Terra, ou seja, quando
uma das coordenadas do sensor estiver posicionada em direção ao centro da
Terra, o valor fornecido será igual a gravidade da terra (ou seja
g
), em
contrapartida quando um eixo estiver em direção oposta à Terra, o valor
captado pelo sensor será mínima (-
g
) (figura 04B).
Figura 3 Eixos verificados durante a aceleração dinâmica.
Desta forma é possível determinar a posição de um corpo, através da
referência da normal da Terra (gravidade
g
), isso implica na possibilidade em
calcular o ângulo em relação ao plano horizontal de cada eixo, ang_X, ang_Y
e ang_Z (figura 04C).
Fonte:FREESCALE SEMICONDUTOR,2005.
39
Figura 4 A Coordenadas adotadas pelos eixos do sensor; B - esquema dos eixos x, y e z em
relação a g; C – ângulos em relação aos eixos X, Y e Z.
Assim os ângulos ang_X, ang_Y e ang_Z podem ser encontrados
utilizando relações trigonométricas como descrito a seguir.
Parâmetros a serem calculados a partir dos dados de aceleração
Inicialmente, os dados obtidos para análise dos movimentos são
referentes à aceleração do segmento, no entanto, ao se processar os valores
da aceleração de um corpo a partir de um determinado referencial, é possível
obter a velocidade, e, conseqüentemente o deslocamento e a angulação do
corpo em movimento.
Para dar maior clareza, foi realizada, uma seqüência de cálculos para
cada coordenada X, Y, Z adotadas com o sistema sensor como segue:
1. Mensuração da gravidade (g) a partir do sensor de aceleração
2. Calculo da angulação em relação a normal através de calculo
vetorial
Transformação do ângulo em radianos para graus
Cálculo da velocidade angular através da diferença de
ângulos pela variação do tempo.
Cálculo da aceleração angular através da diferença da
velocidade angular pela variação do tempo.
40
3. Cálculo da velocidade e deslocamento a partir da aceleração
4. Cálculo da força aplicada.
Cálculo da angulação - uma vez obtida a aceleração, temos pela figura
05 o cálculo relativo ao ang_X, calculado pelo arcos (arco-cosseno) da relação
entre a porção do eixo X pelo modulo do vetor gravidade
g
.
Figura 5 Apresentação geométrica para cálculo dos ângulos - exemplo no eixo X.
O mesmo pode ser utilizado para o calculo de ang_Y e ang_Z, logo foram
encontradas as equações 1, 2 e 3 :
g
x
aXang cos_
(1)
g
y
aYang cos_
(2)
g
z
aZang cos_
(3)
41
Os valores dos ângulos encontrados a partir das equações 1,2 e 3 que
estão em radianos que podem ser transformados em graus através da relação
da equação 4. No entanto, o ângulo encontrado é referente a um dado instante
(t), mas conforme haja uma variação no decorrer do tempo de um instante (t
1
)
para um instante (t
2
), pode-se calcular a velocidade de variação angular média
(
) através da diferença entre os ângulos nesses instantes dentro do intervalo
de tempo
t
= t
2
- t
1
, encontrando a relação entre eles pela equação 5. Da
mesma forma é possível encontrar a aceleração angular (
) pela variação da
variação da velocidade angular no tempo intervalo de
t
(equação 6).
rad
graus
ang
ang
.180
(4)
t
ang
tt
tangtang
12
12
)()(
(5)
ttt
tt
12
12
)()(
(6)
Cálculo da velocidade e deslocamento
Para o cálculo da velocidade e deslocamento consideram-se os cálculos
sobre cada um dos eixos das coordenadas cartesianas. E ainda:
s(t) = posição em função do tempo (t)
v(t) = velocidade em função do tempo (t)
a(t) = aceleração em função do tempo (t)
Pode-se encontrar a relação entre esses parâmetros através dos
conceitos da cinemática e o uso de calculo diferencial e integral como mostrado
a seguir.
42
Cálculo da velocidade a partir da aceleração
A aceleração é definida como a derivada da velocidade em função do
tempo equação 7.
dt
dv
ta )(
(7)
Aplicando o teorema fundamental do cálculo Integral, é possível
reescrever como equação 8 :
2
1
)()()(
12
t
t
tvtvdtta
(8)
Se for considerado o tempo inicial (t
1
) igual a zero e o tempo final (t
2
)
igual a t, então a equação pode ser reescrito como equação 9:
t
vtvdtta
0
)0()()(
(9)
Cálculo do deslocamento a partir da velocidade
Seguindo o mesmo principio apresentado no item anterior, a velocidade
v e definida como a derivada do deslocamento s em função do tempo como na
equação 10.
dt
ds
tv )(
(10)
Aplicando o teorema fundamental do cálculo Integral é possível
reescrever como equação 11:
2
1
)()()(
12
t
t
tstsdttv
(11)
Se considerado o instante inicial t
1
igual a zero e o instante final( t
2
) igual
a (t), então a equação pode ser reescrito como equação 12:
43
t
stsdttv
0
)0()()(
(12)
Cálculos envolvendo movimento circular
Na existência de movimento circular, a aceleração escalar a(t) e a
velocidade escalar v(t) também podem ser obtidas através das relações entre o
componente da posição do corpo em relação ao centro de rotação
)(tr
e as
velocidade angular
)(t
e aceleração angular
)(t
de acordo com as equações
13 e 14.
)()()( ttrtv
, ou seja,
t
Ang
trtv
)()(
(13)
)()()( ttrta
, ou seja,
t
trta
)()(
(14)
Considerações para o dispositivo em desenvolvimento
Como visto, o acelerômetro fornece a aceleração em função do tempo
a(t), e pode-se calcular os valores da velocidade e do deslocamento através
das relações do movimento escalar (das equações 8 e 11) ou através das
relações do movimento circular (equações 13 e 14).
Porém, as relações do movimento circular são diretamente dependes da
precisão do cálculo dos ângulos (Ang) (equações 1, 2 e 3) onde a aceleração
envolvida é considerada totalmente devido à gravidade, e que, portanto,
proporciona uma imprecisão quando a aceleração do movimento for
suficientemente representativa.
Assim os cálculos mais corretos a serem utilizados são aquelas que
utilizam das relações do movimento escalar. A seguir é mostrado como o valor
da velocidade pode ser obtido.
44
Através das equações 8 e 11 a velocidade v(t) pode ser obtida
reescrevendo-as como equações 15 e 16 e é encontrada, através do método
gráfico, pela área sob a curva dada no gráfico v(t) x t (Figura 6).
2
1
)()()(
12
t
t
dttatvtv
(15)
2
1
)()()(
12
t
t
dttvtsts
(16)
Cálculo da área - Para um intervalo de tempo (t
2
– t
1
) a área sob a curva
do gráfico da figura 06A pode ser aproximada a área de um retângulo como
mostra a figura 06B. Essa representação apresenta um erro que pode ser
diminuída adotando duas colocações: i) um intervalo de tempo pequeno
tornando a variação da curva pequena, e/ou; ii) o cálculo da área utilizando a
media dos valores limites das abscissas, desta maneira, fazendo que a área
abaixo da curva que não é computada, seja compensada pela área calculada a
mais acima da curva.
Figura 6A - 6B . A área sobre a curva pode ser representada por um retângulo.
Supondo uma variação de tempo constante
t
= (t
2
– t
1
) , pose-se então
calcular a área do retângulo multiplicando a media dos valores da abscissa
pela variação de tempo
t
.
As equações 15 e 16 podem ser reescritas como equações 17 e 18 , ou
seja para obter velocidade ou deslocamento para um dado instante e
45
necessário apenas saber o valor inicial de cada um e a área média da
aceleração ou da velocidade para dado intervalo de tempo
t
.
2
1
.)()(
12
t
t
medio
tatvtv
(17)
2
1
.)()(
12
t
t
medio
tvtsts
(18)
Onde
2
21
aa
a
medio
e
2
21
vv
v
medio
.
Cálculo da força
A força pode ser encontrada pela lei de Newton, onde a força resulta do
produto massa m pela aceleração (a) (equação 19). Logo, com o valor da
massa do membro e da aceleração dada pelo sensor pode-se calcular a força
resultante exercida em um dado instante.
amf .
(19)
Cálculo da força resultante - Em uma situação ideal na superfície terrestre,
um corpo de massa (M) é submetida a uma força devido a ação da gravidade
originando uma força de atração a terra chamada força peso (P). Porém esse
mesmo corpo pode sofrer uma força oposta, como a resistência do ar (F
R
) na
superfície terrestre ou da água (F
E
) quando submerso. Na maioria dos casos a
diferença entre o peso P e a força contraria (F
E
ou F
R
), o peso sobressai
resultando em uma força resultante ou equivalente (F
EQ
) maior que zero 0,
fazendo o corpo “cair” em direção ao solo (figura 7).
46
Figura 7 Esquema relacionando massa corpórea e as forças atuantes.
Para que um corpo fique parado a força equivalente deve ser igual a
zero (F
EQ
=0) para que isso ocorra e necessário a ação de uma força extra (F),
que pode ser por exemplo, a força proveniente dos músculos que sustentam o
corpo, de tal forma que F
EQ
= F- (P-F
R
) = 0. Portanto para haver movimento a
força equivalente deve ser diferente de zero e para ficar parado deve ser igual
a zero. Assim, conforme Figura 8, podemos adotar os procedimentos para o
calculo de acordo com o movimento e ambiente onde o corpo esta inserido:
Figura 8 Esquema representando o ambiente em que o corpo está inserido e o cálculo para a
Força equivalente.
Supondo a aceleração do sensor como um valor “a” resultante do
movimento, e considerando uma massa “m” do centro de massa de um corpo e
47
o eixo Z do acelerômetro paralelo ao vetor normal a superfície da terra, temos a
Força Equivalente nas seguintes condições:
Condição 1: movimento na direção ( z) na terra e na água (20)
F
EQ
= P – (F+F
R
) = m.a (20)
Condição 2: movimento na direção( x-y) (21)
F
EQ
= F – F
R
= m.a (21)
Condição 3: movimento nas coordenadas( xyz) (22)
zy
x
eq
FFFF
(22)
onde Fx, Fy, Fz são forças resultantes obtidas nas coordenadas x,y e z
3.5 ETAPA 3: DESENVOLVIMENTO DO CIRCUITO E
FLUXOGRAMA DE FUNCIONAMENTO DO DISPOSITIVO COM
SENSOR
Todo e qualquer sensor necessita de circuitos para transformar uma
variação de grandeza física em uma grandeza elétrica, e esse sinal necessita
de um canal de interligação com um computador para ser adquirido,
processado e armazenado para finalmente ser mostrado. Em um diagrama em
blocos (figura 10) a interligação sensor- computador é feita através de placas
de aquisição de sinais, ou seja, uma DAQ – Data Aquisition - que possui em
sua essência circuito condicionador, amplificador, filtros e conversor de sinal
A/D (analógico /digital) que e conectado ao computador através de um conector
do padrão serial RS232, ISA, PCI, USB ou comunicação sem fio (wireless).
48
No circuito acelerômetro em uso, conforme um deslocamento é
realizado, os dados captados pelo sensor são enviados à um computador com
o auxílio de um microcontrolador que possui um conversor AD e porta de
saídas com comunicação no padrão serial RS232 (Figura 9).
Figura 9 Diagrama em blocos da conversão de sinal de aceleração e comunicação com o
computador através da comunicação serial RS232.
No dispositivo foi inserido também um potenciômetro linear para auxiliar
na calibração do sensor de aceleração.
Um potenciômetro é um componente elétrico que possui resistência
elétrica ajustável, por essa razão, este componente foi adaptado de tal maneira
a fornecer as alterações angulares conforme a variação de tensão de saída
(V
s
) durante o movimento da haste como mostra a figura 10. A tensão (V
s
)
e
relacionada ao ângulo de rotação ang através da equação 23 , onde (V
e
) e a
tensão de alimentação do potenciômetro.
)(180
Ve
Vs
ang
(23)
Figura 10 Potenciômetro como sensor de deslocamento angular.
49
Uma vez que este procedimento ocorra, os sinais são enviados à um
computador com o auxílio de uma placa de aquisição de dados para a
conversão dos sinais A/D, utilizando um conector ISA (figura 11).
Figura 11 Diagrama em blocos da conversão de sinal de ângulo e condicionamento de
comunicação com o computador através da placa de aquisição CAD12/32 com o conector ISA no
computador.
Algoritmos utilizados para a interface entre sensor e mostra de dados.
Foram utilizados 2 ambientes de programação para a codificação para
leitura processamento e armazenamento do dados provindos dos sensores: o
LabView
®
e o Matlab
®
. O primeiro é da National Instruments
®
e possui a
vantagem de sua interface gráfica apresentar-se amigável ao usuário, sem
necessidade de muito conhecimento de programação, trabalhando com a
manipulação em blocos as varias etapas. Já o Matlab
®
é amplamente
difundido no meio acadêmico devido à vasta biblioteca de ferramentas
estatísticas e cientificas para processamento dos dados . Assim o LabView
®
foi
utilizado em um primeiro momento para a etapa de calibração e testes do
sistema. O Matlab
®
foi utilizado para um calculo e mostra de dados completa
da programação necessária do dispositivo AXXIS.
A seguir apresentamos os algoritmos desenvolvidos para o teste e
calibração no item a e o programa principal.
50
Fluxograma dos programas de aquisição, cálculos e mostra dos
parâmetros no LabView
®
A aquisição dos dados de aceleração e da tensão do potenciômetro foi
realizada por intermédio de uma rotina de aquisição como mostra o fluxograma
da figura 12 abaixo. A aquisição é iniciada com a abertura de uma
comunicação serial da porta “Com 1” com valores pré-selecionados de
comunicação (baude rate, stop bit, etc), e ao mesmo tempo, acontece a
abertura da placa de aquisição CAD12/32 e de um arquivo nomeado
“Dados_hoje.dat” para armazenamento dos dados com a data e hora e minutos
no nome do arquivo. Uma constante chamada “tempo” armazena o tempo do
relógio do computador toda vez que um dado é lido. Logo após isso são
calculados os ângulos ang_x, ang_y e ang_y de acordo com a equações 4 e o
ângulo através do potenciômetro de acordo com a equação 23. Esses valores
são mostrados no visor gráfico e são armazenados no arquivo aberto. Este
processo se repete ate que o botão de “fim da aquisição” seja pressionado.
Uma vez pressionado o botão “fim da aquisição”, a porta serial,a placa
CAD12/32 e o arquivo são fechados antes de finalizar a rotina de aquisição.
51
Figura 12 Fluxograma de aquisição, calculo e armazenamento dos dados capturados do sensor
aceleração e do potenciômetro no LabView®.
Fluxogramas dos programas de aquisição, cálculos e mostra dos
parâmetros no Matlab
®
.
a) Rotina para leitura dos dados
A aquisição dos dados de aceleração foi realizada por intermédio de
uma rotina de aquisição como mostra o fluxograma da figura 13 abaixo. A
aquisição é iniciada com a abertura de uma comunicação serial da porta “Com
1” com valores pré-selecionados de comunicação (baude rate, stop bit, etc), e
ao mesmo tempo, acontece a abertura de um arquivo nomeado “Dados.dat”
para armazenamento. Uma constante chamada “tempo” é incrementada toda
vez que um dado é lido pela porta Com1 e armazenado no arquivo Dados.dat.
Este processo se repete ate que o botão de “fim da aquisição” seja
52
pressionado. Uma vez pressionado o botão “fim da aquisição”, a porta serial e
o arquivo são fechados antes de finalizar a rotina de aquisição.
Figura 13 Fluxograma de aquisição e armazenamento dos dados capturados do sensor.
b) Rotina para manipulação dos dados para visualização dos dados
A rotina de calculo e mostra de dados, inicia-se com a abertura de
arquivo gravado “dados.dat” que pode ser modificado por meio de uma
interface gráfica de seleção de arquivo. Os dados contidos no arquivo são
carregados em vetores ax , ay e az correspondentes a aceleração nas
coordenadas x, y e z respectivamente. Logo a seguir são calculados o ângulo
de acordo com a equação 4, a velocidade angular (equação 5) e a aceleração
angular (equação 6) para cada coordenada para a visualização em 3D (valores
em x,y,z) no matlab.
Os ângulos ang
x
, ang
y
e ang
z
são calculados com o valor da aceleração
em função da aceleração normal à terra. As velocidades angulares
x
,
y
e
z
53
são calculadas através da variação do ângulo em função do tempo. As
acelerações angulares
x
,
y
e
z
são calculadas através da variação das
velocidades angulares em função do tempo. As velocidades escalares V
x
, V
y
e
V
z
são calculadas através da somatória da aceleração do movimento em
função do tempo como verificado através da equação 15 já os deslocamentos
S
x
, S
y
e S
z
são calculadas através da somatória da velocidade escalar em
função do tempo como demonstrado pela equação 16.
Os resultados são visualizados em forma de gráficos em janelas
individuais antes da finalização da rotina “calculo” conforme fluxograma da
figura 14.
Figura 14 Fluxograma com as operações de abertura, manipulação de dados e mostra de
resultados da rotina “cálculo”.
Com a captação do sinal emitido pelo sensor de aceleração e utilização
do software Matlab
®
, foi então possível gerar um gráfico com os dados
54
provenientes dos 3 eixos do sensor, e dessa forma realizar as calibrações
necessárias na programação do acelerômetro.
3.6 ETAPA 4: CALIBRAÇÃO E TESTES DO DISPOSITIVO COM
SENSOR
No procedimento de calibração do acelerômetro, foi utilizado um
dispositivo constituído por um potenciômetro, um goniômetro e duas hastes em
acrílico articuladas por uma das extremidades. O potenciômetro foi posicionado
na extremidade superior de uma das hastes em acrílico que teve o goniômetro
fixado sobre ela a fim de servir como referência angular (figura 15).
Figura 15 Posicionamento do acelerômetro, do potenciômetro, das hastes e do goniômetro para
a realização dos testes.
Antes de utilizar este dispositivo na calibração do acelerômetro, foram
realizados testes a fim de verificar o erro entre os valores obtidos do
55
potenciômetro em relação ao goniômetro. Para tanto, foram realizadas
medições angulares entre 0 º e 90º com intervalos de 10º entre as medidas.
Após a verificação de erro do dispositivo na calibração do
eletrogoniômetro desenvolvido a partir do potenciômetro, o acelerômetro foi
posicionado na extremidade inferior de uma das hastes, para então verificar os
dados de deslocamento obtidos por ambos dispositivos (Figura 16).
Figura 16 Ambiente utilizado para a execução dos testes dinâmicos.
O programa utilizado neste procedimento foi desenvolvido em LabView
®
e possibilitou não só a aquisição e visualização dos dados, como também
realizou a gravação das informações obtidas em um arquivo .txt. Este
procedimento foi realizado para cada eixo do acelerômetro, ou seja nos eixos
X, Y e Z. Também foram realizados testes onde a velocidade do deslocamento
foi supervisionada, para isso foi utilizado um motor de corrente contínua com
engrenagem alimentado por 5V, posicionado junto ao potenciômetro de forma
a possibilitar um movimento constante (figura 17).
56
Figura 17 Motor utilizado para monitorar o deslocamento constante do acelerômetro e do
potenciômetro.
3.7 ETAPA 5: ANÁLISE ESTATÍSTICA DOS DADOS APÓS A
CALIBRAÇÃO DO SENSOR.
A fim de verificar se há uma relação estatisticamente significante entre
os valores obtidos com o acelerômetro em comparação com os valores obtidos
do potenciômetro após o processo de calibração, foi utilizado o Coeficiente de
Correlação de Spearman – ρ(TRIOLA 2005). Os dados foram analisados a fim
de determinar se havia uma relação entre as variáveis. Para interpretar o valor
calculado de uma correlação, o valor obtido deve sempre estar entre -1 e +1,
se o valor da correlação estiver muito próximo de 0, conclui-se que não há uma
correlação significante. O sinal negativo da correlação significa que as variáveis
variam em sentido contrário, isto é, as categorias mais elevadas de uma
variável estão associadas a categorias mais baixas da outra variável.
A fórmula para calcular o coeficiente ρ de Spearman é dada pela
equação 24:
(24)
57
Onde:
d
i
= (postos de x
i
dentre os valores de x) – (postos de y
i
dentre os valores de y).
n = é o número de pares (x
i
, y
i
) dos valores.
3.8 ETAPA 6: IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA DVIDEO AO
DISPOSITOVO PARA ANÁLISE E PROCESSAMENTO DE
IMAGENS.
Para processar e analisar as imagens obtidas com os movimentos a
serem analisados, foi utilizado o sistema Dvideo, Digital Vídeo for
Biomechanics for Windows 32 bits, criado pelo Laboratório de Instrumentação
para Biomecânica-Faculdade de Educação Física e pelo Instituto de
Computação – UNICAMP. Este sistema foi proposto por Barros et al., (1999) e
não necessita de equipamentos dedicados, permitindo que diferentes
marcadores sejam usados e possibilitando uma maior flexibilidade na seleção
dos movimentos a serem estudados. Também diminui as restrições ao
ambiente de coleta e permite a maior difusão deste tipo de análise, uma vez
que os custos são menores. Neste trabalho para a aquisição das imagens, foi
utilizada uma câmera digital que capturou os deslocamentos em filmes no
formato .avi, e que foram posteriormente enviados ao computador via USB.
Para a realização de testes com o sistema fotogramétrico em conjunto
com o acelerômetro e potenciômetro, foram realizados disparos mecânicos
simultâneos antes do início de qualquer deslocamento, e, após o término do
movimento, em uma condição de repouso do movimento, foram realizados
novos disparos mecânicos a fim de encerrar a aquisição dos dados. Com o
final da captação do movimento, os dados foram enviados a um computador
para processamento e análise. O esquema total do procedimento pode ser
visualizado na figura 18.
58
Figura 18 Configuração total em diagrama de blocos.
A captura das imagens contou com procedimentos para a calibração da
camera bem como a preparação de um cenário de filmagem ( com a utilização
de um fundo na cor preta e controle da iluminação), bem como o
posicionamento de um calibrador no cenário, ou seja, 10 marcadores de cor
branca dispostos de forma não colinear entre eles. Após a captação do
calibrador pela câmera, foi então realizada a filmagem conforme o
deslocamento de interesse. Após esse procedimento, o conjunto acelerômetro-
eletrogoniômetro fixados em uma haste em acrílico, recebeu 2 marcadores
esféricos brancos de 2,5cm de diâmetro que posteriormente foram utilizados
como pontos de referência para o processamento das imagens. Um marcador
foi posicionado sobre o potenciômetro na extremidade superior da haste em
acrílico, enquanto que o segundo marcador foi posicionado sobre o
acelerômetro na extremidade inferior da haste, conforme pode ser visualizado
na figura 19.
59
Figura 19 Verificação angular utilizando o acelerômetro, eletrogoniômetro e imagem.
Parâmetros calculados a partir de processamento de imagens
O sistema de processamento de imagens através do rastreamento dos
marcadores posicionados sobre a pele do voluntário é capaz de fornecer as
coordenadas dos deslocamentos realizados. Desta forma foi possível conhecer
as posições iniciais e finais de interesse, e conseqüentemente o deslocamento.
Sabendo-se ainda que a aquisição de dados aconteceu em 59 frames/seg, foi
possível conhecer as variações de tempo conhecendo-se os frames de
interesse conforme as alterações do deslocamento no sistema de
coordenadas. No entanto, para este estudo, foram obtidos os valores angulares
conforme o deslocamento dos marcadores, pois dessa forma foi possível a
comparação angular de dados entre o sistema de imagens, o acelerômetro e o
eletrogoniômetro.
3.9 ETAPA 7: UTILIZAÇÃO DO SISTEMA CONJUNTO –
ACELERÔMETRO +SISTEMA DE IMAGEM – EM ANÁLISE DOS
MOVIMENTOS EM MEMBRO SUPERIOR EM AMBIENTE
TERRESTRE.
60
Na aplicação do sistema proposto para análise de movimento, conforme
já descrito, foi determinado que para cada eixo do sensor verificado, este seria
associado a um determinado movimento da articulação do ombro, desta forma
foram analisados os movimentos de flexão / extensão – a fim de verificar o eixo
X, o movimento de abdução – a fim de verificar o eixo Y, e rotação interna e
externa – a fim de verificar o eixo Z. Após a preparação do cenário e os
procedimentos para calibração das imagens, um voluntário recebeu dois
marcadores de superfície de 2 cm de diâmetro fixados com fita dupla face
sobre a pele. Os marcadores esféricos brancos foram posicionados um sobre a
cabeça do acrômio e o outro sobre a cabeça do rádio. O acelerômetro foi
posicionado sob o marcador do rádio, desta forma ambos os sistemas (imagem
e sensor) utilizaram a mesma referência para aquisição dos dados figura 20.
Figura 20 Posicionamento dos marcadores e do sensor para a captação dos dados.
3.10 ETAPA 8: UTILIZAÇÃO DO SISTEMA CONJUNTO –
ACELERÔMETRO + SISTEMA DE IMAGEM – TESTE EM
AMBIENTE AQUÁTICO.
61
Após os testes efetuados em ambiente terrestre, o acelerômetro foi
submetido a testes em ambiente aquático. Para tanto, foi utilizado um aquário
de 45 cm de comprimento, 30,0 cm de altura e 21,5 cm de largura. Para este
procedimento, foi utilizada um caixa estanque desenvolvida em formato
redondo com 7 cm de diâmetro e 5 cm de altura. Esta caixa foi confeccionada
em acrílico e recebeu um conector 400 Series Buccaneer
®
, específico para
meio líquido. Também foi incluído um cabo flexível de 5m com um conector
DB25. Para a vedação da caixa, foram utilizadas 4 borrachas circulares com
0,8cm de diâmetro junto aos 4 parafusos utilizados para fechar a tampa da
caixa, enquanto que um O Ring – anel – de borracha de 6,5cm de diâmetro foi
empregado para vedar a tampa em acrílico transparente. A caixa estanque
utilizada para acondicionar o sensor recebeu um pequeno sache de sílica a fim
de absorver qualquer umidade que pudesse danificar o sensor, sendo que para
que o sensor se mantivesse fixo dentro da caixa, um pequeno pedaço de
isopor revestido por fita isolante preta foi utilizado. Depois de vedar a caixa, um
marcador foi colocado sobre a tampa a fim de servir como ponto de referência
ao sistema de imagens, sendo que a caixa estanque foi fixada junto às hastes
com auxílio de fita isolante como visualizado na figura 21.
62
Figura 21 Materiais utilizados para os testes do acelerômetro em ambiente aquático.
Após os testes para verificação da vedação da caixa estanque, o
acelerômetro foi acondicionado dentro da caixa e fixado novamente em uma
das extremidades de umas das hastes em acrílico utilizada anteriormente para
então ser testado submerso em um aquário em conjunto com o potenciômetro
enquanto que uma câmera captou os deslocamentos realizados (figura 22).
63
Figura 22 Testes utilizando o acelerômetro em ambiente aquático.
Para verificar a implementação do acelerômetro durante a análise de
movimento em ambiente aquático, a caixa estanque com o sensor foi
posicionado na porção inferior lateral do braço de uma voluntária orientada a
executar o movimento de circundução de ombro (figura 23). Os testes foram
realizados em uma piscina coberta aquecida a 30º C com dimensões de 12 m
de comprimento por 8 m de largura e 1,80 m de profundidade.
Figura 23 Utilização do acelerômetro para análise de movimento em ambiente aquático.
64
4 RESULTADOS
Calibração do eletrogoniômetro
Para verificar o comportamento do eletrogoniômetro desenvolvido a
partir de um potenciômetro, foram realizados testes comparativos utilizando os
valores de um goniômetro. Foram verificados os valores angulares entre 0
0
e
90
0
com intervalos de 5
0
, conforme descrito na metodologia. No gráfico da
figura 24 é possível acompanhar os valores angulares conforme variações de
posicionamento em cada incremento de 5º de ângulo. A correlação calculada
entre estes dois dispositivos foi de 0,99, atestando uma forte correlação entre
os dados.
Figura 24 Comportamento do potenciômetro em relação ao goniômetro
Calibração do acelerômetro
Após a verificação dos valores apresentados pelo potenciômetro em
relação ao goniômetro, o acelerômetro foi utilizado em conjunto com o
eletrogoniômetro desenvolvido, sendo que para gerenciar o funcionamento
deste conjunto, o software LabView
®
foi empregado possibilitando a
visualização das alterações angulares em tempo real, conforme visualizado na
janela do programa utilizado (figura 25).
65
Figura 25 Janela do programa desenvolvido em LabView®.
Para a verificação dos dados obtidos com o acelerômetro em
comparação aos dados capturados pelo eletrogoniômetro, foram traçados
gráficos que representaram as variações angulares nos eixos X,Y e Z do
sensor (figuras 26, 27 e 28).
Figura 26 Visualização dos valores angulares captados pelo eletrogoniômetro e pelo
acelerômetro no eixo X.
66
Figura 27 Visualização dos valores angulares captados pelo eletrogoniômetro e pelo
acelerômetro no eixo Y.
Figura 28 Visualização dos valores angulares captados pelo eletrogoniômetro e pelo
acelerômetro no eixo Z.
De posse destes dados, foi possível verificar a correlação entre os dados
do eletrogoniômetro e do acelerômetro, conforme a tabela 4.
67
Tabela 4 Coeficiente de Correlação – dados do potenciômetro e acelerômetro.
Teste do acelerômetro em velocidade constante
Utilizando um motor de corrente contínua para gerenciar o deslocamento
do sensor em um movimento constante de 2,5s, foi possível observar o
comportamento do sensor conforme a figura 29 para variação angular de 0
0
a
90
0
.
Figura 29 Visualização dos dados obtidos em uma velocidade constante.
Processamento de Imagens
A seguir foi utilizada a videogrametria em conjunto com o acelerômetro
para realizar procedimentos de calibração. O acelerômetro fixo na extremidade
de uma das hastes de acrílico foi posicionado em um cenário previamente
preparado, sendo que sobre o acelerômetro foi posicionado um marcador de
superfície circular e outro marcador com as mesmas características foi
posicionado sobre a extremidade superior haste, possibilitando desta forma, a
68
realização de testes utilizando os três métodos para a verificação de
deslocamento: eletrogoniômetro, acelerômetro e processamento de imagens.
Com os dispositivos posicionados no cenário, foi realizado um deslocamento
de 0
0
a 90
0
, retornando a 0
0
para finalizar o movimento. Após a realização
deste procedimento, os valores obtidos podem ser visualizados no gráfico
abaixo (figura 30).
Figura 30 Deslocamento verificado com o acelerômetro, o eletrogoniômetro e o processamento
de imagens.
A correlação observada no gráfico da figura 30 entre os valores do
acelerômetro em relação aos valores da imagem foi de 0,98, enquanto que os
valores do acelerômetro em relação ao potenciômetro foram de 0,99.
Verificação da aceleração, velocidade e deslocamento a partir de
dados angulares
A fim de verificar a possibilidade em calcular possíveis parâmetros de
interesse a partir dos dados do acelerômetro em conjunto com os dados do
69
potenciômetro, utilizou-se o algoritmo da figura 17 onde as equações 15 e 16
foram empregadas para o cálculo das variações de velocidade e deslocamento
que são mostrados nos gráficos de aceleração (figura 31), velocidade (figura
32) e deslocamento (figura 33), traçados a partir dos dados angulares da figura
30.
Figura 31 Variação da aceleração a partir dos dados angulares.
Figura 32 Variação da velocidade a partir do deslocamento angular realizado.
70
Figura 33 Variação do deslocamento a partir dos dados angulares.
Análise de Movimentos Articulares
Uma vez que o acelerômetro tenha passado pelas etapas de teste e
calibração, foi realizada aplicação conjunta do acelerômetro e videogrametria
para análise de movimento em solo. O voluntário foi posicionado em frente a
um cenário com fundo preto e com marcadores de superfície colocados sobre a
cabeça do acrômio e sobre a cabeça do radio. O acelerômetro foi posicionado
sob o marcador inferior, ou seja, sob o marcador da cabeça do rádio conforme
descrito anteriormente na metodologia.
Após a realização dos testes foi possível traçar gráficos referentes aos
movimentos nos eixos X – durante os movimentos de flexão e extensão de
ombro (figuras 34 e 35), no eixo Y – durante o movimento de abdução de
ombro (figura 36), e do eixo Z, com o movimento de rotação interna de ombro
(figura 37).
71
Figura 34 Gráfico referente aos dados verificados com o sistema de imagens e com o
acelerômetro no eixo X.
Figura 35 Gráfico referente aos dados verificados com o sistema de imagens e com o
acelerômetro no eixo X.
72
Figura 36 Gráfico referente aos dados verificados com o sistema de imagens e com o
acelerômetro no eixo Y.
Figura 37 Gráfico referente aos dados verificados com o sistema de imagens e com o
acelerômetro no eixo Z.
Com os dados dos gráficos traçados nas figuras 34, 35, 36 e 37, foram
observados os seguintes valores de correlação entre o acelerômetro e o
processamento de imagens:
73
flexão de ombro: 0,94
extensão de ombro: 0,97
abdução de ombro: 0,98
rotação interna de ombro: 0,81
Sistema AXXIS para análise 3D
Para a utilização do AXXIS na verificação 3D de um movimento, foi
solicitado a um voluntário que realizasse o movimento de circundução com o
ombro, dessa forma, o sensor fixado na extremidade inferior lateral do braço
captou os dados do movimento nos três eixos do movimento.
Foi utilizado o algoritmo desenvolvido em Matlab
®
, onde a janela inicial
do programa é visualizada na figura 38.
Figura 38 Janela do programa desenvolvido em Matlab®.
Com a captação dos dados pelo acelerômetro, o programa permitiu a
visualização da aceleração nos três eixos do sensor (figura 39).
74
Figura 39 Visualização das acelerações nos eixos X, Y e Z durante a movimentação do braço.
Na figura 40 os dados da aceleração foram plotados em um gráfico 3D
possibilitando a visualização do sentido do movimento conforme são
observadas as setas indicando todo o deslocamento realizado.
Figura 40 Visualização da aceleração 3D durante o movimento realizado.
75
Também foi possível observar as alterações angulares nos 3 eixos do
acelerômetro conforme a figura 41.
Figura 41 Visualização da variação angular em X, Y e Z.
Para acompanhar as variações das velocidades angulares, o programa
gerou o gráfico na figura 42.
Figura 42 Variação das velocidades angulares em X, Y e Z.
76
Na figura 43 são visualizadas as alterações nas forças durante o
movimento realizado.
Figura 43 Variação das forças durante o movimento realizado.
Implementação do sistema AXXIS em ambiente aquático
Após verificar a viabilidade na utilização do acelerômetro para a
mensuração dos movimentos, foi então verificada a possibilidade de utilizar o
acelerômetro em ambiente aquático, para tanto, o sensor foi inicialmente
submetido a deslocamentos em um recipiente de vidro, passando pelos
mesmos procedimentos realizados anteriormente em solo.
Após a realização dos testes em água, foi possível traçar um gráfico
representando os valores obtidos com o acelerômetro, o eletrogoniômetro e
sistema de imagem. (figura 44).
77
Figura 44 Verificação do deslocamento captado pelo acelerômetro, eletrogoniômetro e sistema
de imagens
Foi verificado que os valores de correlação entre o acelerômetro e o
eletrogoniômetro (figura 44) foi de 0,98, enquanto que os valores de correlação
entre o acelerômetro e o sistema de imagens foi de 0,98.
Para a implementação do sensor durante uma situação de análise de
movimento na pratica clínica de hidroterapia, a caixa estanque contendo o
acelerômetro foi posicionado na porção inferior lateral do braço de uma
voluntária orientada a realizar o movimento de circundução do ombro em
piscina.
Após a execução do movimento foi posível visualizar graficamente os
dados captados pelo acelerômetro e processados com o auxílio do Matlab
®
.
Inicialmente foram verificadas as acelerações nos três eixos X, Y e Z (figura
45).
78
Figura 45 Acelerações nos eixos x, y e z durante a movimentação do braço
Os dados da aceleração foram visualizados no gráfico da figura 46.
Figura 46 Visualização da aceleração durante o deslocamento.
79
Abaixo segue o gráfico que demonstra as variações angulares nos eixos
X, Y e Z (figura 47).
Figura 47 Variação angular no movimento realizado.
O gráfico com as velocidades angulares pode ser observado na figura
48.
Figura 48 Gráfico com as velocidades angulares captadas com o sensor.
80
Na figura 49 são verificadas as alterações de força durante o
deslocamento.
Figura 49 Gráfico das forças nos eixo X, Y e Z.
81
5 DISCUSSÃO E CONCLUSÃO
Os movimentos a serem monitorados em prática clínica dependem
basicamente da variação espacial, ou seja, do deslocamento, velocidade e
aceleração de um ponto de interesse em relação a um referencial. Na rotina
terapêutica é comum a utilização da verificação estática ou de forma lenta da
amplitude de um determinado segmento durante um movimento. Essa variação
deve ser acompanhada nos três eixos da coordenada cartesiana X, Y e Z.
Neste trabalho foi realizado um estudo destes movimentos identificando as
coordenadas e os referenciais através de vetores e cálculos de modo escalar.
Para mensurar parâmetros de movimentos, vários dispositivos são
referenciados na literatura, onde se verificou que com o avanço da tecnologia,
a rápida evolução de ferramentas analógicas como o goniômetro, cede lugar a
ferramentas digitais com sensores eletrônicos e processamento de imagens.
Os sensores tiveram o seu uso limitado no inicio do século passado devido às
dificuldades no tratamento de sinais e por serem de tamanhos e pesos
consideráveis, o que ocasionou na perda de espaço para a técnica de
processamento de imagens. Porém com o desenvolvimento de sensores mais
confiáveis, menores e, principalmente, com a chegada da tecnologia sem fios
(wireless) foi reaberta a possibilidade de uso destes mecanismos para a
análise de movimento.
Um sensor do tipo acelerômetro foi escolhido para ser utilizado neste
trabalho por apresentar a particularidade de ser de pequena dimensão física, o
que possibilita o seu posicionamento em uma pequena área do corpo e ao
mesmo tempo em que não interfere de maneira significativa na execução de
um movimento. Em particular, foi utilizado o sensor MMA7260Q da Motorola,
por este apresentar a característica de captar a aceleração de baixos valores
de aceleração, entre 0 a 6g, e em três eixos – X, Y, Z – tornando possível a
análise de um movimento de forma tridimensional e de baixa variação da
aceleração.
82
O circuito do acelerômetro envolveu a associação com outros
componentes para auxiliar na calibração e verificação dos dados gerados, tal
como informações captadas por um potenciômetro e/ou por intermédio
processamento de imagens, e com isso possibilitar o uso simultâneo na
verificação dos parâmetros de interesse, motivando o uso de algoritmos tanto
para interfacear entre sensor e a mostra de dados, como para a realização do
cálculo, processamento e armazenamento dos dados utilizando para tanto
softwares como o LabView
®
e o Matlab
®
. O LabView
®
foi utilizado para a
etapa de calibração e testes do sistema devido à interface gráfica bem
amigável trabalhando com a manipulação em blocos nas várias etapas. O
Matlab
®
foi utilizado devido a uma vasta biblioteca de ferramentas estatísticas e
cientificas para processamento dos dados, possibilitando o cálculo e mostra de
dados completa para a programação necessária do dispositivo desenvolvido a
partir do acelerômetro escolhido e que foi nomeado como sistema AXXIS.
Para auxiliar na calibração do AXXIS, foi utilizado um eletrogoniômetro
desenvolvido a partir de um potenciômetro, no entanto, antes desta calibração,
foram realizados testes com o eletrogoniômetro e um goniômetro durante um
deslocamento a fim de comparar os valores captados por ambos dispositivos.
No gráfico dos valores angulares obtidos com o Eletrogoniômetro e o
Goniômetro (figura 24), o desvio relativo verificado foi de no máximo 1,4%,
porém, levando em consideração que existe um erro embutido no próprio
goniômetro dado pelo fabricante de 0,5% somada ao do potenciômetro de
0,2%, a relação goniômetro e potenciômetro apresentam um desvio máximo
total de 2,1%.
Através do movimento manual do conjunto – potenciômetro /
acelerômetro – foram obtidos valores de ângulos para cada eixo - figura 26, 27
e 28. Embora tenha sido verificada uma correlação muito forte entre os valores
obtidos conforme a tabela 4 foi notada na figura 26, referente ao deslocamento
realizado no eixo X, uma diferença nos valores iniciais do deslocamento, ou
seja, nos 15º primeiros graus do deslocamento o acelerômetro apresentou erro
para a captação do movimento, este evento é provavelmente explicado pela
presença de possíveis defeitos de fabricação, bem como na presença de
83
aceleração do movimento, pois os cálculos específicos de ângulo se baseiam
na convenção da presença de aceleração apenas da gravidade. No entanto,
quando é observada a figura 27 com os dados referentes ao eixo Y do
acelerômetro, é verificado um comportamento muito próximo entre o sensor e o
eletrogoniômetro, atestando assim uma excelente calibração do sensor neste
eixo. Já na figura 28 onde é visualizado o comportamento do eixo Z do sensor
em relação ao eletrogoniômetro, embora os dados não se mostrem exatamente
iguais, estes se mostram muito próximos entre eles, sugerindo caso necessário
alguns ajustes dependendo do uso.
Também foi realizada a verificação do comportamento do sensor em
movimento constante utilizando um motor de corrente continua com
engrenagens para proporcionar uma velocidade baixa e constante. O
deslocamento foi realizado conforme descrito, e como observado graficamente
na Figura 29, os dados apresentados entre o acelerômetro e o potenciômetro
se mostraram praticamente sobrepostos, o que traz a conclusão de um
desempenho satisfatório do acelerômetro para a captação de dados durante
um deslocamento constante.
Após a etapa de calibração, foram então realizados testes adicionando
mais um sistema de medição: a videogrametria. Dessa forma foi possível
comparar os dados obtidos pelo acelerômetro, eletrogoniômetro e
videogrametria, conforme a figura 30. Como resultado, notou-se que o valor de
correlação do acelerômetro em relação ao processamento de imagens foi de
0,98 e em relação ao eletrogoniômetro foi de 0,99, demonstrando desta forma
uma forte correlação entre os valores obtidos.
Nas figuras 31, 32 e 33 são demonstradas informações a cerca de um
deslocamento obtido a partir de dados angulares expostos da figura 30. Com o
processamento destes dados foi possível encontrar informações a cerca da
aceleração (figura 31), velocidade (figura 32) e deslocamento (figura 33).
Conforme o gráfico da figura 31 foi verificado uma pequena variação da
aceleração (figura 31) condizente com a velocidade encontrada na figura 32.
Deve-se destacar que o cálculo nestas condições (valores baixos de
84
aceleração somado aos erros dos instrumentos) foi realizado com ajustes para
obter os valores exigindo maior cuidado na manipulação dos instrumentos e
sensores.
Com o sistema conjunto – sensores e processamento de imagem - ao
analisar o comportamento do acelerômetro nos eixos X, Y e Z durante a
implementação do sistema na análise de movimento, a captação e análise dos
dados obtidos foram realizadas de forma segmentada pelo fato de ter sido
utilizada apenas uma câmera para a aquisição das imagens, ou seja, para cada
eixo do acelerômetro foi estipulado um movimento captado pela câmera
conforme descrito na metodologia. Assim, para verificar o eixo X do sensor, o
voluntário realizou o movimento de flexão e extensão de ombro, na verificação
do eixo Y do acelerômetro foi analisado o movimento de abdução do ombro,
enquanto que os valores do acelerômetro no eixo Z foram verificados com a
rotação interna de ombro.
Conforme os gráficos das figuras 34 e 35, referentes aos movimentos de
flexão e extensão de ombro, os valores de correlação do acelerômetro em
relação ao sistema de imagens foram de 0,94 na flexão, 0,97 na extensão,
demonstrando não apenas graficamente, mas também estatisticamente a
proximidade entre os valores obtidos com os métodos utilizados na captação
dos dados. Na figura 36 referente ao gráfico realizado a partir dos dados de
abdução de ombro, a correlação encontrada a partir dos dados do
acelerômetro e sistema de imagens foi de 0,98, atestando novamente
proximidade entre os valores obtidos. Embora no movimento de rotação interna
tenha sido observada uma correlação estatisticamente significante - 0,81 - os
dados visualizados na figura 37 refletem o erro apresentado anteriormente na
etapa de calibração do sensor, confirmando dessa forma a necessidade de
maiores ajustes neste eixo do sensor em atividades futuras.
Após a comparação dos dados com a videogrametria, foi realizada a
análise 3D de um movimento, neste caso, foi solicitado ao voluntário que
executasse o movimento de circundução de ombro, pois este movimento
englobou a verificação dos deslocamentos dos três eixos do sensor. Após a
85
realização deste movimento, o software desenvolvido em Matlab
®
, conforme a
visualização da janela inicial do programa na figura 39, foi capaz de fornecer
informações a cerca da aceleração em cada eixo do sensor bem como permitiu
também a visualização da aceleração em um gráfico 3D com a presença de
vetores, o que permitiu a visualização da trajetória do movimento durante toda
a sua execução (figura 40). O programa desenvolvido também possibilitou a
obtenção da variação angular nos três eixos do sensor (figura 41), da força
empregada no deslocamento (figura 42) e ainda da velocidade (figura 43).
A fim de verificar a possibilidade em utilizar o sistema XXIS em ambiente
aquático, foram realizados deslocamentos submergindo o sensor em um
recipiente com água. Para a análise do movimento realizado foi empregada a
análise comparativa do desempenho do sensor em relação a videogrametria e
em relação ao eletrogoniômetro. Após este teste, foi traçado o gráfico da figura
44, onde foi observada uma correlação de 0,98 em relação aos métodos
empregados, possibilitando desta forma a continuidade na verificação do
comportamento do acelerômetro em uma situação da prática clínica, ou seja,
durante a análise de um movimento em hidroterapia.
Em uma piscina, foi solicitado a um voluntário que realizasse o
movimento de circundução de ombro a uma pequena variação de velocidade,
conforme orientado previamente, tendo o sensor fixo ao braço e devidamente
acondicionado em uma caixa estanque desenvolvida para esta finalidade. A
pequena variação proporciona aceleração praticamente nula, dessa forma é
possível a realização de cálculos com menor erro possível (considerando
apenas a aceleração da gravidade). Após a execução do movimento, foi
possível ao programa gerar gráficos referentes ao movimento, como a
aceleração nos eixos do sensor (figura 45), a aceleração em uma visualização
3d (figura 46), as alterações angulares nas amplitudes de movimento
realizadas em ambiente aquático (figura 47), bem como da força (figura 48) e
da velocidade (figura 49). Observando-se os gráficos gerados a partir dos
dados em ambiente aquático e comparando com os gráficos gerados em
ambiente de solo, observa-se uma diminuição da velocidade bem como da
86
aceleração do movimento quando executado em ambiente aquático, refletindo
assim a influência da resistência da água durante a execução do movimento.
Com a execução deste trabalho foi atestada a possibilidade em utilizar
sensores do tipo acelerômetro para a análise de movimento. No entanto, nota-
se a necessidade de melhorias no sistema, inicialmente na verificação dos
dados captados pelo eixo Z do sensor, pois os testes realizados demonstram
que este eixo apresenta um pequeno erro durante a coleta de dados. Também
é notada a necessidade de melhorias no software desenvolvido em Matlab
®
no
processamento dos dados, pois quando observado o gráfico referente á
velocidade angular do movimento analisado (figura 42 e 48) observa-se
presença importante de ruído, o que dificulta a leitura e interpretação das
variações das velocidades.
Embora a caixa estanque utilizada para acondicionar o sensor tenha
servido aos propósitos a qual fora destinada, ergonomicamente esta se
apresenta hiper dimensionada. Como neste trabalho o movimento realizado foi
executado de forma lenta, a caixa estanque não representou resistência
significativa durante o movimento, no entanto, se utilizada em deslocamentos
rápidos, seu tamanho poderá acarretar em uma resistência significante a ser
considerada.
Vale ressaltar que o uso de acelerômetros mostrou-se capaz de fornecer
informações relevantes, seja para a mensuração de um movimento, como
visualizado na figura 45 (referente à aceleração), figura 47 (referente á
variações angulares), figura 48 (velocidade angulares) e figura 49 (referente às
forças durante o movimento), como também propiciou documentar o padrão do
movimento realizado através do gráfico da figura 46, que possibilita ao
terapeuta visualizar toda a execução do movimento de uma forma 3D, o que
afirma a característica da ferramenta desenvolvida enquanto sistema auxiliar
para o diagnóstico das desordens neuro motoras para uso tanto em solo
quanto em ambiente aquático.
87
6 TRABALHOS FUTUROS
Aprimorar a interface gráfica do dispositivo AXXIS
Aprimorar a caixa estanque (diminuir o tamanho).
Utilizar captação de dados wireless (sem fios) para eliminar os fios.
Implementação do sistema AXXIS em sessões de hidroterapia.
Coletar informações com profissionais da saúde a cerca da utilização
prática do sistema desenvolvido.
88
REFERÊNCIAS
BAHM, J.; MEINECKE, L.; BRANDENBUSCH, V.; RAU, G.; DISSELHORS-
KLUG, C. High spatial resolution electromyography and video-assisted
movement analysis in children with obstetric brachial plexus palsy. Hand
Clinics, v.19, p. 393-399, 2003.
BARBOSA, T. M.; MARINHO, D. A.; REIS, V. M.; SILVA, A. J.; BRAGADA, J.
A. Physiological assessment of head-out aquatic exercises in health subjects: a
qualitative review. Journal of Sports Science and Medicine. N8 , p. 179-189,
2009.
BARELA, A. M.; STOLF, S. F.; LUZ, B. S.; DUARTE, M. Padrão da marcha no
ambiente terrestre e em dois níveis de imersão no ambiente aquático. XI
Congresso Brasileiro de Biomecânica, João Pessoa / Paraíba / Brasil,
julho/2005.
BARELA, A. M. F.; DUARTE, M. Biomechanical Characteristics of Elderly
individuals walking on land and in water. Journal of Electromyography and
Kinesiology, v.18, p.446-454, 2008.
BARRY, M.; GRÜNERBL, A.; LUKOWICZ, P. Wearable Joint-Angle
Measurement with Modulated Magnetic Field from L/C Oscillators. 4
th
International workshop on Wearable and Implantable Body sensor
Networks - RWTH Aachen. IFMBE Proceedings, v. 13. p. 43-48 ISSN: 1680-
0737, ISBN: 978-3-540-70993-0, 2007.
BATES, A.; HANSON, N. Exercícios Aquáticos Terapêuticos, São Paulo,
Manole, 1998.
BISCARINI, A.; CERULLI, G. Modeling of the Knee joint load in rehabilitative
knee extension exercises under water. Journal of Biomechanics, v.40, p. 345-
355, 2007.
BOONSTRA, M. C.; SLIKKE, R.M.A.; KEIJSERS, N. I. L. W.; LUMMEL, R. C.;
MALEFIJT, M. C. W.; VERDONSCHOT, N. The accuracy of measuring the
kinematics of rising from a chair with accelerometers and gyroscopes. Journal
of Biomechanics, v. 39, p. 354–358, 2006.
89
CAROMANO, F. A. e NOWOTY, J.P. Princípios físicos que fundamentam a
hidroterapia, Fisioterapia Brasil, São Paulo, v. 3, n. 6, p. 394 - 402, nov. 2002.
CORKEY, S.; CULHANE, K.; LYONS, G. M.; CONWAY R.; O’KEEF, D. A
mobility data acquisition sensor. The 3
RD
European Medical and Biological
Engineering Conference – EMBEC’05 . Prague , Czech Rebublic. ISBN:
1727-1983 IFMBE, Nov. 2005.
CROCE, U. D.; LEARDINI, A.; CHIARI, L.; CAPPOZZO, A. Review: Human
movement analysis using stereophotogrammetry - Part 4: assessment of
anatomical landmark misplacement and its effects on joint kinematics. Gait and
Posture, v. 21, p. 226–237, 2005.
DIJKSTRA, B.; ZIJLSTRA, W.; SCHERDER, E.; KAMSMA, Y. Detection of
walking periods and number of steps in older adults and patients with
Parkinson’s disease: accuracy of a pedometer and an accelerometry-based
method. Age and Ageing, v. 37, p. 436 - 441 ,doi:10.1093/ageing/afn097,
2008.
ERVILHA, U.F; DUARTE, M.; AMADIU, A.C. Cinemática da articulação do
joelho e atividade eletromiográfica de músculos do membro inferior durante a
marcha em ambiente aquático e terrestre. Revista Brasileira de Biomecânica,
v. 4, p. 21- 26, 2002.
FERNANDEZ, G. A. M.; IRITA, R. T. (Orient.) Ferramenta baseada em
processamento de imagens e sensor digital para auxílio à hidroterapia.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Biomédica) - Universidade de Mogi das
Cruzes, Mogi das Cruzes, 2007.
FIORELLI, A.; ARCA, E. A.; PINTO, F. P. R.; BORTOTTO, G. F. Efeitos da
Hidrocinesioterapia na amplitude de movimento em indivíduos sedentários
utilizando o método Bad Ragaz . Fisioterapia Brasil, São Paulo, v. 3, n. 5, p.
285 - 290, set. 2002.
FREESCALE SEMICONDUCTOR, Inc., , MMA 7260Q, 2005.
GIANSANTI, D.; MACCIONI, G.; MARCELLARI, V. The Development and Test
of a Device for the Reconstruction of 3-D Position and Orientation by Means of
a Kinematic Sensor Assembly With Rate Gyroscopes and Accelerometers.
Technical Data
90
IEEE Transactions on Biomedical Engineering, V 52, n 7, p. 1271-1277,
July, ISSN – 0018-9294, 2005.
JÄMSÄ, R.; VAININPÄÄ, A.; VIHRIÄLÄ, E.; KORPELAINEN, R. A.; RINTA-
PAAVOLA, J. Accelerometer-Based Long-Term Monitoring of Physical
Exercise. The 3
RD
European Medical and Biological Engineering
Conference – EMBEC’05 . Prague , Czech Rebublic. ISBN: 1727-1983 IFMBE,
Nov. 2005.
JOVANOV, E.; MILENKOVIC, A.; OTTO, C. A wireless body area network of
intelligent motion sensors for computer assisted physical rehabilitation. Journal
of NeuroEnginnering and Rehabilitation, v 6, p. 2-10, 2005.
KABUKI, M. T.; SACCHELLI, de SÁ T. Os efeitos as hidroterapia na
hipertensão arterial e freqüência cardíaca em pacientes com AVC. Revista
Neurociência, v.15, p. 131-134, 2007.
KANEDA, K.; WAKABAYASHI, H.; SATO, D.; UEKUSA, T.; NOMURA T. Lower
extremity muscle activity during deep-water running on self-determined pace.
Journal of Electromyography and Kinesiology, v. 18, p. 965–972, 2008.
KARARA, H. M. Non -Topographic Photogrammetry. 2
ª
ed., p. 1-1 4, jul.
1988.
LEARDINI, A.; BIAGI, F.; BELVEDERE, B. Quantitative comparison of current
models for trunk motion in human movement analysis. , Clinical
Biomechanics, v. 24, p. 542–550, 2009.
LEE, M-H.; KIM, J.; KIM, K; LEE, I; JEE, S. H.; YOO, S. K. Physical Activity
Recognition Using a Single Tri-Axis Accelerometer. Proceedings of the World
Congress on Engineering and Computer Science – WCECS – v. I, p. 20-22,
San Francisco, USA. ISBN:978-988-17012-6-8, 2009.
LIU, Q.; HAY, J.G.; ANDREWS, J.G. Body roll and hand path in freestyle
swimming. J. Of Appl. Biomechanics, v. 9, p. 238 - 253, 1993.
91
LUINGE, H. J.; VELTIK, P. H. Inclination Measurement of Human Movement
Using a 3-D Accelerometer With Autocalibration. IEEE Transactions on Neural
Systems and Rehabilitation Engineering, v. 12, n1, March, p 112-121,2004.
LUINGE, H.J.; VELTINKB, P. H.; BATENC, C. T. M. Ambulatory measurement
of arm orientation. Journal of Biomechanics, n.40, p.78–85, 2007.
MANNINI, A.; SABATINI, A. M. Machine Learning Methods for Classifying
Human Physical Activity from On-Body Accelerometers. Sensors, v.10, p.1154-
1175; doi:10.3390/s100201154, ISSN 1424-8220, 2010.
MILTNER, O.; WILLIAMS, S.; SCHMIDT, R.; SIEBERT, C. H.; RAU, G.;
ZILKENS, K. W.; DISSERLHORST-KLUG, C. 3D-Analyse der Armbewegung:
eine neue Methode und erste Klinische Anwendung. Z Orthop ,n.140; p.171-
176, 2002.
MOMBERG, B-L.; L0UW, Q.; CROUS, L. Accelerated hydrotherapy and land-
based rehabilitation in soccer players after anterior cruciate ligament
reconstruction: a series of three single subject case studies. SAJSM, v. 20, n. 4,
p.109 -114, 2008.
MOTTRAM, S. L.; WOLEDGE, R.C.; MORRISSEY, D. Motion analysis study of
a scapular orientation exercise and subjects’ ability to learn the exercise.
Manual Therapy, n.14, p. 13-18, 2009.
MU, T.; NANDI, A. K.; RANGAYYAN, R. M. Screening of knee-joint
vibroarthrographic signals using the strict 2-surface proximal classifier and
genetic algorithm. Computers in Biology and Medicine, n. 38, p. 1103–1111,
2008.
NICOLAS, G. ;BIDEAU, B. A kinematic and dynamic comparison of surface and
underwater displacement in high level monofin swimming. Human Movement
Science , IN PRESS, 2009.
OLGI, Y.; YASUMURA, M.; ICHIKAVA, H.; MIYAJI, C. Analysis of stroke
technique using acceleration sensor IC in freestyle swimming. The
Engineering of Sport, p. 503-511, 2000.
92
PARKA, W. ;SINGHB, D. P.; HUSTONB, R. L.; SONG, S. A quantitative method
for representing balance strategies of goal-directed human motions.
Computers in Biology and Medicine, n 38, p. 1094 – 1102, 2008.
POYHONEN, T.; KYROLAINEN, H.; KESKINEN, K. L.; HAUTALA A.;
SAVOLAINEN, J.; MALKIA, E., Electromyography and Kinematic Analysis of
therapeutic knee exercises under water . Clinical Biomechanics, v. 16 , p.
496-504, 2001.
PRINS, J. H. Aquatic Rehabilitation. Serbian Journal of Sports Sciences 3(2),
p. 45-51, ISSN 1820-6301, 2009.
RIBAS, D. I. R.; ISRAEL, V. L.; MANFRA, E. F.; ARAÚJO, C. Estudo
comparativo dos parâmetros angulares da marcha humana em ambiente
aquático e terrestre em indivíduos hígidos adultos jovens.Rev Bras Med
Esporte, v. 13, n 6, p. 371 – 375, 2007.
ROETENBERG, D.; LUINGE, H.; SLYCKE, P. 6 DOF Motion Analysis Using
Inertial Sensors. Proceedings of Measuring Behavior. Maastricht, The
Netherlands, August, p. 26-29, 2008.
SCHWARTZA, M. H.; ROZUMALSKIA, A. A new method for estimating joint
parameters from motion data. Journal of Biomechanics , n.38, p. 107–116,
2005.
SIMCOX, S.; PARKER, S.; DAVIS, G. M.; SMITH, R.; MIDDLETON, W.
Performance of orientation sensors for use with a functional electrical
stimulation mobility system. Journal of Biomechanics, n.38, p.1185-1190,
2005.
SKINNER, A.; TOMSON, A. M. Duffield – Exercícios na Água. 3. ed. São
Paulo, Manole, 1985.
TRIOLA, M. F. Introdução à estatística. 9 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005.
2005, ISBN 8521614314
WILLIAMS, S.; SCHMIDT, R.; DISSELHORST-KLUG, C.; RAU, G. An upper
body model for the kinematical analysis of the joint chain of the human arm.
Journal of Biomechanics, n. 39, p. 2419-2429, 2006.
93
VENEZIANO, W.H. ; PENA A. G. ; ROCHA A. F. ; GONÇALVES C. A. ;
CARMO J. C.; NASCIMENTO F. A. O. ; ANDRADE M. M. Influência do
ambiente subaquático na amplitude do sinal eletromiográfico de superfície do
grupo tenar. III CLAEB, João Pessoa, IFMBE Proc. 5(1), p. 1147-1150, 2004.
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
