Sistema de Equilibrio utilizando tecnología Wii

Diaz Facundo, Martín Gastón , Roca Sebastián, , Sánchez Mirta

Laboratorio de Fisiología del Ejercicio – Universidad Maza

facundodiaz.bioing@gmail.com

Resumen- El proyecto se inicia con el objetivo de implementar un sistema de bajo costo para estudiar la estabilidad de la persona humana con fines clínicos, deportivos y de investigación. El sistema está formado por una plataforma de balance (wii balance board) que posee la capacidad de detectar variaciones de peso sobre la misma gracias a sensores de presión, que transmiten información de manera inalámbrica por medio de la tecnología bluetooth. Además de la plataforma, también se incluye un dispositivo receptor de la información de los sensores representado por una computadora. La computadora captura los datos, los procesa y los muestra en pantalla por medio de un software específico. El software además de la visualización de las presiones permite efectuar ejercicios de equilibrio personalizados basados en el test de Romberg. Esto nos permite medir adecuadamente la capacidad del individuo de mantener su posición constituyendo una alternativa útil a las costosas plataformas de fuerzas y sistemas de estabilometría que existen en el comercio.

1. Introducción

El equilibrio es una actividad compleja que requiere información desde los sistemas sensoriales, integración de esta información a algunos niveles del sistema nervioso, y al sistema músculo-esquelético para aplicar los comandos necesarios desde el sistema nervioso central.

Podemos clasificar el equilibrio en estático y dinámico. El estático es la oscilación postural que se produce cuando intentamos mantener el cuerpo en la posición más estática posible, es decir, sin nada de movimientos. Para ello, se mide la localización y el movimiento del Centro de Presiones, entendido como el punto en la base de apoyo donde se aplica la resultante de las fuerzas de reacción del suelo. Por su parte, el equilibrio dinámico es el que se produce durante la realización de movimientos como caminar, sentarse, levantarse, elevar objetos; todos requieren que el sujeto se incline hacia delante, hacia atrás, hacia los lados, de tal manera que su equilibrio se ve comprometido.

Además el equilibrio es un proceso regulado por el sistema nervioso en el que se pueden diferenciar tres subsistemas:

• Sistemas Sensoriales: sistema aferente que recibe información externa e interna y de posición corporal a través de los siguientes sistemas sensoriales: sistema visual, sistema vestibular y sistema somatosensorial.

• El Sistema Nervioso Central y El Sistema Nervioso Periférico: encargados del procesamiento de ésta información.

• Sistema Músculo Esquelético: sistema eferente que ejecuta la acción.

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La estabilometría es una rama del campo de la posturografía, que se caracteriza por ser un método objetivo, utilizado para estudiar cuantitativamente el equilibrio postural y servir como prueba complementaria al diagnóstico clínico.En el área de la protésica, el médico fisiatra necesita conocer la forma cómo el paciente maneja la sustentación o cómo se comporta su centro de gravedad al colocar una prótesis o una órtesis; por esa razón, la estabilometría le permite realizar una alineación de dicho elemento, con el fin de garantizarle al paciente una marcha estable. En el área deportiva, es igualmente importante observar el comportamiento del centro de gravedad del deportista, ya que esto orienta al médico en el entrenamiento o la búsqueda de posibles causas de lesiones del sistema músculo-esquelético, en deportes de alto rendimiento.

Para adquirir las señales propias del control postural, es necesario el uso de plataformas de fuerza, que son aquellos dispositivos capaces de medir las magnitudes vectoriales de las cargas a las que son sometidas los objetos. Estos dispositivos pueden ser utilizados para estudios dinámicos, como saltar, caminar o correr, y estáticos, como la aproximación de la postura corporal y el desplazamiento del centro de masa.

2. Síntesis teórica

A. Plataforma de fuerza.

Se eligió para desarrollar el sistema de equilibrio de bajo costo la tabla de balance de Nintendo llamada Wii Balance Board.

B. Características de la Wii Balance Board.

La tabla de balance es un accesorio para la consola Wii de Nintendo que consiste en una tabla capaz de calcular la presión ejercida sobre ella. Las características relevantes son:

• Máximo peso soportado de 150 Kg.• Cuatro sensores de presión.• Transmisión de datos vía Bluetooth.

C. Mecanismo interno.

La tabla usa cuatro sensores de presión para cumplir su utilidad. Por ejemplo si una persona se inclina hacia la izquierda, ejerce una presión sobre la parte izquierda de la tabla y los sensores se encargan de detectar y evaluar las variaciones de peso.

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D. Medio de comunicación.

El medio por el cual la tabla se comunica con la computadora es vía bluetooth, éste es un mecanismo de transmisión por enlaces de radiofrecuencia, utilizando el Protocolo de Descubrimiento de Servicios Bluetooth (SDP). De esta manera cuando la computadora manda una petición a los dispositivos bluetooth en su alcance, la tabla manda un bloque de información para dar sus especificaciones a la computadora y de ahí se establece la conexión.

Como se observa en el gráfico a continuación, la tabla envía 16 bits de datos para cada uno de los cuatro sensores de presión, junto con los datos de calibración necesarios para hacer las conversiones a mediciones de masa.La información para calibrar los sensores se envía en 24 bytes, que contienen valores para los cuatro sensores a diferentes pesos. Para calcular el peso en cada sensor, simplemente se interpola entre los valores de calibración entre los cuales se encuentra la lectura, y el peso total en la tabla es la suma de estos valores.

Fig1. Formato de datos de los sensores

3. Desarrollo del Software

Para diseñar un software que se adecuara a los objetivos del proyecto, se tuvieron en cuenta varios lenguajes de programación, eligiéndose C# debido a la existencia de librerías especializadas en el control de dispositivos Wii desarrolladas para el mismo.

• Librería WiimoteLib

Brian Peek desarrolló esta librería utilizada para establecer la conexión entre la tabla y la computadora. Cuando la tabla es emparejada, se registra como un dispositivo HUMAN INTERFACE DEVICE (HID) por lo que se usan las interfaces de programación de aplicaciones (APIs) de Win32 para gestión de dispositivos HID.Con los dispositivos HID, los datos son enviados y recibidos como informes. O sea, es un búfer de datos de un tamaño predefinido con una cabecera que determina el tipo de informe enviado. Ya que

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los datos se envían y se reciben constantemente es necesario usar operaciones asincrónicas de entrada y salida.

• Interfaz Gráfica del Software

Como dijimos anteriormente, se eligió desarrollar el software en C# gracias a la existencia de librerías para controlar dispositivos Wii. Además las ventajas de C# radican en la necesidad de crear una interfaz gráfica, una aplicación ligera compatible con la mayoría de las computadoras y con independencia de la plataforma del hardware.

Para el diseño de la Interfaz, se desarrolló en 4 etapas:

a) Interfaz del Editor de Terapia.

Para permitir a los terapeutas personalizar las interacciones a aplicar en los pacientes.

b) Interfaz de Perfiles.

Para brindarle al terapeuta una visión organizada de las sesiones que ha ejecutado un paciente.

c) Interfaz del Rendimiento Métrico.

Útil para mostrar el progreso de un paciente con el tiempo.

d) Interfaz de los Detalles de la Sesión.

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Para ver los datos en conjunto generado por un período de sesiones.

e) Interfaz de las Interacciones.

Para interactuar y realizar ejercicios basados en el Test de Romberg.

4. Resultados

Se eligieron 5 ejercicios básicos para ser aplicados a 20 personas seleccionadas de manera aleatoria con el fin de analizar el equilibrio natural y el desplazamiento de peso de los humanos.

Las cuatro interfaz fueron desarrolladas óptimamente con la inclusión de los ejercicios basados en el test de Romberg. Los ejercicios elegidos para posteriormente hace el protocolo de medidas fueron los siguientes:

Se optó por 5 tipos de ejercicios interactivos distinto que si o si deben utilizar la plataforma de equilibrio de la Wii para obtener resultados acerca de la estabilidad de la persona.

Los 5 ejercicios desarrollados fueron llamados de la siguiente forma:

1) Balance Estático

2) Balance Dinámico

3) Posición Aleatoria

4) Tiempo Límite

5) Sentada y Parada

A continuación describiremos cada uno de ellos desde el aspecto fisiológico con algunos detalles técnicos:

1) Balance Estático

En este ejercicio se debe colocar el cursor en el centro de masa (coordenadas x=0, y=0) cuantificándose el tiempo que se tarda en realizar el objetivo.

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Detalles del ejercicio:

Condición Final: Tiempo Límite = 10 segundos

2) Balance Dinámico

Este ejercicio mide cambios en el equilibrio de la persona. Se debe mover el cursor hacia la región sombreada que constará de una posición específica y de un tamaño determinado y se debe mantener durante dos segundos. Una vez que se cumpla con lo pedido, el ejercicio mostrará múltiples regiones que tienen la característica de ser cada vez más pequeñas y en distintas posiciones.

Detalles del ejercicio:

Condición Final: Tiempo en Región = 2 segundosCantidad de Repeticiones: 5Forma del área sombreada: Rectángulo

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3) Posición Aleatoria

Este ejercicio mostrará una región sombreada en la pantalla en posiciones aleatorias. Se debe mover el cursor hacia la región y mantener durante dos segundos.

Detalles del ejercicio:

Condición Final: Tiempo en Región = 2 segundosCantidad de Repeticiones: 7Forma del área sombreada: Elipse

4) Tiempo Límite

Se debe colocar el cursor sobre la región sombreada y mantenerlo 2 segundos lo más rápido posible para continuar con la nueva región antes de que finalice el tiempo elegido por el operador.

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Detalles del ejercicio:

Condición Final: Tiempo en Región = 2 segundosForma del área sombreada: Rectángulo

5) Sentada y Parada

Empezar en Posición de sentado con los pies sobre la wii balance. Intentar pararse manteniendo el centro de balance.

Detalles del ejercicio:

Condición Final: Tiempo en Región = 2 segundosForma del área sombreada: Rectángulo

Todos los ejercicios registran en la base de datos de cada usuario sus tiempos y resultados.

5. Conclusiones

El sistema de bajo costo trabajó de forma favorable para cumplir los requerimientos originales.

1. De acuerdo a las pruebas realizadas, las personas casi nunca mantienen su equilibrio constante.

2. Se puede utilizar la plataforma de balance para diagnosticar escoliosis por acortamiento de un miembro inferior sin necesidad de visualizar la columna del paciente.

3. Se puede utilizar el sistema para estudiar la biomecánica de un deporte específico y orientarla al alto rendimiento.

4. Se logró estandarizar la cuantificación del equilibrio medio para cada ejercicio.

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Al terminar la etapa de la implementación de los ejercicios basados en el test de Romberg se espera desarrollar un protocolo de medidas para determinar los valores típicos de cada ejercicio.

Por cada ejercicio básico influenciado en el test de Romberg, se hará el cálculo de la distribución modal con finalidad estadística y para conocer la tendencia central de posición de 20 personas seleccionadas.

6. Referencias

[1] Validity and reliability of the Nintendo Wii Balance Board for assessment of standing balance. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20005112

[2] Librería C para Wii. http://wiimotelib.codeplex.com/

[3] Nintendo Wii Balance Board. http://www.nintendo.com/wii/console/accessories/balanceboard

[4] Rehabilitación usando tecnologías Wii.http://rehabilitacionymedicinafisica.blogspot.com/2009/12/wiihabtherapy-un-blog-sobre.html

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