Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 2005; 2: 8-8 (más artículos en esta revista)

Usables cinestésicos sistema para la captura y clasificación de los miembros superiores gesto en la rehabilitación después de los accidentes cerebrovasculares

BioMed Central
Alessandro Tognetti (a.tognetti @ ing.unipi.it) [1], Federico Lorussi (f.lorussi @ ing.unipi.it) [1], Rafael Bartalesi (bartalesi@ing.unipi.it) [1], Silvana Quaglini (silvana.quaglini @ unipv.it) [3], Mario Tesconi (mario.tesconi @ ing.unipi.it) [1], Giuseppe Zupone (g.zupune @ ing.unipi.it) [1], Danilo De Rossi (d.derossi @ ing.unipi.it) [1]
[1] Centro de Investigaciones Interdepartemental "E. Piaggio ", Universidad de Pisa, Via Diotisalvi 2, Pisa, Italia
[2] Información Departamento de Ingeniería de la Universidad de Pisa, Via Caruso 2, Pisa, Italia
[3] Departamento de Ingeniería Informática y Sistemas, Universidad de Pavia, Via Ferrata 1, Pavia, Italia

Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons License (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0], que permite el uso irrestricto, la distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que la obra original sea debidamente citada.

Resumen
Antecedentes

Órgano de supervisión ha cinemática fundamental importancia biológica y en varias disciplinas técnicas. En particular, la posibilidad de conocer exactamente la postura puede proporcionar uno de los principales temas de ayuda en la rehabilitación. En el presente trabajo una innovadora y discreta de prendas de vestir capaces de detectar la postura y el movimiento de la extremidad superior se ha introducido, con especial atención a su aplicación en el campo de la rehabilitación después de un accidente cerebrovascular mediante la descripción de la integración de los prototipos en un servicio de cuidado de la salud.

Métodos

Este trabajo trata sobre el diseño, el desarrollo y la aplicación de un sensor de prendas de vestir, de la caracterización de las innovadoras cómodo y difusa que los sensores utilizados en las metodologías empleadas para recoger información sobre la postura y el movimiento que se derivan de la totalidad de las prendas de vestir. Varios de los nuevos algoritmos dedicados a la adquisición de señal, el tratamiento y la postura y gesto de reconstrucción se presenta y prueba.

Resultados

Los datos obtenidos por medio de los sensores de prendas de vestir son analizados y comparados con los obtenidos mediante un sistema de seguimiento de movimiento tradicional.

Conclusión

Los resultados principales tratados en este trabajo se resumen y observó. El sistema se comparó con un sistema de seguimiento de movimiento comercial (un conjunto de electrogoniometers) y se realizó la misma precisión en la detección de los miembros superiores posturas y movimientos.

Antecedentes

Este trabajo trata del desarrollo de un innovador sistema de medición dedicada al análisis del movimiento humano. Nuestro principal objetivo es el de ofrecer una alternativa válida cómodo instrumentación útil en varias zonas de rehabilitación. En particular hemos centrado nuestra atención en el control remoto después de los tratamientos de pacientes con accidente cerebrovascular [1].

El análisis del movimiento humano en general es realizado por la medición de las variables cinemáticas de los segmentos anatómicos mediante el empleo de acelerómetros, electrogoniometers, electromagnéticos o de los sensores de las cámaras integradas en los equipos delicados como los sistemas de stereophotogrammetric. En las tareas de rehabilitación a distancia, varias desventajas que se derivan de la utilización de estas tecnologías, que se aplican principalmente en la realización de la robótica o mecatrónica máquinas (como MIME o MIT-MANUS [2]] que resultan invasivas, complejo y, a menudo, incapaces de satisfacer la seguridad Requisitos para la presencia de las partes mecánicas en movimiento. En la literatura, varios estudios se dedican a darse cuenta de los dispositivos con propiedades eléctricas de alta portabilidad [3 - 5]. Los principales inconvenientes de los sistemas portátiles de detección disponibles en el mercado son su peso, la rigidez de la estructura el cual se hace de la dimensión de los sensores utilizados, y todas las otras propiedades que los hacen obtrusive. En particular, los sensores convencionales suelen requerir la aplicación de la compleja e incómoda mecánica enchufe con el fin de la posición de los sensores en las prendas de vestir. En el presente trabajo, hemos centrado nuestros esfuerzos en la realización de un nuevo sistema para la medición de la extremidad superior humanos cinemática variables sobre la base de un sensorized vestido, la Kinesthetic Trajes de las extremidades superiores (ULKG). Ligereza, elasticidad y adherencia han sido privilegiados en la realización ULKG como requisitos fundamentales para su unobtrusivity. Estas directrices nos han llevado a elegir un tejido elástico (licra) a la fabricación como un sensorized camisa. Con el fin de dotar a la camisa de lycra con un aparato de detección, los sensores se han propagado en la trama por conductor de electricidad que cuenten con un elastómero (CE). CE deposición no modifica las características mecánicas del tejido. Conserva la portabilidad de la ULKG y confiere a la trama piezoresistive propiedades relacionadas con solicitaciones mecánicas. Esta propiedad se ha aprovechado para realizar muchas otras sensorized prendas como guantes, leotards, asientos capaces de reconstruir la forma del cuerpo y el seguimiento, la postura y gesto [6]. Además, mediante el uso de esta tecnología, sensores y cables de interconexión puede ser untado utilizando el mismo material de impresión en una sola y el proceso de fabricación. Se trata de una mejora real en términos de comodidad realizadas por el dispositivo porque no metálicos de los cables necesarios para interconectar sensores o para conectar a la unidad de adquisición electrónica. De ese modo, no son rígidas limitaciones actuales y los movimientos son sin límites.

Métodos
Materiales

CE piezoresistive propiedades de los compuestos muestran una deformación cuando se aplica y se puede integrar en el tejido u otros sustratos flexibles para ser empleados como sensores de tensión. Integrado CE sensores obtenidos de esta manera pueden ser utilizados en el análisis de la postura y el movimiento por la realización de interfaces portátiles cinestésicos [7]. La CE hemos utilizado es un producto comercial por WACKER Ltd (Elastosil LR 3162 A / B) [8], que consiste en una mezcla que contiene grafito y goma de silicona. WACKER Ltd garantiza la no toxicidad de los productos que, después de la vulcanización, pueden ser empleados en aplicaciones médicas y farmacéuticas.

Cinestésicos sensores vestibles

En el proceso de producción de la ULKG, una solución de Elastosil y tricloroetileno es untado sobre una lycra sustrato previamente cubierto por una máscara adhesiva. La máscara ha sido diseñado de acuerdo a la deseada topología de la red de sensores y cortada por una máquina láser de la molienda. Después de la deposición de la CE, se quita la máscara y el tejido tratado se coloca en un horno a una temperatura de 130 ° C para acelerar el proceso de enlaces cruzados de la mezcla. En unos 10 minutos la trama de detección está dispuesto a ser empleado para la fabricación de la ULKG.

Caracterización del sensor

El objetivo principal de la CE sensor caracterización ha sido la determinación de la relación entre la resistencia eléctrica R (t) de una muestra de tejido de tratados y su longitud real l (t). Por otra parte, un análisis de la transducción de las propiedades térmicas y el envejecimiento de la trama se ha ejecutado [5].

En cuanto a la caracterización cuasi-estática, una muestra de 5 mm de ancho sin estirar muestra una resistencia eléctrica de alrededor de 1 k Ω por cm, y su calibre factor (GF) es de aproximadamente 2,8 , Donde R es la resistencia eléctrica, l es la longitud real, R 0 es la resistencia eléctrica correspondiente a la l 0, que representa el resto longitud de la muestra). El coeficiente de temperatura es de 0,08 K -1. Capacidad mostraron efectos de la muestra son insignificantes hasta 100 MHz.

Caracterización dinámica

Comportamiento de la resistencia eléctrica de la CE examinaron muestras durante una deformación ha sido fundamental para que podamos emplear como sensores. Dos cuestiones diferentes que se han dirigido al uso como cepa CE sensores. El primero se refiere a la duración del tiempo transitorio, que puede durar hasta varios minutos. Es evidente que estos sistemas físicos no pueden describir el movimiento humano sin un tratamiento de la señal dedicada a compensar la lentitud de este fenómeno. Además, la eléctrica tendencia de la muestra analizada muestra algunos fenómenos no lineales que no son insignificantes, en determinadas condiciones de trabajo, en particular cuando se aplican deformaciones rápido. En este trabajo los siguientes resultados serán introducidos. El típico comportamiento eléctrico de este sistema, cuando deformaciones en la aplicación de longitud, se describe. Los resultados de nuestro estudio dará lugar a la formulación de un modelo matemático que aproxima el comportamiento de sensores eléctricos. Este modelo se utilizará para la aplicación de un algoritmo dedicado a la regulación del sistema que consiente la determinación de la longitud de sensores en tiempo real. Por último, dos versiones simplificadas y más rápida de este sensor longitud determinación técnica será presentado y aplicado en la postura de reconstrucción.

El análisis de la tendencia de la CE eléctrica sensores, deformaciones cuando se aplican, se ha realizado mediante el uso de un sistema de realidad en nuestros laboratorios, que puede facilitar el control deformaciones y, al mismo tiempo, puede adquirir el valor de la resistencia realizadas por la muestra. Una amplia descripción de este instrumentación y sus resultados se pueden encontrar en [5]. Mediante el uso de este dispositivo, varias deformaciones, que difieren en sus formas en función del tiempo, las amplitudes y las velocidades se han aplicado a la CE especímenes. Figura 1, que ha sido señalada como un ejemplo de este análisis, muestra los resultados de una muestra estirada con rampas en la deformación trapezoidal con diferentes velocidades (T) (donde l (t) es la longitud de la muestra). Las principales observaciones sobre el comportamiento de sensores eléctricos se resumen en las siguientes:

• Tanto en el caso de las deformaciones que aumentar la duración de la muestra y en caso de las formaciones que de reducirlo, dos locales máximos superiores a los dos y el valor de partida el régimen de valor se realizan.

• Si la relación entre R (t) y l (t) es lineal, uno de la extrema descrito en el punto anterior sería un mínimo.

• La altura de las crestas rebase la resistencia aumenta con la velocidad ( (T)).

• El tiempo de relax transitorio, que dura hasta varios minutos, es muy larga y no debidamente código movimiento humano.

No linealidad en la que se refiere funcional R (t) y (t) l nos propuso elegir una aproximación que contenga un término cuadrático en la cepa de velocidad ( (T)). Veamos:

Donde un 1, un 2 y un 3 distinto de cero son tres números reales. Mediante el uso de datos experimentales, que hemos comprobado que cuando la muestra es inmóvil, es decir, (T) = 0, la señal se derivan de la sensor es representable por una combinación lineal de la función exponencial:

Y de los valores ω i no dependen de la amplitud y la velocidad para una amplia gama de la solicitud previamente aplicados (0 - 50 por ciento de la longitud y el resto 0 - 0,1 m / s), pero no todos son sólo de acuerdo a la forma y Las dimensiones de la muestra y sobre los porcentajes de los componentes de la mezcla utilizada para darse cuenta de ello [9]. Al considerar g (t) como la entrada de la función de la diferencia de sistema lineal

Donde , Hemos obtenido resultados alentadores en la elaboración de modelos de señales [9]. En particular, hemos aproximado el comportamiento de sensores como la solución de un sistema lineal de segundo orden basado en la ecuación (3):

Con

Donde ω 1 y ω 2 son los dos polos del sistema lineal (4). Esta relación proporciona una obvia (casi teoría) el método para calcular g (t). Desde la ecuación (3) sólo contiene R (t) y sus derivados, s simple para determinar el valor de g (t). Por lo tanto, para obtener l (t) en tiempo real es necesaria la integración de la ecuación diferencial (1) (en el que los tres parámetros a 1, 2 y un 3 han sido identificados a través de los valores de los picos excursiones en las respuestas de los sensores ). Desafortunadamente, la ecuación (1) no es integrable en general, cuando g (t) es desconocido y su solución l (t) que se ha calculado numéricamente. Esto no es una simple cuestión de los datos adquiridos, porque se ven afectados por el ruido y el error de muestreo. Buenos resultados se han obtenido fuera de línea mediante el uso de una amplia digital de filtrado que utilizan el valor medio de un gran número de la muestra para reducir el ruido, pero presentó un retraso de señal [9]. Siguiente acontecimientos se dirigirá a la aplicación de la duración de detección en tiempo real durante una moción.

Por el contrario, el problema ha sido abordado ya cuando el sistema está inmóvil, es decir, (T) = 0 y g (t) = a 1 l (t), y será tratado en la próxima sección.

Transitoria de la reducción del tiempo

Después de una solicitación mecánica, CE sensor de resistencia cambia de acuerdo a la ecuación (2). Lamentablemente, los valores determinados para ω i transitorios y el consiguiente tiempo no permiten emplear directamente a las señales adquiridas para nuestras aplicaciones. Por otro lado, mediante el uso de la ecuación (2) ha sido posible regular el sensor de respuesta de cálculo de los coeficientes c i (y, en particular, c 0, que representa el valor final de la señal) primeras con respecto a la duración de tiempo transitorio . Desde el polo valores son invariantes con la deformación, con el fin de aplicar relación 2, que tienen que ser calculados sólo una vez, durante el sistema de identificación de parámetros. Si el ω i sólo se conocen los c i seguir indeterminada y han de ser calculadas en tiempo real después de cada deformación. El parámetro de identificación se realiza por un conjunto de servicios públicos que lleva a cabo una minimización de la cantidad

Más de una celosía L que se extiende por las variables c 0 ... c p, ω ω p 1 ... y cuando y es un k-dimensional vector que contiene los datos adquiridos durante el plazo transitorio tras un llamado a licitación. La elección de k se debe al ruido que afecta a la señal. La precisión en la identificación de parámetros aumenta con su valor. Prácticamente este procedimiento se repite varias veces y los valores obtenidos para el ω i se evaluó el promedio de respuesta en todos los ensayos. Cuando se han determinado los valores de polo, después de cada solicitud coeficientes c 0 c p ... tiene que ser re-calculado para volver el estado de la respuesta y la duración de sensores conexos. Hemos desarrollado dos procedimientos diferentes para el cálculo de ellas. La primera de ellas consiste en el examen de la iterar p derivados de la función (2) con respecto a t. Si kp, el conjunto de estas ecuaciones sobre k muestras evaluadas y comparadas con los numéricos derivados de la señal almacenada en el vector y welldimensioned constituye un sistema lineal en las variables c i, que se puede calcular con un bajo coste computacional. A pesar de que esta metodología es clara y elegante, presenta un grave inconveniente. El cálculo numérico de los derivados de la señal y es corrompido por el ruido que afecta a la señal. Además, la toma de muestras de ruido debido al convertidor analógico-digital en el sistema electrónico de adquisición se amplifica por su derivación. Prácticamente, esta estrategia no es aplicable en este formulario. Resultados mejorar notablemente si se utilizan derivators analógica. Esta solución está dirigida a los problemas presentado por el ruido, pero aumenta dramáticamente la dimensión de la adquisición del sistema electrónico, porque además de la derivators, cada señal y sus derivados tienen que ser adquiridos individualmente, y el número de los canales de adquisición de acuerdo a los aumentos derivados Para que utilizamos [10].

Para abordar esta cuestión y atenuar el ruido componentes debido a la alta impedancia de acoplamiento entre pen-sado para la conexión de cables integrados en la red eléctrica y prendas de vestir [10], hemos desarrollado un algoritmo iterativo basado en la integración de la ecuación (2). Coeficientes c (i) i = 0 ... p son, en este caso, la solución de un sobre-dimensionado sistema lineal n × p, obtenido mediante la integración de n veces la ecuación (2) sobre el intervalo [t 0, t k]. Es trivial demostrar que el sistema es coherente obtenidos para n y p ≥ ≥ k p calculando la jacobian matriz del sistema en su forma paramétrica. La elección de n> p produce un filtrado (sobre la base de una evaluación de mínimos cuadrados redundante de datos) de las señales, mientras que los coeficientes se calculan. Una mayor estabilización se debe a la integración en todo el intervalo en que eq. (2) posee, mediante la recopilación de toda la información previamente almacenada. N particular surgir inconvenientes de este método. Todo el cálculo se computa digital ni con el aumento de la dimensión de la adquisición del sistema electrónico ni introducir o ampliar aún más el ruido. El principal defecto de este enfoque es que requiere que uno detecta cada movimiento porque ecuación (2) cuando tiene la muestra es inmóvil, sólo, y la integración numérica tiene que ponerse a cero después de cada solicitud. Los resultados se presentan en la Figura 2

La realización de la extremidad superior cinestésicos de prendas de vestir

El sensor de tejidos antes mencionados, pueden ser empleadas para realizar los sistemas portátiles de detección capaces de registrar la postura y gesto humano, que pueden ser usados por un largo tiempo, sin molestias. Con el fin de realizar el ULKG, hemos integrado en una camisa de los sensores conectados a una unidad electrónica que opera un pre-proceso de filtrado. El objetivo es muy innovador obtenido consiste en la impresión de la serie de sensores y de la conexión de cables directamente en el tejido mediante el uso de CEs (en los primeros prototipos de las interconexiones se realizaron por medio de cables metálicos [5], que podría obligarse movimientos y crear artefactos) . Con el fin de lograr un sensorized camisa en condiciones de controlar la cinemática de la extremidad superior, tenemos que determinar la posición y orientación de sensores adjunto a la examinó las articulaciones. Un punto crucial aquí se basa en la observación de que un número de sensores redundantes (es decir, una serie de sensores más grande que el número de grados de libertad para el sistema en estudio) distribuidos sobre una superficie puede proporcionar suficiente información para deducir las características esenciales Relativa a la postura de un sujeto, descuidando la ubicación exacta del sensor. Alquilar este enfoque de los paradigmas biológicos [6, 7]. Un enfoque teórico se ha intentado, mediante la búsqueda en una optimización criterio de aprovechar al máximo el contenido global de la información recogida por el sistema de sensores [11]. Lamentablemente, esta técnica es muy costoso en términos de recursos computacionales necesarios. La optimización de este cálculo es en la actualidad objeto de estudio. Por último, un enfoque heurístico ha sido aprobado. Mediante la realización de una muestra de tejido sensorized y colocándolo en torno a la considerada articulaciones durante la ejecución de los movimientos naturales que han determinado el conjunto de condiciones que produce resultados significativos en términos de movimiento de la reconstrucción.

ULKG eléctricos y electrónicos modelo de aplicación de la técnica de adquisición

Todos los comentarios y juicios expuestos en la sección anterior nos lleva a diseñar el adhesivo utilizado para enmascarar frotis sensores y cables informó en la Figura 3. La camisa sensorized prototipo, realizado mediante el uso de esta máscara, se muestra en la Figura 4. El valiente negro pista de la figura 3 representa el conjunto de los sensores conectados en serie (S i, y cubre las articulaciones de la extremidad superior (hombro, codo y muñeca). La delgada pistas (R i, Figura 3] representa la conexión entre el Conjunto de sensores electrónicos y el sistema de adquisición. Desde la delgada pistas son de la misma mezcla piezorestive CE, que se someten a un no despreciable (y desconocidos) cambio en su resistencia cuando se mueve la extremidad superior. Por lo tanto, el front-end analógico de la unidad electrónica Está diseñado para compensar la variación de la resistencia a la delgada pistas durante la deformaciones de la tela. El sistema eléctrico se muestra en la figura 3. Si bien un generador de suministros de la serie de sensores de S i con una corriente constante I, el sistema de adquisición es proporcionada por un Etapa de alta impedancia de entrada realizado por los amplificadores de instrumentación y representado en la figura 3 por el conjunto de voltímetros. Gracias a esta configuración, sólo una pequeña cantidad de corriente fluye a través de la conexión de cables, que tienen valores de la resistencia R i, y por lo que el voltaje que se encuentran en R i son insignificantes si la actual I, que fluye en la serie de sensores, es lo suficientemente grande. En conclusión, los voltajes medidos por la instrumentación de los amplificadores son iguales a los voltajes que se encuentran en el S i que se relaciona con la resistencia de la Sensores. De esta manera, la delgada pistas perfectamente sustituir los tradicionales cables metálicos y un sensor, que consiste en una serie de sesiones de la audaz pista entre dos pistas delgada, puede ser untado en cualquier posición para detectar los movimientos de un determinado conjunto.

El ULKG modos de funcionamiento: reconstrucción de las configuraciones cinemáticas

Con el fin de aclarar la manera en la postura de detección se puede hacer mediante el uso de un cinestésicos de prendas de vestir, son necesarias algunas observaciones. En primer lugar, con el fin de definir una postura formal, es necesario elaborar un modelo geométrico de la cadena cinemática en estudio. Esto se puede hacer mediante la fijación de un determinado número de fotogramas cartesiano, una para cada grado de libertad y considera relacionadas con los segmentos que el complejo de la cadena cinemática. Una cinemática de configuración consiste en el conjunto de las mutuas posiciones de los marcos cartesiano. Obviamente, todo el conjunto de la posición común no es necesaria para reconstruir una postura exactamente, y un conjunto mínimo se puede elegir de muchas maneras diferentes. El Denavit-Hartemberg formalismo [12] es un ejemplo de un método que consiste en fijar el número exacto de las relaciones entre marcos y ofrece un método estándar para escribir sus posiciones en términos de la rotación y la traducción afinidades, traslacional y rotacional de las articulaciones.

Cuando el ULKG es usado por un usuario que posea una determinada posición descrita por el modelo geométrico, el conjunto de sensores asume un valor estrictamente relacionados con el sector. Si el número de sensores es lo suficientemente grande y si el sensor lugares son adecuados, los valores presentados por caracterizar de forma exclusiva la posición considerada. Vamos Ser el sensor espacial, es decir, el espacio vectorial cuyos elementos contienen los valores presentados por los sensores y donde k es igual al número de sensores en el ULKG y dejar Ser el espacio que contiene las configuraciones cinemáticas, es decir, el espacio de las coordenadas que definen lagrangian mutuo posiciones en una serie de sesiones de los miembros superiores modelo de la cinemática, donde n es igual al número de grados de libertad. Para ejecutar una reconstrucción de la cinemática de configuración, si se conoce el estado del sensor, una función F, que en los mapas S Θ tiene que ser definido. Hemos implementado conjuntamente por un F clusterization S del espacio a través de una norma técnica de la agrupación en el espacio Θ y por la interpolación de la discreta mapa producido por la clusterization. En la presente solicitud de la primera solución se ha aplicado mediante el uso de la norma

Como una función de la agrupación, donde S es un vector k-dimensional que representa un centro de la celosía y clusterization sS es un vector k-dimensional que representa los verdaderos valores asumidos por los sensores. Cada uno de los puntos cuya distancia * s desde cierto punto de la celosía * Es inferior a un umbral previamente fijado ε está relacionado con el valor que asume en el mapa *. La función de los valores que posea en los puntos de la celosía clusterization es adquirido experimentalmente. La otra aplicación de F se describe en [7] y se resumen en la sección La ULKG como Postura Detector.

Modelos cinemáticos de articulaciones humanas - Modelo de la extremidad superior

En muchas disciplinas como la biomecánica, la robótica y la informática gráfica, geométrica estructuras jerárquicas se utilizan en el modelado del cuerpo y articulado de los robots, humanos o de otras criaturas representaciones. Un articulado cuerpo puede ser pensado como una serie de segmentos rígidos conectados por articulaciones. Una cadena cinemática biológica es exactamente articulado cuerpo. En el presente trabajo se aplicar un modelo cinemático de los miembros superiores mediante el empleo ideal articulaciones con el fin de mantener una práctica parametrización de los movimientos sin trivializar movimiento humano. Desde un punto de vista macroscópico, una extremidad superior modelo tendría al menos 7 DOFs, correspondientes a los movimientos de rotación. Estos, descrito por la cinesiología [13], se presentan en la Tabla 1. En el modelo que hemos desarrollado, el conjunto gleno-humeral del hombro ha sido la parametrización como una pelota y el zócalo común, mientras que el codo y la muñeca consisten en dos sucesiones de dos articulaciones de rotación. Esta elección se ha hecho con el fin de tener una intuitiva cinemática de reconstrucción en términos de la caracterización de la práctica matemática. Tres diferentes técnicas de parametrización se considera generalmente para describir las orientaciones entre marcos:

• los ángulos de Euler;

• exponencial de la ruta;

• la unidad quaternion representación.

No hay un criterio general a preferir una parametrización con respecto a los demás. La elección depende de la aplicación particular, pero una buena comparación puede encontrarse en [14]. El punto crucial, como un clásico problema de control, es la presencia de singularidades. Los ángulos de Euler describir la orientación de un marco cartesiano con respecto a otra mediante el uso de tres parámetros, pero tiene dos singularidades, conocido como gimbal-lock [15]. El mapa exponencial introduce un nuevo parámetro con respecto a los ángulos de Euler, pero resuelve sólo una singularidad. Para abordar tanto las singularidades, unitario quaternions pueden ser utilizados. El conjunto de quaternions Es un álgebra no conmutativa de los números complejos iper-creado en 1843 por Sir R. Hamilton. El unitario quaternions constituyen un subgrupo en De los que han quaternions unitario cartesiano norma. Un claro resumen de sus propiedades geométricas como vectores y su álgebra puede encontrarse en [16]. Hemos desarrollado nuestro modelo utilizando tanto los ángulos de Euler y unitaria quaternions. Esta elección se debe a la sencillez de la primera parametrización, que permite calcular con la postura de bajo coste computacional, y la necesidad de realizar las animaciones gráficas que interpretar los movimientos humanos. [16] En una metodología capaz de realizar movimientos de fluidos y biomiméticos utilizando unitario quaternions se explica. Hemos aplicado Shoemake los resultados para representar a la transición de nuestro modelo geométrico y para animar un avatar dirigido por las señales registradas por la ULKG.

El ULKG como la postura y los movimientos Recorder

Uso de la ULKG, es posible detectar si dos posturas son las mismas o no con una cierta tolerancia, y es posible grabar un cierto conjunto de posturas codificadas por el estado de los sensores. De la misma manera, los movimientos pueden ser registrados como transiciones de una postura a otra, y que son codificadas por la evolución de los valores de los sensores. En particular, hemos comprobado esta capacidad en un conjunto funcional de las posturas. El ULKG mostró buena capacidad de repetibilidad, incluso si es eliminado y re-desgastado. Un grupo ad-hoc de software dedicado a reconocer registrada posturas se ha desarrollado. El software es capaz de:

• acta define un conjunto de posturas de las extremidades superiores en una fase de calibración,

• reconocer las posturas registradas durante el movimientos del usuario,

• representar el movimiento mediante el uso de una representación gráfica dada por el avatar.

En la fase de calibración el usuario que se gasta el ULKG posee un conjunto de la posición θ i (i = 1 ... p, donde p es el número de posiciones que se registró) y el sensor de estado s c i se adquiere y almacena en el K × p calibración de la matriz

En la fase de reconocimiento, mientras que el usuario mueve la extremidad superior, la cinemática configuraciones son detectados por el sensor de la adquisición de productos s y comparándolas con las p columnas de la matriz de calibración. Si la distancia inducida por la norma, tal como se define en la ecuación (7) entre los valores de los sensores y real de una columna de la matriz es más pequeño que un cierto umbral, la ULKG devuelve la posición en relación con la columna seleccionada. En esta aplicación, no es necesario que todo el espacio de los valores de los sensores está asignada en la configuración espacial, por lo que cualquier otra norma, en lugar de uno definido por la ecuación (7) puede ser utilizado. El sistema también ha sido probado por la aplicación de la norma euclidiana, y que ha llevado a los mismos resultados. Cuando se reconoce una postura, el software de visualización realiza una animación de la vieja posición a la actual. Esta transición es interpolados usando quaternions álgebra: orientaciones adquiridos durante la calibración en términos de los ángulos de Euler se traducen en quaternions unidad y el movimiento de la vieja posición a la llegada d uno un se definen a través de la esférica algoritmo de interpolación lineal [16]

Que proporciona la interpolados quaternion q int t en cada momento. Además, la falta de unidad en las singularidades quaternions permite la ejecución arbitraria de cada trayectoria en el espacio de configuración. En otras palabras, la posibilidad de ejecutar y que representan a cada movimiento permitido por la coacción física está garantizada.

La postura ULKG como detector

Según las secciones anteriores, la ULKG es capaz de registrar el estado del sensor en un número finito de posiciones en la configuración del espacio. Estos datos se pueden asociar a las posiciones correspondientes para definir un mapa discreto entre subgrupos en los dos espacios. Un ejemplo de este mapa es la función que se refiere a los centros de los grupos en la celosía presentó en la sección La UKLG Modos de Trabajo con la correspondiente configuración geométrica. Si el conjunto de los puntos que se consideran en la configuración del espacio satisfacer algunas necesidades particulares [7], este mapa puede ser prorrogado por interpolación a todas las técnicas de la configuración espacial. Un tratamiento completo de los requisitos necesarios para extender la función de la configuración de todos es el espacio más allá del propósito de este artículo. En [7] se demuestra que la elección de una celosía que tenga la misma dimensión del espacio Θ asegura la posibilidad de ampliar la ruta a un discreto continua, F para todo el espacio. Además, una técnica de interpolación lineal, fue basado en la descomposición de Θ en una celosía agravado por hypertetrahedra se ha presentado para construir F en el mismo trabajo. La elección de la PL interpolación se debe a la necesidad de invertir (o más en general, el cálculo de la pseudoinverse, F, en caso de que las dimensiones de Θ y S no coinciden). PL funciones son lineales solicitudes expresadas por la matriz, casi a nivel local, y se invertible con bajo costo computacional. F Si está disponible y el conjunto de configuraciones está codificada por un parametrización, sabemos la posición con una precisión que depende de la interpolación utilizados y la elección de la celosía utilizados para calcular el valor correspondiente a la situación de cualquier sensor de adquisición. Además, el procedimiento para la determinación de la posición consiste sólo en la detección de la pieza de F que tiene para el particular los valores de los sensores y la multiplicación s F × s. El valor determinado por la posición en el espacio de configuración, puede ser continuamente representado por el avatar, que en este caso no requiere técnicas de interpolación para representar una animación. Un punto crucial en la construcción de la F es la elección de una parametrización para Θ. Otra filial sistema de medición (constituido por un conjunto de electrogoniometers producido por Biometrics Ltd) ha sido empleado para la configuración del espacio parametrize Θ posición en relación a valores numéricos. La construcción de la F corresponden a la identificación de los parámetros de todo el sistema, que se define en un campo de matrices sobre Θ.

El ULKG como parte de un servicio post-accidente cerebrovascular

Como se mencionó en la introducción, la propuesta de la tecnología está en pruebas en el ámbito de la post-accidente cerebrovascular de los pacientes de rehabilitación. La principal institución involucrada en la investigación y experimentación del sistema para ser empleados en un entorno médico es la Fundación S. Maugeri, en Pavia, Italia. Esta unidad se encarga de la elaboración de un derrame cerebral después de la rehabilitación hemipléjica protocolo para los pacientes de acuerdo a la pauta que figura en [17]. Los daños más frecuentes en la población adulta se refiere a los accidentes cerebrovasculares cuerpo distrito controlado por el cerebro en función de las zonas posterior y medial arteria cerebral, causando plegia primero y después a la espasticidad de extremidades superiores e inferiores. Más precisamente, el movimiento disfunciones surgen de una compleja interacción entre los síntomas positivos (espasticidad, publicado reflejos flexores), los síntomas negativos (pérdida de la destreza y debilidad) y los cambios en las propiedades físicas de los tejidos musculares. Estos pacientes muestran déficits clínicos que pueden incluir alteraciones de la sensación, la percepción, la cognición y el control motor: en conjunto, estas alteraciones contribuyen a las limitaciones funcionales de la movilidad, la postura de mantenimiento, cuidados, comodidad y muchas actividades de la vida diaria, como coger un vaso O para pasar las páginas de un libro. Así, el principal objetivo de la rehabilitación en estos pacientes es la mejora de las funciones diarias. Para nuestro prototipo, optamos por considerar a largo plazo la terapia de rehabilitación de los miembros superiores, en particular, hemos considerado el hombro y el brazo. En esta sección, se introduce la totalidad del servicio, incluidos los servicios de salud de todo el apoyo de la estructura de gestión de datos y de comunicación necesarias para mejorar el tratamiento de los pacientes tanto en el hospital como en el hogar. La vía clínica de que una persona afectada por los trazos experiencias después del evento abarca múltiples entornos de atención sanitaria, y depende también de que el sistema de salud nacional. En la siguiente nos referimos a la italiana. El primer paso es el ingreso en una unidad de agudos durante unos 8-12 días. Luego, la mayoría de los pacientes y, en particular, hemipléjica, son admitidos a una unidad de rehabilitación intensivo durante unos 30-45 días. Posteriormente, si es necesario, los pacientes son ingresados en un Centro de Rehabilitación amplia unidad (unidad de pacientes en los que el tratamiento no dura más de una y dos horas al día), durante aproximadamente 30-40 días. De lo contrario, se van a casa, o que entran en el denominado unidades de larga estancia, que acogen a los pacientes de que, principalmente por motivos familiares, no pueden quedarse en casa. Durante este intenso período de rehabilitación, los pacientes realizan ejercicios físicos con la ayuda de fisioterapeutas, hasta tres horas cada día. Es muy importante que siga este tipo de ejercicios después de este período, aunque con menor intensidad. Según las condiciones particulares de descarga, los médicos decidir un protocolo personalizado: los pacientes deben repetir algunos ejercicios una o más veces al día durante un cierto número de días, normalmente de un plazo de dos meses. Estos ejercicios se ilustran a la paciente antes de la descarga, pero los médicos pueden decidir que actualizarlos posteriormente, de acuerdo con la modificación de la condición del paciente. Sin embargo, después de la descarga, pueden surgir varios problemas, afecte a la continuidad de la atención:

• pacientes que volver a casa, sin un estímulo profesional de la salud, están poco motivados para hacer ejercicio regular

• casa cuidadores no pueden ser adecuadamente preparado para dar el apoyo

• pacientes ingresados en unidades de larga estancia o cuidados de larga duración a menudo las unidades de empeorar su estado psicológico, y esto a su vez disminuye la disposición a hacer ejercicio

• a largo plazo y las unidades de atención a la rehabilitación a menudo no cumplen con los protocolos de rehabilitación basada en la evidencia, y no tienen ningún vínculo con el equipo médico que cuida al paciente durante la fase de rehabilitación intensiva

Creemos que el suministro de la paciente con un entrenador virtual para su rehabilitación puede ayudar a superar estos problemas. En la siguiente, el paciente está destinada a ser en el hogar, o en una unidad de larga estancia, o en una amplia unidad de rehabilitación. La idea básica acerca de esta solicitud es que, cuando el paciente sobre los registros, las instrucciones del sistema con él la situación actual de la rehabilitación de protocolo, y propone el calendario de la jornada. El paciente lleva puesto el vestido sensorized y realiza el ejercicio con la ayuda de un rastreador de movimiento en la pantalla del PC. Al final del ejercicio, un error de medida se administra al paciente de tal manera que él puede decidir que se repita la tarea de mejorar su rendimiento. De este modo, el dispositivo facilita la paciente en el desempeño de la manera correcta, en el ejercicio de rehabilitación. Pero, cuando una nueva tecnología se propone, principalmente en la atención ambulatoria contexto, la gran atención debe ser dedicada a la interfaz de usuario. Dispositivos tecnológicamente avanzados puede fallar debido a la escasez de capacidad de utilización o el cumplimiento. Esta es una cuestión fundamental cuando se trata de personas mayores, como en el caso de la mayoría de los pacientes después de los accidentes cerebrovasculares. Así, el paciente debe contar con un sistema que es tan fácil de utilizar como sea posible, para permitir que se enfrentan a múltiples problemas a través de la misma interfaz, sin necesidad de un amplio esfuerzo de aprendizaje. En nuestro caso, esto significa que el sensorized camisa debe ser no sólo un medio para la recogida de datos para un análisis más detallado, sino que también deben integrarse en un servicio capaz de:

• actuar como un paciente, adaptados sistema de apoyo, proporcionando una información inmediata sobre el rendimiento del paciente en un ejercicio específico, de alta iluminación, en su caso, los movimientos incorrectos,

• mostrar la tendencia del paciente (es decir, mejorar, papelería, etc) en un determinado intervalo de tiempo, a través de fácil de entender metáforas, como una planta que crece o que se ralentiza,

• proporcionar material educativo, tales como la rehabilitación posterior al accidente cerebrovascular directrices, o de películas que ilustran la correcta (y errónea) los movimientos específicos de la discapacidad del paciente,

• permitir la comunicación entre pacientes y proveedores de atención de salud.

Desde el proveedor de servicios de salud, es importante para el nuevo servicio que se ha integrado sin problemas en el flujo de trabajo clínico y tener en cuenta las cuestiones de organización. Por lo tanto, se necesitan diferentes funcionalidades:

• proporcionar una visión general de los pacientes inscritos en el tratamiento de rehabilitación,

• después de múltiples pacientes en tiempo real,

• la recuperación de un ejercicio y enviar comentarios a la paciente,

• permite enviar nuevos protocolos de ejercicio a los pacientes,

• mantener el control del flujo de servicio.

Para apoyar estas funciones, hemos desarrollado una base de datos, cuyo modelo Entidad-Relación dar lugar a varios cuadros que almacenará

• datos personales de los pacientes y profesionales de la salud,

• los objetivos de la rehabilitación,

• la descripción, la planificación y la ejecución de los ejercicios,

• detalles de la prenda,

• los mensajes entre los pacientes y el equipo de asistencia hospitalaria.

De la infraestructura de comunicación punto de vista, el sistema se hará por tres estaciones, ubicadas en diferentes sitios, y la interconexión entre ellos. Los tres sitios, se

• Paciente del Sitio, físicamente situado cerca del paciente, que lleva el prendas delicadas. El paciente Sitio sistema está conectado tanto con el servidor del sitio, y con la electrónica de interfaces a los que las prendas de vestir.

• el médico del sitio, de la que el médico puede supervisar los ejercicios del paciente. Como se mencionó anteriormente, la vigilancia puede ocurrir tanto en tiempo real (on-line) y en el almacenado de sesiones (fuera de línea)

• Servidor de la web, donde un firewall protegidos servidor central alberga la base de datos descritas anteriormente y todo el software necesario para servir páginas web generadas dinámicamente para proporcionar un acceso fácil al sistema.

Resultados

Todo el sistema de gestión de paciente, corriente de trabajo y de servicios de salud descritos en la sección anterior se encuentran actualmente en los ensayos clínicos de validación de resultados y no en la materia está recogida en la siguiente. En un futuro próximo, tenemos previsto recoger todos los logros derivados de la experimentación clínica de la integración de ULKG en el servicio de atención de la salud. Aquí, sólo resultados técnicos derivados de la validación de prototipos, se informó. En nuestros laboratorios, la ULKG se ha sometido a una serie de ensayos con el fin de comprobar la verdadera capacidad del instrumento para reconocer y detectar los gestos, posturas y movimientos.

El ULKG actuaciones como la postura y los movimientos Recorder

El primer modo de trabajo básico que se ha puesto a prueba es la postura ULKG funcionalidad como grabador. El sistema ha sido utilizado para registrar posturas de las extremidades superiores que se han relacionado con la configuración correspondiente en el modelo representado por el avatar. Después de haber almacenado todos los datos relativos a cincuenta posturas en la extremidad superior de trabajo, las mismas que se han celebrado de nuevo en varias ocasiones. La salida de la ULKG fue visualizado en la pantalla de un ordenador, donde el avatar repetirse la postura del sujeto (Figura 5]. Las representaciones gráficas se ha realizado por el avatar según el algoritmo de interpolación quaternion presenta en la sección La ULKG como Postura y Movimientos Recorder con buena calidad de la animación. El sistema reconoce el 100% de las posturas registradas, y no se re-calibración se consideró necesaria incluso si el ULKG se habían retirado y volver a desgastado. Posturas utilizado para probar el prototipo genérico incluido posiciones típicamente visto en el espacio de trabajo. Este juicio a prueba tanto el hardware del prototipo y la clusterization y algoritmos de reconstrucción se describe en la sección La ULKG Modos de Trabajo.

Las actuaciones ULKG como detector de postura

De conformidad con el artículo La Postura ULKG como el prototipo del detector fue probado a través de varios ensayos para evaluar su actuación en lo dinámico de las condiciones de trabajo y durante la etapa de detección de desconocidos postura. El principal poderosa demostración obtenida de estos ensayos es que el ULKG es capaz de reconstruir las posturas nunca antes registrada o retenidos. En cada ensayo la ULKG fue usado por un sujeto y un conjunto de electrogoniometers se coloca en el usuario. El goniometers eran adecuadas sólo para la detección de flexión-extensión (y adduction-secuestro) ejecutados por las articulaciones en estudio y que se usan sólo para tener una descripción de los movimientos realizados. Torsions no son relivable el uso de este instrumental. La resolución teórica proporcionada por el productor es de 0,5 grado. No hay interacciones entre los ULKG y se permitió la goniometers. El tema fue invitado a realizar una serie de movimientos que implican la gleno-humeral conjunta, el codo y la muñeca, como flexions-extensiones, secuestros-adductions y en círculos de los segmentos corporales. Las señales derivadas de la ULKG y del conjunto de goniometers fueron adquiridos simultáneamente. Los productos de la ULKG fue procesada de acuerdo a la sección El ULKG como Postura Detector y los resultados obtenidos en términos de ángulos se compararon con los goniometers salida. Los datos obtenidos a partir de estos experimentos se demostró en dos diferentes presentaciones. La primera es una clásica representación de los valores de ángulo contra tiempo. En las parcelas, tanto el ULKG de salida y los valores presentados por el goniometers se muestran y comparación. En la otra representación, hemos considerado algunos aviones que figuran en la configuración del espacio 0 y hemos trazan las trayectorias realizadas por algunas uniones de los mismos, tanto para goniometers y de la ULKG. Esta presentación es muy poderoso para la detección de divergencias entre las dos respuestas. En las cifras 6, 7, el análisis de una rotación de la muñeca se informó. Figuras 6a y 6b muestran los ángulos de flexión y el secuestro (que agravan el movimiento) versus tiempo. La línea roja es el goniómetro de salida, mientras que el azul representa el ULKG respuesta. Figura 7 compone ángulo de las dos evoluciones en una trayectoria que explicar de manera significativa la moción. Flexión se informó sobre el eje de abscisas, mientras que el secuestro se informó sobre el eje de ordenadas. Los colores utilizados para goniometers y ULKG son los mismos de la Figura 6.

El mismo plan ha sido aprobado para informar de un hombro para el movimiento en las figuras 8, 9. La prórroga está recogida en la Figura 8 bis (frente al tiempo) y en el eje de la Figura 9. Por el contrario, la figura 8b y el eje "x" de la figura 9 representa la evolución de la flexión de hombro.

Por último, una flexión del codo se muestra en las figuras 10. Tanto la rotación de hombro y codo pronationsupination han realizado resultados cualitativos en términos de las tendencias de la señal del sensor, pero esas respuestas que aún no se han analizado porque el electrogoniometers hemos utilizado no son capaces de detectar dichas respuestas y una identificación de la ULKG a lo largo de este movimiento, la dirección no ha sido posible .

Los resultados son similares a los que se demuestra en [7]. La única diferencia reside en el statical carácter de los juicios en nuestro trabajo anterior, mientras que en este caso se describen los movimientos por la ULKG salida. Dos tipos de divergencia entre el comportamiento y la ULKG goniómetro respuestas se señaló la presentó diagramas. El primer error que podemos observar es una verdadera divergencia entre la información que se derivan de los dos sistemas de medición. Estimación de trayectorias diferentes para una determinada cantidad y este fenómeno se puede observar tanto en la trama que muestra "ángulo frente al tiempo" y en el único que muestra las trayectorias. Se señaló claramente en la Figura 7 en el rango [-12 °, -8 °] y el ángulo de flexión [4 °, 8 °] por el secuestro ángulo. Evaluado en cartesiano norma, el error estimado es de todos modos menor que el 5 por ciento, si se compara con la dimensión de todo el trabajo. El otro artefacto podemos observar una diferencia entre las señales en el "punto de vista frente al tiempo" parcelas, que no es detectable por ver la otra representación. Este fenómeno se debe a una falta de sincronización entre los dos sistema de medición y que se pone de manifiesto en la Figura 8a y 8b en el [0, 0,5] segunda gama, sin que corresponda a una efectiva diferencia en términos de trayectoria, como se ha demostrado en la Figura 9. Los dos sistemas conducir a los mismos resultados en función del tiempo. Un refinamiento de los algoritmos de detección de movimiento puede evitar estos dos errores y se van a estudiar en el futuro.

Conclusión

En este manuscrito, un miembro superior del vestido para cinestésicos gesto, la postura y el movimiento de detección se ha presentado. La principal ventaja de este prototipo presenta es la posibilidad de usar durante largos períodos de tiempo lo que permite a los médicos controlar los pacientes sin causar ningún malestar. Varias cuestiones, derivadas del empleo de la nueva tecnología que ha permitido la realización de los discreto dispositivo, se abordan. En particular, una de modelado para el comportamiento físico de los sensores empleados se propuso. Un algoritmo de análisis de señales derivadas de la modelo fue aplicado para permitir el uso de sensores como conductora de elastómeros. Por otra parte tanto la aplicación de la teledetección y de su prototipo o ejecuciones como registrador de la postura y la postura del detector se introdujeron. Se utilizó un cuidado especial en la explicación de todos los algoritmos necesarios para reconstruir o estimación de la postura y el movimiento. Hemos discutido tanto la aplicación de una metodología de la biomecánica clásica, así como algunas técnicas innovadoras cuyo desarrollo se considere necesario para garantizar buenos resultados en el empleo de prendas de vestir. La solicitud de la extremidad superior cinestésicos prenda sobre la utilidad de los instrumentos en la rehabilitación después de los accidentes cerebrovasculares se ha descrito, junto con una descripción completa de los servicios clínicos donde se integra la prenda. Por último, los resultados de las prestaciones de los sensores del sistema se informó.

Agradecimientos

Esta investigación, con especial énfasis en la rehabilitación después de un accidente cerebrovascular, ha sido financiado por la Comisión Europea a través del proyecto MyHeart - IST 507816. Los autores reconocen Dr Alessandro Giustini, Dr Caterina Pistarini y el doctor Giorgio Maggioni de la Fundación S. Maugeri, en Pavia, Italia para el asesoramiento sobre todas las cuestiones médicas que figuran en el documento. Los autores reconocen Dr Toni Giorgino del Departamento de Ingeniería Informática y Sistemas, Universidad de Pavia, Italia por el apoyo científico y técnico.