Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 2005; 2: 28-28 (más artículos en esta revista)

¿Qué tan útil es el sistema de posicionamiento por satélite (GPS) para realizar un seguimiento de los parámetros de andar? Un examen

BioMed Central
Philippe Terrier (Philippe.Terrier @ unil.ch) [1], Yves Schutz (Yves.Schutz @ unil.ch) [1]
[1] Departamento de Fisiología, Universidad de Lausanne, Suiza

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Resumen

Durante el último siglo, muchos se han desarrollado técnicas para analizar el movimiento de los seres humanos en tanto que caminar y correr. El uso combinado de la cinemática y la cinética de los métodos, principalmente sobre la base de análisis de vídeo de alta velocidad y forceplate, han permitido una amplia descripción de la locomoción proceso en términos de la energética y la biomecánica. Si bien las diferentes fases del ciclo de un solo paso se entiende muy bien, hay un creciente interés por saber de qué manera el sistema neuro-motor controles forma de andar paso a paso. De hecho, se observó que las enfermedades neurodegenerativas y el envejecimiento podría repercutir en la estabilidad de andar y de andar parámetros de estabilidad. Desde clínico y de las perspectivas de la investigación fundamental, por lo tanto, hay una necesidad de desarrollar técnicas para seguimiento preciso de los parámetros del paso-paso por paso-durante un largo período con un mínimo de limitaciones a los pacientes. En este contexto, la alta precisión de posicionamiento por satélite puede proporcionar una alternativa a la herramienta de seguimiento de caminar al aire libre. De hecho, la gama alta proporcionar los receptores GPS de posicionamiento con precisión de centímetros 5-20 Hz velocidad de muestreo: esto permite que el paso por paso de la evaluación de una serie de parámetros básicos de andar - como caminar velocidad, la longitud y la frecuencia de paso - que puede Se realizará un seguimiento durante varios miles de pasos consecutivos, en condiciones de vida libre. Además, las correlaciones de largo alcance y fractales-como patrón se observó en aquellas series de tiempo. En comparación con otros métodos clásicos, el GPS parece una prometedora tecnología en el campo de análisis de la variabilidad de andar. Sin embargo, la relativa alta complejidad y es caro - combinada con una facilidad de uso que requiere más mejoras - siguen siendo obstáculos para el pleno desarrollo de la tecnología GPS en aplicación en el ser humano.

Análisis de los patrones cíclicos en los movimientos pueden ser de gran interés en las neurociencias y las ciencias de la conducta, ya que dependen de complejos de coordinación motora-sensorial que requieren ambas tareas automatizadas y voluntario [1]. Los estudios recientes, basados en el análisis no lineal de series de tiempo, han demostrado la presencia de las fluctuaciones temporales complejo en varios procesos biológicos repetitivas, como latidos del corazón [2 - 4], [5], la respiración, los movimientos dedo de la mano o bajo el control [6].

Caminar es una de las más comunes movimiento repetitivo que los seres humanos realizan en la vida real. Además de la activación automática rítmica por Central Plan Generadores en la columna vertebral, el aparato locomotor está regulado por el cerebelo, la corteza motora y de los ganglios de la base, con los comentarios de propioceptivos, visuales y sensores vestibular. Paso después de paso, el resultado final de la serie de sesiones de control modula la espacial (Paso Largo, SL), y temporal (Paso de frecuencia o cadencia SF) de los patrones de andar con el fin de proporcionar una óptima circulación en términos de la mecánica y energética [7 - 11 ].

Variabilidad de andar puede definirse como la variación de los parámetros de andar de paso a paso. Se informó de que andar por la variabilidad podría modificarse por diferentes patologías (por ejemplo, las enfermedades neuro-degenerativas), o estar en relación con la propensión a la caída de la tercera edad [12, 13]. Además, se ha demostrado que el paso-a-paso disminución de la variabilidad con la maduración de la de andar en los niños [14].

Hausdorff del grupo ha estudiado de forma exhaustiva a largo plazo de andar variabilidad [12 - 21]. Ellos [20] informó de que el paso-a-paso de la variación paso duración exhibido largo alcance, auto-similares correlaciones. En otras palabras, la fluctuación en el intervalo de paso se caracteriza por una función de autocorrelación que decae el poder como un derecho: el valor actual es estadísticamente correlacionada no sólo con su último valor, sino también con su historia de largo plazo en una escala fractal manera invariante [20, 21]. Se trató de demostrar la implicación de los ganglios basales en el control de la estabilidad y la generación de los fractales patrón. En resumen, la hipótesis es que patrón fractal es un marcador de complejidad neural: diferentes factores (enfermedades, el envejecimiento, impuesta por la frecuencia de zancada metrónomo, llamado metrónomo a pie) que afectan a esta complejidad conducir a la pérdida de los patrones fractales y a la aparición de Patrones al azar [15].

Por todas estas diferentes experimentos, Hausdorff et al. Utilizado una fuerza sensible a cambiar de puesto en los zapatos [17]. Este sensor detecta talón huelga y, por lo tanto, permite obtener información sobre el régimen temporal de andar sólo. Se abordó la cuestión de la siguiente manera: "Información adicional acerca de las alteraciones de andar [...] [...] podría prestarse mediante la obtención de paso por paso las medidas de longitud de zancada y la velocidad del paso" [18].

En este contexto, proponemos el uso de alta precisión de posicionamiento por satélite (Sistema de Posicionamiento Global, GPS), como una herramienta alternativa para obtener mucho tiempo de andar serie de parámetros básicos, es decir, Paseos Velocidad (WAS), Paso Largo (SL) y Paso Frecuencia (SF). El propósito del presente artículo de revisión es destacar la nueva técnica de GPS y compararlo con otros métodos de análisis de andar. Se presenta una descripción detallada de los aspectos teóricos y prácticos de la tecnología GPS para el posicionamiento de alta precisión. A continuación, se describen los supuestos subyacentes biomecánico necesaria para obtener parámetros del paso de los datos de posicionamiento GPS. Por último, a raíz de una discusión de nuestros resultados publicados recientemente sobre el análisis de las fluctuaciones de los parámetros del paso [22], que ponen de manifiesto las ventajas y las deficiencias técnicas de GPS en comparación con otros métodos.

Motion análisis: métodos clásicos

Varios de andar técnicas de análisis se han desarrollado a lo largo de las últimas décadas (Fig. 1] [23]. Un análisis de la cinemática de andar requiere de la medición del desplazamiento de los segmentos corporales durante el ciclo de caminar. Eléctricos, fotográficos, de vídeo o cinefilm y otras técnicas electrónicas se han utilizado para calcular la posición y orientación de la serie de sesiones de cada órgano para reconstruir los movimientos que tuvieron lugar. La medición puede hacerse en dos o tres dimensiones. Con el fin de entender cómo se logra caminar, las fuerzas que actúan sobre el cuerpo humano también debe ser evaluado (cinética) [8, 9, 24, 25]. Al analizar los momentos y las fuerzas que ocurren en las articulaciones para producir el movimiento de las extremidades, una estimación se puede hacer de las fuerzas de los músculos debe producir. Para un completo análisis de la cinética de cada segmento corporal, los datos cinemáticos (desplazamientos, la velocidad), los datos antropométricos (órgano segmento de los parámetros), y datos sobre la fuerza externa (gravedad, la fuerza de reacción en tierra) son obligatorios. El suelo es la fuerza de reacción clásica medida por una plataforma de la fuerza [25, 10]. Este dispositivo determina la magnitud y la dirección de la fuerza de reacción terreno de vectores mediante la medición de sus tres componentes (vertical, mediolateral y anteroposterior fuerzas de cizallamiento) y vectorally agregarlo. Paralelamente, con el fin de evaluar la actividad muscular, la despolarización de la membrana muscular por la activación de neuronas motoras pueden ser rastreados mediante electromiografía (EMG).

Si bien una serie de sistemas de análisis de andar se han desarrollado a lo largo de los años para permitir una descripción precisa y global de caminar, la mayoría de ellas son poco prácticas para rápido entornos clínicos. Por otra parte, no están diseñados para registrar largo tiempo de andar serie de parámetros más numerosos avances consecutivos. Técnicas alternativas, por lo tanto, se han utilizado con el fin de analizar un conjunto reducido de parámetros con una mayor viabilidad. Instrumentado pasarela [26] permite un estudio rápido de varios temporales y espaciales de andar parámetros (longitud, anchura de paso, la postura / swing tiempo, paso duración, etc), sin embargo, la distancia es limitada (por lo general de 10 metros), y el tema Debe seguir una trayectoria recta.

La carencia de un espacio limitado en un entorno de laboratorio se puede superar en parte mediante el uso de un tapiz rodante. Análisis de vídeo o instrumentado rodante (plataforma de la fuerza [27] o cinemática brazo [28 - 30]] permiten a los investigadores a analizar la larga duración de caminar o correr. En teoría, a pie rodante que se supone que es enérgica y biomecánicamente idéntica a caminar normal. Sin embargo, a pie rodante altera la percepción del movimiento por el participante y, por tanto, puede alterar los parámetros de andar en comparación con el pie libre. Además, debido a la estrecha senda que ofrece el tapiz, no hay libertad en la selección de la trayectoria.

En paralelo, otros métodos - sobre la base de sensores portátiles - se han desarrollado para aumentar la usabilidad de análisis de andar caminando bajo condiciones libres. Acelerómetros y giroscopios se han utilizado para recuperar varios temporales y espaciales de andar parámetros [31 - 37]. Estas técnicas son muy prometedoras, no obstante se basan en complejos algoritmos para convertir las mediciones en bruto (aceleración, angulares mociones) de andar en los parámetros (velocidad, longitud, cadencia). Además, la mayoría de estos algoritmos son calibrados a la normalidad caminar bajo condiciones estándar: no hay ninguna garantía de que los cambios ambientales (pendiente, la calidad del terreno) o patológicas del paso (por ejemplo, claudicación) se ha tenido adecuadamente en cuenta. Como resultado de ello, los investigadores deben seleccionar cuidadosamente sus dispositivos y ampliamente probar si obtienen un producto compatible con sus condiciones experimentales. En nuestra opinión, una metodología menos indirecta ofrecería más flexibilidad en el diseño experimental; permitiendo directamente la velocidad y la posición de medición, el GPS es un buen candidato para este tipo de enfoque.

En 1995, Hausdorff y colegas de pedal propuso un nuevo método para el análisis a largo plazo de la variabilidad de andar [17]. Portátiles con un pequeño sensor en el zapato, es posible recuperar paso duración paso por paso durante períodos muy largos (1 hora a pie, en [21].]. Sin embargo, no es posible evaluar los parámetros espaciales (SL) mediante el uso de esta técnica.

GPS en la aplicación en el ser humano: perspectivas históricas

Casi diez años atrás, que propone utilizar el GPS para la evaluación de la actividad física en condiciones de vida libre, en particular, a pie y en funcionamiento [38]. Simple relativamente barata comercial instrumentos utilizados para la navegación de ocio (por ejemplo, vela) se puso a prueba. El uso de este tipo de receptor GPS, se concluyó que la precisión de la velocidad es insuficiente para fines de investigación y que se puede mejorar mediante el uso de GPS diferencial (DGPS). En un estudio posterior, se demostró que DGPS mejorado la precisión de la velocidad en un factor de aproximadamente 10, en comparación a los no diferencial GPS (errores inferiores a 0,1 km / h) [39]. Sin embargo, el estudio se realizó cuando las señales del satélite fue degradado voluntariamente por los EE.UU. Departamento de Defensa (Disponibilidad Selectiva), de manera que la mejora con DGPS se espera que sea considerablemente mayor que el de hoy (ya que SA fue retirado en 2000). Witte y Wilson [40] han demostrado, que no se usen los GPS diferencial, que razonable precisión en la trayectoria recta se puede observar, pero el aumento de error en ruta circular especialmente con pequeños radios de curvatura, donde se observó una tendencia a subestimar la velocidad [40]. Más recientemente, otro grupo en Escandinavia DGPS utilizado para evaluar el desempeño de orientación con DGPS, y sugirió que podría ser combinado con técnicas complementarias (acelerometría, electromiografía, etc) en el campo de la fisiología del ejercicio al aire libre [41 - 43].

Standard GPS: principios

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) es un satélite del sistema de navegación formado por una red de 24 satélites situados en órbita de los EE.UU. GPS trabaja en cualquier condición climática, en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día. No hay cuotas de suscripción o de configuración de los cargos de uso de GPS. Satélites GPS círculo de la tierra en una órbita muy precisa y transmitir información de la señal. Receptores GPS hacer uso de la triangulación para calcular la ubicación exacta del usuario. Esencialmente, el receptor GPS compara el tiempo es una señal transmitida por un satélite con el momento en que fue recibido. La diferencia de tiempo le dice al receptor GPS lo lejos el satélite es. Con las mediciones de distancia de un par de satélites, el receptor puede determinar la posición del usuario.

Los satélites del GPS transmiten dos señales de radio de baja potencia, designado L1 y L2. Las señales viajan por la línea de visión, lo que significa que pasará a través de las nubes, el vidrio y el plástico, pero no ir más a través de objetos sólidos, tales como edificios y montañas.

Una señal GPS contiene tres diferentes bits de la información - un código pseudoaleatorias, efemérides y almanaque de datos de datos. El pseudoaleatorias código es simplemente un código de identificación que permita identificar a la que se transmite la información vía satélite. Efemérides de datos contiene información importante sobre el estado del satélite (saludables o no saludables), la fecha y hora actuales. Esta parte de la señal es esencial para determinar una posición. El almanaque de datos le dice al receptor de GPS donde cada satélite GPS debería ser en cualquier momento a lo largo del día. Cada satélite transmite almanaque datos que muestran la información orbital para ese satélite y para todos los demás satélites en el sistema.

GPS de alta precisión: principios

Suponiendo que dos receptores GPS están muy cerca unos de otros (0-50 km), la reducción de los errores de diferente precisión de posicionamiento (principalmente perturbación atmosférica) afectan tanto a los receptores de la misma manera y con la misma magnitud. Si la ubicación exacta de un receptor que se conoce (base receptor), esta información puede ser utilizada para calcular los errores de medición en el informe y, a continuación, estos errores (o corrección de los valores) a la otra posición de receptor con desconocidos (rover receptor), de manera que Podría compensar por ellos. Esta técnica se denomina modo diferencial (DGPS, ver fig. 2]. Este modo elimina el diferencial de casi todos los errores salvo multitrayecto (falsas señales reflejadas) y receptor de los errores, ya que son locales a cada receptor. El receptor de error es, por lo general unos 10 cm de nivel DGPS (diferencial de código). Si gama errores se transmiten a partir de la base de receptor a la estación móvil en tiempo real (radio enlace), entonces el sistema se llama DGPS en tiempo real. Si los resultados son en tiempo real no es necesario (por ejemplo en biomecánica), la medición del tiempo están marcados y registrados en la base y rover receptores y, posteriormente, trasladado a un ordenador para corregir los datos y calcular con precisión la posición de la estación móvil en cada instante (post procesado DGPS).

Cinemática en Tiempo Real (RTK) se basa en la medición de distancias a los satélites con porteador fase. Como DGPS, esta modalidad requiere de dos receptores (base y rover), pero la posición no se basa en el código pseudoaleatorias enviados por satélites, que permite directamente la estimación de la distancia entre el receptor y cada satélite. En lugar de ello, la electromagnética portador de la señal es frente a igual ola generada por el receptor (oscilador de alta precisión). El Efecto Doppler (cambio de frecuencia debido a la velocidad relativa entre el satélite y el receptor) y de cambio de fase (pequeño cambio de hora entre las olas) se midió en varias ocasiones (1-20 veces por segundo). A partir de esos datos, relativo pequeño desplazamiento entre los satélites y el receptor pueden ser rastreados. Sin embargo, existe una gran ambigüedad sobre la distancia total (número entero de ciclos de onda). La solución de estas ambigüedades - es decir, de encontrar el verdadero número de ciclos de onda entre cada satélite y el receptor - es el principal tema de la RTK. Sin embargo, mediante el uso de datos de código de información redundante y por lo menos 5 satélites, es posible posición de bloqueo. En este caso, la precisión teórica (dada por los fabricantes) de cada posición cálculo es entre 0,5 a 2 cm horizontal y de 1 a 3 cm vertical (con una pequeña línea de base, es decir, la corta distancia entre la base y rover receptores). Este método es muy sensible a la pérdida súbita de satélite debido a los obstáculos (falta épocas). En realidad, la ambigüedad de un nuevo proceso de resolución puede ser necesaria cada vez que hay datos que faltan en la fase de mediciones y Doppler. Al igual que DGPS, RTK se puede realizar en tiempo real o en la etapa posterior procesamiento.

Validación de GPS de alta precisión para el análisis de andar

La mayoría de las aplicaciones de gama alta en los receptores GPS RTK-mode son estáticos, es decir, que implica la determinación precisa de la posición de un punto fijo en la tierra. Varios estudios informe milimetric exactitud en este caso [44], ya que es posible fijar la medida en repetidas ocasiones el punto y, a continuación, calcular una posición media con un error muy reducido. Algunas aplicaciones necesitan el uso de la cinemática RTK modo, es decir, la determinación de una trayectoria en repetidas ocasiones por medir un punto en movimiento con una elevada frecuencia de muestreo (10-20 Hz): por lo tanto, hay pocos estudios de validación en esta área de investigación.

En el ámbito de la energía eólica y la ingeniería industrial aerodinámica, Tamura y sus colegas [45] ha demostrado recientemente que el GPS (RTK modo) era capaz de una evaluación exacta de los pequeños desplazamientos sinusoidal (4-10 cm) en la gama de frecuencias 2-5 Hz utilizando Una comparación directa con un excitador electrónico. El seno de onda fue correctamente evaluado, en términos de amplitud y de fase: el control y GPS curvas son totalmente superpuestos. Además, la oscilación de 0,5 cm - una amplitud por debajo de los límites teóricos precisión del GPS en modo RTK - fue correctamente un seguimiento en términos de la fase, pero con pequeñas deriva en amplitud en el + / - 1 cm de distancia.

GPS de alta precisión: la utilidad y viabilidad

Estrictas normas de calidad que se necesitan a fin de alcanzar la máxima exactitud posible con el GPS en RTK para analizar el modo de caminar biomecánica: 1) el uso de la alta calidad profesional de los receptores GPS de seguimiento de las dos frecuencias L1-L2 es necesario, como Topcon Javad o Leica. 2) El tiempo de la medición deben ser cuidadosamente seleccionados: satélites adicionales por encima de 5, añadir información redundante que aumenta la precisión. Se encontró que el máximo se obtuvo con precisión de al menos 7 satélites GPS. 3) No por satélite por debajo de 20 grados de elevación sobre el horizonte debe ser utilizado para reducir el multitrayecto (falsas señales de los satélites inducida por imprevisibles reflexiones). 4) El más pequeño posible, la base de referencia para la mejor atmósfera de reducción de error es obligatorio (500 m máxima entre el receptor de referencia y el receptor móvil). 5) Se debe prestar especial atención durante la RTK post-procesado de datos GPS en bruto: los desaparecidos épocas, y el ciclo se desliza sin resolver ambigüedades deben ser cuidadosamente vigiladas y todo el juicio debe ser rechazado si demasiados errores se encuentran: en la práctica, uno de cada Cinco de juicio pueden ser objeto de rechazo voluntario.

En esas condiciones experimentales, que supone que el límite teórico de 1 cm de precisión se podría alcanzar e incluso superar: se hizo posible calcular los parámetros de andar paso por paso. El principal inconveniente es que la constelación de satélites óptima ocurre con poca frecuencia durante el día (es decir, normalmente de 2 a 3 horas en la ventana período diurno). Además, las condiciones climáticas similares debería ser un pre-requisito para normalizar el experimento (este es el caso para cada experimento al aire libre). Como resultado de ello, no es posible medir de manera eficiente a un gran grupo de individuos con la actual tecnología GPS.

En la práctica, nuestro laboratorio utiliza GPS / GLONASS receptores (Legado E DDG, Javad sistemas de navegación, San Jose, CA, EE.UU.). Estos dispositivos pueden rastrear simultáneamente ambas estadounidense (GPS) y ruso (GLONASS), el sistema de posicionamiento, el aumento del número total de los satélites disponibles. El rover receptor y su fuente de alimentación (peso total: 0,9 kg) se ponen en una mochila desgastada por el objeto, la antena plana (peso: 0,33 kg, 14 × 14 × 3 cm) es rígida en una gorra. Los receptores pueden adquirir tanto código y portador fase hasta 20 veces por segundo (20 Hz). Los datos en bruto son posteriores a los procesados mediante el software Pinnacle Javad cinemática y su motor: el tema de la trayectoria es evaluada por el método de doble diferencia después de la fase de resolución ambigüedad. El 3D se convierten en puestos de la red suiza sistema de coordenadas que establece las mediciones de distancia en unidades métricas. El vector de velocidad 3D también fue calculado para cada punto de la trayectoria. En resumen, el archivo de salida de la trayectoria de procesamiento contiene siete columnas para cada época: la hora de la medición (20 Hz, GPS tiempo, nanosegundo precisión), Norte, Este, Altitud (m), la velocidad del Norte, Oriente velocidad, la velocidad de altitud ( M / s).

A partir de la posición GPS a andar parámetros: la hipótesis biomecánico

¿Cómo puede una antena adjunta a la parte superior de la cabeza del sujeto proporcionar información útil sobre el paso por paso de andar parámetros? Más allá de la cuestión de la precisión de posicionamiento, el 4 de hipótesis debe ser declarado.

1) Promedio velocidad de la cabeza de más de un ciclo de andar (dos pasos) es igual a la media de la velocidad y, por tanto, cuerpo medio Paseos Velocidad (WAS). El jefe sufre pequeñas rotaciones en diferentes planos mientras caminaba [46]. Sin embargo, no hay duda de que, en promedio, su velocidad es similar a la del tronco y en el Centro de Masa velocidad, porque todos los segmentos del cuerpo son interdependientes. Por lo tanto, la magnitud del vector de velocidad de GPS 3D vector puede ser un promedio de más de un ciclo de andar para evaluar la velocidad media a pie.

2) El jefe oscila verticalmente en la misma frecuencia que el tronco y en el Centro de Masa: la frecuencia de esta oscilación puede ser definida como el paso de frecuencias (SF). La oscilación vertical de la cabeza, se ha considerado que oscilan con la misma frecuencia que el tronco [46]. También hemos observado que, en promedio, medido por el SF GPS es idéntico al promedio SF medido por un acelerómetro atribuye a la baja de nuevo [47]. Estamos de acuerdo en que la definición de SF basa en la trayectoria de la cabeza puede ser diferente de otros, como la inversa de paso duración, es decir, el tiempo entre el talón a la huelga medida por la fuerza o la placa de pedal. Sin embargo, en nuestra opinión, los diferentes organismo segmento puede ser utilizado alternativamente para realizar un seguimiento de la ritmicidad de caminar con el mismo nivel de eficiencia.

3) Un parámetro de andar puede ser calculado mediante el conocimiento de los otros dos por la simple ecuación de WS = SF × SL. Debido al patrón repetitivo de a pie, WS, SF y están estrictamente relacionados con el SL. De hecho, caminar puede considerarse como iterativo de andar en ambos ciclos de dimensiones espaciales y temporales. A la repetición temporal después de un paso duración, se añade una repetición espacial después de un paso largo. La velocidad a la que se produce la repetición espacial es precisamente la velocidad (distancia / duración). En la práctica, la longitud del paso, obviamente, puede ser definido como la distancia recorrida por la cabeza de más de un ciclo de andar. Sin embargo, una alternativa lógica es que no hay necesidad de medir los 3 parámetros de andar: es suficiente para medir a dos de ellos y deducir el tercero. SL, por lo tanto, puede ser definida como el cociente entre WS y SF. Alternativamente, SF puede reconstruirse desde SL y WS (WS = SF / SL).

4) precisa cabeza trayectoria se puede evaluar con una baja tasa de muestreo (10-20 Hz). La evaluación precisa de la trayectoria de la cabeza es la principal exigencia que hacen posible el cálculo de todos los parámetros de andar con GPS método. En efecto, las hipótesis que hemos definido más arriba (1-3) implica el reconocimiento de un patrón repetitivo en la trayectoria de la señal en bruto con el fin de analizar por separado cada paso. En otras palabras, el periódico regreso de un órgano similar a un segmento de estado se puede utilizar para encuadrar cada paso del ciclo y, por lo tanto, para permitir la medición de los parámetros de andar paso por paso: el ejemplo clásico es la repetición de los ataques del talón. En la práctica, que arbitrariamente eligió para detectar la altitud máxima (pico) alcanzado por la cabeza en el eje vertical para definir el inicio de cada paso (véase la Fig. 3]. El principal obstáculo para la detección de este punto es que la trayectoria no es la cabeza continuamente supervisa, pero medida por el receptor GPS como discretas posiciones sucesivas con una velocidad de muestreo de 5 Hz [47 - 49] a 20 Hz [22]. Estamos convencidos de que este tipo de muestreo es suficiente para reconstruir matemáticamente la trayectoria de la cabeza con la precisión requerida por interpolación entre los puntos extra de las mediciones GPS. De hecho, existe una alta correlación entre los sucesivos puntos de la trayectoria de la cabeza, a causa de la inercia inherente a la baja y la aceleración que están permitidos por el sistema: una suave trayectoria tanto, se espera. Si el jefe se sometería a los pequeños "errática" impredecibles movimientos entre dos puntos GPS (1 / 20 s), esto implicaría una importante aceleración en la cabeza (varias g), y esto obviamente no es el caso. Además, varios resultados en la literatura demuestran claramente que el cuerpo Centro de la Misa [24], el tronco [4], y el jefe [46] seguir una condición similar, sin tropiezos, la trayectoria: la frecuencia de esta onda es sine Precisamente SF. A partir de una señal digital de procesamiento de punto de vista, es evidente que una tasa de muestreo de 10/20 Hz es perfectamente suficiente para describir un 1.5-2.5 Hz "sine-como" causa de la ola del teorema de Shannon. Fig. 3 se muestra el resultado del proceso de interpolación (interpolación spline) que se aplican para aumentar la precisión temporal de la trayectoria de la cabeza.

GPS de alta precisión y de andar variabilidad: el Lausanne resultados

En 1999 - en el ámbito de la evaluación de la actividad física - se estudió si la combinación de acelerómetro con altimetría daría lugar a una mejora importante de predicción de la velocidad de marcha en una pendiente variable medio ambiente [48]. La alta precisión RTK GPS con 5 Hz de muestreo se utilizó como referencia para la medición de la velocidad y la altura ( "estándar de oro"). Debido a que la trayectoria de evaluación parece muy exacto, probamos el mismo instrumento (RTK GPS Leica, 5 Hz velocidad de muestreo) para medir los parámetros de caminar media (WAS, SL, SF) más de 5 minutos a pie el estado de equilibrio [47]. Además, mide el desplazamiento vertical y la velocidad del cambio paso por paso. Se encontró que la duración media de paso medirse con un acelerómetro portátil fue estadísticamente idéntica a la medición GPS. Sin embargo, los parámetros evaluados paso por paso exhiben gran variabilidad. En un estudio posterior, que trató de evaluar promedio de la alimentación externa de a pie [49]. Sin embargo, los resultados no fueron totalmente de acuerdo con los resultados encontrados en la literatura, probablemente debido a una mala grabación de cambio de fase entre los componentes de la energía [49]. Más recientemente, hemos utilizado un nuevo dispositivo (10 Hz velocidad de muestreo), que permite la grabación de los parámetros básicos de andar (poca velocidad, la cadencia, y longitud) a lo largo de varios períodos sucesivos 5 segundos [50]. Se encontró que andar a baja velocidad inducida por un patrón de comparación de andar a pie o en la preferida de alta velocidad. Además, el lento caminar exhiben mayor variabilidad de todos los parámetros del paso [50].

El más reciente estudio se realizó mediante la aplicación del método se ha explicado anteriormente (20 Hz, estrictas normas) [22]. Se analizaron los parámetros de andar paso por paso en 8 temas que se libre y limitada (metrónomo). Se obtuvieron series de tiempo como se ilustra en la fig. 4. Esto permite el análisis de la fluctuación de los parámetros de andar (poca velocidad, la cadencia, y paso largo) tanto en términos de amplitud (desviación estándar, Coefficent de variación) y la dinámica (correlación de largo alcance, patrón fractal). En virtud de las condiciones de libre caminando, DFA (Detrended Fluctuación Análisis [20, 21, 51 - 53]] y de sustitución, los datos mostraron que las pruebas de fluctuación de WS, SL y SF exhibido un patrón fractal (es decir, el exponente de escala α: 0,5 <α < 1;) en la gran mayoría de los participantes (7 / 8). En virtud de las condiciones limitadas (metrónomo), SF fluctuaciones se convirtió en anti-correlación significativa (α <0.5) en todos los participantes. Sin embargo, el exponente de escalamiento y WS SL no se modificó. Llegamos a la conclusión de que, cuando el ritmo caminar es controlado por una señal auditiva, el circuito de retroalimentación entre el movimiento previsto (a nivel supraespinales) y la sensorial insumos induce un continuo desplazamiento de SF en torno a la media (de lucha contra la persistente correlación), pero sin Efecto en la dinámica de la fluctuación de otros parámetros (SL, WS) [22].

Ventajas e inconvenientes de GPS en comparación con otros métodos

GPS técnica corresponde a la categoría de los métodos que proporcionan una serie limitada de parámetros biomecánicos con una mayor viabilidad, como, por ejemplo, portátiles acelerómetros. La introducción de este método no desplazar a los métodos de alta precisión utilizados en el "andar laboratorios". Sin embargo, puede servir de alternativa en el campo de análisis de la variabilidad de andar, siempre que el usuario potencial es consciente de las diferentes limitaciones. En este contexto, la tabla 1 se resumen las ventajas y los inconvenientes de GPS.

En cuanto a los obstáculos técnicos y de organización, parece que la alta precisión de la tecnología GPS-es difícil de aplicar para aplicaciones biomédicas. Algunos de los obstáculos son inherentes a la técnica de localización por satélite (experimentos al aire libre, óptimo acceso a los satélites). Sin embargo, la evolución futura aumentará la capacidad de utilización de la técnica. Los receptores más pequeño con una mayor potencia de cálculo: 100 Hz GPS nuevos chips ya están disponibles. En cuanto a los satélites GPS, todo un reto de modernización programa ofrecerá una tercera frecuencia civil (L5) para mejorar la disponibilidad y exactitud. Nueva adicionales satélites GLONASS ruso también se puso en marcha en los próximos años. El sistema europeo Galileo está prevista para la próxima década: se proporcionará un tercer independiente, el sistema de posicionamiento. En consecuencia, la precisión, la disponibilidad y la facilidad de uso de posicionamiento por satélite tienen un considerable potencial de crecimiento.

El desarrollo de la técnica GPS para el análisis de andar es todavía embrionaria. Cuando los investigadores se den cuenta del potencial de esta nueva tecnología, ellos pueden utilizarlo como una herramienta complementaria para un mejor seguimiento de los parámetros de andar el ser humano en su propio "natural". Dada la importancia de la variabilidad intraindividual de estos parámetros, "exportación" del laboratorio a las condiciones de vida libre puede ser la única solución para el análisis de ellos durante largos períodos de tiempo.

Agradecimientos

Los autores gracias Sr V. Turner y el personal técnico del Departamento de Fisiología por su ayuda. El desarrollo de la técnica de GPS en aplicación en el ser humano con el apoyo financiero de la Swiss National Science Foundation (Grant 3,200-055,928.98 / 1), por la fundación "Deporte, Ciencia et Société" y por la "Loterie Romande".