2º Relatório de seguimento - BABEN

A validação do sistema Equimetrix pressupõe a recolha concorrente de dados com sistemas padrão (gold standard) para aferir a precisão e exatidão dos dados obtidos por este sistema. Em sede de projeto foi determinado que deveriam ser usados sistemas óticos e inerciais para a validação da estimação de posição do centro de massa (CoM), bem como de soluções baropodométricas e dinamométricas para a comparação da posição do centro de pressões (CoP) e base de suporte (BoS).

Os objetivos gerais do projeto preveem quatro pontos principais:

• Definição de protocolos de avaliação e certificação ética;
• Validação da medição da base de apoio, migração do centro de pressões e estabilização;
• Validação da estimação da posição 3D do centro de massa;

• Validação das funcionalidades de treino proporcionadas pelo sistema Equimetrix.

Até à data foram realizados esforços para completar os primeiros três objetivos do projeto, ainda que existam alguns desvios ao previsto em virtude da necessidade de adaptação do previsto em projeto à realidade. Com o decorrer do projeto, e ao testar os equipamentos em concorrência com o sistema Equimetrix, verificou-se que o sistema de cinemática inercial para medição do CoM e o sistema podobarométrico para medição do CoP, não são inteiramente compatíveis com o modo de funcionamento do sistema Equimetrix, inviabilizando ❑ seu uso comparativo. Estes desvios ao projeto encontram-se descritos e justificadas em detalhe na Secção 3 deste relatório.

A não utilização do sistema de cinemática inercial para medição do CoM e do sistema podobarométrico para a medição do CoP devido a impossibilidades técnicas compromete a concretização de alguns dos objetivos previstos em projeto mas, em última instância, cremos ser benéfico para o projeto, dotando-o de uma simplificação de equipamentos e procedimentos que, dada a redundância de equipamentos para validação do CoM e CoP, permitem alcançar os objetivos principais.

Assim, o projeto está a decorrer com a utilização do sistema cinemático ótico (Qualisys, Suécia) para validação do CoM, a plataforma de força (dinamometria) para validação do CoP e a baropodometria para validação da BoS. De fora está a utilização do sistema inercial (Xsens) para validação do CoM e da baropodometria para validação do CoP. Dada a compatibilidade dos equipamentos em uso, ficaram reunidas as condições que permitiram, mediante uma única sessão, fossem recolhidos dados conducentes à concretização dos Objetivos 1, 2 e 3. O Objetivo 4 "Validação das funcionalidades treino proporcionadas pelo sistema Equimetrix", ao qual está naturalmente associado o objetivo 1.6 de "criação de um protocolo de avaliação das funcionalidades de treino de equilíbrio e regulação postura! com sujeitos com diferentes caraterísticas" encontra-se atualmente em fase de testes preliminares.

Considerando as situações acima descritas, pode-se afirmar que o Objectivo 1 "Definição de protocolos de avaliação e certificação ética" encontra-se completo em 75%, sendo os 25% em falta relativos ao objetivo 1.6. De igual forma, o Objectivo 2 "Validação da medição da base de apoio, migração do centro de pressões e estabilização" e Objetivo 3 "Validação da estimação da posição 3D do centro de massa" encontram-se concluídos no que respeita à sua recolha de dados.

Os dados recolhidos encontram-se agora em fase de processamento, tendo sido criada uma rotina de análise dedicada em Matlab (Mathworks Inc., EUA). Estima-se que até ao final do mês de outubro se termine a análise destes e se dê inicio às recolhas de dados necessárias à concretização do Objetivo 4.2. Detalhes dos resultados alcançados em relação a cada um dos objetivos e metas propostas

Neste ponto são descritos os avanços realizados para a concretização de cada objetivo estabelecido em sede de projeto. Em virtude da simultaneidade da recolha de dados, não é possível dividir o protocolo apresentado em seguida em subsecções correspondentes a cada Objetivo. Por forma a facilitar a leitura e análise dos esforços realizados, esta seção encontra-se dividida em várias subsecções, cada uma relativa a uma fase do processo de validação.

2.1 Definição de avaliaçã​o e certificação ética

O primeiro objetivo do projeto é composto por seis pontos conducentes ao estabelecimento de protocolos adequados à validação do sistema Equimetrix. Dado que o sistema para medição do CoM (Qualisys, Suécia) e o sistema para medição do CoP (Plataforma Bertec, EUA) se encontra integrados num só sistema, foi possível conceber um protocolo de validação simultâneo. A validação do BoS, ainda que não podendo ser realizado simultaneamente, pôde ser realizado em seguida. Assim, o protocolo obtido (Protocolo A) carateriza-se por condensar numa única sessão com a duração de uma hora todas as avaliações necessárias à validação do CoM, CoP e BoS, não sendo necessário alterar a montagem experimental para realizar cada tarefa, nem submeter o voluntário a várias condições de teste diferentes e/ou repetitivas.

Tabela I — Equipamento  em re ues no protocolo de validação, sua natureza e finalidade de validação

O Protocolo A tem como objetivo a concretização dos objetivos 1.1, 1.3 e 1.4. Os objetivos 1.2 e 1.5 não podem ser concretizados devido a questões técnicas descritas na secção 3 deste relatório. O protocolo 1.6, dado ser relativo à validação das funcionalidades de treino do sistema Equimetrix, e como tal associado ao Objetivo 4, será alvo de um protocolo de validação próprio (Protocolo B) que ainda não se encontra finalizado.

Figura 1 — Ilustração do volume calibrado (cor rosa semitransparente) e posição relativa do voluntário no seu interior visto no plano (a) sagital, (b) frontal e (c) transverso.

Por forma a modelar o corpo do voluntário foram colocados marcadores retrorefletivos em vários pontos anatómicos de modo a permitir a posterior reconstrução 3D no software de análise biomecânica Visual3D (C-Motion, EUA), e o cálculo do seu CoM. O modelo de corpo inteiro utilizado pode ser observado na Figura 2. Uma imagem em maior detalhe, bem como uma tabela explicativa da nomenclatura usada para identificar os pontos anatómicos selecionados podem ser consultadas na Secção 7 deste relatório. De notar que ainda que não tenham sido colocados marcadores no segmento da cabeça, esta foi igualmente modelada como pertencente ao segmento do tronco.

Figura 2 — Modelo biomecânico de corpo inteiro implementado para o cálculo do centro de massa.

Antes de iniciar o procedimento de recolha de dados, foi realizada uma recolha com o voluntário em posição anatómica por forma a se obter um registo da posição de todos os marcadores. Todas as recolhas cinemáticas foram realizadas com uma frequência de aquisição de 200 Hz.

O voluntário foi colocado sobre uma plataforma de forças Bertec (Bertec inc. EUA) com a dimensão de 90x60cm e a operar a uma frequência de aquisição de 2000Hz, sendo os dados de forças de reação do solo, momentos de força e posição do centro de pressão recolhidos simultaneamente e em sincronia com ❑ sistema cinemático.

Sobre a plataforma de forças foi colocado o sistema Equimetrix de modo que o centro do seu tapete sensorial se encontrasse alinhado com o centro da plataforma de forças. O padrão sensorial onde  sistema Equimetrix baseia o seu referencial tridimensional global foi identificado com recurso a fita retr❑refletiva de modo a reproduzir a origem e eixos desse referencial.

Figura 3 — Representação da colocação de fita retrorrefletora no (a) padrão ótico e (b) câmara e arnês do sistema Equimetrix.

A câmara usada pelo sistema Equimetrix para identificar o padrão ótico e assim estimar a posição do CoM foi colocado no tronco do voluntário de acordo com as recomendações do fabricante. Por forma a identificar a posição relativa da câmara no tronco do voluntário, bem como a sua inclinação e distância do referencial global do sistema Equimetrix, foi colocada fita retrorefletiva na câmara e no respetivo arnês de suporte.

Estes três equipamentos (sistema cinemático, plataforma de forças, sistema Equimetrix) foram utilizados em conjunto por forma a validar o CoM e CoP, encontrando-se ilustrada na Figura 4 um exemplo desta montagem experimental.

Figura 4 - Exemplo da montagem experimental para validação do CoM e CoP integrando o sistema de cinemática ótica, dinamometria (plataforma de forças) e sistema Equimetrix.

Ainda que o sistema de cinemática e dinamometria se encontrem sincronizados entre si, o sistema Equimetrix não dispõe de mecanismo de sincronização eletrónica. Como tal, foi implementado um método de sincronização mecânica que consiste em realizar um apoio simultâneo sobre o tapete sensorial Equimetrix e a plataforma de forças. Dado que o Equimetrix se encontra sobre a plataforma, este apoio será registado simultaneamente e expresso num aumento substancial e momentâneo do valor de força vertical (na plataforma de forças) e da base de suporte (no sistema Equimetrix).

Para a validação da base de suporte foi utilizado um tapete baropodométrico Walkway (Tekscan, EUA) a operar a uma frequência de aquisição de 100Hz.

2 2.2 Recrutamento de amostra

Por forma a realizar as recolhas de validação, foi reunida uma amostra constituída por 20 voluntários (masculino: 8; feminino: 12) com 32,6 ± 8,9 anos de idade, 168,5 ± 10,1 cm de altura, 70,6 ± 12,6 kg de massa, índice de massa corporal de 24,8 ± 2,9 e que realiza prática desportiva 3,3 ± 1,7 dias por semana. Todos os voluntários apresentam dominância de membro direito. A Tabela II apresenta em detalhe a caraterização da amostra.

Tabela II - Caracterização da amostra recrutada em termos de sexo, idade, altura, massa, indica de massa corporal (IMC) e atividade física semanal, expressa em média ± desvio-padrão e valor (minino - máximo).La muestra consiste en voluntarios sanos sin lesiones musculoesqueléticas recientes, sin patologías motoras o neurológicas conocidas, sin trastornos graves de la vista o el oído y que preferentemente realicen actividad física.

A amostra é constituída por voluntários saudáveis, sem lesões músculo-esqueléticas recentes, sem patologias motores e neurológicos conhecidos, sem distúrbios visuais ou auditivos severos e que preferencialmente executassem atividade física.

7.2.3. Procedimento de recolha de dados

A sessão de recolha de dados foi iniciada por um inquérito para determinar se o voluntário cumpre todos os critérios de inclusão na amostra. Em seguida, foi pedido que removesse o seu calçado e meias, tendo-se procedido ao desenho do contorno do pé numa folha de tamanho A3 nas posições descritas na Tabela III, as quais constituem as tarefas a serem realizadas pelo voluntário.

Tabela III - Descrição das posições e tarefas de avaliação estabilométrica implementadas e sua sequência de execução

Em seguida, foram colocados no voluntário os marcadores retrorefletivos de acordo com o modelo biomecânico de corpo-inteiro, bem como a câmara do sistema Equimetrix.

O procedimento de recolha foi iniciado pela colocação da folha A3 com a posição a ser testada sobre o tapete sensorial Equimetrix, o qual se encontrava sobre a plataforma de forças e dentro do volume calibrado para o sistema cinemático. A ordem de execução das tarefas não pôde ser aleatorizada dado que algumas das tarefas requerem a remoção de marcadores retrorefletivos. Como não é possível garantir a sua exata recolocação, o que poderia gerar alterações indesejáveis e imprevistas na reconstrução dos segmentos e estimação do CoM, foi optado por seguir uma ordem de tarefa que permitisse a remoção seletiva de marcadores.

O voluntário colocou então os seus pés sobre a folha, por forma a garantir que os pés cumpriam os limites previamente desenhados. A recolha de dados foi iniciada simultaneamente no sistema de cinemática, dinamometria e Equimetrix. Realizaram-se dois eventos de sincronização, um imediatamente após o inicio da recolha e o segundo após o término do período de recolha previsto para a tarefa.

Durante o período de recolha o voluntário foi instruído para permanecer numa posição imóvel, sem possibilidade de movimentar pernas, braços ou cabeça, e para fixar um ponto a 5 metros de distância e à altura dos seus olhos. No caso das tarefas de agachamento o voluntário foi instruído a procurar manter o tronco vertical, podendo usar os membros superiores para manter o equilíbrio, e a realizar os cinco agachamentos a uma velocidade auto-selecionada. Todos os agachamentos começaram e terminaram numa posição bipodal.

Uma vez finalizada a recolha de dados sobre a plataforma de forças e sistema Equimetrix em conjunto com o sistema de cinemática, as folhas com os contornos dos pés foram colocadas sobre o sistema podobarométrico. O voluntário foi novamente instruído a colocar os pés sobre a folha de forma a cumprir os seus contornos, e a manter-se numa posição imóvel, tendo-se sido realizada uma recolha de 10s, por forma a registar a área de contacto providenciada pela tarefa. A colocação das folhas no solo e realização das diferentes tarefas foi aleatorizada, na medida que esta tarefa não dependia da existência de marcadores.

2.2.4 Procedimentos de tratamento de dados

Os dados recolhidos pelo sistema de cinemática foram processados no software Qualisys Track Manager (Qualisys, Suécia) por forma a identificar os marcadores, remover artefactos e reflexos indesejáveis, bem como interpolar eventuais falhas nas trajetórias dos marcadores.

A informação cinemática e dinamométrica foi então importada no software Visual3D (C-Motion, EUA) onde foi realizada a reconstrução de cada segmento corporal do voluntário, permitindo assim a obtenção do seu CoM. O CoP registado pela plataforma de forças foi também calculado.

Dado o sistema de referências do modelo ser distinto daquele utilizado, tanto a informação do CoM como do CoP foi calculada em relação à origem do referencial do sistema Equimetrix. Duas rotinas de análise foram desenvolvidas em Matlab (Mathworks, EUA), uma para análise do CoM e CoP e uma segunda para análise da BoS.

Rotina de análise de CoM e CoP

Esta primeira rotina aceita informação do CoM calculado no software Visual3D, bem como do CoP e força vertical registados pela plataforma de forças. Igualmente, permite a importação do ficheiro de dados gerado pelo sistema Equimetrix.

Os dados provenientes do software Visual3D (V3D_CoM e V3D_CoP) são sincronizados com a estimativa de CoM providenciada pelo sistema Equimetrix (EQM_CoM). Para isso, recorre-se ao evento de sincronização mecânica previamente descrito, sendo usada a informação de força vertical e de BoS do Equimetrix. Dado que os eventos foram registados por ambos os sistemas simultaneamente, o período entre ambas as ocorrências deverá ser o mesmo, independentemente da frequência de amostragem de cada sistema. Assim, foi identificado o final do primeiro evento de sincronização, e o inicio do segundo evento e, deste modo, determinado o período de recolha para cada sistema de aquisição. Este período foi então reamostrado para que consistisse em 1.000 pontos, sendo o primeiro correspondente a 0% e o último a 100% do período de execução da tarefa.

Figura 5 — Identificação do início (linha vertical vermelha) e do final (linha vertical verde) do período de recolha realizado pelo (a) sistema cinemático e dinamométrico e (b) 

Posteriormente à normalização da escala temporal todos os sinais são submetidos a uma suavização realizada com recurso a uma média móvel com uma janela de 20 pontos.

Figura 6 — Ilustração da componente ântero-posterior dos dados de V3D_CoM (azul), V3D_CoP (verde) e EQM_CoM (vermelho), ilustrado o seu aspeto (a) inicial e (b) após aplicação da suavização por média-móvel de 20 pontos.

A migração do CoM e do CoP é desenhada na forma de um estatoquinesiograma por forma a observar como estes migram no espaço ao longo do tempo. Dada a natureza dispersa desta migração, uma elipse que englobe 95% do seu traçado é calculada e sobreposta, conforme ilustrado na Figura 7.

Figura 7 — Estatoquinesiograma e respetiva elipse da migração no espaço do (a) V3D_CoM, (b) EQM_CoM e (c) V3D_CoP.

As seguintes comparações são realizadas entre sinais, nas suas componentes ântero-posterior (AP), médio-lateral (ML) e vertical (V):

Rotina de análise de BoS

A comparação da base de suporte de registada pelo sistema Equimetrix e Walkway é realizada por uma rotina dedicada.

A partir dos dados recolhidos pelo sistema Walkway é determinada a BoS pela distância AP e ML das áreas de contacto registadas, a qual é comparada com os dados de BoS determinados pelo sistema Equimetrix.

3. Justificações de desvios do programa de trabalho

Ao ser iniciada a elaboração do protocolo de avaliações e os procedimentos de validação para cada medida proporcionado pelo sistema Equimetrix, foram realizadas várias recolhas preliminares e exploratórias. Estas tiverem como intuito identificar eventuais incompatibilidades dos sistemas gold standard com o sistema Equimetrix, bem como testar a validade e reprodutibilidade de alguns procedimentos.

Destes testes iniciais foram identificadas duas situações que inviabilizam o cumprimento de alguns objetivos, nomeadamente na validação do CoM e do CoP com recurso à cinemática inercial e a sistema podobarométrico, respetivamente. Estas situações encontram-se detalhadamente descritas em subsecções próprias que se seguem.

3.1. Avaliação do CoM por sistema cinelnático inercial

O sistema Equimetrix realiza o seu cálculo de CoM com recurso a meios óticos. Para tal dispõe de um padrão ótico colocado posteriormente ao tapete sensorial, e cuja posição é registada com recurso a uma webcam colocada nas costas do voluntário. Este registo permite posteriormente o cálculo da posição aproximada do CoM.

A validação do centro de massa prevista em sede de projeto está assente na utilização de dois sistemas de captura de movimento, um de base ótica (Qualisys) e outro inercial (Xsens). Os sistemas óticos, pela sua utilização de câmaras de vídeo, são dotados de maior versatilidade e capacidade de adaptação, bastando colocar marcadores retrorefletivos nas estruturas que se pretende obter uma exata posição 3D. Os sistemas inerciais, pelo seu lado, requerem a utilização de centrais inerciais (que contêm acelerómetros, giroscópios e magnetómetros) colocadas sobre segmentos, por forma a determinar o seu movimento. Estas centrais inerciais são, geralmente, de dimensões superiores às dos marcadores retrorefletivos, o que lhes confere uma precisão espacial inferior.

A definição de referenciais ortogonais é o principio basilar da identificação de posição e movimento nos sistemas cinemáticos. O sistema Equimetrix define o seu referencial num conjunto de coordenadas dependente do seu padrão ótico. O sistema cinemático ótico (Qualisys) determina o seu referencial mediante uma etapa de calibração, mas retém a capacidade de gerar referenciais locais, bastando para tal colocar marcadores refletores nas coordenadas desejadas. O sistema inercial (Xsens), por sua vez, define a origem do seu referenciai como o local em que é realizada a calibração estática do sujeito, sendo a origem do referencial posicionado no solo sensivelmente no local da projeção vertical do CoM.

Tendo em conta estas caraterísticas, denota-se um problema técnico subjacente à utilização de sistemas inerciais: a impossibilidade de estabelecer com precisão um referencial ortogonal comum a todos os sistemas. Enquanto é possível reproduzir o referencial do sistema Equimetrix com recurso à cinemática ótica (Qualisys), mediante a colocação de marcadores retrorefletivos no padrão ótico do Equimetrix, o mesmo não é possível com o sistema inercial.

Ainda que fosse possível a aquisição de dados com diferentes referenciais, assumindo assim um desfasamento espacial de magnitude desconhecida, para o estudo das variações da posição do CoM ao longo do tempo, poderia ser colocada em causa a identificação de diferenças subtis entre os sistemas, o que não seria conducente a uma adequada validação.

Um outro problema encontra-se na inexistência de um método de sincronização compatível entre o sistema inercial e o sistema Equimetrix, o que poderia adicionar um desfasamento temporal ao já existente desfasamento espacial entre sistemas.

Dado que a utilização de dois sistemas cinemáticos é redundante, e o sistema cinemático ótico (Qualisys) constitui o gold standard para captura de movimento, a exclusão do uso do sistema inercial Xsens não compromete o cumprimento dos objetivos principais do projeto.

Assim, ocorre um desvio ao projeto na impossibilidade de executar os seguintes objetivos:

• Objetivo 1.5: Definição de provas e protocolos de avaliação da cinemática do centro de massa por cinemetria inercial 3D.
• Objetivo 3.3: Realização de um estudo comparativo concorrente entre sistema Equimetrix e sistema inercial de captura de movimento (Xsens).

3.2. Avaliação do CoP por podobarometria

O sistema Equimetrix é composto por um tapete sensorial que, mediante a aplicação de carga, determina a área que esta ocupa. Por forma a o proteger, o tapete possui uma espuma de poliuretano na sua face inferior e uma pelicula vindica na face superior, dotando o tapete de bastante flexibilidade e de uma espessura aproximada de 5 mm. O tapete, apresenta ainda uma dimensão de 115 x 97 cm.

O sistema podobarométrico Walkway consiste numa plataforma com sensores de pressão distribuídos por uma área sensorial de aproximadamente 40 x 175 cm, com base rígida não flexível. A colocação de uma carga sobre a sua área sensorial permite registar não só a pressão que esta exerce, mas também a área de contacto com o tapete e o seu centro de pressão.

Previa-se que a colocação do sistema Equimetrix sobre o tapete Walkway pudesse causar uma atenuação no valor das pressões registadas pelo sistema podobarométrico devido à existência de espuma de poliuretano entre o sujeito e o tapete. Ainda que o valor das pressões seja necessário ao cálculo do centro de pressões, não o é para a determinação da base de suporte.

No entanto, os testes preliminares revelaram que a colocação do sistema Equimetrix causa um efeito de difusão das pressões. Este manifesta-se como um padrão de pressões que se dispersa além da base de suporte, devido ao aumento da pressão de contacto da espuma de poliuretano na vizinhança dos pés, com o tapete Walkway. Um fenómeno desta natureza impede não só a correta identificação dos limites da base de suporte, como também do centro de pressões. Adicionalmente, as dimensões reduzidas do sistema Walkway, em comparação com o sistema Equimetrix, e o facto de apresentar um alto rebordo num dos seus lados, dificulta o adequado posicionamento do sistema Equimetrix sobre o tapete Walkway.

Também o sistema podobarométrico constituiu um sistema redundante para a medição do CoP, sendo a plataforma de forças o sistema gold standard para tal medição. Assim, a sua exclusão como método de validação de CoP não compromete o cumprimento dos objetivos principais do projeto.

Por outro lado, o sistema podobarométrico constituiu a melhor solução para a estimação da BoS, pelo que foi necessário desenvolver um método que permitisse garantir que o voluntário realizasse uni apoio idêntico sobre o sistema Equimetrix e sobre o sistema podobarométrico. Este método encontra-se descrito no protocolo de recolha, como a utilização de uma folha A3 com o contorno dos pés do voluntário, o qual serviu como guia para a realização dos vários tipos de apoio.

Assim, ocorre um desvio ao projeto na impossibilidade de executar os seguintes objetivos:

• Objetivo 1.2: Definição de provas e protocolos de avaliação da migração do centro de pressões e estabilometria por avaliação podobarométrica.
• Objetivo 2.2: Realização de um estudo comparativo concorrente entre sistema Equimetrix e sistema de medição de pressões para medição da migração do centro de pressões e estabilometria.

4. Produção cientifica

À data deste relatório não se encontram ainda disponíveis publicações cientificas resultantes destes trabalhos, mas estima-se que os resultados obtidos possam permitir a publicação de pelo menos dois artigos de investigação em revista internacional.

Estas publicações ficarão naturalmente pendentes da eventual progressão do pedido de patete do sistema Equimetrix.