Sistema para el análisis de la presión plantar

Luz Helena Camargo CasallasEsperanza Camargo Casallas Enrique Yamid Garzón González

A quienes son el pilar de mi vida y apoyo fundamental, mi hijo, Jhon Sebastián, y mis padres y hermanos, Héctor, Helena, Esperanza, Yesid y Constanza.

Luz Helena

A mis hijos Luciana y Esteban, a quienes amo intensamente y son mi razón de vivir. A mi esposo Yamid y a mi familia por su confianza y apoyo.

Esperanza

A mi esposa Esperanza y mi hijo Esteban, quienes han sido el eje de mi vida; a mis padres y hermanos, por su apoyo y ayuda; a mi profesor, compañero y amigo Gustavo Caamaño por creer en mí.

Yamid

AgradecimientosLos autores agradecen al Centro de Investigaciones y Desarrollo Científico (CIDC) de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por brindarle su apoyo y dedicación al trabajo resumido en este libro. De igual manera, agrade-cen los aportes realizados por los ingenieros Pablo Riaño, Manuel Gálvez, Rene Vásquez, Néstor Ortega y Elkin Herrera.

© Universidad Distrital Francisco José de Caldas© Sistema para el análisis de la presión plantar© Luz Helena Camargo Casallas, Esperanza Camargo Casallas,

Enrique Yamid Garzón GonzálezPrimera edición, octubre de 2015ISBN: 978-958-8897-73-8

Dirección Sección de PublicacionesRubén Eliécer Carvajalino C.

Coordinación editorialMaría Elvira Mejía Pardo

Corrección de estiloMaría Isabel Sánchez

DiagramaciónMassayel Cuéllar Hernández

Editorial UDUniversidad Distrital Francisco José de CaldasCarrera 24 No. 34-37Teléfono: 3239300 ext. 6202Correo electrónico: publicaciones@udistrital.edu.co

Todos los derechos reservados. Esta obra no puede ser reproducida sin el permiso previo escrito de la Sección de Publicaciones de la Universidad Distrital.Hecho en Colombia

Camargo Casallas, Luz Helena Sistema para el análisis de la huella plantar / Luz HelenaCamargo Casallas, Esperanza Camargo Casallas, Enrique YamidGarzón González. -- Bogotá : Editorial Universidad DistritalFrancisco José de Caldas, 2015. 78 páginas : gráficas ; 28 cm. ISBN 978-958-8897-73-8 1. Huella plantar 2. Pies - Anatomía 3. Biomecánica del pie 4. Mecánica humana I. Camargo Casallas, Esperanza, autora II. Garzón González, Enrique Yamid, autor III. Tít. 611.718 cd 21 ed.A1506904

CEP-Banco de la República-Biblioteca Luis Ángel Arango

Contenido

El pie normal 19

Morfofisiología del pie 19

Sistema óseo del pie 19

Huesos del tarso 19

Huesos del metatarso 20

Falanges 20

Arcos del pie 21

Articulaciones del pie 22

Sistema muscular del pie 22

Músculos extrínsecos del pie 23

Músculos intrínsecos del pie 24

Clasificación funcional 25

Fórmula estructural del pie 26

Trastornos en la alineación de los dedos 27

Huella plantar 28

Clasificación 28

Pie normal 28

Pie cavo 28

Pie plano 29

Métodos de obtención de la huella plantar 30

Fotopodograma 30

Pedigrafía 30

Podoscopio 30

Presión plantar 30

Factores que influyen en las presión plantar 31

Estudios de huella plantar en actividad física y deporte 31

Sensores de medición de presión plantar 32

Sensores ópticos 33

Sensores piezorresistivos 34

Sensores capacitivos 36

Plantillas instrumentadas 36

Sensores piezoeléctricos 37

Sensores neumáticos 38

Sistema de medición de la presión plantar 39

Sistema de adquisición de la presión plantar con cuatro sensores 39

Adquisición de la señal 40

Sensores 40

Ubicación de sensores en la plantilla 42

Acondicionamiento de la señal 43

Procesamiento de la señal 44

Microcontrolador PIC18LF2550 44

Transmisión inalámbrica 46

Comunicación USB 50

Protocolo clase del dispositivo de comunicación (CDC) 50

Visualización 51

GAMBAS 52

Interfaz de visualización 53

Alimentación 53

Sistema de adquisición de la presión plantar con ocho sensores 53

Sensores 54

Características del sensor [40] 54

Caracterización 55

Acondicionamiento de la señal 55

Procesamiento 56

Detección de errores en transmisión CRC 56

Transmisión Zigbee 57

Software de visualización 57

Mejoras al sistema de adquisición de la presión plantar con ocho sensores 57

Ubicación de los sensores en cada plantilla 58

Resultados 59

Sistema de adquisición de cuatro sensores 59

Sensores y circuito acondicionador 59

Ubicación de sensores en la plantilla 64

Procesamiento y digitalización de la señal: microcontrolador 64

Transmisión inalámbrica de datos 65

Visualización en software libre 65

Sistema de adquisición de la presión plantar con ocho sensores 66

Plantillas y sensores 66

Acondicionamiento y procesamiento 67

Transmisión 68

Visualización y almacenamiento 69

Mejoras al sistema de adquisición de la presión plantar con ocho sensores 69

Conclusiones y trabajo futuro 73

Referencias 75

Índice de figuras

Figura 1. Vista del pie 21

Figura 2. Arcos del pie. (a) Arco longitudinal medial, pie derecho. (b) Arco longitudinal lateral, pie derecho. (c). Arco transverso, pie izquierdo 21

Figura 3. Músculos extrínsecos del pie 24

Figura 4. Músculos intrínsecos del pie 25

Figura 5. Vista del pie humano, clasificación funcional 25

Figura 6. Forma estructural del pie. A. Pie egipcio. B. Pie griego. C. Pie cuadrado 26

Figura 7. Forma estructural del pie: fórmula metatarsal. A. Index plus. B. Index plus-minus. C. Index minus 27

Figura 8. Ilustración de una huella de un pie normal. 28

Figura 9. Ilustración de huellas en el pie cavo según grados. A. Precavo. B. Funcional. C. De primer grado. D. De segundo grado. E. De tercer grado. 29

Figura 10. Tipos de huellas en el pie plano. g. Cuarto grado. h. Tercer grado. i. Segundo grado. j. Primer grado. 29

Figura 11. Esquema de descripción del sistema de medición de huella plantar por implementar 39

Figura 12. Sensor Flexiforce® A401 40

Figura 13. Curva de calibración del sensor de presión. (Fuerza vs. resistencia) y (fuerza vs. conductancia) 42

Figura 14. División de la planta del pie en zonas para el análisis de presiones 43

Figura 15. Circuito de acondicionamiento recomendado para el sensor de presión 44

Figura 16. Estructura del paquete de envío por el módulo de comunicación inalámbrica 46

Figura 17. Envío de datos obtenidos de un sensor mediante cuatro tramas 46

Figura 18. Modulación ASK 47

Figura 19. Distribución de pines del TXM-433-LR y circuito de aplicación 47

Figura 20. Circuito de aplicación del módulo receptor 48

Figura 21. Antena Splatch ANT-433-SP 48

Figura 22. Conexión de la antena en circuito impreso 49

Figura 23. Paquete de envío del PIC18F2550 hacia el puerto USB 49

Figura 24. Envío de la medición del primer sensor por el puerto USB 49

Figura 25. Migración de RS-232 a USB por medio del protocolo CDC 51

Figura 26. Página de inicio de GAMBAS 51

Figura 27. Sistema de adquisición de la presión plantar 54

Figura 28. Dispositivo calibrador para los sensores de presión 55

Figura 29. Circuito de acondicionamiento recomendado para el sensor de presión 56

Figura 30. Circuito de implementación de todos los módulos del sistema 58

Figura 31. Circuito de implementación de todos los módulos del sistema 59

Figura 32. Calibración y obtención de la ecuación característica del sensor. Resistencia vs. fuerza 61

Figura 33. Calibración y obtención de la ecuación característica del sensor. Conductancia vs. fuerza 62

Figura 34. Curva de calibración del sensor con el circuito acondicionador 63

Figura 35. Sensor Flexiforce® A201-25 64

Figura 36. Plantilla con la ubicación de los sensores 64

Figura 37. Microchip PIC18F2550 65

Figura 38. Visualización de los sensores mediante GAMBAS 66

Figura 39. Distribución de sensores en las plantillas diseñadas 66

Figura 40. Circuito de acondicionamiento 67

Figura 41. Acondicionamiento y procesamiento 68

Figura 42. Esquema de comunicación inalámbrica 68

Figura 43. Diseño del circuito del patín 69

Figura 44. Circuito del patín 70

Figura 45. Vista global y acercamiento de los circuitos ubicados en patines profesionales 70

Figura 46. Variación de presión en el primer sensor durante la prueba 70

Índice de tablas

Tabla 1. Sistema de mediciones de huellas plantares mediante uso de plantilla instrumentada de uso más extendido 35

Tabla 2. Sistema de mediciones de huellas plantares mediante uso de plantilla instrumentada de uso más extendido 37

Tabla 3. Principales características del microcontrolador PIC18LF2550 45

Tabla 4. Características técnicas de la antena Splatch ANT-433-SP 48

Tabla 5. Calibración de los sensores de presión 60

Tabla 6. Datos de calibración del sensor de presión con el circuito acondicionador 62

19

El pie normal

El pie presenta diversas funciones que incluyen: equilibrio (estática/soporte), amor-tiguación, propulsión, transporte (dinámica) y técnica. Es el encargado de soportar el peso del cuerpo y, a su vez, es flexible y elástico para absorber choques. Por sus variadas funciones es considerado como una de las estructuras más dinámicas del cuerpo humano [1].

Morfofisiología del pie El pie está formado por 28 huesos, 33 articulaciones, 20 músculos, 114 ligamentos y más de 100 tendones y 7000 terminaciones nerviosas que hacen posible su postura y gran variedad de movimientos [2]. Estos componentes permiten su complejidad mecánica y fuerza estructural.

El pie está dividido en tres partes: tarso, metatarso y falanges [3]. Por su funcio-nalidad se clasifica en: retropié (calcáneo y astrágalo), mediopié (navicular, cuboides y 3 trescuneiformes) y antepié (cinco metatarsianos, 14 falanges y 2 sesamoideos). A continuación, se presenta el sistema óseo, articular y muscular del pie.

Sistema óseo del pie Los huesos soportan las fuerzas de compresión. En la figura 1 se aprecia la longitud del pie, que se encuentra determinada por la distancia entre el extremo del talón y la punta del pie, mientras que la anchura depende de los cinco huesos metatarsianos. De todos ellos, el del primer dedo es el más fuerte, el del segundo dedo puede ser más largo y el del quinto dedo el más corto. Los dedos están formados por tres falanges, a excepción del pulgar que está formado, únicamente, por dos.

Huesos del tarso Los huesos del tarso se disponen de un grupo proximal y otro distal, con un hueso intermedio en la cara media del pie. Son los huesos más fuertes, pues sobre ellos des-cansa la mayor parte del peso corporal [1].

A continuación, se mencionan los huesos que conforman el tarso: