Descrição da experiência

Durante uma sessão terapêutica de fisioterapia, realizada simultaneamente com terapia ocupacional, a criança foi equipada com umas calças elásticas justas aos membros inferiores, em que foram aplicados os sensores inerciais. Um dos sensores foi colocado sobre a perna direita, outro na coxa direita e outros dois foram colocados simetricamente ao plano sagital no membro inferior esquerdo. O último sensor foi colocado na zona do sacro, próximo da localização do COM da criança, representado na figura 5.12. Este ponto foi calculado pelo método da somação vetorial e pelo método do somatório dos momentos parciais, numa posição aproximada à posição anatómica.

121 Figura 5.12 – Cálculo do centro de massa (COM) da criança.

A orientação dos três eixos do sensor, X, Y e Z encontravam-se orientados segundo o plano sagital, axial e coronal, respetivamente. Na figura 5.13 encontra-se representada a orientação dos eixos do sensor.

Figura 5.13 – Orientação dos eixos do sensor inercial.

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Os sensores, que se encontravam ligados entre si e com a unidade XBus Master por fios, foram estrategicamente ligados, de modo a que os cabos não interferissem nos movimentos da criança.

Após equipada, foram-lhe explicadas as tarefas que deveria realizar ao longo de um percurso de 2,60 m definido entre duas cadeiras. As tarefas estabelecidas, assim como o percurso, eram familiares à criança, pois era uma rotina que realizava com frequência durante as sessões terapêuticas.

(i) Tarefa 1 (T1) – A primeira tarefa tinha por objetivo avaliar a criança num ambiente terapêutico, ou seja, analisar o seu desempenho enquanto obedecia a orientações dadas pelas terapeutas. Foi pedido à criança que completasse um puzzle com peças de várias formas e cores, de acordo com um desenho que observava, como se pode ver na figura 5.14. Numa das cadeiras que delimitava o percurso, foi colocada uma caixa com todas as peças e na outra extremidade do percurso foi colocado o desenho do puzzle que a criança deveria completar. Os dados do caminhar foram recolhidos enquanto a criança realizava esta tarefa de manipulação e descriminação visual; (ii) Tarefa 2 (T2) – Foi solicitado à criança que percorresse o mesmo trajeto, sem realizar

qualquer outra tarefa, de acordo com um ritmo síncrono e simétrico de 2

4 com 80 batimentos por minuto, definido por um metrómetro bem audível;

(iii) Tarefa 3 (T3) – solicitou-se à criança que percorresse livremente o percurso sem qualquer outra imposição, de modo a recolher dados relativos ao seu caminhar, dito natural.

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5.4.2 Análise dos resultados

A aceleração vertical desempenha um papel importante para determinar o padrão do caminhar, uma vez que os picos dessa aceleração correspondem ao impacto do pé com o solo, ou seja, o intervalo de tempo delimitado por dois picos representa uma passada (Lee & Lee, 2002).

Para a análise do padrão do caminhar da criança primeiro foram identificados os picos da aceleração vertical registados pelo sensor inercial (colocado sobre a zona do sacro). Esta aceleração corresponde à aceleração registada pelos sensores segundo o eixo dos 𝑧𝑧. Na figura 5.15, são apresentados os gráficos da aceleração vertical medida pelo sensor inercial durante várias fases do programa, as linhas verticais identificam os vários picos registados ao longo do percurso.

Figura 5.15 – Aceleração vertical medida pelo sensor colocado sobre a zona do sacro e identificação dos picos correspondentes às passadas.

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Note-se, que esta componente contem o valor da aceleração da gravidade (9,807 m/s2_{) pelo}

que para a análise da marcha é necessário aplicar a equação 5.5, de modo a obter apenas a aceleração corresponde ao caminhar da criança.

Para obter a aceleração vertical média de um percurso, 𝑎̅̅̅, foi calculado o valor absoluto da 𝑣 aceleração vertical |𝑎𝑣|e divido pelo intervalo de tempo ∆𝑇𝑡 = 𝑡𝑓− 𝑡𝑖,

𝑎𝑣 ̅̅̅ = 1 𝑇𝑡 ∫ |𝑎𝑣| 𝑡_𝑓 𝑡𝑖 𝑑𝑡 ⇔ 𝑎̅̅̅ =𝑣 ∑ |𝑎_𝑣|∆𝑡 ∆𝑇𝑡 . _(5.7)

O gráfico da figura 5.16 mostra os resultados de aceleração média ao longo de um percurso.

Figura 5.16 – Resultados da aceleração vertical média para o sensor colocado sobre o sacro. A relação entre o ciclo do caminhar e sua aceleração pode ser obtida tendo por base o modelo do duplo pêndulo. De acordo com este modelo e como descrito no trabalho de Yoneyama (2012) a aceleração vertical (𝑎𝑣) é proporcional ao quadrado do comprimento do passo (𝑆𝐿 – step length) e inversamente proporcional ao período do ciclo da marcha (𝑇𝑡), ou seja:

𝑎𝑣 = 𝑆𝐿2

𝑇𝑡

. (5.8)

Por sua vez, o comprimento do passo pode ser definido em função de dois parâmetros α e β que podem variar de acordo com o padrão do caminhar de cada indivíduo. Assim,

125 𝑆𝐿 = 𝛼 (1 𝑇− 1 𝑇0 ) + 𝛽, (5.9)

onde, 𝑇0= 1,02√ℎ. Sendo ℎ a altura do indivíduo, o valor 𝑇0 é determinado a partir dos dados durante a marcha livre.

No caso da criança foi obtido um 𝑇0=1,0551 s, o que representa um valor de ritmo natural inferior comparativamente ao 1,4 s indicado para um adulto normal balançando a perna como um pêndulo.

Segundo a literatura existe uma correspondência unívoca entre o par de parâmetros α e β, que determina a relação entre o ciclo do caminhar funcional e a aceleração vertical com a estratégia de caminhar individual (Yoneyama, 2012).

Num ambiente natural, o padrão ótimo, ou natural, para um indivíduo é aquele que lhe confere mais estabilidade e menor consumo energético. Quando um indivíduo é exposto a condições não naturais, ou condicionantes, ele tende a usar o mesmo padrão de caminhar, mas se essa estratégia se revela instável o indivíduo procura outro padrão de estabilidade, de modo a otimizar o caminhar (Bertram, 2005).

Neste caso pela análise da figura 5.16 é notório que a criança não possui um padrão de marcha uniforme. A análise sugere a existência de dois modos de caminhar. Assim, foram criados esses dois modelos cujos parâmetros são apresentados na tabela 5.2, de forma a caracterizar o modelo da criança. A figura 5.17 ilustra esses mesmos modelos.

Tabela 5.2 – Parâmetros 𝛼 e 𝛽 que caracterizam os modelos do caminhar da criança com PC.

α β

Modelo 1 0,47737±0,09 0,92365±0,07

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Figura 5.17 – Modelos descritos pelo caminhar da criança.

Dos resultados obtidos, em modo de conclusão, pode dizer-se que os sensores inerciais permitem caracterizar o modelo do caminhar pelo que aplicados no contexto da reabilitação motora podem permitir avaliar o progresso de um indivíduo sujeito a um processo terapêutico, quer em ambiente clinico quer em ambulatório.

127

CAPÍTULO 6

Conclusões

Este capítulo apresenta, de uma forma sucinta, os resultados obtidos com a realização deste trabalho e faz um balanço dos objetivos alcançados e das dificuldades encontradas. Evidencia-se o interesse e potencial das redes e dispositivos WBAN para a melhoria da qualidade de vida da população e de indivíduos com necessidades especiais. Focando-se o interesse dos trabalhos de investigação para melhorar estes dispositivos, particularmente as antenas que os integram, e que representam a principal componente para o desenvolvimento de tecnologias na área da reabilitação humana.

6.1

BALANÇO GERAL

O trabalho apresentado nesta dissertação surgiu na sequência da fusão da área da ERAH com o estudo dos potenciais sistemas WBAN na área médica e da reabilitação. Tentou-se focar os principais desafios que lhes são inerentes e fazer a demonstração de conceitos de algumas componentes críticas para o desenvolvimento de novas soluções tecnológicas. Pois ambas, as vertentes, possuem pontos em comum, com benefícios mútuos. Por um lado, a ERAH tem como objetivo a aplicação da ciência e da tecnologia na melhoria da qualidade de vida de pessoas com necessidades especiais, visando a acessibilidade (Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, 2015). Por outro lado, os sistemas WBAN representam uma rede de sensores sem fios capazes de recolher e avaliar parâmetros biológicos, de modo a

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elaborar respostas, cujo objetivo primordial é a melhoria da qualidade de vida, nomeadamente, de pessoas com necessidades especiais, o que vai de encontro com a definição de ERAH.

Deste modo, primeiro foi elaborada uma breve pesquisa sobre os sistemas WBAN. O objetivo, desta pesquisa, foi fazer um estudo do estado de arte dos dispositivos WBAN, de modo a verificar, principalmente, a sua basta gama de aplicabilidade na área médica e analisar os desafios que estes sistemas ainda carecem nos tempos decorrentes, sobretudo devido ao seu meio de operação.

Para desempenharem a sua função os dispositivos WBAN necessitam fundamentalmente de (i) transmitir dados entre dispositivos e (ii) energia, para funcionarem. A componente responsável por estas tarefas é a antena, pelo que o principal pretexto deste trabalho consistiu na análise desta componente, nomeadamente para aplicações sobre e dentro do corpo, uma vez que estas aplicações são as mais rigorosas e as que impõem mais restrições à antena, quer a nível de design quer a nível de funcionamento, como se viu. Estas aplicações exigem (i) antenas com pequeno tamanho físico, de modo a ser possível miniaturizar o tamanho dos dispositivos; (ii) baixas frequências de operação; (iii) e ainda altas taxas de dados. Porém existe um compromisso contraditório entre estes aspetos, pelo que diversas pesquisas têm sido realizadas com o intuito de otimizar o design das antenas. Dentre os dois cenários mencionados, é ainda possível destacar o cenário que envolve os dispositivos IMD como o mais extremo a nível de exigências, pois além das exigências dos outros dispositivos, estes ainda apresentam o problema da transmissão de energia de energia por uma fonte externa para o seu funcionamento e o facto de os dispositivos terem de ser inócuos do ponto de vista biológico. Relativamente à comunicação com dispositivos IMD, o acoplamento indutivo é a técnica mais prometedora uma vez que (i) permite a transferência simultânea de dados e energia; (ii) na zona de campo próximo há uma melhor penetração das ondas nos tecidos biológicos e (iii) o campo magnético provoca efeitos adversos menores, comparativamente ao elétrico. Porém este método tem os inconvenientes de possuir baixa taxa de dados e de a antena externa ter de se manter na proximidade da interna, assim como a suscetibilidade a desalinhamentos.

Na prática, primeiramente, foi simulada a interação no espaço livre de duas antenas tipo loop, funcionando por acoplamento indutivo, no espaço livre para avaliar a influência de diversos parâmetros no seu funcionamento. De acordo com os resultados, e como já era esperado, o tamanho físico das antenas desempenha um papel fundamental quer na eficiência do acoplamento quer na frequência de ressonância, pois a miniaturização das antenas envolve

129 uma redução da ligação de acoplamento e um aumento da frequência de ressonância, quando aquilo que se idealiza é precisamente o inverso. Além do tamanho das antenas também o substrato desempenha um papel importante no acoplamento entre as antenas, o aumento da permitividade do material reduz a frequência de ressonância. Com as simulações realizadas foi ainda possível verificar a diminuição do acoplamento com o aumento da distância de separação entre as antenas. Relativamente aos desalinhamentos laterais e angulares, neste caso foram considerados pequenos desalinhamentos, pelo que não se verificaram alterações significativas no acoplamento entre as antenas. Foi ainda analisado o efeito da indutância no acoplamento entre as antenas, onde se verificou que um maior valor de indutância reduz ligeiramente o fator de acoplamento e a frequência de ressonância.

Como na literatura, há alusão à utilização da comunicação no campo radiativo, que permite apenas a transmissão de dados, foi também realizada a simulação de uma antena tipo patch para a comunicação neste campo, nomeadamente para a comunicação com um sensor interno. A principal vantagem mencionada na utilização desta antena é o facto do seu substrato refletir o efeito do corpo permitindo aumentar o ganho. Assim, além do tamanho, foi analisada a influência do substrato no desempenho desta antena no espaço livre. Das simulações verificou-se, à semelhança dos resultados obtidos para a antena loop, a diminuição do tamanho reduz a frequência de ressonância e o coeficiente de reflecção da porta de entrada.

Além dos desafios que o corpo humano impõe à propagação de ondas EM, outro aspeto importante na avaliação das aplicações WBAN são os efeitos térmicos que as ondas EM emitidas induzem nos tecidos biológicos, pelo que outro dos objetivos fulcrais deste trabalho foi a demonstração da importância do uso de fantomas realistas na avaliação e simulação desses dispositivos. Na prática, executou-se a simulação numérica de antenas loop e patch com um modelo da cabeça humana. Aqui, pretendia-se utilizar um modelo heterogéneo construído com imagens médicas de CT contendo três tipos de tecidos, porém devido à complexidade do modelo, concretamente a estrutura do crânio que mesmo após simplificação, não foi possível a construção de uma malha funcional no software de simulação. Pelo que a simulação apenas foi realizada com o modelo SAM, onde a diferença de tecidos é implementada recorrendo a uma função de interpolação. A mesma função foi utilizada para testar a simulação com o modelo homogéneo construído a partir das imagens médicas. Esta simulação só foi possível até determinada frequência, pois a partir desse limite a simulação não convergia devido a problemas numéricos, pois a função de interpolação foi desenvolvida para o caso específico do modelo SAM e, por isso, pode constituir uma limitação à precisão do modelo agora desenvolvido. Este ponto constituiu um revés à intenção de construção do

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modelo 3D para a simulação diretamente da imagem médica utilizando a segmentação das componentes principais, porém a complexidade dessa malha não pode usada diretamente na simulação numérica, o que obriga a simplificações do modelo 3D pouco realistas ou a utilização de interpolações numéricas de forma a diferenciar a densidade do material em cada um dos pontos da malha.

Por fim, demonstrou-se uma das possíveis aplicações das WBAN na área da reabilitação motora. Foi realizado um estudo experimental utilizando sensores da XSens para a monitorização do caminhar de uma criança com paralisia cerebral atáxica. Para o estudo, os vários sensores utilizados foram ligados entre si por cabos, sendo que a comunicação wireless entre eles seria uma mais-valia oferecendo mais autonomia ao utilizador. Os dados recolhidos com o sistema de sensores inerciais e as simulações efetuadas com modelos biomecânicos do sistema músculo-esquelético não foram mostrados neste trabalho por questões de tempo e espaço. Os dados possibilitam análises pormenorizadas, que se espera publicar num futuro próximo, revelam um potencial ainda mais vasto da aplicabilidade deste sistemas em programas de reabilitação e que naturalmente não deixará de ser aproveitado.