Sistema ambulatório de recolha de movimento e tratamento de dados

O sistema ambulatório de análise de marcha utilizado foi o Xsens MVN (Xsens Co., Enschede, Netherlands).

O uso de sensores inerciais tem-se tornado uma prática comum em aplicações para avaliação do movimento humano. Vantagens únicas advêm da utilização destes sensores, quando comparados, por exemplo, com sistemas de varrimento visual, incluindo imunidade a oclusões e troca das marcas, tendo um custo-eficácia muito elevado na monitorização, medição de ângulos bastante precisa e suave, e flexibilidade de uso devido à ausência de qualquer infraestrutura necessário (Bellusci, 2010).

O Xsens MVN é composto por 17 módulos de sensores inerciais (inertial

measurement unit) - sensores MTx com dois Masters Xbus (fontes de alimentação)

(Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013). O MTx é uma unidade de medida inercial e magnética, a qual possui giroscópios 3D, acelerómetros 3D e magnetómetros 3D. Os módulos de sensores são conectados em cadeia e ligados aos Xbus Masters, o que significa que há apenas um cabo para cada membro (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013). Um filtro de Kalman é implementado para se obter uma orientação fiável (Abyarjoo et al., s.d.). O Xbus Master sincroniza toda a informação dos vários sensores, fornece energia aos sensores e lida com a transferência de informações através de um sistema wireless, para um computador portátil. Os módulos de sensores são colocados nos pés, pernas, coxas, pélvis, ombros, esterno, cabeça, braços, antebraços e mãos (Anexo 1) através de fitas de velcro incorporadas.

O sistema de captura de movimento MVN é totalmente passível de usar em ambulatório. O sistema é único na sua abordagem, ao fazer uma estimativa da orientação de cada segmento do corpo e das alterações de posição por integração dos sinais do giroscópio e acelerómetro que são continuamente atualizados através de um modelo biomecânico do corpo humano. Isto permite a continua avaliação de movimento dinâmico. Para ultrapassar as limitações do modelo, nomeadamente, o facto de os segmentos serem conectados por articulações, a cinemática dos segmentos corporais é corrigida pelos efeitos de movimentos de deslize e outros erros. O sistema funciona em tempo real com uma taxa de atualização máxima de 120 Hz. Com o software MVN Studio, o utilizador pode facilmente observar, registar e exportar os movimentos em 3D (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2009).

As marcas usadas para criar o modelo biomecânico do Xsens são baseadas em estudos que possibilitaram a definição da posição em 3D de cada uma das eminências ósseas articulares, umas em relação às outras (de Leva, 1996).

O modelo biomecânico é composto por 23 segmentos: pelve, L5, L3, T12, T8, pescoço, cabeça, ombros, braços, antebraços, mãos, coxas, pernas, pés e dedos. Para os segmentos em que não existe nenhum sensor, a cinemática é estimada com base no modelo biomecânico, incorporando parâmetros de rigidez entre os segmentos de ligação (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013).

Os artefatos de pele e tecidos moles podem influenciar as medições dos sensores, devido à contração dos músculos (ativo) e também devido ao movimento na pele (passivo). Como resultado, existem mudanças na posição ou orientação dos segmentos em torno de uma articulação. Estes artefatos são reduzidos tendo em conta que dois segmentos são conectados, mas com uma incerteza estatística associada (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013).

Os sinais dos sensores e o modelo biomecânico podem ser incorporados num esquema de fusão de sensores, havendo uma fase de predição e correção. Na fase de previsão, todos os sinais emitidos pelo sensor são processados pelos algoritmos do sistema de navegação inercial. Seguidamente existe uma previsão cinemática do segmento utilizando usando um sensor conhecido para alinhamento do corpo e do modelo biomecânico do corpo. Contudo, ao longo do tempo, a integração dos dados do sensor leva a erros, devido à presença de ruído do sensor, desvio do sinal do sensor ou erros de orientação do mesmo. Para fazer uma correção da orientação, velocidade e posição, o esquema de fusão de sensores mantém uma atualização contínua das estimativas. Posteriormente, a fase de correção inclui atualizações baseando-se nas características biomecânicas do corpo humano, especialmente as relativas às articulações, pontos de contacto do corpo com o ambiente externo, o qual constitui a posição global e velocidade, e ainda opcionalmente, outros sensores. Dados sinemáticos são devolvidos ao algoritmo do sistema de navegação inercial e ao segmento cinemático para serem utilizados no frame seguinte (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013).

Para que haja uma tradução daquilo que são os segmentos cinemáticos de forma global, os sensores cinemáticos devem ser sujeitos a uma calibração, em que a orientação do sensor face ao segmento do corpo e as distâncias relativas entre as articulações são determinadas (Roetenberg, Luinge & Per Slycke, 2013). Para realizar este processo, vários métodos são usados e combinados. Primeiro, é pedido ao sujeito para ficar em pé com os braços abertos (T-pose) ou com os braços ligeiramente afastados do corpo (N-pose) (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2009). Numa segunda fase, é pedido para fazer um determinado movimento, o qual se assume corresponder a um certo eixo. A orientação e velocidade angular são usadas para encontrar a orientação do sensor relativamente aos eixos funcionais do segmento (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013).

As posições iniciais estimadas das articulações são obtidas através da medição de determinadas dimensões do corpo: altura, envergadura e tamanho do pé. Para a realização

de uma escala do sujeito, a estas medições podem ser adicionadas outras medidas anatómicas, sendo que com esta informação o modelo é ajustado. Estas dimensões referidas são: grande trocânter, epicôndilo lateral do osso femural, maléolo externo, espinha ilíaca antero-superior e acrómio (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013). Como passo final na calibração, o sensor para alinhamento do segmento e comprimento do segmento pode ser re-estimado pelo uso de conhecimento prévio sobre a distância entre dois pontos numa cadeia cinemática (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013). Por exemplo, quando o sujeito tem as mãos juntas enquanto as move, a distância entre a palma direita e esquerda é zero, em cada pose. Esta cadeia cinemática fechada irá contribuir para melhorar os valores de calibração (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013).

O sistema de navegação inercial cinemático é transferido para cinemática corporal usando um modelo biomecânico o qual assume que o corpo do sujeito inclui segmentos corporais ligados por articulações e que os sensores estão conectados aos segmentos corporais (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013).

Para que possam ser recolhidos dados dos segmentos corporais com seis graus de liberdade com uso de sensores inerciais, a orientação e posição de cada segmento corporal pode ser estimada pela integração de dados do giroscópio ou pela dupla integração de dados do acelerómetro a cada instante (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013).

A origem articular é determinada pelos frames anatómicos e são definidas em termos de eixos funcionais pelas direções X, Y e Z, relacionadas com movimentos funcionais. Por exemplo, a flexão / extensão do joelho é descrita pela rotação em torno do eixo-BY da perna em relação à coxa; a abdução / adução é descrita pela rotação em torno do eixo- BX; e rotação externa/interna é descrita pelo eixo- B Z (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013).

Quando a posição da origem articular, a orientação, e o comprimento do segmento são conhecidos, a posição de um ponto no referencial global pode ser calculada (assumindo um segmento rígido) (Roetenberg, Luinge & Slycke, 2013).

O estudo de Zhang et al. (2013) teve como objetivo este sistema de sensores de captura de movimento com base inercial comercialmente disponível, Xsens MVN

BIOMECH utilizando seus protocolos nativos, comparativamente a um sistema de captura de movimento baseado em câmaras (Optotrak) para a medição da cinemática angular. Três ângulos articulares dimensionais dos membros inferiores foram determinados em dez indivíduos saudáveis, enquanto eles realizaram três atividades diárias: marcha, subir escadas e descer escadas. Em todas as três condições, o sistema Xsens determinada com maior precisão o ângulo articular flexão/extensão (coeficiente de correlação múltipla > 0,96) em todas as articulações. As medições dos ângulos associados aos outros dois eixos teve menor correlação, provavelmente devido a diferenças na definição das estruturas anatómicas dos segmentos, utilizadas pelos sistemas Xsens MVN e Optotrak.

Isto significa que o Xsens MVN apresenta boas propriedades psicométricas relativamente à avaliação de movimento ocorrido no plano sagital, o qual é o plano mais estudado neste trabalho.

Nesta recolha foi usado o sistema ambulatório de recolha de movimento Xsens MVN, o qual proporciona a captura de movimento de todo o corpo humano, com uma boa relação custo-eficiência. O sistema MVN não precisa de câmaras, emissores ou marcadores externos. Assim, pode ser usado dentro e fora do laboratório, não havendo restrições para iluminação, e não sofrendo problemas de oclusão ou marcadores em falta.