Correlation of leg impedance and skin deformation during gait

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019O conhecimento da deformação da pele, juntamente com a cinética e cinemática do corpo humano, são essenciais no planeamento e desenvolvimento de dispositivos médicos em contacto próximo e frequente com a pele humana, fornecendo informações adicionais sobre as características únicas da marcha de cada indivíduo. A forma e intensidade como a pele estica e contrai tem especial atenção nas indústrias têxtil, cosmética e médica que pretendem garantir máxima ergonomia sem sacrificar a eficácia do produto. O planeamento de equipamentos médicos em contacto com o corpo humano (e.g. ortóteses, soft exoskeletons) é importante para garantir os sucessos de processos de reabilitação e a melhor adaptação possível ao paciente. A análise cinética do movimento caracteriza todas as forças que atuam sobre o corpo humano com o objectivo de provocar movimento, sendo as variáveis mais informativas a força de reação (GRF) e a evolução da trajetória do centro de pressão (CoP). Estas duas variáveis apresentam um padrão comum em todos os sujeitos saudáveis, permitindo facilmente a identificação de qualquer problema locomotivo quando os valores apresentam um desvio significativo – marcha patológica. A força de reação vertical apresenta um aspecto característico, com dois picos de intensidade relacionados com especificas etapas do ciclo de marcha: o primeiro pico na fase de apoio de peso, o segundo durante a fase de propulsão. Um pico adicional, por vezes registado no início da fase de apoio, encontra-se diretamente relacionado com o impacto do calcanhar e a forma como o peso é distribuído neste instante – este pico ocorre frequentemente em registos de andar sem calçado, onde não existe amortecimento causado pela sola. Na corrida, geralmente apresenta um pico único, com duração mais curta comparativamente ao andar. O centro de pressão caracteriza-se como a progressão da propagação do vetor da força de reação ao longo do pé, durante o movimento. A trajetória do centro de pressão apresenta uma progressão essencialmente retilínea, com ligeiros desvios quando ocorre a transição de peso do calcanhar para o meio do pé e quando o individuo se propulsiona (localizado nos metatarsos). Na corrida a trajetória é muito menor, devido ao apoio e impulso do sujeito localizado principalmente nos metatarsos. Menos avaliada é a análise da velocidade do centro de pressão (VCoP), que relata a rapidez da transição dos pontos do centro de pressão ao longo do movimento, permitindo observar quanto tempo o sujeito apoia o seu peso numa determinada região do pé. Para o ciclo de marcha comum, costuma apresentar um padrão distinto caracterizado pela presença de 3 picos: estes distinguem a transação rápida do vetor na parte posterior e anterior do pé. A presente tese continua e complementa trabalho previamente realizado no Instituto Superior Técnico, com principal objectivo a análise da deformação da pele do tornozelo [1] e correlação de variáveis biomecânicas na marcha normal [2], destacando-se por uma análise da deformação da perna inteira e por uma sincronização exata com as restantes variáveis biomecânicas. É apresentada uma análise detalhada dos ciclos de marcha e corrida de 9 indivíduos saudáveis (2 masculinos, 7 femininos), com idades entre 20-28 anos, demonstrando uma sincronização completa da progressão temporal da deformação da pele da perna, força de reação do solo (GRF), centro de pressão (CoP), velocidade do centro de pressão (VCoP) e evolução angular das articulações principais (joelho e tornozelo). O equipamento de recolha de dados consistiu em duas câmaras de alta velocidade sincronizadas com uma plataforma de força, ambas adquirindo dados durante 3 segundos a uma frequência de 500 imagens (dados) por segundo. De modo a permitir a análise da deformação da pele da perna através de correlação de imagem tridimensional (3D-DIC), foi necessário cumprir os requerimentos necessários de criação e aplicação de um padrão aleatório, anisotrópico e de elevado contraste (i.e. pontos pretos em fundo branco): para tal foram utilizadas tintas acrílicas, atóxicas, para pintar a perna (cor branca), desde a base do pé até a meio da coxa, cobrindo toda a área lateral, anterior e posterior de forma a poder analisar a deformação nas mesmas vistas. Para aplicar o padrão, foi escolhido o método de estampagem, sendo desenhados e impressos em 3D dois carimbos para “marcar” a perna com cor preta: um maior para rapidamente cobrir a área extensa da perna, um mais pequeno para carimbar as zonas de relevo mais acentuado (i.e. joelho e tornozelo). Para a calibração do software de análise foi necessária a criação de uma grelha de calibração (fornecida pelo programa) adequada á experiência: de forma a capturar a evolução de todo o movimento, o campo de visão foi severamente alargado comparativamente a estudos anteriores, focados no estudo do complexo tornozelo-pé – para ocupar este espaço foi necessária a impressão da grelha em formato A1 (594 x 841 mm). A análise de deformação da pele da perna foi realizada usando a ferramenta VIC-3D da Correlated Solutions para obter a deformação Lagrangiana, extraindo 3 variáveis para análise: e1, deformação máxima principal, e2, deformação mínima principal e von Mises, escalar. Os dados de força e momento registados foram obtidos pelo software da placa de forças AMTI e interpretados através de código MATLAB – GRF corresponde diretamente aos valores da componente vertical da força registada, Fz; CoP e VCoP foram obtidos através da aplicação de equações que utilizam os valores de momento e força para extrair o valor destas grandezas. Para a evolução angular das articulações, a sua variação foi medida através da ferramenta Kinovea, ancorando 6 pontos-chave (3 por ângulo medido) nas imagens analisadas e calculando a sua progressão. Para a análise de marcha são apresentadas três vistas: lateral, posterior e anterior. Além do andar e correr, o comportamento de equilíbrio do corpo também foi analisado com o objectivo de identificar um padrão comum na restauração do balanço após os sujeitos serem puxados na direção oposta a meio da fase de apoio. Com a sincronização de todos os dados, é oferecida uma descrição completa da fase de apoio durante a marcha, fornecendo uma base de dados rica e detalhada das suas características desde o início até ao fim do movimento, validada por resultados presentes na literatura. É possível observar os picos de intensidade de GRF conjuntamente com o pico gerado pelo impacto do calcanhar na totalidade dos testes do ciclo de marcha. Uma comparação das mesmas variáveis entre mais 3 sujeitos permite verificar a existência da repetição do mesmo padrão e notar ligeiras diferenças, como a ausência de pico de impacto de calcanhar em alguns sujeitos e um máximo global em diferentes etapas do ciclo (presente no 1º ou 2º pico). A evolução da trajetória do centro de pressão e da velocidade de centro de pressão também se encontram de acordo com o esperado entre os vários sujeitos. A sincronização destas 3 variáveis permite ao utilizador facilmente observar a sua relação e evolução simultânea ao longo da execução do movimento. Nos resultados dos testes de corrida, à semelhança dos testes do andar, os resultados foram os esperados de acordo com o estudo efetuado, com um pico singular de força registado e uma trajetória de centro de pressão bastante reduzida. Nos testes de análise de equilíbrio após perturbação na direção oposta do movimento, foi identificado um padrão na resposta dos sujeitos, no andar e corrida, caracterizado pela ação da perna em balanço como agente principal de restabelecimento de equilíbrio. Uma observação aprofundada do evento do impacto do calcanhar permite identificar um período onde o ângulo entre a perna e o pé se mantêm constante, sugerindo uma rotação de corpo rígido, constituído pelo complexo perna-pé, com o bloquear da articulação do tornozelo. Assim, foi possível introduzir uma nova etapa na descrição do ciclo de marcha, ausente na literatura comum, com a identificação do movimento rígido do complexo-tornozelo-pé após contacto com o chão, que decorre entre o impacto do calcanhar e o apoio total do pé no chão.Knowledge of skin strain, alongside the kinetics and kinematics of the human body are essential for the planning and development of medical devices in close and frequent contact with the human skin and rehabilitation methods, providing further insight into each subject’s unique gait characteristics. The present thesis continues and complements previous work performed at Instituto Superior Técnico aimed at skin strain field analysis of the ankle [1] and correlation of multiple biomechanical quantities in normal gait [2]. The following work features a detailed analysis of walking and running gait of 9 healthy subjects (2 male, 7 female), with ages ranging between 20-28 years old, featuring full synchronization of the temporal progression of leg skin strain, ground reaction force (GRF), centre of pressure (CoP), velocity of centre of pressure (VCoP) and principal joint (knee and ankle) angular evolution. Experimental setup consisted of two high framerate cameras synchronized with a force platform, both acquiring data for 3 seconds at 500 frames (data points) per second. Strain analysis was performed through three-dimensional digital image correlation (3D-DIC) using Correlated Solutions’ VIC-3D tool to obtain the Lagrangian strain; GRF, CoP and VCoP data were obtained from the AMTI force plate software, and interpreted using MATLAB code. For the joint angular evolution, their variation was measured with Kinovea. For walking gait, 3 views are presented: lateral, posterior and anterior. Besides normal walking and running gait, the body’s balance behaviour was also analysed with the purpose of identification of a common pattern in balance restoring after the subjects were pulled midstance in the opposite direction. With the synchronization of all data, a complete description of the stance phase during gait is offered, supplying a rich and detailed database of its characteristics from beginning to end. A close up view on the heel strike transient event also introduces a novel stage in stance gait description, with the identification of a rigid body rotation of the ankle-foot complex after heelstrike