Diseño e implementación de un monitor/corrector postural de la columna vertebral

El presente Trabajo de Fin de Grado (TFG) abarca el diseño y desarrollo de un dispositivo vestible programable que monitorice la postura de la columna vertebral. Fijando unos límites superior e inferior para cada sensor, permite limitar las posturas que el usuario adopta, emitiendo un aviso configurable en forma de luz cuando se sobrepasen dichos límites. En la actualidad, una gran parte de la población ha sufrido o sufre dolor de espalda. En ocasiones este dolor se debe a enfermedades o trastornos musculares o en los ligamentos, aunque cada vez en mayor medida el dolor tiene su origen en malas posturas adoptadas. Si la adopción de estas posturas desemboca en el establecimiento de patrones posturales incorrectos, se pueden llegar a desarrollar enfermedades crónicas. Hay múltiples situaciones en la vida diaria en las que se puede adoptar una mala postura, como al levantar peso, al permanecer tiempos prolongados de pie, sentado o conduciendo e incluso durmiendo. Llama la atención que prácticamente cualquier actividad diaria puede afectar en este sentido, adquiriendo entonces una gran importancia cuidar la postura para evitar problemas severos. La postura ideal para cada situación ha sido estudiada en multitud de ocasiones, y continúa siendo una preocupación extendida en el ámbito sanitario para tratar de mejorar la calidad de vida de las personas. El dispositivo desarrollado se centra en evitar los dolores de espalda producidos por malas posturas o por falta de buena higiene postural en el desarrollo de las actividades cotidianas, aunque entre los usos que se le puede dar se encuentra también el seguimiento de recuperación de lesiones o de avance de las mismas, así como asistencia en el diseño de objetos en los que la postura de algún individuo involucrado sea importante. A día de hoy existe una gran variedad de soluciones que permiten avanzar en la búsqueda de la postura correcta y en la corrección de las malas posturas adoptadas. Se pueden distinguir, por tanto, dos grupos principales de herramientas. Por un lado, en cuanto a la medición de la postura de la columna vertebral, nos encontramos con soluciones convencionales entre las que destacan la inspección visual, la radiografía y el uso del goniómetro. También hay que tener presente el avance de las soluciones tecnológicas como son la fotografía y el vídeo digital asistidos por marcadores reflectantes, cuyas imágenes se procesan por ordenador, sistemas optoelectrónicos de medición y sistemas de coordenadas de laboratorio, y las soluciones que se están incorporando en los últimos tiempos, basadas en el uso de acelerómetros, giróscopos, goniómetros de fibra óptica, galgas extensiométricas y sensores ópticos. Por otro lado, se distingue el grupo de herramientas destinadas a la corrección y reeducación de la postura de la columna vertebral. Tradicionalmente, el método seguido consistía en ejercicios asistidos por un fisioterapeuta, así como realización de actividades entre las que destacan por sus bondades la natación, pilates, yoga y actividades acuáticas como aquagym o hidroterapia. También destaca el uso de la técnica de la Reeducación Postural Global, que se define como un método de fisioterapia suave, progresivo y activo que puede aplicarse a cualquier edad, dirigido y controlado por un profesional. En cuanto a los métodos de corrección y reeducación basados en el uso de tecnología, se puede destacar que la mayoría de dispositivos modernos de monitorización incorporan la posibilidad de realimentar al usuario, permitiendo mejorar la higiene postural. En otra línea de soluciones destacan los robots quirúrgicos. Se han analizado diversos sistemas que realizan funciones parecidas al desarrollado en este trabajo, pero todos ellos son aparatosos o proporcionan una precisión insuficiente para la medida. Lo que se propone es un sistema sencillo, poco invasivo y con un coste de fabricación bajo, que permita que cualquier centro de salud pueda contar con un dispositivo si lo desea. La Clínica SIASS-U.R.F. Unidad de Recuperación Funcional, detectó la necesidad de un dispositivo con estas características, y esta necesidad se trasladó al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) para encontrar una solución adecuada. Para conseguir desarrollar el proyecto de una forma eficiente, se ha dividido el mismo en 4 etapas: análisis de requisitos, diseño y desarrollo, integración y pruebas, evaluación y conclusiones. La actividad principal de este Trabajo de Fin de Grado se ha enmarcado en las dos primeras etapas, aunque también se han realizado algunas incursiones en las dos últimas. En la fase de análisis de requisitos se detectó la necesidad de adaptarse a normativa de especificaciones de seguridad al tratarse de un producto sanitario. Además, se fijaron los objetivos que se requerían para el proyecto, en el que se pretende diseñar y construir un dispositivo que: - Sea capaz de medir la inclinación de varios puntos de la columna vertebral, pudiendo adaptar los límites permitidos individualmente según criterio médico. - Emita una señal de salida en el instante en que se superen dichos límites, la cual deberá mantenerse activa mientras la postura no se corrija. - Reduzca el tiempo y coste de los tratamientos. - Sea lo más reducido, cómodo y económico posible. - Se adapte a cualquier paciente. - Cumpla las especificaciones de seguridad requeridas en el real decreto 1591/2009, del 16 de octubre por el que se regulan los productos sanitarios, incluido en el Boletín Oficial del Estado número 268, del 6 de noviembre de 2009. En la etapa de diseño y desarrollo destacan dos focos principales, el diseño del dispositivo y el desarrollo del software. Mediante el análisis previo de artículos y soluciones existentes, se determinó que la manera más económica de construir un dispositivo que cumpliera las características requeridas implicaba el uso de sensores como acelerómetros y giróscopos. Además, para permitir una monitorización completa de la columna vertebral, se requiere realizar mediciones en, al menos, cuatro puntos, siendo necesarios por tanto cuatro sensores. Para elegir los sensores a utilizar, se analizó primero la posibilidad de trabajar únicamente con acelerómetros, pero se descartó esta solución debido, por un lado, al ruido con el que se recogen las medidas, y por otro, a que el acelerómetro detecta cualquier aceleración, sea o no la gravitatoria, dando valores falsos de orientación al mover el sensor sin rotarlo y provocar aceleraciones en un eje distinto al de la gravedad. Por este motivo, se optó por elegir Unidades de Medición Inercial, en concreto MPU-6050, para realizar las medidas de inclinación. Estos sensores incorporan un acelerómetro y un giróscopo triaxial, permitiendo obtener inclinaciones en dos de sus ejes locales. Para conseguir la tercera medida sería necesario añadir un magnetómetro. Dado que el giro en el eje Z local del sensor, torsión al trasladarlo a la columna, no se considera especialmente relevante en este proyecto, se ha escogido este sensor en lugar de otros con mayor coste que sí incluían el magnetómetro. El dispositivo incorpora también una pequeña tarjeta con diodos led, que ayuda al usuario a corregir su postura, haciendo las funciones de realimentación al paciente. Para el control del dispositivo se utilizará un Arduino Leonardo, por cumplir con las especificaciones requeridas sin impedir añadir más sensores en el futuro, por su bajo precio, su versatilidad, facilidad de programación y por la gran cantidad de documentación acerca de él existente en la red. Por último, en cuanto a la alimentación, durante el desarrollo del dispositivo se emplea la conexión USB al ordenador, con el objetivo de tener acceso a las medidas mediante el puerto serie, aunque la idea es que el dispositivo definitivo se alimente de una batería externa. Todos los componentes anteriores se ensamblan en un montaje funcional, consistente en 4 bandas elásticas con cierres de click de tipo mochila de material plástico en su parte delantera. De esta manera, se puede adaptar el dispositivo a personas de cualquier talla, así como colocarlas en los puntos en los que se requiera medida según el caso. En la parte trasera de estas bandas, se montan unas pequeñas cajas de plástico adaptadas, que permitirán mantener los sensores en posición horizontal. La placa Arduino se puede fijar al cinturón, en cualquiera de ambos laterales, o a una de las bandas elásticas, y la placa de realimentación dispone de cable suficiente para reposar sobre la mesa. En relación al desarrollo del software, se ha creado un programa principal que incorpora las funcionalidades básicas del dispositivo, calibración, monitorización y realimentación, así como una serie de programas secundarios utilizados para las pruebas realizadas. El programa principal incorpora unas primeras líneas en las que el personal sanitario que dirija el tratamiento debe incluir los valores máximos de inclinación permitidos para cada sensor, sin necesidad de saber programar el dispositivo. Además, permite llevar una cuenta de la cantidad de ocasiones en las que el sistema ha tenido que avisar al usuario de una mala postura, así como el tiempo que se ha mantenido activo el aviso. La etapa de integración y pruebas comienza en realidad de forma paralela a la de diseño y desarrollo, ya que las pruebas se han realizado en dos fases, tanto con los sensores sin montar como con el sistema completo ensamblado. Entre las pruebas realizadas destacan pruebas de temperatura tanto con un único sensor como con los cuatro funcionando al mismo tiempo en distintos ambientes, pruebas para determinar el tiempo de establecimiento de las medidas al iniciar el dispositivo para ayudar a la calibración, así como pruebas de funcionamiento de los sensores en laboratorio y en un simulacro de un caso real. De las pruebas anteriores se pudo concluir que el dispositivo desarrollado cumple con las funciones de monitorización que se requieren de una forma precisa, avisando al usuario de manera correcta cuando su postura sale de los límites establecidos. Los resultados recogidos muestran que, después de una única sesión de entrenamiento con realimentación, la postura mejora enormemente sin necesidad de contar con ningún aviso, manteniendo la espalda fuera del rango permitido por un tiempo mínimo y concluyendo, por tanto, que se mejora la higiene postural. Además, la información recogida del número de avisos por sensor, junto con la posibilidad de conocer la tendencia de desviación, permite personalizar el tratamiento a cada paciente para reforzar una zona muscular concreta cuando se desvía en más ocasiones de las que debería, validando su funcionamiento como apoyo en una posible rehabilitación o educación postural, según corresponda. Por último, gracias a las pruebas de temperatura, se ha podido demostrar que éstas se mantienen razonablemente estables en un periodo de 30 minutos, sin influir en el resultado de las sesiones. Por tanto, el dispositivo se encontraría en una versión cercana a la comercial, con un TRL (Technological Readiness Level) entre 5 y 6. Atendiendo a la precisión de los sensores, en el caso de requerir una precisión mayor o la incorporación de la medida de torsión, siempre existe la posibilidad de incorporar el magnetómetro, consiguiendo un dispositivo más completo por una pequeña inversión, pero las medidas conseguidas son perfectamente válidas para una monitorización correcta. Como líneas futuras de investigación y desarrollo, se han encontrado algunas posibilidades de mejora del dispositivo, adaptándolo a pacientes con dificultades visuales, y consiguiendo mejorar la portabilidad y facilidad de uso del mismo. Por otro lado, se ha detectado que sería interesante incorporar la posibilidad de guardar todos los resultados de las medidas en una tarjeta de memoria, para utilizarlos del modo que se precise. Un ejemplo de posible uso sería la realización de un modelo gráfico de la columna vertebral del paciente para mostrar o estudiar su desviación o tendencias posturales. Por último, se ha realizado un análisis de impactos del proyecto a nivel sanitario, económico y social. El principal impacto del proyecto es a nivel sanitario, permitiendo reducir tiempos y costes en el diagnóstico de los pacientes, así como evitar que personas con mala higiene postural terminen desarrollando problemas graves de salud. A nivel económico, y relacionado también con el ámbito médico destaca el reducido coste de fabricación del dispositivo desarrollado, permitiendo a cualquier centro médico interesado conseguir alguno de estos productos. Además, al servir como apoyo en el diagnóstico de enfermedades, se podrán reducir los costes derivados de tratamientos erróneos por un mal diagnóstico, y al permitir optimizar y adaptar las sesiones de rehabilitación a cada paciente, incluso hasta el punto de realizarlas en casa o en el puesto de trabajo, se reducirán los costes asociados a ellas. En el aspecto social, cabe destacar la posibilidad de utilizar el dispositivo en combinación con gran cantidad de actividades de la vida cotidiana, ya que no es necesario un montaje aparatoso y apenas interfiere en movimientos que se puedan requerir. Por otro lado, el paciente puede beneficiarse de un mejor tratamiento o diagnóstico, mejorando su estado anímico y, por lo tanto, generando un impacto positivo en su ámbito familiar, social y laboral, ya que están estrechamente relacionados. En conclusión, en este Trabajo de Fin de Grado se ha diseñado, desarrollado, probado y validado un dispositivo que monitoriza el estado de la columna vertebral y asiste para conseguir una buena higiene postural, con el objetivo de mejorar la salud de las personas, reduciendo los costes respecto a los sistemas existentes en la actualidad, que pueda emplearse en el ámbito médico, y adaptarse, con una pequeña inversión, a un nivel más alto de precisión y funcionalidades