PT103933A

PT103933A - Dispositivo portátil e método para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre

Info

Publication number: PT103933A
Application number: PT10393308A
Authority: PT
Inventors: Miguel Fernando Paiva Correia; Sergio Reis Cunha
Original assignee: Univ Do Porto; Tomorrow Options Microelectron
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2009-07-17
Also published as: WO2009090509A2; EP2238409A2; US20100280792A1; CA2711715A1; WO2009090509A3; WO2009090509A4

Abstract

A INVENÇÃO CONSISTE NUM DISPOSITIVO PORTÁTIL E AUTÓNOMO E RESPECTIVO MÉTODO PARA MEDIÇÃO, REGISTO E CÁLCULO DE PARÂMETROS DINÂMICOS DA LOCOMOÇÃO PEDESTRE DO SEU PORTADOR (1) O MÉTODO DESENVOLVIDO PERMITE DETERMINAR A DISTÂNCIA EFECTIVAMENTE PERCORRIDA, A VELOCIDADE DE DESLOCAÇÃO E AS PRESSÕES EXERCIDAS NA SUPERFÍCIE DE CONTACTO DO MEMBRO INFERIOR (2) COM O SOLO, DURANTE A LOCOMOÇÃO PEDESTRE, EM FUNÇÃO DAS SUAS FASES. ATRAVÉS DE SENSORES ESTRATEGICAMENTE COLOCADOS (3, 4), É REALIZADA A LEITURA DE ACELERAÇÕES, VELOCIDADES ANGULARES E PRESSÕES, AS QUAIS SÃO REGISTADAS NO DISPOSITIVO DE CONTROLO (5) ESTE DISPOSITIVO POSSUI UMA UNIDADE DE PROCESSAMENTO QUE IMPLEMENTA O MÉTODO REFERIDO E UMA UNIDADE DE COMUNICAÇÃO QUE COMUNICA PARA UMA UNIDADE EXTERNA (6) OS PARÂMETROS CALCULADOS. A PRESENTE INVENÇÃO TEM UTILIZAÇÃO EM APLICAÇÕES QUE ENVOLVAM A MONITORIZAÇÃO DE PARÂMETROS DA ACTIVIDADE DE LOCOMOÇÃO E DEAMBULAÇÃO DIÁRIAS DO SEU PORTADOR (1), NAS ÁREAS DA SAÚDE, DESPORTO E EM ACTIVIDADES FÍSICAS E OCUPACIONAIS.

Description

1

DESCRIÇÃO "DISPOSITIVO PORTÁTIL E MÉTODO PARA MEDIÇÃO E CÁLCULO DE PARÂMETROS DINÂMICOS DA LOCOMOÇÃO PEDESTRE"

Domínio da invenção

Esta invenção responde à necessidade de medir, registar e analisar parâmetros de locomoção pedestre, de forma autónoma e com rigor, durante a sua execução fora de ambientes laboratoriais ou clínicos, por períodos de tempo prolongados superiores a várias horas, podendo ser aplicada por exemplo nas áreas da saúde, desporto e em actividades físicas e ocupacionais.

Antecedentes da invenção A locomoção pedestre é uma actividade complexa realizada por um elevado número de espécies animais, entre as quais o ser humano. Esta actividade física envolve os vários elementos estruturais do corpo do espécime ou indivíduo, como o esqueleto e músculos associados e, em particular no ser humano, os seus membros inferiores. Além disso, é uma actividade individualizada e caracteristica que permite diferenciar espécies, géneros, ou identificar um indivíduo em particular, ou até as suas atitudes, emoções ou patologias. A medição de parâmetros caracterizadores da locomoção é actualmente realizada com recurso a i) equipamentos em laboratórios de análise de marcha com elevada complexidade, dispendiosos e em situações controladas constrangedoras para o indivíduo ou ii) equipamentos portáteis para uso no quotidiano, baratos, de fiabilidade reduzida e funcionalidade limitada. Nesta categoria de equipamentos portáteis encontram-se os 2 designados pedómetros, muitos dos quais mais não fazem do que contar o número de passos do portador.

Mais recentemente têm surgido algumas propostas de dispositivos com algumas funcionalidades acrescidas, como estimativas da distância percorrida, da velocidade média de locomoção, dos intervalos de tempo e tipos de actividade e da energia dispendida.

Os documentos US005955667A e US006301964B1 descrevem um sistema de análise de movimento constituído por um dispositivo, compreendendo um par de acelerómetros e um sensor de inclinação, e um método de cálculo de parâmetros cinemáticos da marcha humana, nomeadamente velocidades e distâncias, a partir da integração dos sinais de aceleração com compensação de derivas. No entanto, para a determinação correcta da distância percorrida, o invento descrito naqueles documentos propõe a inclusão de mais um acelerómetro de eixo paralelo juntamente com um dos anteriormente referidos. Além disso, a compensação de derivas descrita baseia-se na detecção do momento de impacto do pé no solo, acrescido de um intervalo de 0.1 s, e na determinação da força de impacto através do sinal proveniente do acelerómetro nesse momento e da medição da massa do indivíduo. Se, por um lado, é discutível a generalidade do valor de 0.1 s, por outro lado, a aceleração de impacto pode facilmente ser contaminada com ruído e de difícil detecção, em particular nos casos em que o indivíduo arraste o pé no solo. O documento US20030009308A1 descreve uma palmilha instrumentada com uma combinação de sensores que inclui giroscópios de estado sólido e sensores resistivos de 3 força, juntamente com um microcontrolador programável, memória não volátil e comunicação por radiofrequência para armazenamento e transmissão dos dados de velocidade angular e forças plantares adquiridas durante a marcha. Naquele documento propõe-se que todos os componentes sejam colocados na palmilha, o que pode causar desconforto na utilização, e não é proposta a inclusão de acelerómetros ou a sua utilização combinada com os restantes sensores. Além disso, o documento não divulga quaisquer métodos para determinação de parâmetros cinemáticos ou dinâmicos, como a velocidade de deslocação, ou a distância percorrida, ou outros indicadores da actividade de locomoção. 0 documento US006836744B1 descreve um sistema portátil para a análise da marcha humana. Este sistema compreende uma unidade independente de recolha de movimento no calcanhar, uma unidade de recolha de movimento na base postero-inferior da perna, uma unidade de recolha de pressões, uma unidade de processamento, uma unidade de visualização e um encapsulamento. Os diferentes componentes realizam a aquisição e processamento das acelerações, velocidades angulares, orientações e posições tridimensionais para determinar a pronação ou supinação do pé, a sua inversão ou eversão, a linha central de pressão e eventuais cargas excessivas e anormais na planta do pé. 0 sistema requer um número total de componentes elevado sendo, por exemplo, preconizada uma sola com doze sensores de força, bem como duas unidades, cada uma com três acelerómetros e três giroscópios orientados segundo três eixos, para recolha do movimento tridimensional na base postero-inferior da perna e no calcanhar, e ainda um componente portátil de visualização. 4

Por último, o documento US20050010139A1 refere-se a um dispositivo de monitorização do movimento corporal baseado em unidades autónomas de sensores sincronizadas entre si para aquisição do movimento dos quatro segmentos dos membros inferiores de um sujeito. 0 método preconizado utiliza um processo de cálculo complexo baseado em Transformadas Wavelet para determinar o comprimento, intervalo temporal e velocidade da passada do indivíduo. 0 número total de sensores, proposto para atingir os resultados pretendidos, é elevado, pois o método, descrito naquele documento, exige um total de doze acelerómetros e doze giroscópios distribuídos em quatro unidades autónomas.

Os dispositivos e técnicas referidos procuram resolver problemas específicos de análise da marcha humana com recurso a vários tipos diferentes de sensores de parâmetros cinemáticos. Os mais simples realizam a contagem do número de passos, como os pedómetros, e calculam estimativas dos restantes parâmetros através de processos de calibração em que o próprio utilizador indica o seu comprimento típico de passada ou percorre uma distância previamente conhecida, podendo dessa forma obter apenas resultados médios e facilmente falseados. Os restantes que medem as acelerações não resolvem adequadamente o problema da calibração e das derivas na integração dos sinais, enquanto que os que medem as velocidades angulares e/ou as pressões plantares não utilizam essa informação de forma conjunta para melhorar a fiabilidade do sistema na resolução da distância percorrida, por exemplo. Além disso, estes últimos propõem ainda um desnecessariamente elevado número de sensores para atingir os resultados pretendidos. 5

Sumário da invenção e vantagens A invenção consiste num dispositivo portátil e autónomo e respectivo método para medição, registo e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre do seu portador (D . 0 método desenvolvido permite determinar a distância efectivamente percorrida, a velocidade de deslocação e as pressões exercidas na superfície de contacto do membro inferior (2) com o solo durante a locomoção pedestre.

Através de sensores, estrategicamente colocados (3, 4) no membro inferior (2) e na superfície de contacto com o solo, é realizada a leitura de acelerações, velocidades angulares e pressões, as quais são registadas no dispositivo de controlo (5) . 0 dispositivo, que implementa o método referido, constitui uma unidade autónoma única compreendendo um conjunto mínimo de sensores (3, 4): pelo menos dois acelerómetros (14), pelo menos um giroscópio (15) e pelo menos dois sensores de força (16); e módulos de processamento (10), de memória (9), de energia (8) e de comunicação (11, 12), este último para comunicar para uma unidade externa (6) os parâmetros calculados. A principal utilização da invenção é na monitorização de parâmetros da actividade de locomoção e deambulação diárias do seu portador (1), através da medição dos parâmetros cinemáticos num plano de movimento (18), da determinação do ciclo de locomoção pedestre e da identificação das suas diferentes fases. 6 0 problema técnico que a invenção resolve consiste em determinar com rigor a distância efectivamente percorrida e a velocidade de deslocação instantâneas, bem como as durações temporais e pressões de apoio em pontos anatómicos relevantes (17) para identificação das diferentes fases de locomoção e detecção de situações anómalas. Através da utilização combinada das diferentes grandezas físicas referidas e de um processo de auto-calibração dos sensores (3, 4) e compensação das derivas dos sinais cinemáticos em tempo real, pela incorporação dos momentos de imobilidade do membro inferior (2) no solo e por processamento dos sinais cinemáticos e dinâmicos por um filtro de Kalman (28) óptimo, são conseguidos desempenhos e funcionalidades acrescidas que não são alcançados por outros métodos ou dispositivos.

As principais vantagens da invenção são: - a possibilidade de se implementar o método descrito numa unidade autónoma única com um conjunto mínimo de sensores (3, 4) : dois acelerómetros (14), um giroscópio (15) e dois sensores de força (16); a medição dos parâmetros cinemáticos num plano de movimento (18), permitindo a determinação do ciclo de locomoção pedestre e identificação das suas diferentes fases; - a medição combinada dos parâmetros dinâmicos das pressões de apoio em pontos anatómicos relevantes (17) para identificação das fases de locomoção e detecção de situações anómalas ou patológicas; o processo de auto-calibração dos sensores (3, 4) e solo e por compensação das derivas dos sinais cinemáticos em tempo real, pela incorporação do conhecimento dos momentos de imobilidade do membro inferior (2) no 7 processamento dos sinais cinemáticos e dinâmicos por um filtro de Kalman (28) óptimo; - a identificação de sequências ininterruptas de passos e caracterização conjunta dos seus parâmetros temporais, cinemáticos e dinâmicos; o armazenamento de informação de forma agregada e compacta permitindo períodos de recolha e análise prolongados.

Breve descrição das figuras

Para uma mais fácil compreensão da invenção, anexam-se as figuras seguintes, as quais representam realizações preferenciais da invenção que, contudo, não pretendem limitar o objecto da presente invenção.

Figura 1: Exemplo de aplicação da invenção e da sua utilização por um sujeito humano.

Na qual (1) representa o portador do dispositivo, (2) representa o membro inferior do portador (1), (3) e (4) representam sensores, (5) representa o dispositivo de controlo e (6) representa a unidade externa.

Figura 2: Diagrama de blocos com os módulos constituintes da unidade autónoma.

Na qual (7) representa a unidade de fornecimento de energia, (8) representa o módulo de regulação de energia, (9) representa o módulo de memória não volátil, (10) representa o módulo de processamento, (11) representa o módulo de comunicação sem fios, (12) representa o módulo de comunicação com fios (ex. comunicação série), (13) representa circuitos de condicionamento e de conversão de sinal, 8 (14) representa dois acelerómetros, (15) representa um giroscópio e (16) representa dois sensores de força.

Figura 3: Exemplo de pontos anatomicamente relevantes para colocação dos sensores de força (16).

Na qual (17) representa pontos de medição de pressão.

Figura 4: Sistema de coordenadas de referência para orientação dos sensores de modo a medir os parâmetros cinemáticos num plano de movimento.

Na qual (18) representa o plano de movimento, (19) representa a direcção vertical, (20) representa os eixos horizontal e vertical, e (21) representa a articulação de apoio do membro inferior (2) .

Figura 5: Fluxograma do método para processamento dos sinais medidos pelos sensores (3, 4) e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre.

Na qual (22) representa um filtro passa-baixo, (23) representa um integrador, (24) representa rotação, (25) representa dois integradores e (26) representa dois integradores.

Figura 6: Fluxograma da aplicação do filtro de Kalman e obtenção das velocidades e distâncias instantâneas.

Na qual (27) representa um detector de limiar, (28) representa um filtro de Kalman, (29) representa um multiplicador, (30) representa observação de estado do filtro de Kalman, (31) representa as inovações do filtro de Kalman, (32) representa as correcções do filtro de Kalman, (33) representa as variáveis de estado, (34) representa o desvio do ângulo do membro (2), (35) representa o desvio da aceleração vertical, 9 (36) representa o erro na velocidade horizontal e (37) representa o erro na velocidade vertical.

Figura 7: Gráficos demonstrativos da sucessão de sinais de pressão na superfície de apoio e padrão de movimento angular do membro inferior (2), e evolução das velocidades e distâncias instantâneas.

Descrição detalhada da invenção A invenção descrita é composta por um dispositivo portátil e autónomo e por um método que o concretiza. 0 dispositivo consiste num circuito electrónico, esquematizado na figura 2, contendo como componentes fundamentais pelo menos dois acelerómetros (14) preferencialmente orientados paralelamente a um plano de movimento (18) e de preferência segundo eixos ortogonais entre si; um giroscópio (15) cujo eixo sensível é preferencialmente perpendicular ao mesmo plano; um conjunto mínimo de pelo menos dois sensores de força (16) para medir a pressão plantar em pontos estratégicos da superfície de contacto de um membro inferior (17) com o solo; um módulo de processamento (10) composto por um microprocessador e circuitos de condicionamento, de conversão de sinal (13) e de comunicação com o exterior, realizada preferencialmente por um módulo de comunicação sem fios (11) ou com fios (ex. comunicação série) (12) e uma unidade de fornecimento de energia (7), realizada, por exemplo, por uma pilha ou bateria de preferência recarregável. 0 dispositivo poderá ainda incluir um módulo de regulação de energia (8), um módulo de memória não volátil (9) para armazenamento de informação e sensores de força (16), de preferência piezo-resistivos, em número igual ou superior a dois, para 10 medição de pressão em diversos pontos anatómica ou patologicamente relevantes (17).

Na concretização do método aqui apresentado, os dois acelerómetros (14) e o giroscópio (15) constituem o conjunto mínimo de sensores inerciais necessários para medir correctamente o movimento de locomoção de um indivíduo, devendo ser colocados de forma solidária com o seu membro inferior (2), tal que o plano de movimento (18) definido pelos eixos dos sensores de aceleração seja paralelo ao plano sagital do indivíduo.

Os sensores de força (16), colocados de forma a medir o valor da pressão exercida na superfície de contacto com o solo, proporcionam informação que indica quando o membro inferior (2) está assente no solo. Esta informação, conjuntamente com os sinais dos sensores inerciais, é processada em tempo real para determinar o movimento de locomoção no referido plano de acordo com o método a seguir descrito.

As medições do giroscópio (15) são filtradas por um filtro passa-baixo (22), cuja frequência de corte é inferior às que caracterizam o movimento de locomoção, de forma a determinar continuamente a deriva deste sensor. Assim, a sua calibração é automática. As diferenças instantâneas ω relativas a esta deriva são integradas (23) ao longo do tempo para se obter o ângulo Θ, de orientação relativa aos eixos horizontal e vertical, do referencial definido pelos eixos dos acelerómetros (14), estando este ângulo em correspondência directa com o ângulo formado pelo membro (2) com o qual o dispositivo está solidário relativamente à vertical (19) . Este ângulo difere do ângulo real por um 11 desvio Δθ (34) que o sistema determina como a seguir é descrito.

Paralelamente, as medições dos dois acelerómetros (14) são convertidas para um referencial que difere do referencial dos sensores por uma rotação (24) e tal que um dos eixos seja horizontal e o outro vertical (20). Tal rotação decorre directamente do ângulo Θ, corrigido, do membro (2) sob observação, obtido a partir da diferença entre o valor fornecido pela integração das medições do giroscópio (15) referidas, e o desvio ΔΘ (34) tal como conhecido a cada instante. Já no novo referencial, à componente vertical é adicionado um desvio de aceleração AA_v (35), a ser continuamente estimado como indicado abaixo, sendo as medições integradas (25) para se obterem as velocidades horizontal e vertical. Após somados os erros de velocidade (36 e 37) estimados pelo filtro de Kalman, os valores de velocidade são novamente integrados (26) para se obterem as componentes de posição horizontal e vertical ao longo do plano de movimento (18).

Simultaneamente, os desvios do ângulo ΔΘ (34) e da aceleração vertical ΔΑ_ν (35), bem como os erros das velocidades horizontal (36) e vertical (37), são processados como variáveis de estado de um filtro de Kalman, de acordo com o diagrama da figura 6. A sua concepção corresponde ao que é habitualmente designado na literatura por filtro de Kalman discreto alargado. Este filtro combina a evolução do estado do sistema com a observação de que a velocidade do membro inferior (2) é nula. Sempre que os sensores de força (16) indicam que o membro inferior (2) está em contacto com o solo, exercendo pressão p acima de um limiar (27) suficiente para ser 12 seguro considerar que o mesmo está imóvel sobre o solo, é fornecido ao filtro de Kalman (28) a condição que o membro inferior (2) tem velocidade nula, na forma de observação de estado (30) . Como caracteristica particular na concepção deste filtro está o facto de as inovações (31) não se efectuarem sempre a uma cadência fixa, mas antes estarem condicionadas à ocorrência de evidência da condição referida acima. Tal permite efectuar as correcções (32) a todas as quatro variáveis de estado (33) (os dois desvios (34, 35) e os dois erros de velocidades (36, 37)), de tal modo que todas as calibrações dos sensores inerciais são efectuadas de forma automática, e a descrição do movimento no plano de movimento (18) é mantida dentro de elevados níveis de exactidão.

Tal como referido no parágrafo anterior, são constituintes do estado deste filtro de Kalman (28) o desvio do ângulo do membro sob observação (34), o desvio da aceleração vertical (35) e os erros nas velocidades horizontal (36) e vertical (37). É identicamente passível de ser utilizado outro conjunto de variáveis que seja transformável neste (e vice-versa) através de uma transformação que apenas dependa das variáveis e das medidas obtidas a partir dos sensores inerciais. A dinâmica das velocidades horizontal e vertical, excluindo os erros de evolução de estado, corresponde ao que foi exposto anteriormente a propósito do ilustrado no diagrama de fluxo de informação (figura 5) . A dinâmica dos desvios de ângulo e aceleração vertical é nula: 13 Δ^α,.+ι — ΑΘΙ{ AA_vk+í — AA_Vj. V _ hj.. | = V _ hk +{A_ xk cos(0ck) + A _ yk sin(0¾)) dt V _ vk+i = V __ vk + [ —A_2¾ sin(0q,) + A_ yk cos(0¾) - g — Δ.4_ vk ]dt onde ΔΘ, LA_v, V_h e são, respectivamente, os desvios de ângulo (34) e de aceleração vertical (35) e as velocidades horizontal e vertical. As acelerações A__x e A_y são as medições dos acelerómetros (14), 0c é o ângulo medido, corrigido pelo desvio de ângulo ΔΘ, e g é a aceleração da gravidade. A matriz de covariâncias P deste vector de estado tem uma evolução determinada pela

. . . „ , , _ Pk+l = AkPkAk+Q lmearizaçao destas expressões, , tal que: A = '1 0 0 0 0 1 0 0 a b 1 0 ? c d 0 1 a = (A_xk sm(6ck) — A_yk cos(6ek))dt b - 0 c = (A_xk cos(0¾.) + A_yk sin{Ock))dt d = — dt 0.022 0 0 0 0 0.0022 0 0 0 0 0.022 0 0 0 0 0.02

Q sendo o valor dos coeficientes de Q relativos a uma cadência de actualização dt de 100 ciclos por segundo. O ganho de Kalman óptimo para actualização de estado calcula-se, como habitualmente, a partir de: = PtHT ÍHPkHT + ií) ' 14

As observações de estado (30) são efectuadas sobre a velocidade da superfície de contacto do membro inferior (2) com o solo, que corresponde à velocidade horizontal e vertical do sistema (centro de navegação nos sensores inerciais), corrigida da velocidade angular medida pelo giroscópio (15) (por sua vez corrigida da sua deriva), multiplicada pelo braço b (29) correspondente à distância entre a localização dos sensores inerciais e a articulação de apoio do membro inferior (21) . Verificando-se que o sistema é pouco sensível à exactidão deste braço, um valor fixo aproximado é usado independentemente do portador (1) e da colocação do dispositivo. A matriz H, que no filtro de Kalman representa a primeira derivada da função de observação, é dada por: 0 0 1 0 0 0 0 1 A matriz de covariância das observações de estado é dada por: 0.052 0 R= 2 0 0.052

Os valores apresentados para as matrizes Q e R são meramente exemplificativos, servindo apenas para indicar uma ordem de grandeza para os mesmos, quando considerado o Sistema Internacional de Unidades para todas as grandezas. O conjunto das quatro variáveis de estado apresentado constitui o mínimo que garante a qualidade da estimativa do movimento, pelo que a concepção deste filtro de Kalman se encontra optimizada para esta aplicação. 15

Uma sucessão de activação dos sensores de força (16) nos instantes de contacto da superfície do membro inferior (2) com o solo, preferencialmente associado a um padrão de movimento angular, medidos pelos dispositivo e método aqui descritos, permitem determinar automaticamente cada ciclo elementar da locomoção pedestre (figura 7) . Tal permite segmentar as medidas efectuadas por ciclo (correspondente a cada passo) e por sequências de ciclos. Tais sequências correspondem a séries de passos realizadas de forma ininterrupta. Assim, é possível ainda obterem-se medidas agregadas a tais séries, como sendo o número de passos, a distância percorrida, o tamanho e duração da passada média, a amplitude média do movimento do membro inferior (2), bem como a possibilidade de caracterizar o formato da passada média em termos da duração de cada uma das suas fases constituintes.

Além de determinar os instantes de tempo durante os quais o membro inferior (2) está efectivamente apoiado sobre o solo, os sensores de força (16) medem a cada instante de tempo a pressão exercida em cada uma das áreas da superfície de apoio nas localizações (17) onde se encontrem colocados (que podem ser ajustadas conforme a necessidade de cada aplicação do dispositivo). Consequentemente, o dispositivo permite analisar automaticamente e em tempo real a pressão realizada em cada um de diversos pontos críticos da superfície de apoio do membro inferior (17) em função da fase do ciclo de locomoção pedestre. Para esse efeito, os valores armazenados são as pressões médias e máximas em cada um dos locais, com a indicação do instante médio, dentro do ciclo de locomoção, em que os máximos ocorrem. 16

Tanto os valores caracterizadores da locomoção obtidos a partir dos sensores inerciais, como as pressões referenciadas ao ciclo de locomoção, descritos nos parágrafos anteriores, podem ser registados em memória para análise posterior. A obtenção destes parâmetros de forma automática pelo dispositivo permite que a informação a registar tenha requisitos de memória de dimensão reduzida, comparativamente a serem guardadas directamente amostras uniformes ao longo do tempo dos sinais dos respectivos sensores. Tal permite guardar na memória não volátil do dispositivo, se disponível, informação correspondente a pelo menos uma semana de actividade do indivíduo no qual o dispositivo seja aplicado. Permite também que a análise da locomoção pedestre, incluindo a distribuição de pressão no apoio do membro inferior (2), ocorra no ambiente quotidiano do indivíduo e ao longo de um período de tempo suficiente, para que as mais diversas condições de actividade do membro (2) sob estudo sejam abrangidas. A comunicação com uma unidade externa (6), realizada preferencialmente por um módulo de comunicação sem fios (11) ou com fios (por. ex. por comunicação série) (12), é essencial para a transmissão imediata em tempo real das informações calculadas pelo método aqui descrito ou para a sua transmissão diferida, quando previamente armazenadas na memória não volátil (9) do dispositivo, para um computador. Tais dados são catalogáveis facilmente em função do indivíduo, respectivo membro (2) e período de tempo testados. Através de uma ferramenta de software apropriada, tais dados podem ser apresentados de uma forma eficiente para o utilizador de tal software, permitindo que sejam extraídas conclusões analíticas sobre a locomoção e deambulação diárias de cada indivíduo. 17

Sob o ponto de vista da utilização, o dispositivo e método descritos apresentam-se como particularmente fáceis de implementar e usar, visto que não requerem calibração, e estão orientados para a determinação automática de um conjunto de parâmetros caracterizadores da locomoção pedestre que constituem a maioria das necessidades de uma vasta gama de aplicações no domínio da análise biomecânica. Com efeito, obtém-se um desempenho que ultrapassa largamente os dispositivos que apenas contam o número de passos e estimam a distância percorrida a partir do estabelecimento a priori de um tamanho de passada média. Permite a análise do ciclo de locomoção, porquanto o mede completamente, extraindo do mesmo, de forma automática e em tempo real, as informações mais relevantes para análise. Ao ser portátil e ter capacidade de operação não assistida durante períodos prolongados de tempo, permite que seja utilizado no ambiente quotidiano de cada indivíduo, aumentando significativamente a utilidade das informações adquiridas.

Deve ficar claro que a concretização do presente método e dispositivo para a medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, descritos anteriormente, são simplesmente possíveis exemplos de implementação, meramente estabelecidos para um claro entendimento dos princípios da invenção. Podem ser efectuadas variações e modificações às concretizações referidas anteriormente sem que se desviem substancialmente do espírito e princípio da invenção, de acordo com alguns exemplos fornecidos em seguida. 18

Num exemplo de concretização, utilizaram-se oito sensores de força piezo-resistivos em película polímerica, dois acelerómetros e um giroscópio em tecnologia micro-electromecânica integrada em circuito electrónico. Um microcontrolador de 16 bits, equipado com conversão analógico-digital e comunicação série, ligado a um cartão de memória Flash, a um módulo de comunicação USB e a um módulo de comunicação sem fios, segundo a norma Bluetooth. 0 circuito electrónico, assim construído, foi programado com o método descrito e colocado no membro inferior (2) de vários sujeitos humanos de acordo com as disposições ilustradas na figura 1, figura 3 e figura 4. Realizaram-se as medições dos parâmetros de locomoção, conforme se exemplifica nos gráficos da figura 7.

Lisboa, 17 de Janeiro de 2008.

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, caracterizado por compreender os seguintes elementos: - pelo menos dois acelerómetros (14); - pelo menos um giroscópio (15); - pelo menos dois sensores de força (16), para medir a pressão plantar em pontos estratégicos da superfície de contacto de um membro inferior (17) com o solo; - uma unidade de fornecimento de energia (7); um módulo de processamento (10), composto por um microprocessador e circuitos de condicionamento, de conversão de sinal (13) e de comunicação com o exterior, realizada por um módulo de comunicação com (12) e/ou sem fios (11).

2. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por os acelerómetros (14) estarem orientados paralelamente a um plano de movimento (18) e alinhados segundo eixos ortogonais entre si.

3. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por, o eixo sensível do giroscópio (15) ser perpendicular ao plano de movimento (18) .

4. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir sensores de 2 força (16), em número igual ou superior a dois, para medição de pressão em diversos pontos anatómica ou patologicamente relevantes (17).

5. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por os sensores de força (16) serem piezo-resistivos.

6. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os dois acelerómetros (14) e o giroscópio (15) serem colocados de forma solidária com o membro inferior (2) do utilizador (1), de tal forma que o plano de movimento (18) definido pelos eixos dos sensores de aceleração seja paralelo ao plano sagital do indivíduo.

7. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o módulo de processamento (10) analisar automaticamente e em tempo real a pressão realizada em cada um de diversos pontos críticos da superfície de apoio do membro inferior (17) , em função da fase do ciclo de locomoção pedestre, em que os valores determinados são as pressões médias e máximas em cada um dos locais, com a indicação do instante médio, dentro do ciclo de locomoção, em que os máximos ocorrem.

8. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o módulo de 3 processamento (10) fornecer o número de passos, a distância percorrida, a velocidade e a aceleração do membro inferior (2), o comprimento e duração da passada média, a amplitude média do movimento do membro inferior (2), bem como o formato da passada média em termos da duração de cada uma das suas fases constituintes.

9. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir um módulo de memória não volátil (9) para armazenamento de informação.

10. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir um módulo de regulação de energia (8).

11. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a unidade de fornecimento de energia (7) poder ser uma pilha, ou uma bateria ou, uma bateria recarregável.

12. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com as reivindicações 1, 6, 8 e 9, caracterizado por os valores caracterizadores da locomoção obtidos a partir dos sensores inerciais, e as pressões referenciadas ao ciclo de locomoção, serem registados em memória não volátil (9) para análise posterior. 4

13. Dispositivo para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com as reivindicações 1, 7 e 8, caracterizado por os dados a transferir por meio de uma comunicação com uma unidade externa (6), realizada preferencialmente por um módulo de comunicação com (12) ou sem fios (11), serem tratados por uma ferramenta de software apropriada.

14. Método para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por compreender os seguintes passos: filtrar as medições da velocidade angular do giroscópio (15) por meio de um filtro passa-baixo (22), de forma a determinar continuamente a deriva deste sensor; - integrar (23) as diferenças instantâneas ω relativas a esta deriva ao longo do tempo, obtendo o ângulo Θ de orientação relativa aos eixos horizontal e vertical do referencial definido pelos eixos dos acelerómetros (14) ; - converter as medições dos dois acelerómetros (14) , para um referencial que difere do dos sensores por uma rotação (24) em que um dos eixos seja horizontal e o outro vertical (20), sendo essas medições integradas (25) para se obterem as velocidades horizontal e vertical; - integrar as medições de velocidade (26) para se obter as componentes de posição horizontal e vertical ao longo do plano de movimento (18); estimar os desvios do ângulo ΔΘ e da aceleração vertical ΔΑ_ν, e os erros nas velocidades horizontal (36) e vertical (37) como variáveis de estado de um filtro de Kalman (28) discreto alargado; 5 - actualizar o estado no filtro de Kalman (28) sempre que os sensores de força (16) indicam que o membro inferior (2) está em contacto com o solo, exercendo pressão p acima de um limiar (27) suficiente para se considerar que tem velocidade nula, na forma de observação de estado (30); - registar a sucessão de activação dos sensores de força (16) para determinação dos ciclos de locomoção; - referenciar as pressões aos instantes em que ocorrem no ciclo de locomoção para detecção de eventuais anomalias; - transmitir as informações calculadas em tempo real para uma unidade externa (6) .

15. Método para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por os dois acelerómetros (14) e o giroscópio (15) serem colocados de forma solidária com o membro inferior (2) do portador (1) tal que o plano de movimento (18) definido pelos eixos dos sensores de aceleração seja paralelo ao plano sagital do indivíduo.

16. Método para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o filtro passa-baixo (22) ter uma frequência de corte inferior às que caracterizam o movimento de locomoção para compensação da deriva na velocidade angular do membro inferior (2) medida pelo giroscópio (15).

17. Método para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por analisar automaticamente e em 6 tempo real a pressão realizada em cada um de diversos pontos críticos da superfície de apoio do membro inferior (17), em função da fase do ciclo de locomoção pedestre, e em que os valores determinados são as pressões médias e máximas em cada um dos locais, com a indicação do instante médio, dentro do ciclo de locomoção, em que os máximos ocorrem.

18. Método para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por fornecer o número de passos, a distância percorrida, a velocidade e a aceleração do membro inferior (2), o comprimento e duração da passada média, a amplitude média do movimento do membro inferior, bem como o formato da passada média em termos da duração de cada uma das suas fases constituintes.

19. Método para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por os parâmetros fornecidos serem calculados por cada sequência ininterrupta de ciclos da locomoção.

20. Método portátil para medição e cálculo de parâmetros dinâmicos da locomoção pedestre, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por os valores caracterizadores da locomoção obtidos a partir dos sensores inerciais e as pressões referenciadas ao ciclo de locomoção serem registados para análise posterior. Lisboa, 17 de Janeiro de 2008.