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Sistema para el análisis
de la presión plantar
Luz Helena Camargo Casallas
Esperanza Camargo Casallas
Enrique Yamid Garzón González
A quienes son el pilar de mi vida y apoyo fundamental, mi hijo, Jhon Sebastián, y
mis padres y hermanos, Héctor, Helena, Esperanza, Yesid y Constanza.
Luz Helena
A mis hijos Luciana y Esteban, a quienes amo intensamente y son mi razón de
vivir. A mi esposo Yamid y a mi familia por su confianza y apoyo.
Esperanza
A mi esposa Esperanza y mi hijo Esteban, quienes han sido el eje de mi vida; a
mis padres y hermanos, por su apoyo y ayuda; a mi profesor, compañero y amigo
Gustavo Caamaño por creer en mí.
Yamid
Agradecimientos
Los autores agradecen al Centro de Investigaciones y Desarrollo Científico
(CIDC) de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por brindarle su
apoyo y dedicación al trabajo resumido en este libro. De igual manera, agradecen los aportes realizados por los ingenieros Pablo Riaño, Manuel Gálvez, Rene
Vásquez, Néstor Ortega y Elkin Herrera.
© Universidad Distrital Francisco José de Caldas
© Sistema para el análisis de la presión plantar
© Luz Helena Camargo Casallas, Esperanza Camargo Casallas,
Enrique Yamid Garzón González
Primera edición, octubre de 2015
ISBN: 978-958-8897-73-8
Dirección Sección de Publicaciones
Rubén Eliécer Carvajalino C.
Coordinación editorial
María Elvira Mejía Pardo
Corrección de estilo
María Isabel Sánchez
Diagramación
Massayel Cuéllar Hernández
Editorial UD
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Carrera 24 No. 34-37
Teléfono: 3239300 ext. 6202
Correo electrónico: [email protected]
Camargo Casallas, Luz Helena
Sistema para el análisis de la huella plantar / Luz Helena
Camargo Casallas, Esperanza Camargo Casallas, Enrique Yamid
Garzón González. -- Bogotá : Editorial Universidad Distrital
Francisco José de Caldas, 2015.
78 páginas : gráficas ; 28 cm.
ISBN 978-958-8897-73-8
1. Huella plantar 2. Pies - Anatomía 3. Biomecánica del pie
4. Mecánica humana I. Camargo Casallas, Esperanza, autora
II. Garzón González, Enrique Yamid, autor III. Tít.
611.718 cd 21 ed.
A1506904
CEP-Banco de la República-Biblioteca Luis Ángel Arango
Todos los derechos reservados.
Esta obra no puede ser reproducida sin el permiso previo escrito de la
Sección de Publicaciones de la Universidad Distrital.
Hecho en Colombia
Contenido
El pie normal
19
Morfofisiología del pie Sistema óseo del pie Huesos del tarso Huesos del metatarso Falanges
Arcos del pie Articulaciones del pie Sistema muscular del pie
Músculos extrínsecos del pie
Músculos intrínsecos del pie Clasificación funcional Fórmula estructural del pie
Trastornos en la alineación de los dedos 19
19
19
20
20
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22
22
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26
27
Huella plantar
Clasificación Pie normal Pie cavo Pie plano Métodos de obtención de la huella plantar Fotopodograma
Pedigrafía
Podoscopio 28
28
28
28
29
30
30
30
30
Presión plantar Factores que influyen en las presión plantar 30
31
Estudios de huella plantar en actividad física y deporte 31
Sensores de medición de presión plantar Sensores ópticos Sensores piezorresistivos Sensores capacitivos Plantillas instrumentadas Sensores piezoeléctricos Sensores neumáticos
32
33
34
36
36
37
38
Sistema de medición de la presión plantar 39
Sistema de adquisición de la presión plantar con cuatro sensores
Adquisición de la señal
Sensores Ubicación de sensores en la plantilla Acondicionamiento de la señal Procesamiento de la señal Microcontrolador PIC18LF2550 Transmisión inalámbrica Comunicación USB Protocolo clase del dispositivo de comunicación (CDC) Visualización GAMBAS Interfaz de visualización Alimentación 39
40
40
42
43
44
44
46
50
50
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53
Sistema de adquisición de la presión plantar con ocho sensores Sensores Características del sensor [40] Caracterización Acondicionamiento de la señal Procesamiento Detección de errores en transmisión CRC Transmisión Zigbee Software de visualización 53
54
54
55
55
56
56
57
57
Mejoras al sistema de adquisición de la presión plantar con ocho sensores Ubicación de los sensores en cada plantilla
57
58
Resultados 59
Sistema de adquisición de cuatro sensores Sensores y circuito acondicionador Ubicación de sensores en la plantilla
Procesamiento y digitalización de la señal: microcontrolador Transmisión inalámbrica de datos
Visualización en software libre 59
59
64
64
65
65
Sistema de adquisición de la presión plantar con ocho sensores
Plantillas y sensores Acondicionamiento y procesamiento
Transmisión Visualización y almacenamiento
Mejoras al sistema de adquisición de la presión plantar con ocho sensores
66
66
67
68
69
69
Conclusiones y trabajo futuro 73
Referencias
75
Índice de figuras
Figura 1. Vista del pie
21
Figura 2.Arcos del pie. (a) Arco longitudinal medial, pie derecho.
(b) Arco longitudinal lateral, pie derecho.
(c). Arco transverso, pie izquierdo
21
Figura 3. Músculos extrínsecos del pie
24
Figura 4. Músculos intrínsecos del pie
25
Figura 5. Vista del pie humano, clasificación funcional 25
Figura 6. Forma estructural del pie. A. Pie egipcio. B. Pie griego.
C. Pie cuadrado
26
Figura 7. Forma estructural del pie: fórmula metatarsal.
A. Index plus. B. Index plus-minus. C. Index minus
27
Figura 8. Ilustración de una huella de un pie normal.
28
Figura 9. Ilustración de huellas en el pie cavo según grados.
A. Precavo. B. Funcional. C. De primer grado.
D. De segundo grado. E. De tercer grado.
29
Figura 10. Tipos de huellas en el pie plano. g. Cuarto grado. h. Tercer grado.
i. Segundo grado. j. Primer grado.
29
Figura 11. Esquema de descripción del sistema de medición
de huella plantar por implementar
39
Figura 12. Sensor Flexiforce® A401
40
Figura 13. Curva de calibración del sensor de presión.
(Fuerza vs. resistencia) y (fuerza vs. conductancia)
42
Figura 14. División de la planta del pie en zonas para el análisis de presiones
43
Figura 15. Circuito de acondicionamiento recomendado
para el sensor de presión 44
Figura 16. Estructura del paquete de envío por el módulo
de comunicación inalámbrica
46
Figura 17. Envío de datos obtenidos de un sensor mediante cuatro tramas
46
Figura 18. Modulación ASK 47
Figura 19. Distribución de pines del TXM-433-LR y circuito de aplicación 47
Figura 20. Circuito de aplicación del módulo receptor 48
Figura 21. Antena Splatch ANT-433-SP 48
Figura 22. Conexión de la antena en circuito impreso 49
Figura 23. Paquete de envío del PIC18F2550 hacia el puerto USB
49
Figura 24. Envío de la medición del primer sensor por el puerto USB
49
Figura 25. Migración de RS-232 a USB por medio del protocolo CDC 51
Figura 26. Página de inicio de GAMBAS 51
Figura 27. Sistema de adquisición de la presión plantar 54
Figura 28. Dispositivo calibrador para los sensores de presión 55
Figura 29. Circuito de acondicionamiento recomendado
para el sensor de presión 56
Figura 30. Circuito de implementación de todos los módulos del sistema 58
Figura 31. Circuito de implementación de todos los módulos del sistema
59
Figura 32. Calibración y obtención de la ecuación característica del sensor.
Resistencia vs. fuerza
61
Figura 33. Calibración y obtención de la ecuación característica del sensor.
Conductancia vs. fuerza
62
Figura 34. Curva de calibración del sensor con el circuito acondicionador
63
Figura 35. Sensor Flexiforce® A201-25
64
Figura 36. Plantilla con la ubicación de los sensores 64
Figura 37. Microchip PIC18F2550
65
Figura 38. Visualización de los sensores mediante GAMBAS 66
Figura 39. Distribución de sensores en las plantillas diseñadas 66
Figura 40. Circuito de acondicionamiento 67
Figura 41. Acondicionamiento y procesamiento 68
Figura 42. Esquema de comunicación inalámbrica 68
Figura 43. Diseño del circuito del patín 69
Figura 44. Circuito del patín 70
Figura 45. Vista global y acercamiento de los circuitos ubicados
en patines profesionales 70
Figura 46. Variación de presión en el primer sensor durante la prueba 70
Índice de tablas
Tabla 1. Sistema de mediciones de huellas plantares
mediante uso de plantilla instrumentada de uso más extendido 35
Tabla 2. Sistema de mediciones de huellas plantares
mediante uso de plantilla instrumentada de uso más extendido
37
Tabla 3. Principales características del microcontrolador PIC18LF2550
45
Tabla 4. Características técnicas de la antena Splatch ANT-433-SP
48
Tabla 5. Calibración de los sensores de presión
60
Tabla 6.Datos de calibración del sensor de presión con el circuito
acondicionador62
El pie normal
El pie presenta diversas funciones que incluyen: equilibrio (estática/soporte), amortiguación, propulsión, transporte (dinámica) y técnica. Es el encargado de soportar
el peso del cuerpo y, a su vez, es flexible y elástico para absorber choques. Por sus
variadas funciones es considerado como una de las estructuras más dinámicas del
cuerpo humano [1].
Morfofisiología del pie
El pie está formado por 28 huesos, 33 articulaciones, 20 músculos, 114 ligamentos y
más de 100 tendones y 7000 terminaciones nerviosas que hacen posible su postura
y gran variedad de movimientos [2]. Estos componentes permiten su complejidad
mecánica y fuerza estructural.
El pie está dividido en tres partes: tarso, metatarso y falanges [3]. Por su funcionalidad se clasifica en: retropié (calcáneo y astrágalo), mediopié (navicular, cuboides
y 3 trescuneiformes) y antepié (cinco metatarsianos, 14 falanges y 2 sesamoideos). A
continuación, se presenta el sistema óseo, articular y muscular del pie.
Sistema óseo del pie
Los huesos soportan las fuerzas de compresión. En la figura 1 se aprecia la longitud
del pie, que se encuentra determinada por la distancia entre el extremo del talón y la
punta del pie, mientras que la anchura depende de los cinco huesos metatarsianos.
De todos ellos, el del primer dedo es el más fuerte, el del segundo dedo puede ser más
largo y el del quinto dedo el más corto. Los dedos están formados por tres falanges, a
excepción del pulgar que está formado, únicamente, por dos.
Huesos del tarso
Los huesos del tarso se disponen de un grupo proximal y otro distal, con un hueso
intermedio en la cara media del pie. Son los huesos más fuertes, pues sobre ellos descansa la mayor parte del peso corporal [1].
A continuación, se mencionan los huesos que conforman el tarso:
19