Fundamentos de Sensores Inerciales: Acelerómetros, Giroscopios y su Aplicación en la Evaluación de la Marcha y el Control Motor
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Fundamentos y Aplicaciones de Sensores Inerciales (Acelerómetros y Giroscopios)
Acelerómetros: Sensor de Aceleración Lineal
Los acelerómetros son dispositivos esenciales para la medición de la aceleración lineal. Su funcionamiento se basa en el principio de masa-resorte y potenciómetros.
Mecanismo de Transducción
- Funcionan mediante potenciómetros unidos a un sistema masa-resorte.
- Transducción (Sistema Masa-Resorte): Cuando la masa es acelerada, el resorte modifica su longitud de manera proporcional a la fuerza experimentada.
- Dado que el cambio en la longitud del resorte es proporcional a la aceleración sufrida, el cambio en la longitud del potenciómetro y el voltaje de la señal de salida del potenciómetro también lo son.
Características Generales de los Sensores Inerciales
Principios Físicos: La Ley de Hooke
La Ley de Hooke define la linealidad entre la fuerza aplicada y la longitud del resorte, un principio fundamental en el diseño de estos sensores.
Ventajas y Desventajas
Ventajas:
- Pequeños (generalmente menos de 1 cm²).
- Bajo costo.
- Fácil instalación.
- Medición directa y exacta.
Desventaja:
- La correcta interpretación de la señal depende crucialmente del procesamiento y acondicionamiento de la misma.
Giroscopio: Sensor de Frecuencia Angular
El giroscopio es un sensor inercial utilizado para medir la frecuencia angular. Su transducción se realiza mediante un sistema de masa vibrante (capacitivo).
El Capacitor
Un capacitor es un elemento eléctrico formado por dos placas paralelas que acumulan carga.
Funcionamiento del Giroscopio y la Fuerza de Coriolis
El giroscopio contiene una masa que vibra en dirección vertical sobre una base y está unida a un extremo del capacitor. El otro extremo del capacitor está unido a un resorte.
- Cuando la base rota, la masa vibrante es desplazada lateralmente por un efecto conocido como Fuerza de Coriolis.
- La Fuerza de Coriolis provoca que la distancia entre las placas del capacitor cambie, modificando la capacitancia del circuito y, consecuentemente, el voltaje de la señal de salida.
Aplicaciones de los Sensores Inerciales en Biomecánica y Movilidad
- Estimación de la postura y nivel de movilidad durante largos períodos.
- Medición de la inclinación y orientación de los segmentos corporales.
- Registro de aceleraciones lineales durante la marcha.
- Estimación de inclinación y orientación de segmentos corporales (requiere el uso combinado de acelerómetro y giroscopio).
Evaluación de la Movilidad en Períodos Largos
Los acelerómetros miden la aceleración de gravedad (G). La inclinación del acelerómetro modifica su exposición a G, permitiendo así medir la inclinación.
- Utilizando acelerómetros en el esternón y el muslo, se puede establecer la posición del sujeto y la inclinación de los segmentos.
- Si la Desviación Estándar es igual o superior a 0.4 G, se considera que el sujeto se está moviendo. De esta manera, se mide el nivel de movilidad.
Aceleración Lineal Durante la Marcha
El registro de la aceleración lineal durante la marcha proporciona información crucial para la valoración biomecánica:
| Información Obtenida | Utilidad Clínica y Biomecánica |
|---|---|
| Parámetros espacio-temporales de la marcha | Aspectos relacionados con la organización de la postura durante la marcha |
| Valoración de la estabilidad dinámica | Modificaciones de la marcha asociadas al envejecimiento |
Utilidad General: Descripción de patrones normales y patológicos de la marcha.
Control Motor: Niveles de Evaluación y Estructuras Cerebrales
Niveles de Evaluación del Control Motor
Nivel Primario (Observación Directa)
Las medidas obtenidas son subjetivas. El observador debe describir lo que percibe visualmente.
Nivel Secundario (Descripción Cuantitativa)
Utiliza instrumentos para medir y cuantificar los cambios observados, siendo un método objetivo.
Nivel Superior (Resultado Biomecánico)
Elaborados para diagnosticar la causa exacta del problema a resolver.
Resumen: Cuantitativo: Medición / Cualitativo: Observación.
Corteza Cerebral y Programación Motora
La corteza cerebral organiza y ejecuta los comandos motores a través de áreas especializadas:
- Corteza Motora Primaria: Recibe información aferente periférica a través de vías específicas.
- Área Premotora: Recibe información sensorial, encargada de la organización y preparación de comandos motores.
- Área Motora Suplementaria: Programa las secuencias complejas de movimiento que involucran grupos musculares.