DISPOSITIVO Y METODO DE MEDIDA DE LAS CARACTERISTICAS VISCO-ELASTICAS DEL TRICEPS SURAL POR LA VIBRACION LIBRE ROTACIONAL DEL PIE ALREDEDOR DEL TOBILLO.

Dispositivo de medida de las características visco-elásticas del tríceps sural por la vibración libre rotacional del pie alrededor de la articulación del tobillo,

del tipo basado en la asociación de dicha vibración a la vibración libre de un sistema con un grado de libertad. Dicho dispositivo de medida, con el individuo sentado, comprende, al menos: una primera célula de carga (1), un dispositivo de impacto (2), una pesa de masa M (3), unos dispositivos de ajuste de la posición de la antepierna y rodilla (4), un cable de transmisión de la fuerza de las pesas al pie (5), un sistema de adecuación del sistema de transmisión de la carga a las características antropométricas del individuo (6).

DISPOSITIVO Y MÉTODO DE MEDIDA DE LAS CARACTERÍSTICAS VISCOELÁSTICAS DEL TRICEPS SURAL POR LA VIBRACIÓN LIBRE ROTACIONAL DEL PIE ALREDEDOR DEL TOBILLO.

El objeto de la presente invención es un dispositivo (con dos posibles realizaciones prácticas) y un método para la medida en vivo, mediante un procedimiento no invasivo de las propiedades visco-elásticas del trÍCeps sural por la vibración libre rotacional, en ambos casos, del pie alrededor de la articulación del tobillo, del tipo basado en la asociación de dicha vibración a la vibración libre de un sistema con un grado de libertad.

Antecedentes de la invención.

Se han localizado distintos documentos relacionados con la determinación de propiedades mecánicas de músculos que muestran el interés por la fabricación de máquinas y dispositivos que permitan caracterizar dichas propiedades para el seguimiento del estado de entrenamiento y/o recuperación del tono muscular tras un estado de inactividad derivado de operaciones o lesiones.

Así pues, la PCT WO 02/19907 describe un sistema de cuantificación del tono muscular, en donde se obtienen propiedades de rigidez, viscosidad e inercia de los músculos asociados al giro de la muñeca mediante solicitaciones no sinusoidales. La PCT WO 2006/081366 describe un método y un aparato para monitorizar el funcionamiento del músculo basado en un indice obtenido de una señal de presión o fuerza. Otros sistemas equivalentes son los descritos por los documentos WO 2008/116227, WO 99/07280 y US 6132385. Ninguno de estos elementos refleja el objeto de la invención descrito.

La determinación de las propiedades de rigidez y viscosidad de un sistema músculotendón mediante la técnica de vibración libre ha sido mencionada y estudiada en algunas publicaciones. Por 10 general, las diferentes técnicas propuestas para la determinación de las propiedades mecánicas de músculo y tendón, ajustan ciertos resultados experimentales a los parámetros que describen el comportamiento del sistema músculo-tendón.

De entre las propuestas que utilizan la vibración libre cabe destacar el trabajo de S.Fukashiro et al. l/In vivo determination of muscle viscoelasticihj in the human leg" que, con el sujeto sentado, y un peso variable sobre la rodilla, con apoyo genérico en el antepié, solicitan el sistema sóleo-tendón mediante un impacto sobre el peso, que hace que se produzca una oscilación, alrededor de un valor medio, de la carga que atraviesa el sistema sóleo-tendón que se registra mediante un diagrama fuerza-tiempo, y que permite determinar las rigideces del músculo y el tendón, así como el amortiguamiento aparente del sistema.

También es mencionable el trabajo de J. Babic y J. Lenarcic "In-vivo determination of triceps surae muscle-tendon complex viscoelastic properties" donde con un fundamento similar al del artículo anterior, se sustituye el movimiento de la antepierna que se asimila a un grado de libertad, por el giro del pie alrededor de la articulación del tobillo.

Descripción de la invención.

En un primer aspecto de la invención el dispositivo de medida de las características visco-elásticas del triceps sural por la vibración libre rotacional del pie alrededor de la articulación del tobillo, es del tipo basado en la asociación de dicha vibración a la vibración libre de un sistema con un grado de libertad. Esta asociación se materializa en dos posibles realizaciones prácticas del dispositivo, que involucran a diferentes elementos musculares del individuo, siendo en ambos casos el grado de libertad el mismo: la rotación del pie alrededor de la articulación del tobillo. En la primera de las realizaciones, en la que se ven involucrados el soleo y el tendón de Aquiles, el dispositivo de medida con el individuo sentado comprende, al menos: una primera célula de carga, un dispositivo de impacto, una pesa de masa M, unos dispositivos de ajuste de la posición de la antepierna y rodilla, un cable de transmissión de la fuerza de las pesas al pie y un sistema de adecuación del sistema de transmisión de la carga a las características antropométricas del individuo. En la segunda de las realizaciones, en la que se ven involucrados el soleo, el gemelo y el tendón de Aquiles, el equipo de medida con el individuo sentado comprende, además de las seis componentes anteriores, además, un asiento regulable en altura y un elemento de regulación de la posición horizontal del asiento.

En un segundo aspecto de la presente invención, el método de medida de las características visco-elásticas del triceps sural por la vibración libre rotacional del pie alrededor de la articulación del tobillo es del tipo basado en la asociación de dicha vibración a la vibración libre de un sistema con un grado de libertad. Este método, implementado en el dispositivo anteriormente descrito, en sus dos posibles realizaciones, comprende, al menos, las siguientes etapas:

(i) una primera etapa de ensayo en el dispositivo anterior para una pluralidad de pesos y registrando las diferentes evoluciones de la fuerza con el tiempo;

(ii) una segunda etapa de evaluación de los diferentes parámetros que definen la respuesta del modelo de un grado de libertad, mediante un procedimiento de ajuste por mínimos cuadrados, entre los resultados obtenidos experimentalmente y el modelo matemático que describe la vibración libre del sistema músculo-tendón y que queda determinado por una pluralidad de parámetros que se obtienen del proceso de ajuste; y

(iii) una tercera etapa de ajuste mediante procedimientos alternativos para obtener los valores de rigidez, una vez encontrados los parámetros del modelo de un grado de libertad que mejor ajustan las evoluciones registradas de la fuerza transmitida a la plataforma; dichos procedimientos alternativos de ajuste comprendiendo:

(a) ajuste por mínimos cuadrados en rigideces para obtener los valores de rigidez de soleo y tendón por separado;

(b) ajuste por mínimos cuadrados, igual que en rigideces, pero ajustando la recta de flexibilidades en vez de la curva de rigideces, mediante la minimización del error cuadrático;

(c) ajuste por flexibilidades que emplea el valor absoluto del error en vez del error cuadrático, dado que se ve menos afectado en el proceso de ajuste por la presencia de valores que se alejan mucho del modelo;

(d) un tercer método de ajustes en flexibilidades emplea el procedimiento de Tukey de regresión lineal, basado en las medianas como estimador más robusto que la media; y

(e) una variante del ajuste por mínimos cuadrados, pero truncando la serie de puntos empleados para el ajuste de manera iterativa en donde en un primer ajuste se emplean todos los puntos y se elimina el que presente un residuo mayor a la recta de ajuste, y una vez eliminado ese punto, se recalcula la recta de ajuste por mínimos cuadrados y se repite el procedimiento, hasta eliminar la mitad de los puntos, lo cual garantiza errores asociados a los valores aberrantes (errores de medida experimental que perturban el ajuste al modelo matemático) .

Las mejoras que proporciona este procedimiento son, por un lado que se trata de un procedimiento cien por cien no invasivo. El procedimiento y por ende los resultados son independientes del sujeto. En otras pruebas para medir el estado de forma de un sujeto (carreras, levantamiento de peso, etc.) el sujeto puede de forma voluntaria interferir sobre los resultados. En el procedimiento que se ha desarrollado la voluntad del sujeto es ajena a la determinación de las propiedades que se miden.

El procedimiento que se ha desarrollado es muy rápido. Ello es posible gracias al desacoplamiento entre la realización de las medidas y el proceso de manipulación de la información. Una de las pruebas de que consta el procedimiento dura entre 20 y 30 segundos y el proceso total del orden de unos 15 minutos.

El equipo desarrollado es portátil, lo que facilita su desplazamiento a centros de entrenamiento de deportistas para poder realizar controles periódicos con minima alteración de hábitos y horarios. Además, es de coste reducido, lo que se ha conseguido gracias al empleo de desarrollos propios, reduciendo al minimo la adquisición de equipos comerciales.

Breve descripción de las figuras.

A continuación se pasan a describir de manera muy breve las figuras que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

FIG. 1 muestra la disposición del ensayo en su primera realización,...

1. Dispositivo de medida de las características visco-elásticas del tríceps sural por la rotación del pie alrededor de la articulación del tobillo, basado en la asociación de la vibración del pie a la vibración libre de un sistema con un grado de libertad, siendo dicho grado, en este caso, el giro del pie alrededor de la articulación del tobillo caracterizado porque con el individuo tumbado con la pierna doblada, dicho dispositivo comprende:

(a) una célula de carga (1) configurada para capturar la señal de tensión en el cable que transmite la fuerza al pie una vez se ha producido el impacto;

(b) un dispositivo de impacto (2) y una pesa de masa M (3) configurada para acentuar el movimiento de rotación del pie alrededor del tobillo y de acuerdo con un modelo de masas concentradas de un grado de libertad;

(c) elementos de regulación (4) de la posición del sujeto durante en el ensayo. En ambas configuraciones la regulación se realiza en la antepierna y la rodilla. Se trata de elementos ajustables y adaptables a la configuración antropométrica del sujeto, garantizándose la posición correcta del sujeto durante la realización del ensayo;

(d) un sistema de transmisión de la carga formado por un cable (5) , lo más rígido posible. En un extremo el cable va conectado al estribo donde se coloca el pie y en el otro extremo va conectado a la pesa (3) ya la célula de carga (1) ;

(e) un sistema de poleas (6) ajustable a las medidas antropométricas del sujeto;

2. Dispositivo de medida de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque con el individuo sentado con la pierna extendida, dicho dispositivo comprende, además:

(f) un asiento (7) con respaldo, regulable en altura en la dirección del eje y, configurado para generar un ángulo recto entre la columna y la pierna extendida;

(g) un dispositivo de ajuste de la posición en la dirección x (8) del asiento (7) .

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque la célula de carga está fijada al cable de transmisión de la carga (5) y al dispositivo de impacto (2) .

4. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones anteriores caracterizado porque es adaptable a cualquier característica antropométrica del sujeto.

5. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones anteriores caracterizado porque las posiciones de los diferentes elementos que componen los equipos y que están involucradas en el ensayo, quedan grabadas en el mismo para garantizar la repetibilidad del ensayo con el mismo individuo en días diferentes.

6. Dispositivo de transmisión de la fuerza desde la masa aplicada hasta el arco metatarsal de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, dispositivo que permite la adaptación del sistema a cualquier sujeto.

7. Método de medida de las características visco-elásticas del triceps sural por la vibración libre del pie alrededor del tobillo implementado en el dispositivo de las reivindicaciones 1 y 3 a 6 caracterizado porque, con el individuo tumbado con la pierna doblada, comprende las siguientes etapas:

(i) una primera etapa de ensayo en el dispositivo de las reivindicaciones 1 y 3 a 6, para una pluralidad de pesos y registrando las diferentes evoluciones de la fuerza con el tiempo;

(ii) una segunda etapa de evaluación de los diferentes parámetros que definen la respuesta del modelo de un grado de libertad, mediante un procedimiento de ajuste por mínimos cuadrados, entre los resultados obtenidos experimentalmente y el modelo matemático [Ec.l] que describe la vibración libre del sistema músculo-tendón y que queda determinado por cinco parámetros (ac, as, 70, y, m) que se obtienen del proceso de ajuste; y

(iii) una tercera etapa de procedimiento de ajuste para obtener los valores de rigidez, una vez encontrados los parámetros del modelo de un grado de libertad que mejor ajustan las evoluciones registradas de la fuerza transmitida a la plataforma; comprendiendo dichos procedimientos alternativos de ajuste para la configuración de pierna doblada:

(a) ajuste por mínimos cuadrados en rigideces para obtener los valores de rigidez de soleo y tendón por separado;

(b) ajuste por mínimos cuadrados, igual que en rigideces, pero ajustando la recta en vez de la curva de rigideces, mediante la minimización del error cuadrático de la ecuación [Ec.5]

(c) ajuste por flexibilidades que emplea el valor absoluto del error [Ec.6] en vez del error cuadrático, dado que se ve menos afectado en el proceso de ajuste por la presencia de valores que se alejan mucho del modelo;

(d) un tercer método de ajustes en flexibilidades emplea el procedimiento de Tukey de regresión lineal, basado en las medianas como

estimador más robusto que la media; y (e) una variante del ajuste por mínimos cuadrados, pero truncando la serie de puntos empleados para el ajuste de manera iterativa en donde en un primer ajuste se emplean todos los puntos y se elimina el que presente un residuo mayor a la recta de ajuste, y una vez eliminado ese punto, se recalcula la recta de ajuste por mínimos cuadrados y se repite el procedimiento, hasta eliminar la mitad de los puntos, lo cual garantiza errores asociados a los valores aberrantes (errores de medida experimental que perturban el ajuste al modelo matemático) .

1.

8. Método de medida de acuerdo con la reivindicación 7, implementado en el dispositivo de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque en el caso de configuración con la pierna extendida, el ajuste se realiza con las ecuaciones [Ec.7 y 8] mediante un ajuste de mínimos cuadrados en rigideces, para obtener los valores de rigidez del sóleo, tendón y gemelo.