Herramientas de análisis para la estabilidad estática postural: Caso de aplicación: personas con amputación transtibial

Por Daissy Carola Toloza Cano, Lely Adriana Luengas Contreras y Yolanda Torres Pérez

En este libro se realiza una presentación de un marco conceptual sobre la estabilidad postural estática de los seres humanos, un tema que involucra diferentes disciplinas y que tiene distintos nichos de estudio. Contiene un compendio de herramientas para el análisis de la estabilidad postural y reúne los métodos clásicos de exploración lineal en tiempo y frecuencia, así como los últimos avances en el área con métodos no lineales (entropía, teoría de la información y clustering), lo que permite a los investigadores e interesados en este campo conocer en un solo escrito todas las técnicas y los conceptos que requieran a la hora de estudiar la estabilidad postural.

Con el fin de mostrar una aplicación concreta de los conceptos y las técnicas de análisis de la estabilidad postural y ampliar el entendimiento en este tema, se presenta un caso de aplicación para un grupo poblacional de personas con amputación unilateral transtibial, se indica la forma de obtener los datos (descripción del experimento), un análisis de los mismos con cada uno de los métodos recopilados y una descripción de los principales hallazgos encontrados; este análisis hace posible entender la estabilidad postural y las medidas precisas y fiables ligadas a la estabilidad, fundamentales en la detección y prevención de enfermedades. Se espera, por tanto, que los resultados compilados en este libro puedan ser utilizados por investigadores y personal médico en el estudio y la evaluación del control postural, así como en el desarrollo de programas de rehabilitación para diversos grupos de personas, por ejemplo, aquellas con amputaciones en sus extremidades inferiores.

• Idioma: Español
• Editorial: Universidad Distrital Francisco José de Caldas
• Fecha de lanzamiento: 14 oct 2022
• ISBN: 9789587873344

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Daissy Carola Toloza Cano, Lely Adriana Luengas Contreras, Yolanda Torres Pérez – Herramientas de análisis para la estabilidad estática postural – Universidad Distrital Francisco José de CaldasHerramientas de análisis para la estabilidad estática posturalHerramientas de análisis para la estabilidad estática postural

Sistema de Bibliotecas de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Catalogación en la publicación (CEP)

Luengas Contreras, Lely Adriana

Herramientas de análisis para la estabilidad estática postural: Caso de aplicación: personas con amputación transtibial / Lely Adriana Luengas Contreras, Daissy Carola Toloza Cano y Yolanda Torres Pérez – 1a. ed. --Bogotá: Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2022.

240 páginas; 24 cm. (Colección Espacios)

ISBN: 978-958-787-333-7

ISBN EPUB: 978-958-787-334-4

1. Rehabilitación médica - 2. Dispositivos de autoayuda para personas con discapacidades - 3. Electrónica médica – Instrumentos - 4. Ingeniería biomédica - 5. Postura humana

617.03: CDD 21 edición

Todos los derechos reservados.

Esta obra no puede ser reproducida sin el permiso previo escrito de la Sección de Publicaciones de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Hecho en Colombia

Diseño epub:

Hipertexto – Netizen Digital Solutions

Contenido

Índice de figuras

Índice de tablas

Introducción

Capítulo 1

Generalidades de la estabilidad postural

Centro de presión

Centro de gravedad

Posturografía

Plataformas de fuerza

Plantillas instrumentadas

Postura

Equilibrio

Estabilometría

Estabilidad postural

Capítulo 2

Análisis lineal en el tiempo y la frecuencia

Tiempo

Frecuencia

Capítulo 3

Análisis no lineal

Entropía

Teoría de la información

Clustering

Capítulo 4

Aplicación de técnicas de análisis lineal y no lineal en la determinación de la estabilidad postural estática. Caso de aplicación: personas con amputación transtibial unilateral

Descripción del estudio

Análisis lineal

Análisis no lineal

Conclusiones

Referencias

Autoras

Índice de figuras

Figura 1. Representación del funcionamiento del sistema sensoriomotor

Figura 2. Ubicación del CoP en la base o polígono de sustentación del cuerpo humano

Figura 3. Ejemplo del registro de una prueba de estabilografía

Figura 4. Ubicación del centro de gravedad (CG) y variación de la base de sustentación (BDS) durante la marcha humana

Figura 5. Posición de un paciente durante una prueba de posturografía

Figura 6. Patrones básicos sensoriales detectados en pruebas de posturografía

Figura 7. Sistema de posturografía dinámica computarizada

Figura 8. Pruebas de valoración de la estabilidad del equilibrio bajo diferentes condiciones

Figura 9. Presentación de información obtenida en un SOT para un paciente con un patrón afisiológico

Figura 10. Presentación de los resultados de una prueba de límites de estabilidad de un paciente con déficit vestibular izquierdo

Figura 11. Resultados de un test de adaptación para una persona normal

Figura 12. Presentación de resultados de un Test de Control del Ritmo

Figura 13. Sistema de plataforma de fuerza con marcadores y cámaras de video

Figura 14. Registro sobre una plataforma de fuerzas del desplazamiento relativo del CoP respecto al CG

Figura 15. Modelo de plataforma estabilométrica

Figura 16. Plataforma de fuerzas tipo Kristler

Figura 17. Plataforma Pedistar

Figura 18. Distribución de presión en la planta del pie

Figura 19. Modelo de plantilla Novel

Figura 20. Modelo de plantilla Moticon

Figura 21. Sistema de registro de centros de presión plantar mediante plantillas instrumentadas

Figura 22. Esquema general de la regulación central de la postura y el equilibrio

Figura 23. Tipos de equilibrio en función del centro de gravedad (CG), el centro de flotación (CF) y de la base de sustentación (BDS)

Figura 24. Prueba de equilibrio estático monopodal basado en la Standing Stork. Test con ojos abiertos y cerrados

Figura 25. Ejemplo de un Balance Error Scoring System (BESS) desarrollado sobre superficie firme (A-C) y sobre superficie (D-F)

Figura 26. Ejemplo de un estabilograma o registro gráfico de los resultados de una estabilometría

Figura 27. Tipos de perturbaciones externas empleadas en pruebas de estabilometría

Figura 28. Principales recursos necesarios para la estabilidad y orientación postural

Figura 29. Diagrama de análisis de estrategia (izq., paciente con un patrón de normalidad – der., paciente con un patrón vestibular)

Figura 30. Tests de equilibrio estático

Figura 31. Ejemplo de prueba Timed Up

Figura 32. Test de equilibrio dinámico (izq., Test Oseretski – der., Test Excursión en Estrella)

Figura 33. Test de organización sensorial en paciente sano (izq., resultados gráficos – der., resultados numéricos)

Figura 34. Segmentación de la voz usando la ventana de Hamming para STFT

Figura 35. Ventanas de tiempo

Figura 36. Densidad espectral de potencia de una señal

Figura 37. Segmentos de una señal con M puntos superpuestos por M – D puntos

Figura 38. Ventana de Kaiser con L = 8 y con variaciones de β

Figura 39. Relación de la función fisiológica, la variabilidad y la complejidad

Figura 40. Ejemplo de la entropía SampEn

Figura 41. Procedimiento de coarse grained series o de granulado grueso

Figura 42. Elementos de un sistema de comunicación

Figura 43. Distribución de datos en el espacio

Figura 44. Etapas de la metodología para el análisis de datos usando la teoría de la información

Figura 45. Datos agrupados en dos clústeres

Figura 46. Representación de un algoritmo de agrupamiento

Figura 47. Mapa de calor

Figura 48. Tipo de prótesis usada por todos los sujetos con amputación transtibial

Figura 49. Sistema Pedar

Figura 50. Medición del CoP

Figura 51. Excursión del CoP

Figura 52. Velocidad del CoP

Figura 53. Rango del CoP

Figura 54. Valor RMS del CoP

Figura 55. Amplitud promedio del CoP

Figura 56. Amplitud máxima del CoP

Figura 57. Amplitud mínima del CoP

Figura 58. Elipse para el grupo de personas con amputación transtibial, pierna derecha

Figura 59. Elipse para el grupo de personas con amputación transtibial, pierna izquierda

Figura 60. Elipse para el grupo control, pierna derecha

Figura 61. Elipse para el grupo control, pierna izquierda

Figura 62. Espectrograma dirección ML, pierna izquierda

Figura 63. Espectrograma dirección ML, pierna derecha

Figura 64. Espectrograma dirección AP, pierna izquierda

Figura 65. Espectrograma dirección AP, pierna derecha

Figura 66. PSD dirección ML, pierna izquierda

Figura 67. PSD dirección ML, pierna derecha

Figura 68. PSD dirección AP, pierna izquierda

Figura 69. PSD dirección AP, pierna derecha

Figura 70. PSD en la dirección AP y ML para ambas piernas y grupos

Figura 71. Bandas de frecuencia entre los grupos de estudio

Figura 72. Frecuencia media en la dirección ML

Figura 73. Frecuencia media en la dirección AP

Figura 74. Frecuencia mediana en la dirección ML

Figura 75. Frecuencia mediana en la dirección AP

Figura 76. Ancho de banda del 99 % en la dirección ML

Figura 77. Ancho de banda del 99 % en la dirección AP

Figura 78. Ancho de banda de 3 dB en la dirección ML

Figura 79. Ancho de banda de 3 dB en la dirección AP

Figura 80. Relación de la potencia espectral (SPR)

Figura 81. Entropía aproximada y muestral

Figura 82. Entropía MSE, dirección ML

Figura 83. Entropía MSE, dirección AP

Figura 84. Gráfico de confianza de las variables para el desplazamiento del CoP

Figura 85. Mapa infométrico del sistema considerando el desplazamiento

Figura 86. Estructura del modelo generado por Powerhouse

Figura 87. Gráfica de ganancia acumulada para el modelo de estabilidad considerando el desplazamiento del CoP como entrada

Figura 88. Gráfico de confianza de las variables para la velocidad del CoP

Figura 89. Mapa infométrico del sistema considerando la velocidad

Figura 90. Gráfica de ganancia acumulada para el modelo de estabilidad considerando la velocidad del CoP como entrada

Figura 91. Valores distintos de cada variable

Figura 92. Valores distintos de cada variable empleada en el análisis de velocidad del CoP

Figura 93. Representación gráfica de los datos de mediciones de desplazamiento del CoP en un espacio bidimensional

Figura 94. Diagrama de espectro de los clústeres para el desplazamiento del CoP

Figura 95. Histograma de la distribución de los datos en todo el conjunto y en cada clúster evaluando el desplazamiento del CoP

Figura 96. Mapas de calor de cada una de las variables considerando el desplazamiento del CoP

Figura 97. Representación gráfica de los datos de velocidad del CoP en un espacio bidimensional

Figura 98. Diagrama de espectro de los clústeres para la velocidad del CoP

Figura 99. Distribución de los datos en todo el conjunto y en cada clúster evaluando el desplazamiento del CoP

Figura 100. Mapas de calor de cada una de las variables considerando la velocidad del CoP

Figura 101. Clústeres de los grupos al analizar desplazamiento del CoP

Figura 102. Clústeres de los grupos al analizar la velocidad del CoP

Índice de tablas

Tabla 1. Pruebas para valorar el equilibrio estático y dinámico del ser humano

Tabla 2. Características de los sujetos que participaron en el estudio

Tabla 3. Características técnicas del equipo y de los sensores usados

Tabla 4. Parámetros lineales del CoP en la dirección ML

Tabla 5. Parámetros lineales del CoP en la dirección AP

Tabla 6. Relación de potencia de frecuencia en las tres bandas

Tabla 7. Frecuencia media y mediana entre los grupos de estudio

Tabla 8. Ancho de banda del 99 % y 3 dB

Tabla 9. Relación de la potencia espectral (SPR)

Tabla 10. Valores de la entropía aproximada y muestral

Tabla 11. Valores de la entropía MSE para la dirección ML

Tabla 12. Valores de la entropía MSE para la dirección AP

Tabla 13. Datos analizados en el desplazamiento del CoP

Tabla 14. Agrupaciones ( bins ) de cada variable incluida en el análisis del desplazamiento del CoP

Tabla 15. Valores de los datos luego de la agrupación

Tabla 16. Entropía de cada variable observada en desplazamiento del CoP

Tabla 17. Selección de variables en desplazamiento del CoP

Tabla 18. Estadísticas infométricas del sistema considerando el desplazamiento del CoP

Tabla 19. Valores de rendimiento para el modelo MAXIT generado considerando el desplazamiento del CoP

Tabla 20. Datos analizados en la velocidad del desplazamiento del CoP

Tabla 21. Agrupaciones ( bins ) de cada variable incluida en el análisis de velocidad del CoP

Tabla 22. Valores de los datos de velocidad luego de la agrupación

Tabla 23. Entropía de cada variable observada en la velocidad del CoP

Tabla 24. Selección de variables al analizar la velocidad del CoP

Tabla 25. Estadísticas infométricas del sistema considerando la velocidad del CoP

Tabla 26. Valores de rendimiento para el modelo MAXIT generado considerando velocidad del CoP

Tabla 27. Comparación de los valores de variables de desplazamiento sin agrupar y agrupados

Tabla 28. Comparación de los valores de variables de velocidad sin agrupar y agrupados

Tabla 29. Datos analizados en el desplazamiento del CoP

Tabla 30. Valores medios de las variables de velocidad del CoP en los clústeres

Tabla 31. Comparación de clústeres evaluando el desplazamiento del CoP

Tabla 32. Datos analizados en la velocidad del desplazamiento del CoP

Tabla 33. Valores medios de las variables de desplazamiento del CoP en los clústeres

Tabla 34. Comparación de clústeres evaluando el desplazamiento del CoP

Introducción

La estabilidad postural estática es una base importante en la condición del individuo para hacer movimientos, soportar la estabilidad dinámica y constituye un elemento central para garantizar las capacidades adecuadas de llevar a cabo actividades diarias, entre las que se encuentran las transiciones hacia o desde posturas frecuentes; por ejemplo, el inicio o la terminación de la marcha, sentarse a pararse o pararse a sentarse, correr, montar bicicleta, hacer ejercicio, agacharse a amarrar sus zapatos, entre otras.

La estabilidad no implica solo la suma de reflejos estáticos, en realidad es una habilidad compleja basada en la interacción de los procesos sensoriomotores dinámicos, entre los que se encuentran los sistemas propioceptivos para el apoyo de superficies, visual para obtener la adecuada realimentación sobre la eficacia de los movimientos y vestibular para la gravedad sensorial, integrados con información aferente para generar una salida motora, donde se involucran actuadores músculo-esqueléticos que actúan contra la superficie de apoyo. Además, es importante el lóbulo frontal en la corteza cerebral para hacer un correcto y organizado movimiento, así sea mínimo. Cada uno de estos sistemas aporta en el reclutamiento de información para generar los actos-reflejos necesarios para que un sujeto permanezca en una posición vertical ortoestática, también llamada estática postural. Por otro lado, en sujetos sanos (sin patologías), el aporte a la estabilidad se debe al sistema propioceptivo en un 70 %; el sistema vestibular que controla la orientación del tronco y la cabeza en el espacio contribuye con el 20 %, y el 10 % restante es aportado por el sistema visual. De allí que la alteración de uno o varios sistemas conlleve la afectación de la estabilidad postural; por ejemplo, un mal control postural aumenta el riesgo de caídas, impide el desplazamiento autónomo, mayor consumo de energía para realizar las actividades diarias y, por ende, una disminución de la calidad de vida del individuo.

Todo el proceso de equilibrio y control postural de forma independiente se logra, en la mayoría de los casos, desde los primeros años de vida gracias a la maduración, el aprendizaje, la integración y la realimentación de diversos sistemas que componen al ser humano; gracias a los movimientos controlados, independientes y eficientes, un niño, un joven y un adulto pueden efectuar actividades cotidianas simples o complejas, según lo requiera. Sin embargo, esta estabilidad del equilibrio está sujeta a varios factores mecánicos (base de sustentación, altura del centro de gravedad, ubicación de la proyección del centro de gravedad), fisiológicos (edad, fatiga, alteraciones vestibulares, consumo de fármacos, alcohol o sustancias psicoactivas), psicológicos (temor, estrés, ansiedad), entre otros.

Por lo anterior, los estudios para entender la estabilidad en diferentes grupos poblacionales, así como las medidas precisas y fiables ligadas a la estabilidad, son fundamentales en la detección y prevención de enfermedades. La medición de las fuerzas ejercidas contra el suelo, durante la postura estática de bipedestación, se usa comúnmente para cuantificar la estabilidad postural; esto se denomina estabilometría, ya que numerosas investigaciones han sugerido que cualquier comprensión de la estabilidad debe considerar tanto el desplazamiento del centro de presión (CoP) como su velocidad. Generalmente, la estabilometría se centra en las propiedades de la serie temporal del CoP, en dos direcciones: antero-posterior (AP) y medial-lateral (ML). Sin embargo, el análisis del CoP produce un conjunto de datos (parámetros estabilométricos) que aportan información valiosa sobre la estabilidad. Los parámetros estabilométricos más comúnmente reportados en la literatura, son aquellos que describen las propiedades estadísticas lineales de la trayectoria CoP, considerada como una señal estacionaria, en los dominios de tiempo y frecuencia.

La caracterización de grupos poblaciones se lleva a cabo usando estos parámetros, entre los que se encuentran, en el dominio del tiempo: la excursión, el rango, la amplitud promedio o desplazamiento, el valor RMS, la velocidad, el valor mínimo y el máximo de amplitud. Y en el dominio de la frecuencia: la transformada de Fourier a corto plazo (STFT), la densidad espectral de potencia (PSD), la relación de potencia de frecuencia entre diferentes bandas (baja, media y alta), la frecuencia media (MPF), la frecuencia mediana (MDF), el ancho de banda ocupado del 99 %, el ancho de banda de 3 dB, y la relación de potencia espectral (SPR).

Igualmente, el análisis no lineal ha tenido incursión en los últimos años, usando la entropía como medida de cuantificación de la estabilidad para distinguir el comportamiento grupal; este método de extracción de características mide la complejidad del sistema en el dominio del tiempo. Y siguiendo este tipo de análisis, proponemos emplear la teoría matemática de la información (TI) propuesta por Shannon y el método de agrupamiento (clustering) para detectar las características de la estabilidad fundamentada en el desplazamiento y la velocidad del CoP; la TI permite medir la cantidad de información de la entrada que se obtiene en la salida, de esta forma se puede conocer la relación existente entre entradas y salidas; clustering realiza agrupamiento entre datos de acuerdo con la cantidad de información que estos poseen.

Este texto aborda el desafío de identificar diferentes métodos de exploración de la estabilidad, con el objetivo de mostrar las particularidades de cada método y así verificar su desempeño. De esa manera, se pueden identificar cuáles métodos permiten entender el proceso del mantenimiento de la estabilidad corporal en posición bípeda y así poder caracterizar la población objeto de estudio. Para ello, se efectuó un estudio con dos grupos poblacionales: un grupo de personas con amputación transtibial unilateral y un grupo de personas sin amputación transtibial (grupo control); en cada uno de ellos se tuvieron 37 sujetos a quienes se les realizó la medición de CoP bajo cada pie y en las direcciones AP y ML.

El análisis de la estabilidad en posición bípeda en personas con amputación transtibial unilateral es base fundamental para una correcta alineación del miembro protésico: permite mejorar las características técnicas de la prótesis y