Reconocimiento de Patrones de Tensión
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1. desarroll mediante una FPGA un circuito para realizar la clasificaci n de los distintos patrones Este bloque for mar parte de un sistema m s complejo que proporcione un amplio reconocimiento de las se ales de entrada en tiempo real Su salida se utilizar para controlar mediante un lazo de control realimentado un estimulador muscular que permita corregir los movimientos de la rodilla lesionada 3 Deformaci n de ligamentos La primera etapa del sistema consta de un circuito de tratamiento digital de se al constitui do por tres bloques principales filtrado de se al ajuste de nivel entrada y comparaci n de se al En la primera etapa se elimina el ruido suavizando de la se al eliminando pendientes abruptas El filtro se basa en la t cnica de desplazamiento de promedios SMA simple mo ving average 4 SMA dn m dn m 2m 1 Donde n es el valor del punto de la serie m es el valor medio del desplazamiento de promedios En la figura 2 se muestra un patr n de la serie de movimientos de flexi n al que se apli c el filtro SMA con rangos en m 3 7 y 10 Los mejores resultados se obtienen con m 10 que proporciona una se al m s n tida sin perder sus rasgos caracter sticos Proce sando de los datos obtenidos de los experimentos de LR en rodilla inestable se tiene las series temporales de datos que se muestran en la figura 3 original M 3 oo M 7 M 10 Fig 2 Filtros de desplazamiento2. 0256 conector O HH FPGA 5 LEDS 3 switches DIP p 2 push Buttons H c TAR Oscilador 40 Mhz gt A Pig Xilimoe AC18 W04V0144 configuraci n EEPROM Fig 7 Diagrama a bloques de la tarjeta de aplicaci n evaluaci n Virtex II 12 La implementaci n del m dulo de comparaci n de patrones se muestra en la figura 10 El layout final se puede observar en la figura 11 Fig 8 Un m dulo del circuito de comparaci n de datos de entrada con el vector de bits del patr n de referencia base T NN E fi Fig 9 M dulo de comparaci n de patrones de entrada Layout izquierda y Ocupaci n de Slices y IOBs derecha Conclusiones En este trabajo se han presentado los primeros resultados de un sistema para la caracteri zaci n de la tensi n deformaci n de los ligamentos de rodilla Los datos obtenidos mues tran que el circuito es capaz de realizar una clasificaci n de patrones de movimientos de flexi n en el ligamento rotuliano con una buena certidumbre Los trabajos futuros se ex tender n al dise o de un sistema que sea capaces de realizar estas funciones en tiempo real y determinar el grado de inestabilidad de stos El objetivo es construir un control de lazo cerrado que sea capaz de ma
3. Reconocimiento de Patrones de Tensi n Deformaci n de los Ligamentos de una Articulaci n Implementaci n en Virtex II Raygoza J J a Ortega S G mez E Bonsfills N N ez A Gonz lez de Rivera Peces G L pez Buedo S Garrido J y Boemo E l Escuela Polit cnica Superior UAM Madrid Espa a 2 Facultad de Medicina UAM Madrid Espa a Email juan_jose raygoza_panduro 0 11 uam es Resumen En este trabajo se presenta la implementaci n de un sistema electr nico de clasificaci n de patrones de se ales de deformaci n tensi n para el estudio de los li gamentos de la rodilla En esta experimentaci n preliminar se han utilizado gatos de laboratorio El objetivo es obtener las se ales necesarias para realizar el an lisis del comportamiento din mico de los ligamentos estabilizadores de la rodilla El sistema fue descrito en VHDL e implementado en una FPGA Xilinx Virtex Il 1 Introducci n Las lesiones en el Ligamento Cruzado Anterior LCA son muy comunes en deportistas que por su actividad someten constantemente a esfuerzos f sicos sus extremidades inferio res Tal es caso de los jugadores de f tbol esquiadores patinadores corredores de obst cu los y otro tipo de atletas Pero tambi n este tipo de lesiones se presentan en personas de cualquier edad y con diferentes actividades f sicas 4 Esto a motivado a muchos investi gadores a realizar estudios sobre este tipo de lesi n y su reparaci n En l
4. a investigaci n en que se enmarca este art culo el punto de partida es el estudio de los ligamentos estabilizadores de la rodilla de gatos En ellos se compara la actividad el ctrica muscular la deformaci n y la tensi n superficial 1 31 113 Se comparan los patrones obtenidos en rodillas de gatos dom sticos que presentan un comportamiento normal y le sionado Se tratan de definir los fen menos fisiol gicos que se presentan en la articulaci n con lesiones del ligamento cruzado anterior severas y no tan severas Para ello se ha im plementado un circuito electr nico que capaz de clasificar los patrones caracter sticos de comportamiento din mico de los ligamentos de la rodilla Este trabajo se centra en el sistema electr nico que realiza una clasificaci n de patrones para movimientos b sicos de tensi n deformaci n de ligamentos de rodillas estables e inestables El circuito recibe los patrones de entrada y los compara con una referencia para determinar si la rodilla presenta movimientos con comportamiento estable o por el contra rio presenta alguna inestabilidad 2 Deformaci n de ligamentos Las propiedades mec nicas del sistema esquel tico y muscular del ser humano han sido objeto de muchos estudios e investigaciones que tratan de comprender la naturaleza de su comportamiento 2 Los ligamentos y tendones son estructuras de muchas fibras dobladas y torcidas que est n agrupadas y se encuentran unidas a los huesos Los te
5. ber 268 pp 161 178 7 Stranger K D Hoffer J A Gait phase information provided by sensory nerve activity during walk ing applicability as state controller feedback for FES IEEE Transactions on Biomedical Engineering july 1999 vol 46 N 7 8 Willis J Tompkins John G Interfacing sensors to the IBM PC Webster editors 9 Amis A A Dawkins G P C Functional anatomy of the anterior cruciate ligament The journal of bone and joint surgery march 1991 vol 73 B N 2 pp 260 267 10 Manual de FPGA Virtex II Xilinx www xilinx com 11 Gu a del usuario de Xilinx sintesis and simulation design guide www xilinx com 12 Manual del Usuario Tarjeta de evaluaci n Virtex XC2V 1000 13 Gomez Barrena N ez A Bonsfills N Raygoza Panduro J J Limited muscular adaptation after experimental ACL section and reconstruction European Orthopaedic Research Society EORS June 2003 49th Annual Meeting Poster 1223
6. comparaci n 6 Se verifica el porcentaje de semejanza del patr n de entrada contra el objetivo y se determina si es un movimiento Estable o Inestable 7 Se repite el ciclo A El diagrama de flujo de la figura 5 corresponde al ajuste de nivel de entrada y la figura 6 al m dulo de comparaci n AJUSTE DE NIVEL E Retorna Programa IN Retorna Programa IN R1C Pin n Pt n R2C Pt n Pin n Ptg n Pt n R1C Ptg n Pt n R2C Retorna Programa IN Fig 5 Algoritmo de ajuste de nivel de entrada en estado inicial PROGRAMA IN y Pin n Ptg n Pin n gt Ptg n R1C Pin n Ptg n Cok Cok 1 R2C Ptg n Pin n Cok Cok 1 Cok Cok 1 Fig 6 Algoritmo del m dulo de comparaci n de patrones de entrada con el patr n obje tivo 4 Implementaci n F sica Los circuitos se implementaron en una FPGA Virtex XC2V1000 La arquitectura de la tarjeta de evaluaci n 12 se muestra en la figura 7 Dispone de 2 conectores de entrada salida de 50 pines un display dual de 7 segmentos una barra de leds conectados a patas de la FPGA una interfase RS232 y un conector JTAG Incluye adem s una memoria EEPROM de configuraci n y dos buses para conectar un analizador l gico Regulador de Woltaje 5 Interface RS 232 NH Dual 7 segmentos LEDS indicadores cc JTAG 4 e i cal Xilinx Virtrex Il conector O gt FPGA XC211000 4F
7. ientos G Estado en reposo 1 0 98 0 96 gt 0 94 0 92 gt Patr n estable Patr n de Entrada 1 0 98 0 96 gt 0 94 0 92 gt Patr n Inestable A N A L l Z A D o R Patr n Objetivo Fig 4 Bloque de tratamiento de se al Las se ales de entrada pueden tener peque os cambios en los niveles de inicio causados por el ajuste del circuito que captura las se ales procedentes de los sensores implantados en la rodilla Para corregir este problema el circuito incluye una etapa de verificaci n del nivel de entrada de la se al respecto al valor del patr n objetivo Esta detecci n de niveles se realiza durante el tiempo de un pulso de sincron a que indica el inicio de un patr n de entrada 5 Procesamiento de las se ales El algoritmo esta dividido en tres m dulos b sicos filtro ajuste de nivel y comparaci n de patrones El proceso de clasificaci n de las se ales de entrada en patrones de movimiento se ejecuta mediante los siguientes pasos 1 Se introduce el rango de precisi n en el registro de tolerancia N1 Se recibe la se al de entrada y se aplica a un filtro SMA 3 Se verifica el nivel de la se al en estado en reposo y se compara contra el ni vel del patr n objetivo target Si es de mayor o menor magnitud se corrige la diferencia 4 Se actualiza el nivel de referencia del patr n de objetivo al mismo nivel de la se al de entrada Se aplica la se al de entrada al modulo de
8. jidos suaves insertados en el hueso proveen una adherencia y fijaci n flexible pero fuerte El ligamento LCA detecta las diferentes posturas de la articulaci n cuando es sometido a diferentes nive les de tensi n deformaci n Esta informaci n es interpretada de forma natural por el cuerpo humano que provee un gradual incremento de rigidez a trav s de la tonalidad muscular regulando los niveles de desplazamientos de la articulaci n durante los movimientos 4 2 En primer lugar se midi la tensi n deformaci n de los ligamentos Rotuliano LR y li gamento lateral Intermedio LLI Estos patrones figura 1 aportaron los primeros patrones de comportamiento de ligamentos estabilizadores en funci n de la tensi n deformaci n y movimientos de la articulaci n Los detalles del sistema electr nico de medici n de ten si n deformaci n de los ligamentos de la rodilla se pueden consultar en 4 1 02 1 co Aaa cada a 0 12 YY A Y Y LD Y O O AA a A A 0 AS O A 0 9 0 58 0 06 Flexi n LR Estable Fig 1 Patrones de tensi n deformaci n de los ligamentos Rotuliano LR en rodilla esta ble Los patrones de tensi n deformaci n de una rodilla de gato figura 1 se obtienen de una serie repetitiva de movimiento de flexi n En particular las se ales muestran el comporta miento del ligamento rotuliano Con el objeto de identificar el tipo de movimiento del li gamento durante las pruebas de flexi n y extensi n de la rodilla se
9. nejar un sistema de estimulaci n aut nomo 9 Agradecimientos Este trabajo se financia con el proyecto de investigaci n de referencia 01 0371 del Fondo de Investigaciones Sociosanitarias El dise o y construcci n de los sistemas basados en FPGAs y microcontroladores ha sido parcialmente financiado por el proyecto TIC 001 2688 C03 03 del Ministerio de Ciencia y Tecnolog a Bibliograf a 1 Gomez Barrena Nu ez Angel Anterior cruciate reconstruction affects proprioception in the cat s Knee Acta Orthop Scand 1999 70 2 185 193 2 Yangming Xu Hollerbach John M A robust ensemblet data method for identification of human joint mechanical propierties during movement IEEE Transactions on Biomedical Engineering april 1999 Vol 46 N 4 pp 409 419 3 Gomez Barrena Nu ez angel Neural and muscular electric activity in the cat s knee Orthop Scand 1997 68 2 149 155 4 Raygoza Panduro Dise o Electr nico del Sistema de Rehabilitaci n de Rodillas Lesionadas del Ligamento Cruzado Anterior Memoria de Investigaci n para Grado de Suficiencia Investigado ra Junio 2002 EPS UAM 5 Sidles Jhon A Clark John M and Garbini Joseph L A geometric theory of the equilibrium me chanics of fibers in ligament and tendons Biomechanics 1991 Vol 24 N 10 pp 943 949 6 Johansson Hankan Sjolander Per Sojka Peter A sensory role for the cruciate ligaments Clinical Orthopaedics and Related Research july 1991 num
10. s de promedios SMA aplicado un patr n de la serie de movimientos de flexi n de LR 101 7 14 A aa poa a asr 4 0 3 HFE ban F 13 t Es t 50 EE z E o m Ca B a E a B a 153 1325 253 d a 3193 3 i 3543 Airi Flexi n LR Inestable Filtrada Fig 3 Se al de salida suavizada por el filtro de una serie de movimientos de LR de una rodilla inestable 4 Descripci n del Circuito El circuito tiene tres entradas principales dos buses de datos de 8 bits para las se ales de entrada Pin y patr n objetivo Pt y una l nea de sincron a sinc La salida consta de dos buses de 10 bits para mostrar el conteo de la clasificaci n y dos l neas de control En la figura 4 se muestra el diagrama de bloques El circuito funciona de la siguiente manera compara un dato del patr n de entrada con un dato del target si estos son iguales se considera que es estable y se incrementa un con tador en uno Si los datos son diferentes se establece cual de ellos es mayor o menor y se decide si stos se suman o se restan realiz ndose nuevamente la comparaci n Este proceso se realiza dato a dato de la se al de entrada y se va contabilizando la diferencia de aciertos y errores a lo largo de todo el patr n 0 98 o a E 06 Ads dl mn Ladislao AL all sl AY Ball aa APTA RPTE ES 0 94 ARA 0 32 APA A o os MARA A A SS 0 88 A AS 0 86 Serie de Patrones pp is Serie de Patrones de movim
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