Introducción

Históricamente la tecnología ha tenido avances puestos al servicio de la humanidad, brindando mayor eficiencia, eficacia y bienestar, lo que concede al hombre la posibilidad de mejorar su calidad de vida, de allí que, en el área de la salud los avances tecnológicos de las últimas décadas van direccionados a la utilización de equipos y herramientas que contribuyan al trabajo de los profesionales de esta área, tanto en procesos de descubrimiento de nuevas, alternativas como para el abordaje de diversas condiciones de salud y de técnicas de evaluación e intervención de vanguardia¹.

En este sentido, los sensores inerciales también denominados unidad de medición inercial o IMU (inertial measurement unit), son dispositivos compuestos por una masa, un par de resortes y un capacitor micro-maquinado, impregnados en un circuito monolítico, que permiten calcular la aceleración lineal y velocidad angular de los movimientos en tres ejes preestablecidos (x, y, z) de manera precisa y confiable^2,3; lo anterior captando la información brindada en la ejecución de movimientos por medio de un acelerómetro, el cual logra calcular la velocidad en relación con la ejecución del movimiento, traduciendo esta información a aceleración; y los cambios posicionales que se encargan de brindar información a los giroscopios, ofreciendo así la posibilidad de medir el posicionamiento de una estructura corporal en relación con un punto fijo^4,5.

Su auge comenzó el siglo pasado en la década de los 20’s donde eran caracterizados por ser de gran tamaño, pesados y de un alto costo, a partir de allí y con el paso del tiempo fueron evolucionando rápidamente hasta el punto de ser mucho más pequeños, fáciles de utilizar y portar². Estos sensores pueden procesar hasta tres ejes de movimiento de manera simultánea (frontal, coronal y transverso), con voltajes de alimentación y baterías pequeñas, los cuales permiten activarlos con rangos de medición y resolución para aplicaciones en el examen del movimiento humano³, tales como los patrones de movimiento, velocidad en la ejecución de tareas específicas o en el desempeño de un gesto deportivo.

Las IMU se transforman en una herramienta novedosa en desarrollos tecnológicos, captura y análisis de movimiento⁶ para su aplicación en diferentes disciplinas y en el caso particular de interés del presente artículo, en procesos de evaluación del movimiento corporal humano en fisioterapia, donde contribuyen al trabajo en ambientes no controlados, permitiendo, un análisis más efectivo e independiente de rangos de captura, velocidad de fotogramas o distancia de la cámara; facilitando así, que los movimientos se ejecuten con más libertad y armonía⁷. Por lo anterior, el objetivo de esta revisión de literatura fue analizar la información sobre el uso de sensores inerciales como una aproximación a los procesos de evaluación del movimiento corporal humano.

Materiales y métodos

El presente artículo es un resultado de una revisión de literatura de tipo descriptivo, en la cual se realizó una búsqueda en bases de datos como Scopus, Research Gate, Science Direct, Dialnet, PubMed, Plos One, Scielo, Doaj y Google Scholar, empleando como términos: sensores inerciales, salud, fisioterapia, acelerómetro, actividad física, movimiento y rehabilitación, con las siguientes combinaciones: sensores inerciales y salud; sensor inercial y fisioterapia; sensores inerciales y movimiento; acelerómetro, salud y actividad física; acelerometría, actividad física, y rehabilitación; y términos en inglés: inertial sensors, movement, motion, accelerometer, mobility y activity y se desarrollaron las combinaciones: inertial sensors, motion and movement; sensors inercials and postural swing, inertial sensors and movement; y accelerometer, mobility and activity. De igual manera, se hizo uso de páginas web de entidades oficiales con la finalidad de extraer conceptos clave.

Los principales criterios de inclusión fueron: estudios relacionados con áreas osteomusculares, neurológicas, ergonómicas de la fisioterapia, así como sus interrelaciones con los análisis de movimiento corporal humano comprendidos entre los años 2010 y 2020; se excluyeron artículos exclusivos del campo de ingeniería con información no aplicable a fisioterapia. Posteriormente se registró la información de cada uno de los artículos en fichas de análisis bibliográficas, con el fin de determinar su aporte al objetivo de la revisión. Se consideraron artículos originales y completos para este fin.

Resultados

En la Tabla 1 se muestran las aplicaciones de los sensores inerciales en el área de la salud. En este proceso se descargó un total de 103 registros, de los cuales se emplearon 53 artículos.

Las IMU son herramientas muy precisas en el proceso de medición de variables, que brindan a l fisioterapeuta, la posibilidad de trabajar interdisciplinariamente con profesionales de otras áreas como la ingeniería, con la finalidad de diseñar herramientas como hardware y software empleables en los procesos de rehabilitación funcional de personas, cuyas condiciones de salud se encuentran con una restricción en la ejecución de los patrones motrices; a través de sistemas que faciliten al portador una retroalimentación instantánea en los momentos de ejecución de patrones poco funcionales y que generen alto gasto energético, buscando por medio de un estímulo sensorial, hacer consciente al usuario de la necesidad de modificar la forma de realizar el patrón y la acción motriz.

Los sensores inerciales establecen medidas en los procesos de micro y macro ciclos de atletas amateurs o élite, cuantificando las condiciones de velocidad y aceleración de gestos técnicos específicos^2,8, o incluso medir fases y ciclos de actividades como la carrera y la marcha⁹; brindando la posibilidad de usar estos valores como puntos de referencia en test pre y post ejecución de planes de entrenamiento. En ese sentido, los sensores inerciales son dispositivos que pueden emplearse en procesos de investigación en general.

Discusión

Tradicionalmente, en fisioterapia las evaluaciones de rangos de movilidad articular, se han basado en el examen a través del uso de goniómetros convencionales, que constan de dos ejes y un punto fijo, los cuales ofrecen valores de ángulos de movimiento en articulaciones particulares y en movimientos fisiológicos (flexión, extensión, abducción, aducción y rotaciones); para ello, también se encuentran los electro-goniómetros e inclinómetros, que dan mayor precisión en la medición del rango articular. Además facilitan el abordaje de aquellos usuarios que revisten alteraciones funcionales en la movilidad, como resistencias articulares, que al ser medidos no permiten una evaluación objetiva; dichos dispositivos facilitan el almacenamiento de información que puede ser registrada en una base de datos para una posterior interpretación, sumando cada registro y dando la posibilidad de una identificación del movimiento más eficaz y real, lo cual favorece el seguimiento a procesos de intervención de forma más objetiva y precisa que los goniómetros convencionales en diferentes condiciones de salud³⁹.

No obstante, a pesar de las ventajas mencionadas del electro-goniómetro, esta herramienta no cuenta con la capacidad de registrar información adicional, relacionada con la aceleración y velocidad en movimientos desarrollados en planos y ejes específicos⁴⁰, variables que sí son registrables a través de las IMU en posiciones estáticas, dinámicas y durante la ejecución de actividades funcionales; pudiendo dar cuenta al fisioterapeuta de la riqueza de cuantificar patrones motrices funcionales que usualmente no se miden. Lo anterior, fortalece el examen a través del empleo de test y medidas novedosas, tanto para el proceso de evaluación como de seguimiento a la intervención fisioterapéutica ⁽⁴¹.

Se observó que las IMU pueden desempeñar roles en procesos de rehabilitación funcional, la cual es entendida como “estrategias que permiten a los usuarios con problemas de salud mejorar, optimizar y mantener una función práctica en sus interacciones con el medio”²⁶⁾ y de manera específica, en el examen de variables de medición que se pudieron estandarizar con los sensores inerciales, estos fueron la aceleración, angulación y cambios posicionales de la persona durante la ejecución de patrones de movimiento o actividades funcionales^7,31-33) .

A través de la historia los sensores inerciales gracias a su fiabilidad^15,42 y a su poca desviación estándar al momento de arrojar los resultados, trascendieron del mundo de la ingeniería para ser empleados en otras áreas⁴³. En el campo de la fisioterapia y afines, su papel radicó en la interpretación y cuantificación del movimiento corporal humano²¹ para ser analizados por medio de diferentes protocolos, donde se utilizan puntos anatómicos específicos para su colocación y posterior ejecución del movimiento^16,44.

Los IMU han apoyado diversos procesos evaluativos, permitiendo analizar el control postural³¹, estabilidad de la columna vertebral²⁷, rangos de movimiento articular⁷ en miembros superiores⁴⁵ e inferiores y la ejecución de patrones de movimiento como, realizar una estocada, correr^32,33, ascender y descender escaleras, marchar sobre superficie inclinada, declinada y nivelada⁴⁶, y en comparación con softwares de análisis de movimiento optoelectrónicos mostraron una buena correlación, resaltando su precisión y bajo costo^{34,7,14,33,46} lo cual perfila a estos dispositivos como una alternativa efectiva.

También se ha descrito la utilidad de los IMU en la evaluación de tareas funcionales⁴⁷ en poblaciones con alteraciones o síntomas específicos como dolor lumbar, permitiendo determinar la evolución, por medio de evaluaciones pre y post intervención fisioterapéutica⁴⁸, y clasificarlos de acuerdo a los datos cinemáticos obtenidos de los sensores⁴⁹, brindando ventajas en cuanto a la precisión y la calidad de la atención.

Por otra parte, estos dispositivos han sido empleados para medir niveles de actividad física en grupos poblacionales específicos^2,6,50. Burboa et al.,¹⁷ en su estudio, llevaron a cabo una relación entre los efectos del entrenamiento con respecto a los cambios en la angulación articular de miembros inferiores, encontrando que sí existe relación entre la fatiga generada en una sesión y los cambios en la angulación articular, siendo evidente la fiabilidad de las IMU en estas actividades. De igual manera, se emplearon como herramientas para la realización de evaluación de movimientos en diferentes entornos¹³, haciendo uso de ellos en gran medida, en estudios relacionados con los parámetros de la marcha, en la medición de variables como velocidad, posicionamiento de los miembros inferiores¹⁰, parámetros anormales de la marcha¹¹ y estimación de la rotación del movimiento de los usuarios para ser recreados y analizados con mayor profundidad en softwares de análisis de movimiento⁵¹.

Otro importante uso es en la evaluación de cambios presentes en artroplastia de rodilla, por medio de dos sensores inerciales, uno conectado al tobillo de la pierna intervenida quirúrgicamente para medir los parámetros espaciotemporales de la marcha, y el otro en el sacro, para medir la postura y los parámetros relacionados con el riesgo de caídas¹⁰.

En la artroplastia de cadera, en la cual se aplicó el Harris Hip Score para la evaluación específica, se ubicó una IMU en cada espina ilíaca anterosuperior del usuario, posteriormente el individuo debía caminar durante 3 minutos sobre una banda sin fin nivelada, para cada paso, se extrajeron las características de las señales del giroscopio del eje Y: valor pico, valor absoluto medio, desviación estándar y rango; para cada característica, se calculó una relación de simetría como la relación entre el lado izquierdo y el derecho¹¹.

Con respecto estructuras específicas de la articulación de la rodilla y en relación con su complejo ligamentoso, las IMU fueron útiles en la medición del desplazamiento angular, rotacional externo, aceleración del segmento²⁴ e índice de simetría de movimientos de las extremidades inferiores durante la prueba del escalón, estos se aplicaron en personas sanas y atletas con lesión de ligamentos de la rodilla, proporcionando un análisis cuantitativo para detectar diferencias cinemáticas después de una lesión de estas estructuras²⁵. Además, combinados con plataformas de fuerza, permitieron determinar alteración en la distribución de cargas de la rodilla y su relación con la velocidad angular de esta misma articulación, posterior a una reconstrucción de ligamento cruzado anterior⁵²; los resultados de estos estudios indicaron que estos dispositivos se perfilan como una herramienta complementaria para el cuerpo médico, en pro de facilitar la toma de decisiones con respecto al retorno del deportista, después de la lesión de los ligamentos de la rodilla²⁵.

En personas que se encontraban durante periodos prolongados en cama, se ubicaron sensores inerciales en las prendas de vestir como un medio para cuantificar el posicionamiento del usuario, y en combinación con sensores de presión, indicaron el momento en el cual se requerían cambios posicionales para prevenir así úlceras por presión¹⁹.

Las IMU se han convertido en herramientas de apoyo en el área de la neuro-rehabilitación, específicamente en usuarios con ataxia cerebelosa para calcular la aceleración, el ritmo y el coeficiente de variación de la longitud del paso³⁴. Por otra parte, en usuarios con parálisis cerebral evaluaron el desempeño de la caminata diaria³⁵ y el movimiento del miembro superior en tres velocidades distintas para determinar asimetrías en sus movimientos³⁶.

En pacientes con secuelas de accidente cerebrovascular, se midieron parámetros de movimiento como aceleración y cambios angulares en sus extremidades espásticas³⁷, demostrando la importancia del uso de la tecnología portátil⁵³ para determinar avances en los procesos de rehabilitación⁷.

En otros estudios, como en la investigación realizada por Proessl et al.¹², las unidades IMU se emplearon en pruebas específicas como en la medición de variables de los patrones motores, ubicando seis sensores inerciales inalámbricos (APDM Opal) (en el esternón, en cada muñeca, espalda baja, a nivel de L5 y dorso de cada pie), a 20 adultos jóvenes neurológicamente sanos para realizar el test de marcha de 6 minutos, se midió la cadencia (pasos/min), velocidad de la marcha (m/s), zancada, longitud (m), duración (s) del paso y duración (s) de zancada⁷.

En otro estudio², se hizo comparación entre una plataforma de fuerza y sensores inerciales para la identificación de movimientos posturales anticipatorios, lo cual demostró que es posible detectar y evaluar estos movimientos usando sólo sensores inerciales con una fiabilidad similar a la que brindan las plataformas de fuerza.

Por otro lado, Cuesta-Vargas y William⁵⁰, pretendieron determinar la capacidad de los sensores inerciales para el análisis de la cinemática de la manipulación vertebral cervical, fijando un sensor inercial a nivel del hueso frontal de la cabeza, analizaron manipulaciones cervicales a nivel de C5-6, dando como resultado que los sensores inerciales son idóneos y presentan capacidad para dicha actividad.

En usuarios amputados se ha implementado el uso de IMU con el fin de detectar diferencias biomecánicas entre los segmentos indemnes y los protésicos, siendo empleados también, en la elaboración de prótesis de miembro superior para obtener datos que facilitan el monitoreo del proceso rehabilitatorio del usuario³⁸.

Asimismo, otros estudios describen la utilización de estos dispositivos para la creación de exoesqueletos, ubicándolos en la parte anterior de la muñeca para determinar la posición del exoesqueleto, y en conjunto con un sensor de electromiografía (EMG) identificar el ángulo de la flexión del antebrazo, para retroalimentar el sistema, lo cual permitió, la secuencia de trabajo y el movimiento del brazo del dispositivo¹⁹.

Además los IMU han sido vinculados a sistemas de monitoreo inalámbrico en 3D para personas en rehabilitación física¹⁷, sistemas de rehabilitación de tobillo en los cual se brinda una interfaz física basada en unidad IMU para medir la actitud del pie y una interfaz gráfica del usuario que actúa como feedback visual al realizar movimientos de pie, permitiendo la rehabilitación en el hogar involucrando al usuario en una terapia activa, por un precio asequible⁴⁴.

En la revisión de Wang et al.²⁹, cuyo objetivo fue inventariar y clasificar los sistemas portátiles interactivos para el monitoreo de movimientos y posturas con exoesqueletos³³ durante la rehabilitación de la parte superior del cuerpo, los resultados indicaron que el acelerómetro y el IMU, son la tecnología más utilizada dentro de los sistemas de retroalimentación para monitorear y proporcionar información sobre el rendimiento y el rango de movimiento durante la rehabilitación funcional de este segmento corporal²¹⁾ .

Lo anterior concuerda con el estudio de Alizadegan y Behzadipour⁵², en el que describen las IMU como herramienta de feedback efectiva en procesos de rehabilitación de estructuras como el hombro, o la muñeca posterior a una fractura distal de radio⁴⁵; combinado con aprendizaje supervisado, favorece el proceso, la participación e independencia del usuario⁵³. De igual manera, destaca la IMU gracias a que posee acelerómetro, magnetómetro y giroscopio, lo que le permite tener una funcionalidad al momento de ser utilizado en procesos de rehabilitación.

Todo esto, ha reflejado la importancia que tiene la utilización de sensores inerciales en fisioterapia, demostrando la amplia gama de funciones que se les pueden dar y la confiabilidad que brindan en diferentes procesos, específicamente en la evaluación del movimiento corporal humano⁶ donde contribuyen a minimizar los errores, agilizar los procesos de evaluación⁷ y permitir procesos de rehabilitación más precisos y específicos³³. Sin embargo, es necesario desarrollar estudios con muestras significativas que sustenten el uso de estos dispositivos en procesos rehabilitatorios^31,41.

Conclusiones

Aunque las unidades de medición inercial o IMU han sido empleadas en la fisioterapia, aún tienen mucho campo por conquistar, no sólo en áreas afines a la medicina sino también en campos referentes al entrenamiento y la rehabilitación deportiva. Las IMU se perfilan como una alternativa de gran utilidad en procesos de rehabilitación funcional planeados y ejecutados por fisioterapeutas y terapeutas ocupacionales.

Es necesario recalcar la necesidad de generalizar protocolos de ubicación anatómica la IMU, de tal manera que permitan un óptimo rendimiento y la estandarización de medidas universales en cuanto al cálculo de la velocidad angular y la aceleración lineal, que sean útiles en el monitoreo de actividades básicas cotidianas y actividades de la vida diaria de las personas.