Parkinson's disease (PD) is a neurodegenerative disease that mainly a ects people older than 60 years and is characterized by a neuronal loss in several brain areas, but particularly in the substantia nigra, which can lead initially to motor alterations like gait asymmetry and delayed to cognitive disorders. To detect the alterations, two bracelets with integrated electronic devices capable of sensing upper limbs motion in Parkinson's patients has been developed to analyze and calculate gait asymmetry indicator that allows the detection of PD in early stages. The device will measure movement variables in the patient's arms through accelerometers and the information produced by the bracelets is sent to a smartphone via Bluetooth 4.0 protocol and then stored in the cloud. The stored data analysis is useful to medical specialists in order to detect motor alterations and make decisions.
La Enfermedad de Parkinson (EP), es una enfermedad neurodegenerativa que afecta, desde estad os tempranos, el sistema motor y esto condiciona la cotidianidad del paciente. La EP se caracteriza por bradicinesia, rigidez y temblor en reposo que puede llevar a alteraciones marcadas en la postura y la marcha. Estas alteraciones pueden limitar la actividad del paciente Copyright c by the paper's authors. Copying permitted for private and academic purposes. y generar una pobre calidad de vida [Ellis2011]. Es as que cada d a se ha incrementado el interes por las alteraciones de la marcha [Fernandez2015] y se ha postulado que alteraciones como la asimetr a en la marcha o la disminucion de la amplitud del movimiento en extremidades superiores son signos motores que pueden servir como predictores de la enfermedad.
Actualmente, la observacion de estos signos por parte del especialista cl nico es usada como criterio tanto para el diagnostico inicial, como para el seguimiento de la enfermedad [Gelb1999]. Lo anterior supone que la con abilidad del criterio de observacion del experto cl nico es subjetivo y por tanto dependiente de la experiencia de quien observa. Es aqu donde surge la necesidad de desarrollar el sistema de medicion y monitoreo de balanceo de brazos que permita medir el movimiento en extremidades superiores. El objetivo del sistema es tener una medida objetiva como criterio complementario al del especialista cl nico que posibilite encontrar anomal as motoras, describir el progreso de la enfermedad e incluso determinar el nivel de mejora en la respuesta a medicamentos para el tratamiento de la EP como la levodopa, esto puede apoyar al medico para determinar la dosis adecuada del medicamento.
El sistema de medicion y monitoreo esta compuesto por dos brazaletes. Cada uno cuenta con dos dispositivos electronicos separados a 10 cm de distancia mediante un centro de acr lico (Ver gura 1). Cada dispositivo electronico cuenta con un acelerometro que permite sensar el movimiento de las extremidades superiores de pacientes con EP y con una interfaz bluetooth mediante la cual se env a la informacion que toman los acelerometros a un telefono inteligente. Se implemento un sistema de comunicacion que permite que la informacion recolectada llegue a la nube que posteriormente sera analizada.
La principal novedad del sistema descrito es que posibilita la toma de informacion en un contexto ambulatorio y tiene el potencial de tomarla en el contexto cotidiano gracias a que el dispositivo es de tecnolog a vestible e inalambrica, logrando llevar a cabo el analisis de marcha en otros espacios diferentes a los laboratorios de marcha, lo que supone practicidad y rapidez a la hora de evaluar la marcha del paciente.
En el presente documento se muestra el desempen~o actual del sistema y los resultados de un experimento preliminar con el que se busca comparar el criterio cl nico con la informacion ofrecida por el sistema, mediante la evaluacion de la asimetr a (signo motor de interes) de las extremidades superiores. 2
El estudio de Liu, K et al. [Liu2009] hizo uso de dos acelerometros en piernas a una distancia conocida y las sen~ales obtenidas se compararon con un sistema de medida de referencia compuesto por una camara y re ectores ubicados en el cuerpo (NAC Hi-Dcam II). Las sen~ales de referencia y la calculada, tienen una forma y amplitud semejante y se concluye que es adecuada la medicion usando el Algoritmo de doble acelerometro. El uso de dos acelerometros lo justi can para encontrar la aceleracion angular sin errores de integracion, ademas elimina el efecto gravitacional y de movimiento traslacional que sensan los acelerometros. Finalmente el estudio de Bamberg, S et al. [Bamberg2008] desarrollaron un sistema en el que usan sensores inalambricos puestos en zapatos para lograr un analisis de marcha en tiempo real usando un sistema de comunicacion con enlaces RF. 3 3.1
Se desarrollaron dos brazaletes, cada uno esta equipado con dos dispositivos electronicos. Cada dispositivo electronico esta compuesto por un acelerometro de tres ejes con una resolucion de 3g que esta conectado a una tarjeta programable Simblee BLE la cual cuenta con un procesador ARM Cortex M0, un terminal FTDI y una interfaz bluetooth 4.0. El sistema es alimentado por una bater a de 400 mAh conectada a la tarjeta Simblee BLE y puede ser recargada mediante el terminal FTDI de la tarjeta. Para sujetar cada dispositivo electronico a los brazos del paciente se usaron correas de velcro.
La aceleracion de los tres ejes de cada acelerometro se digitaliza mediante el ADC de 10 bits de la tarjeta programable y esta env a la informacion v a bluetooth a una aplicacion movil. Una imagen del prototipo puede verse en la gura 1. Se desarrollo una aplicacion movil Android en la que se implemento el protocolo Bluetooth 4.0, espec camente per les GATT, que permiten conectarse a los cuatro Simblee BLE al tiempo para recibir la informacion que producen. La aplicacion permite ver las series de tiempo de los ejes de los acelerometros en tiempo real. Existe un l mite de velocidad de transmision a partir de la cual se pierden datos debido al estres de la red. En la seccion de resultados se mostrara el l mite encontrado a traves del ensayo de varias velocidades de transmision, usando el taman~o mnimo para cada dato de aceleracin. Se analizan los datos de un experimento preliminar en el que se evalua la herramienta. Para calcular la asimetr a se requiere la aceleracion angular de los dos brazos por lo cual, se necesita un par de acelerometros en cada brazo [Huang2012] y registrar el movimiento del paciente mientras camina un trayecto lineal. Luego, con estas sen~ales se extrae el valor RMS (Root mean square) de las sen~ales de aceleraciones angulares de cada brazo y se computa la ecuacion 1 [Huang2012]. Donde RM Smin corresponde al m nimo RMS y RM Smax al maximo. arctan(RM Smin=RM Smax) 45 que la frecuencia m nima de muestreo para el analisis de la marcha es de 10 datos por segundo [Salarian2004] La gura 2 muestra una representacion de la red que se implemento para la captura de los datos.
Red usada para la distribucion de los datos 4.1
En la implementacion se minimizo el taman~o de los datos producidos por cada brazalete lo cual permite lograr una mayor tasa de datos por segundo. Cada dato se pesa de 5 bytes y se compone de la estampa de tiempo, seguida de las mediciones de aceleracion en unidades digitales (de 0 a 1023) de los ejes X, Y y Z. La tabla 1 muestra el resultado de la busqueda de una tasa de env o de datos optima para evitar perdida de informacion, as que muestra cuantos datos por segundo se pierden para distintas tasas de env o.
Como se ve la tasa de transmision de datos tiene un l mite de 50 datos por segundo maximo antes de que se comiencen a perder datos. Es conveniente sabiendo
Donde se ve que efectivamente aumenta el valor RMS en la medida que la velocidad del balanceo aumento, con diferencias estad sticamente signi cativas entre las tres velocidades. Finalmente se presentan resultados de las personas del experimento y preliminarmente se incluyeron cuatro pacientes diagnosticados con parkinson y cinco controles. Desde el criterio cl nico estas cuatro personas son asimetricas. El paciente P9 fue evaluado sin tomarse su medicamento (P9-OFF) y luego de tomarse el medicamento (P9-ON). El paciente (P8) necesita de un baston para poder movilizase, pero para la prueba se le pidio que caminara sin el.
El experimento consistio en recorrer 10 metros en un trayecto lineal, con el par de brazaletes puestos en sus antebrazos.
Con resultados de la tabla 3 podemos observar que hay relacion con el ASA calculado y el criterio cl nico donde claramente los pacientes de parkinson presentan una asimetr a mucho mayor que las personas que no sufren de EP.
Se recomienda el uso del algoritmo de doble acelerometro puesto que posibilita la medicion de la aceleracion angular cuya amplitud corresponde a la velocidad del balanceo de los brazos. Para una baja velocidad se puede observar como el balanceo de los brazos en la persona tambien es bajo, lo cual se traduce en un RMS bajo, frente a una caminata veloz, donde el valor RMS es mayor que el de las caminatas de menor velocidad. Durante la caracterizacion se observo que las pruebas de menos de 10 metros no son concordantes con el criterio cl nico dada la dependencia de la formula de ASA con la duracion de la serie de tiempo.
Tambien dado que el tiempo de captura de las sen~ales duran maximo quince segundos y se requiere una distancia de diez metros para obtener resultados concordantes se logro reducir la distancia y el tiempo de recorrido de los pacientes, con respecto a los antecedentes de referencia [Xuan2008]. El sistema de medicion desarrollado permite capturar datos de aceleracion de los brazos, y posteriormente generar valores de asimetr a que correspondan con el criterio cl nico, lo cual podr a ser de gran utilidad en el diagnostico y seguimiento de la enfermedad de Parkinson en estad os tempranos. Como trabajos futuros, se plantea evaluar la asimetr a del balanceo de los brazos en una muestra de mayor taman~o para determinar puntos de corte y evaluar la efectividad del sistema.
El prinicipal reto a futuro es analizar las sen~ales ofrecidas no solo para encontrar la asimetr a, sino tambien caracterizar el temblor en los pacinentes de parkinson con el n de que la herramienta ofrezca mas informacion al experto cl nico.