SOFTWARE PARA ANÁLISE DE FORÇAS DE REAÇÃO DO SOLO EM MARCHA DE HUMANOS

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1 SOFTWARE PARA ANÁLISE DE FORÇAS DE REAÇÃO DO SOLO EM MARCHA DE HUMANOS C A Gonçalves, G H Silva, e A C David*, CFS-Departamento de Ciências Fisiológicas, IB e *FEF-Faculdade de Educação Física Universidade de Brasília (UnB) Brasília, DF, BRASIL cg@unbbr RESUMO O estudo clássico de marcha em humanos é feito através da análise de curvas de força de reação no solo que são produzidas durante a locomoção A realização destes estudos exige uma plataforma de força e softwares de aquisição e processamento, que podem ser adquiridos no mercado ou desenvolvidos localmente Para informatizar o sistema de plataforma de força existente em nosso laboratório, os softwares comerciais de processamento não atendiam aos requisitos de compatibilidade e oferta de funções desejadas A solução foi, então, desenvolver esse software, o que foi o objetivo deste trabalho O software desenvolvido para análise da marcha lê os dados digitais, executa a promediação das várias tentativas, calcula linha de base, início, fim, picos, vales do sinal e, finalmente, mostra os gráficos das forças com as indicações desses eventos, que são os parâmetros a serem utilizados na análise Esses parâmetros podem ser alterados manualmente pelo usuário e salvos em arquivo texto para uma posterior análise Na fase de validação do software, o maior erro encontrado entre o calculo automático e o manual, feito por um especialista, foi de 2,59 % Esse erro foi normalizado pelo tempo de apoio do pé Estes resultados indicam que o software pode ser usado em análises de rotina Palavras chaves: Softwares; Marcha em humanos; Plataforma de força; Análise automática; Forças de reação do solo 1 INTRODUÇÃO Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um software para processamento e análise de curvas de forças de reação do solo em marcha de humanos Em nosso caso, os sinais foram produzidos por uma plataforma de força tipo piezelétrica conectada a um sistema de conversão analógico-digital, e gravados em disco magnético para posterior processamento e análise O nosso software, que recebeu o nome de FORMAR, emprega técnicas conhecidas de processamento digital de sinais: reconhecimento de linha de base, detecção de picos, de vales, e de início e fim das curvas O uso de menus e submenus na determinação dos seus parâmetros de inicialização, tornou a interface gráfica amigável O software foi desenvolvido em linguagem MatLab 50 Importância e relevância A análise dos produtos existentes no mercado, associada a uma revisão bibliográfica, mostrou que os softwares que existiam, em sua maioria, não satisfaziam às nossas necessidades, ou porque eram dedicados a hardwares específicos, ou porque não realizavam todos os cálculos que desejávamos 2 METODOLOGÍA Na saída da conversão A/D, os arquivos digitais eram gravados em formato tipo texto (*txt), com um cabeçalho contendo dados sobre a freqüência de amostragem [Hz], o número total de pontos do sinal e o número de pontos do pré-triger Atualmente estuda-se a possibilidade de se inserir todos estes dados manualmente via caixas de diálogo O valor do peso do indivíduo, em Newton (N), foi usado para normalizar o sinal e pode ser fornecido via arquivo adquirido (semelhante aos dos sinais da marcha) ou fornecido manualmente As tabelas 1 e 2 ilustram exemplos típicos de arquivos de sinal de marcha e de peso que são aceitos pelo programa, vale ressaltar que com poucos ajustes o programa pode aceitar uma grande variedade de arquivos de dados Tabela 1 Exemplo típico de um arquivo de sinal de marcha E A primeira linha ilustra o cabeçalho com: freqüência de amostragem = 600 Hz número de pontos = 970 número de pontos do pré-triger = 50 O separador de casas decimais é o ponto

2 Tabela 2 Exemplo típico de um arquivo de sinal de peso A primeira linha ilustra o cabeçalho com: frequencia de amostragem = 600 Hz número de pontos = 400 O separador de casas decimais é o ponto Os elementos em zero da segunda coluna são desprezados O FORMAR lê esses dados, executa a promediação das tentativas selecionadas, calcula a linha de base do sinal, calcula início, fim, picos, vales e, finalmente, mostra os gráficos das forças com as marcações dos parâmetros que podem ser gravados na forma de arquivo texto, para posterior análise estatística Exemplo desses cálculos estão ilustrados na tabela 3 Tabela 3 Marcações realizadas pelo programa Curvas Marcações Fz Início (i) Fim (f) Pico1 (p1z) Vale (vz) Fy * * Vale Pico (vy) (py) Fx * * Vale Pico (vx) (vx) * O início e o fim são os mesmos da curva z Pico2 (p2z) Programação e Linguagem O MatLab 50 (MathWorks) é uma linguagem interpretada, ou seja, ela processa e mostra o resultado de uma linha por vez Há uma opção de executar seqüências de comandos anteriormente gravados em arquivo Um arquivo com esta opção é chamado de M-file pois a sua extensão é m Esses M-files podem ser criados em qualquer editor de texto, possibilitam chamadas recursivas e se dividem em dois tipos: Script que é o tipo mais simples, contem apenas os comandos em seqüência, e as variáveis criadas residem no espaço global; e Functions que é um pouco mais elaborado, as variáveis residem em um espaço diferente do global e pelo menos um argumento deve ser passado para a execução do mesmo Existe um outro tipo de extensão: *mat que armazena variáveis necessárias para a execução Para o desenvolvimento do programa usou-se apenas Functions (todas listadas abaixo) onde o número máximo de argumentos foi três Cada uma destas Functions, com exceção de uma chamada "form", gera um outro arquivo com o mesmo nome e extensão mat que armazena as variáveis: As Functions utilizadas foram as seguintes: For19m e For19,mat (armazena variáveis) Centro da parte gráfica do programa, é esta função que o usuário chama no início de cada trabalho Possui ferramentas gráficas que auxiliam o uso das demais funções do programa Formm Parte responsável pelos principais cálculos realizados pelo programa: - Global xxx: define variáveis globais (xxx representa a variável global; há 19 variáveis deste tipo nesta função); - varquivo: auxiliar gráfico da janela de salvamento; - ok: efetua as leituras iniciais; - fx: seleciona a curva especificada pelo usuário, pose ser uma curva fx,fy ou fz; - fxv: retira uma seleção, pose ser uma seleção fx,fy ou fz; - média: faz a promediação das curvas selecionadas; - filtro: executa uma filtragem digital dos dados já promediados através da seguinte equação: y(n) = b(1)*x(n) + b(2)*x(n-1) + + b(nb+1)*x(nnb)-a(2)*y(n-1) - - a(na+1)*y(n-na) (1) onde a é igual a 1, x(n) é o valor bruto da amostra n, y(n) é o valor filtrado da amostra n e b é igual a um vetor que depende do número de pontos a se considerar, quanto maior o número de pontos, maior a influência do filtro - peso: calcula o peso através de um arquivo com vários pontos discretos no tempo e executa a normalização, dividindo os arquivos de força pelo peso; - op: comanda o menu "Options" existente na função gráfica "for19"; - iniciofim: calcula os pontos de início e fim do sinal já promediado e filtrado O algoritmo é bastante simples: determinam-se as primeiras diferenças do sinal modulado; o valor de início ou fim será aquele representado pela primeira diferença positiva ou negativa de um conjunto de diferenças do mesmo tipo que ultrapasse um

3 certo limiar de controle O tamanho do conjunto e o limiar de controle são determinados por uma porcentagem Vale ressaltar que o início e o fim de Fz será usado nas demais curvas - linhab: calcula a linha de base do sinal, usando os pontos de início e fim; o algoritmo utilizado calcula a média do inicio e fim do sinal em seis intervalos diferentes, e a média escolhida é aquela que apresenta o menor desvio padrão; - esli: comanda o menu "LB" (escolhe linha de base) existente na função gráfica "graf"; - plot: comanda todos os comandos de traçados de curvas (mostra o gráfico propriamente dito com a sua linha de base e os cursores móveis); - disp: habilita ou não os botões "SAVE" e "Cursor" existentes na função gráfica "graf"; - maxmin: calcula os pontos de máximo e mínimo do sinal através do seguinte algoritmo: quando um pico (ou vale) é claramente identificado, apenas calcula-se o valor máximo (ou mínimo) do intervalo entre o início e o fim do sinal Caso contrário calculam-se as primeiras diferenças do módulo do sinal e o valor máximo ou mínimo será aquele representado pela última diferença positiva ou negativa de um conjunto de diferenças do mesmo tipo O tamanho do conjunto é determinado por uma porcentagem que se adapta a cada sinal, ou seja, caso não seja encontrado um pico ou um vale existente, a porcentagem é diminuída - zoom: habilita a função que permite ampliar ou diminuir uma área do gráfico; - cursor: seleciona os cursores em seqüência; - down: executa uma série de operações quando o botão direito do mouse é pressionado; - move: controla os parâmetros da movimentação do cursor; - up: é acionado quando se utiliza o mouse; - erro: gerencia os erros entre a marcação manual e a automática; - sobre: exibe a caixa de diálogo com os créditos do programa Grafm e Grafmat (armazena variáveis) Constrói a tela de desenho de gráficos, onde as curvas com seus respectivos cursores são exibidos Graf2m e Graf2mat (armazena variáveis) Constrói tela de desenho de gráficos onde os gráficos são exibidos apenas em modo de visualização, ou seja, nenhuma marcação é realizada Sobrem e Sobremat (armazena variáveis) Tela extra, onde são mostrados os créditos do programa: a versão e o nome dos autores do programa 3 RESULTADOS Seguem abaixo algumas telas do programa FORMAR: Menus Botão que lê os ndeços e inicializa as variáveis Campo Fx e Fy, inativos Primeiro anailsar fz Botão seleciona curva Botão mostra curva Fig 1 Tela principal do programa Fig 2 Curva Fx ilustrando um cursor selecionado (móvel) Facilidades: Escolha de quais tentativas a se promediar; Filtragem; Zoom na figura; Gráfico com as marcas encontradas; Informação das medidas e do erro cometido; Escolha de um dos três métodos de cálculo de linha de base; Opção de visualizar os registros não promediados para uma análise individualizada mais refinada Validação do algoritmo: Para a validação foi feito um estudo inicial com os 3 sinais de força (Fx, Fy, Fz) de 11 sujeitos experimentais, totalizando, portanto, 33 curvas registradas segundo um protocolo experimental Endereços Botão retira seleção

4 clássico, normalmente utilizado em estudos de marcha Foram observados 8 parâmetros: Da curva Fz, início, fim, primeiro e segundo picos e vale; Da curva Fy, vale e pico; Da curva Fx, o vale; A análise manual foi feita por um especialista da área que marcou os 8 parâmetros de cada uma das curvas Essas marcações foram posteriormente comparadas com as obtidas por processamento automático As tabelas 4 a 6 apresentam os valores dos erros médios de cada parâmetros, normalizados pelo tempo de apoio do pé no chão O tempo médio de apoio foi de 0,5975 s Tabela 4 Erro % médio para curva Fz Início Fim Pico1 Vale Pico2 (i) (f) (p1z) (vz) (p2z) 0,00 2,59 0,00 0,41 0,88 Tabela 5 Erro % médio para curva Fy Vale Pico (vy) (py) 0,00 0,00 pode ser ainda muito melhorado No estado em que se encontra, porém, já pode ser indicado para o uso de rotina, facilitando em muito o trabalho dos pesquisadores de nosso laboratório Podemos afirmar, então, que os objetivos foram alcançados AGRADECIMENTOS Programa PIBIC/CNPq/UnB de Iniciação Científica REFERÊNCIAS [1] I GATH, and GF INBAR, in Advances in Procesing and Pattern Analysis of Biological Signal, Plenum Press, New York,1996 [2]M G S Alves, A C David, e C A Gonçalves, Forças de reação do solo durante a marcha de criança obesa e normal em diferentes velocidades estudo preliminar In VII Congresso Brasileiro de Biomecânica Campinas São Paulo, 1997 [3] M G S Alves, Análise de marcha em crianças obesas: estudo de influencias da velocidade, tese de mestrado, UnB-Brasil, 1999 [4] S C White, C A Tucker, H Y Lin, Comparison of vertical ground reaction forces during overground and treadmill walking, Medicine & Science in Sports & Exercice, vol 30(10), pp , 1998 Tabela 6 Erro % médio para curva Fx Vale (vx) 0,00 4 DISCUSSÃO Inicialmente é preciso ressaltar que a validação ainda não pode ser conclusiva já que o tamanho amostral (N=11) é pequeno Ao final desta fase de validação, que está em execução, pretendemos contar com um N de aproximadamente 150 amostras Independente dessa questão do N, chamam a atenção os erros cometidos pelo programa na marcação dos parâmetros f, vz e p2z, pois apesar de pequenos e aceitáveis, contrastam com as outras medidas com erro igual a zero Uma rápida verificação de nossos algoritmos mostrou que ele poderá ser melhorado, fazendo crer que esses erros poderão ser reduzidos No estado em que se encontra, porém, o programa já pode ser considerado como plenamente satisfatório, e nos permite indicar seu uso regular nas análises de rotina do laboratório Essa afirmação é respaldada numa característica importante do programa, que é aquela que permite que o usuário corrija eventuais erros do programa 5 CONCLUSÕES O programa encontra-se em fase de validação Os estudos iniciais dessa fase mostraram que o algoritmo

5 SOFTWARE FOR GROUND REACTION FORCES ANALYSIS IN HUMAN GAIT ABSTRACT Ground reaction forces (GRF) have usually been used in human gait analysis For that purpose, a force platform and softwares for signal acquisition and analysis are needed As the commercial available softwares did not satisfy our needs, we decided to develop one containing all the features requested by our researchers Our software processes the GRF signals, detecting and pointing out the main events of the records, such as peaks and valleys, onsets and ends, that can be easily corrected by the user When comparing manual and automatic sets, the higher error found was 259%, normalized by the stance phase These results suggest that the software can be used in routine processing Key words: Software for gait analysis; Ground reaction forces; Automatic processing; Force platform