Diseño e implementación de un monitor/corrector postural de la columna vertebral

El presente Trabajo de Fin de Grado (TFG) abarca el diseño y desarrollo de un dispositivo vestible programable que monitorice la postura de la columna vertebral. Fijando unos límites superior e inferior para cada sensor, permite limitar las posturas que el usuario adopta, emitiendo un aviso configurable en forma de luz cuando se sobrepasen dichos límites. 
\nEn la actualidad, una gran parte de la población ha sufrido o sufre dolor de espalda. En ocasiones este dolor se debe a enfermedades o trastornos musculares o en los ligamentos, aunque cada vez en mayor medida el dolor tiene su origen en malas posturas adoptadas. Si la adopción de estas posturas desemboca en el establecimiento de patrones posturales incorrectos, se pueden llegar a desarrollar enfermedades crónicas. 
\nHay múltiples situaciones en la vida diaria en las que se puede adoptar una mala postura, como al levantar peso, al permanecer tiempos prolongados de pie, sentado o conduciendo e incluso durmiendo. Llama la atención que prácticamente cualquier actividad diaria puede afectar en este sentido, adquiriendo entonces una gran importancia cuidar la postura para evitar problemas severos. 
\nLa postura ideal para cada situación ha sido estudiada en multitud de ocasiones, y continúa siendo una preocupación extendida en el ámbito sanitario para tratar de mejorar la calidad de vida de las personas. 
\nEl dispositivo desarrollado se centra en evitar los dolores de espalda producidos por malas posturas o por falta de buena higiene postural en el desarrollo de las actividades cotidianas, aunque entre los usos que se le puede dar se encuentra también el seguimiento de recuperación de lesiones o de avance de las mismas, así como asistencia en el diseño de objetos en los que la postura de algún individuo involucrado sea importante. 
\nA día de hoy existe una gran variedad de soluciones que permiten avanzar en la búsqueda de la postura correcta y en la corrección de las malas posturas adoptadas. Se pueden distinguir, por tanto, dos grupos principales de herramientas. 
\nPor un lado, en cuanto a la medición de la postura de la columna vertebral, nos encontramos con soluciones convencionales entre las que destacan la inspección visual, la radiografía y el uso del goniómetro. También hay que tener presente el avance de las soluciones tecnológicas como son la fotografía y el vídeo digital asistidos por marcadores reflectantes, cuyas imágenes se procesan por ordenador, sistemas optoelectrónicos de medición y sistemas de coordenadas de laboratorio, y las soluciones que se están incorporando en los últimos tiempos, basadas en el uso de acelerómetros, giróscopos, goniómetros de fibra óptica, galgas extensiométricas y sensores ópticos. 
\nPor otro lado, se distingue el grupo de herramientas destinadas a la corrección y reeducación de la postura de la columna vertebral. Tradicionalmente, el método seguido consistía en ejercicios asistidos por un fisioterapeuta, así como realización de actividades entre las que destacan por sus bondades la natación, pilates, yoga y actividades acuáticas como aquagym o hidroterapia. También destaca el uso de la técnica de la Reeducación Postural Global, que se define como un método de fisioterapia suave, progresivo y activo que puede aplicarse a cualquier edad, dirigido y controlado por un profesional. 
\nEn cuanto a los métodos de corrección y reeducación basados en el uso de tecnología, se puede destacar que la mayoría de dispositivos modernos de monitorización incorporan la posibilidad de realimentar al usuario, permitiendo mejorar la higiene postural. En otra línea de soluciones destacan los robots quirúrgicos. 
\nSe han analizado diversos sistemas que realizan funciones parecidas al desarrollado en este trabajo, pero todos ellos son aparatosos o proporcionan una precisión insuficiente para la medida. Lo que se propone es un sistema sencillo, poco invasivo y con un coste de fabricación bajo, que permita que cualquier centro de salud pueda contar con un dispositivo si lo desea. 
\nLa Clínica SIASS-U.R.F. Unidad de Recuperación Funcional, detectó la necesidad de un dispositivo con estas características, y esta necesidad se trasladó al Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) para encontrar una solución adecuada. 
\nPara conseguir desarrollar el proyecto de una forma eficiente, se ha dividido el mismo en 4 etapas: análisis de requisitos, diseño y desarrollo, integración y pruebas, evaluación y conclusiones. La actividad principal de este Trabajo de Fin de Grado se ha enmarcado en las dos primeras etapas, aunque también se han realizado algunas incursiones en las dos últimas. 
\nEn la fase de análisis de requisitos se detectó la necesidad de adaptarse a normativa de especificaciones de seguridad al tratarse de un producto sanitario. Además, se fijaron los objetivos que se requerían para el proyecto, en el que se pretende diseñar y construir un dispositivo que: 
\n- Sea capaz de medir la inclinación de varios puntos de la columna vertebral, pudiendo adaptar los límites permitidos individualmente según criterio médico. 
\n- Emita una señal de salida en el instante en que se superen dichos límites, la cual deberá mantenerse activa mientras la postura no se corrija. 
\n- Reduzca el tiempo y coste de los tratamientos. 
\n- Sea lo más reducido, cómodo y económico posible. 
\n- Se adapte a cualquier paciente. 
\n- Cumpla las especificaciones de seguridad requeridas en el real decreto 1591/2009, del 16 de octubre por el que se regulan los productos sanitarios, incluido en el Boletín Oficial del Estado número 268, del 6 de noviembre de 2009. 
\nEn la etapa de diseño y desarrollo destacan dos focos principales, el diseño del dispositivo y el desarrollo del software. 
\nMediante el análisis previo de artículos y soluciones existentes, se determinó que la manera más económica de construir un dispositivo que cumpliera las características requeridas implicaba el uso de sensores como acelerómetros y giróscopos. Además, para permitir una monitorización completa de la columna vertebral, se requiere realizar mediciones en, al menos, cuatro puntos, siendo necesarios por tanto cuatro sensores. 
\nPara elegir los sensores a utilizar, se analizó primero la posibilidad de trabajar únicamente con acelerómetros, pero se descartó esta solución debido, por un lado, al ruido con el que se recogen las medidas, y por otro, a que el acelerómetro detecta cualquier aceleración, sea o no la gravitatoria, dando valores falsos de orientación al mover el sensor sin rotarlo y provocar aceleraciones en un eje distinto al de la gravedad.
\nPor este motivo, se optó por elegir Unidades de Medición Inercial, en concreto MPU-6050, para realizar las medidas de inclinación. Estos sensores incorporan un acelerómetro y un giróscopo triaxial, permitiendo obtener inclinaciones en dos de sus ejes locales. Para conseguir la tercera medida sería necesario añadir un magnetómetro. Dado que el giro en el eje Z local del sensor, torsión al trasladarlo a la columna, no se considera especialmente relevante en este proyecto, se ha escogido este sensor en lugar de otros con mayor coste que sí incluían el magnetómetro. 
\nEl dispositivo incorpora también una pequeña tarjeta con diodos led, que ayuda al usuario a corregir su postura, haciendo las funciones de realimentación al paciente. 
\nPara el control del dispositivo se utilizará un Arduino Leonardo, por cumplir con las especificaciones requeridas sin impedir añadir más sensores en el futuro, por su bajo precio, su versatilidad, facilidad de programación y por la gran cantidad de documentación acerca de él existente en la red. 
\nPor último, en cuanto a la alimentación, durante el desarrollo del dispositivo se emplea la conexión USB al ordenador, con el objetivo de tener acceso a las medidas mediante el puerto serie, aunque la idea es que el dispositivo definitivo se alimente de una batería externa. 
\nTodos los componentes anteriores se ensamblan en un montaje funcional, consistente en 4 bandas elásticas con cierres de click de tipo mochila de material plástico en su parte delantera. De esta manera, se puede adaptar el dispositivo a personas de cualquier talla, así como colocarlas en los puntos en los que se requiera medida según el caso. En la parte trasera de estas bandas, se montan unas pequeñas cajas de plástico adaptadas, que permitirán mantener los sensores en posición horizontal. La placa Arduino se puede fijar al cinturón, en cualquiera de ambos laterales, o a una de las bandas elásticas, y la placa de realimentación dispone de cable suficiente para reposar sobre la mesa. 
\nEn relación al desarrollo del software, se ha creado un programa principal que incorpora las funcionalidades básicas del dispositivo, calibración, monitorización y realimentación, así como una serie de programas secundarios utilizados para las pruebas realizadas. 
\nEl programa principal incorpora unas primeras líneas en las que el personal sanitario que dirija el tratamiento debe incluir los valores máximos de inclinación permitidos para cada sensor, sin necesidad de saber programar el dispositivo. Además, permite llevar una cuenta de la cantidad de ocasiones en las que el sistema ha tenido que avisar al usuario de una mala postura, así como el tiempo que se ha mantenido activo el aviso. 
\nLa etapa de integración y pruebas comienza en realidad de forma paralela a la de diseño y desarrollo, ya que las pruebas se han realizado en dos fases, tanto con los sensores sin montar como con el sistema completo ensamblado. Entre las pruebas realizadas destacan pruebas de temperatura tanto con un único sensor como con los cuatro funcionando al mismo tiempo en distintos ambientes, pruebas para determinar el tiempo de establecimiento de las medidas al iniciar el dispositivo para ayudar a la calibración, así como pruebas de funcionamiento de los sensor

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