Avaliação Comparativa do Acelerômetro com Unidade Inercial e Smartphone

Rev Bras Educ Fís Esporte São Paulo 2020 JulSet34342936 429 Acelerômetro uma avaliação comparativa com unidade inercial e smartphone Introdução Uso do acelerômetro e giroscópio no monitoramento de movimento uma avaliação comparativa por meio de unidade inercial e smartphone Beatriz de Araujo ANTONIO Thiago Toshi TERUYA Luis MOCHIZUKI E s c o l a d e A r t e s C i ê n c i a s e H u m a n i d a d e s Universidade de São Paulo São Paulo SP Brasil Escola de Educação Física e Esportes Universidade de São Paulo São Paulo Brasil Resumo Este trabalho compara a aceleração mensurada por meio de sensores inerciais para monitorar a atividade física O objetivo deste estudo é comparar informações sobre o movimento mensuradas por sensor inercial sistema Xsens e por um smartphone Os dois instrumentos foram usados para medir a rotação de um pêndulo simples e da rotação da perna no movimento de agachamento Para comparar o padrão temporal dos dados de rotação dos dois sistemas de medição foi feita a correlação cruzada Para estimar a rotação foram usadas as medidas de quatérnion disponíveis em ambos os equipamentos Para o pêndulo simples as rotações descritas pelo quatérnions do sistema Xsens e do smartphone tiveram correlação cruzada muito forte com semelhança de 98 No agachamento o nível de semelhança de rotação dos quatérnions foi muita alta 97 O sensor de acelerômetro integrado ao smartphone apresenta alta semelhança a medida obtida por sensor inercial PALAVRASCHAVE Atividade física Biomecânica Análise do movimento Quatérnion A análise do movimento e aplicação simultânea de métodos de mensuração denominase Complexa investigação do movimento Procedimentos eletrônicos são incorporados por meio de grandezas mecânicas facilitando a medição que se altera rapidamente com o tempo logo essa transformação nos processamentos de dados permite medições dinâmicas do movimento humano1 Entretanto a interpretação dos dados de saída é complexa o que restringe o entendimento das variáveis direcionando a interpretações subjetivas A tecnologia facilita e oferece estratégias alternativas para interpretar as propriedades do padrão de movimento porém deve se insistir em estudos de forma a induzir a reprodutividade e evoluir em aspectos biomecânicos Acelerômetros têm proporcionado a descrição sobre os padrões de atividade física e comportamentos sedentários o que permite associálos ao nível de aptidão física e saúde das pessoas ademais verifi car a efi cácia de intervenções para infl uenciar positivamente a prática de atividade física2 em diversos públicos É cada vez mais comum o uso smartphones para comunicação e transmissão de informação Por causa disso surge a oportunidade de integrar instrumentos de avaliação nos smartphones para obter informações sobre o comportamento das pessoas Os smartphones usam sistemas de localização e posicionamento para os aplicativos instalados em seu sistema operacional Isso permite medir a aceleração linear e rotacional do aparelho e a sua posição em relação ao campo gravitacional da Terra3 Por conter o acelerômetro e giroscópio triaxiais e o magnetômetro o smartphone pode ser considerado como uma unidade de referência inercial URI ou sensor inercial Portanto é possível usar um smartphone para avaliar o equilíbrio postural de uma pessoa pois o smartphone adquire com boa precisão e consistência os parâmetros de balanço corporal3 httpdxdoiorg101160618075509202000030429 430 Rev Bras Educ Fís Esporte São Paulo 2020 JulSet34342936 Antonio BA et al Para a avaliação do equilíbrio o uso da smartphone apresentou informações correlacionadas obtida por meio da medida da trajetória do centro de pressão usando um sistema de avaliação do equilíbrio postural NeuroCom Biodex EUA3 O sensor inercial instalado em equipamentos portáteis é a opção de estimativa não invasiva de movimento e pode ter aplicabilidade em diferentes cenários Medir o movimento com precisão é essencial para avaliação clínica e acompanhamento da intervenção terapêutica Os sensores inerciais do sistema XSens podem ser usados para estimar o ângulo da articulação do joelho4 Para avaliação da condição de saúde esse artefato pode monitorar atividades motoras grossas e se tornar um indicador indireto de locomoção tremor gasto energético Esse tipo de informação pode ser importante para confrontar com estados de diabetes obesidade ou hipocolesterolemia na progressão de doenças neurológicas que afetam a mobilidade para estimar o risco de quedas ou detectar transições posturais5 A representação do movimento do corpo humano no espaço requer informações de rotação translação e orientação do corpo no espaço As informações disponíveis pelo sensor inercial permitem descrever a orientação e rotação do corpo no espaço porém a medida de translação do sensor inercial e o cálculo do deslocamento linear do instrumento no espaço são afetados pelo processo de dupla integração da aceleração linear pois em cada integração é preciso estimar as constantes de integração velocidade inicial e posição inicial Como essa estimativa deve ocorrer em cada instante da mensuração é comum ocorrer o acúmulo do erro das constantes e enviesar o cálculo numérico da translação Para atenuar tal erro é preciso adicionar à informação do sensor inercial com dados externos para calibrá lo em relação ao ambiente Isso limita a estimativa de medida de distâncias do sensor inercial sem as medidas externas do sistema de posicionamento global global position system GPS Portanto o smartphone tem potencial de uso como instrumento de medida do movimento de rotação e orientação do corpo humano A rotação e orientação do corpo humano podem ser representadas em diferentes formas A representação mais comum é por meio dos ângulos de rotação em eixos cartesianos que estão geralmente associados ao sistema de referências do ambiente e os eixos representam a vertical e as horizontais Para o corpo humano por causa do movimento de cada articulação é preciso usar como referencial cada segmento corporal e não a linha vertical por exemplo Desta forma os ângulos de Euler são mais adequados para representar a rotação de cada articulação Ângulos de Euler permitem representar também por meio de eixos ortogonais como os cartesianos a rotação interna e externa fl exão e extensão e abdução e adução de um segmento Porém os ângulos de Euler são influenciados pela ordem das rotações em cada eixo e diferentes ordens de rotação geram diferentes posições fi nais Por exemplo começar movimento do ombro por rotação internaexterna ou fl exãoextensão muda a posição fi nal da mão Logo a ordem de rotações dos ângulos de Euler afeta a orientação do segmento Outro problema na representação da rotação por meio de ângulos de Euler é que quando a rotação em eixo coincide com a rotação em outro eixo o número de graus de liberdade do sistema diminui este problema é conhecido como gimbal lock dos ângulos Alternativa para representar a rotação e orientação e superar o problema do gimbal lock dos ângulos de Euler e a limitação da representação por segmentos do sistema cartesiano é o quatérnion6 O quatérnion q é usado para representar a rotação e orientação de um objeto por meio de três variáveis vetoriais x y e z e uma variável escalar w Estas três variáveis vetoriais representam a posição no espaço e a variável escalar representa o ângulo de rotação do sistema como está apresentado a seguir iz jy ix w q Equação 1 Nos sensores inerciais de uma smartphone as seguintes informações são tipicamente apresentadas aceleração linear nos três eixos ortogonais X largura Y comprimento e Z espessura aceleração angular em torno destes três eixos Além disso também é apresentado as variáveis do quatérnion Existem poucos estudos sobre o uso de quatérnions na análise de movimentos para avaliação da atividade física apesar de os quatérnions serem usados para robótica7 e mecânica de satélites8 Como a informação do quatérnion é menos suscetível a problemas de mensuração que os ângulos de Euler será que a medida dos quatérnions de um smartphone pode ser usada para avaliar o movimento humano Pretendemos comparar as Rev Bras Educ Fís Esporte São Paulo 2020 JulSet34342936 431 Acelerômetro uma avaliação comparativa com unidade inercial e smartphone Protocolo informações obtidas por um sensor inercial e por meio um smartphone Para isso o objetivo deste estudo é comparar as medidas de quatérnion de sistema de captura de movimento baseado em sensores inerciais e as medidas de quatérnion de um smartphone durante o movimento de agachamento Se as medidas de quatérnion forem semelhantes o uso de smartphones pode ser ampliado para avaliar a orientação e rotação do corpo durante a prática de atividade física Por ser um instrumento cada vez mais comum isso permitirá a avaliação in loco do movimento de pessoas em programas de atividade física treinamento e autoavaliação Métodos Foi usado um smartphone Iphone 5 Apple Inc com as dimensões 1238 mm 586 mm 76 mm e massa 112 g Os sinais dos sensores de movimento Giroscópio de três eixos acelerômetro de três eixos magnetômetro e sensor de proximidade9 do aparelho foram obtidos por meio do aplicativo Sensor Log v18 App Store by Bernd Th omas10 Foi um usado um sistema de sensores inerciais para avaliar o movimento O Xsens é um sistema de sensores inerciais que contém acelerômetros giroscópios e MEMS sensores de microeletromecânica11 Os sinais foram sincronizados a partir da detecção do início do movimento em ambos os sensores A correlação cruzada foi feita para obtenção de informações de rotação da central inercial do smartphone em movimento controlado balanço de um pêndulo simples e do movimento dinâmico agachamento sem carga externa A frequência de aquisição dos dois sistemas foi 100 Hz Foi usado o aplicativo para IOS SensorLog e o software MT manager para Xsens A montagem dos instrumentos está apresentada na FIGURA 1 Foi construído um pêndulo simples com uma haste de metal de 20 cm de comprimento que será fi xado a central inercial e ao smartphone O raio do pêndulo de aproximadamente 12 cm Uma mulher 25 anos 163 cm 57 kg fi sicamente ativa realizou os agachamentos simples Foram feitos três blocos de três oscilações do pêndulo simples até a parada total e cinco séries de cinco agachamentos completos O sensor Xsens foi firmemente fixado ao smartphone FIGURA 1 Na orientação vertical a partir de uma impulsão manual o pêndulo moverá cerca de 90º no sentindo horário A distância do ponto superior ao ponto fixo do sensor foi de 15 cm Em cada ensaio serão coletados três balanços consecutivos em orientação horizontal A amplitude de aceleração utilizada foi de movimento humano sendo confi gurada a amostragem entre 49 segundos Para o agachamento simples o sensor foi calibrado no início dos ensaios Os sensores foram fixados com ajuda de tiras Dois sensores tiveram de ser posicionados no corpo do indivíduo FIGURA 1 sendo um sensor colado ao smartphone e fixado na coxa Direita e o outro sensor alocado lateralmente a porção medial da tíbia A referência para demarcação do ponto de fixação foi o vasto medial do quadríceps femoral12 De maneira sincronizada ativouse o aplicativo Sensor Log em conjunto a central inercial e o sujeito foi convidado a realizar cinco séries de cinco agachamentos completos Ambiente Os ensaios foram realizados no Laboratório de Biomecânica da Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC Análise estatística Uma rotina no MatLab foi criada para analisar o padrão do movimento O programa OriginPro8 foi utilizado para plotagem dos gráfi cos e identifi cação da variabilidade das variáveis Foi calculado o índice de correlação cruzada R entre as curvas dos quatérnions do celular e da central inercial Além disso foram calculados coeficientes de determinação R2 Para classifi car a correlação os seguintes valores foram usados13 09 para mais ou para menos indica uma correlação muito forte 07 a 09 positivo ou negativo indica uma correlação forte 05 a 07 positivo ou negativo indica uma correlação moderada 03 a 05 positivo ou negativo indica uma correlação fraca e 0 a 03 positivo ou negativo indica uma correlação desprezível 432 Rev Bras Educ Fís Esporte São Paulo 2020 JulSet34342936 Antonio BA et al As curvas temporais dos quatérnions estão representadas nas FIGURAS 2 e 3 Os valores dos índices de correlação cruzada entre as curvas dos quatérnions mensurados pelo smartphone e pela central inercial no teste do pêndulo simples estão apresentados na TABELA 1 Para a correlação cruzada os valores médios foram 09910005 quatérnion x 03140244 quatérnion y 00690025 quatérnion z 03120242 Resultados Montagem experimental indicando o posicionamento dos sensores de medida Xsens e Iphone no a pêndulo simples e no b agachamento simples sem carga FIGURA 1 quatérnion w 09980000 O coeficiente de determinação R2 apresentou os valores 098000 quatérnion x 010006 quatérnion y 0000 quatérnion z 100000 quatérnion w No agachamento foram identifi cados nos eixos Z W e rotação a semelhança de 97 97 e 100 respectivamente A detecção angular de fl exão e extensão dos joelhos também foi reconhecida com uma correlação muito forte de 92 TABELA 2 FIGURA 2 Quatérnion representando a rotação do pêndulo simples mensurado pelo Xsens e Iphone Rev Bras Educ Fís Esporte São Paulo 2020 JulSet34342936 433 Acelerômetro uma avaliação comparativa com unidade inercial e smartphone Quatérnion representando a rotação fl exão e extensão do segmento coxa durante o agachamento medido pelo Xsens e Iphone FIGURA 3 Valores médios e desvio padrão DP índice de correlação cruzada R da relação dos quatérnions medidos no celular e na central inercial no teste do pêndulo simples TABELA 1 Correlação R Coefi ciente de Determinação R2 Variável Teste 1 Teste 2 Teste 3 MédiaDP MédiaDP Quatérnion x 0991 0996 0987 09910005 098000 Quatérnion y 0333 0548 0060 03140244 010006 Quatérnion z 0046 0068 0095 00690025 000000 Quatérnion w 0998 0998 0998 09980000 100000 Os valores estão apresentados por teste e valor médio Quatérnion x é a rotação em torno do eixo perpendicular a tela do celular Quatérnion y é o eixo transverso do celular Quatérnion z é o eixo sagital do celular Quatérnion w é a quantidade escalar de rotação do celular Valores médios e desvio padrão DP índice de correlação cruzada R da relação dos quatérnions e rotações medidos no celular e na central inercial no teste de agachamento simples TABELA 2 Índice de Correlação Cruzada R Coefi ciente de Determinação R2 Variável 1 2 3 4 5 MédiaDP MédiaDP Quatérnion x 051 055 051 052 055 053002 028000 Quatérnion y 033 043 060 054 060 050012 025001 Quatérnion z 098 099 098 099 098 098001 097000 Quatérnion w 098 099 098 099 098 098001 097000 Aduçãoabdução 050 051 055 057 055 054003 029000 Rotação internaexterna 044 053 049 065 045 051009 026001 Flexãoextensão 095 097 095 099 094 096002 092000 Os valores estão apresentados por teste 1 a 5 e valor médio Quatérnion x é a rotação em torno do eixo perpendicular a tela do celular Quatérnion y é o eixo transverso do celular Quatérnion z é o eixo sagital do celular Quatérnion w é a quantidade escalar de rotação do celular 434 Rev Bras Educ Fís Esporte São Paulo 2020 JulSet34342936 Antonio BA et al Este estudo comparou as medidas de quatérnion de sistema de captura de movimento baseado em sensores inerciais e as medidas de quatérnion de um smartphone durante o movimento de agachamento Para mostrar a possibilidade de tal equivalência a primeira comparação foi feita em sistema de rotação controlada que é o pêndulo simples Em seguida fi zemos a comparação das mesmas medidas durante o movimento de agachamento Nas duas condições encontramos alta semelhança de medidas de rotação que foi descrita pela análise dos quatérnions Estes resultados indicam que é possível usar um smartphone para avaliar a orientação e rotação do corpo durante a prática de atividade física Os acelerômetros são transdutores projetados para medir deformações de um sistema massamola que são usadas para identifi car a aceleração desse sistema5 Os acelerômetros podem unidirecionais e os mais típicos medem os componentes da aceleração em três eixos ortogonais14 Os acelerômetros são usados como sensores de movimento15 e de vibração Versões simples dos acelerômetros são usadas nos estudos epidemiológicos para avaliar o nível de prática de atividade física16 Para avaliar a cinemática do movimento humano os sistemas de captura de movimento convencionais são baseados em fi lmar o movimento com câmeras de vídeo ou com emissores eletromagnéticos Estes sistemas de cinemetria1 são robustos porém pouco versáteis Por essa razão cada vez mais é investido em instrumentação portátil ou vestível17 Em contra partida os dispositivos móveis permitem que esse tipo de ferramenta seja transferido para o contexto real O quatérnion é usado para estimar a rotação e orientação de um corpo rígido a partir de informações de sensores magnéticos campos de aceleração e giroscópio que são sensores mais comuns18 além de estar presente nos instrumentos selecionados e a componente que melhor responde as rotações investigadas No pêndulo simples a semelhança do padrão do quatérnion w do smartphone e a central inercial foi alta pois a correlação foi muito forte O pêndulo simples foi escolhido para teste devido à característica de movimento uniaxial o que permitiu controlar os movimentos propostos Inferese que ambas as ferramentas mensuram de forma equivalente o movimento proposto As rotações da perna durante o agachamento analisadas pelo sensor inercial e smartphone Discussão foram bastante semelhantes A correlação muito forte do quatérnion W remete a proximidade dos dados avaliados em movimentos dinâmicos Os sensores inerciais foram adequados para rastrear movimentos do quadril durante o andar embora tal aplicação possa ser estendida a outras atividades funcionais19 Em paralelo o smartphone pode auxiliar a compreender o fenômeno do movimento e seu padrão O monitoramento feito pelos sinais do smartphone foi capaz de acompanhar movimentos complexos e dinâmicos como o agachamento Este resultado potencializa a aplicação do smartphone para avaliar os movimentos do corpo humano em outras tarefas motoras como a locomoção Na avaliação da marcha a rotação dos membros inferiores pode ser obtida diretamente em sensores inerciais como o Xsens4 Além do nível de atividade física outras variáveis como postura e equilíbrio15 têm sido avaliadas por intermédio desses instrumentos O acelerômetro pode ser aplicado para diversos estudos incluindo balanço postural déficits de atividade da vida diária contagens de atividade física que inferem ao sedentarismo O smartphone pode estimar diferentes movimentos do corpo humano e permite realizar aplicações de monitoramento da atividade física para a saúde5 Para estimar as propriedades do movimento humano questionamentos como o posicionamento do aparelho também deve ser abordados O tipo de movimento físico identificável pelos sensores depende de como o smartphone é usado no corpo Ainda não está claro como os métodos de captura e rastreio do movimento precisam ser desenvolvidos para facilitar o monitoramento nãoinvasivo5 Benefícios do smartphone mostram resultados promissores e contempla um caminho para o rastreamento do movimento humano Avanços tecnológicos na acelerometria permitem recolher sinais e superar as limitações destes dispositivos móveis como tamanho resistência mecânica e transmissão de dados online Ferramentas potentes oferecem ganhos concomitante as dificuldades decorrentes à produção de dados complexos para os quais orientações metodológicas estão em falta20 logo esse avanço deve afrontar com respaldo científico a busca pela aplicabilidade de forma efetiva e sólida Prontamente a aplicação clínica desportiva recreativa necessita de análises adicionais para Rev Bras Educ Fís Esporte São Paulo 2020 JulSet34342936 435 Acelerômetro uma avaliação comparativa com unidade inercial e smartphone encontrar parâmetros e garantir o melhor desempenho do movimento4 O sensor de acelerômetro e giroscópio integrado ao smartphone apresenta semelhança signifi cativa com a central inercial O smartphone mostrou resultados muito semelhantes no balanço do pêndulo bem como os valores de fl exão e extensão do quadríceps femoral no agachamento indicando que ambos os sinais seguem o mesmo padrão de distribuição Novos experimentos devem explorar ensaios similares para padronizar a interpretação dos resultados disponíveis nos aplicativos Isso estimulará a discussão de prós e contras desses dispositivos em âmbito profi ssional científi co ou esportivo Abstract Using the accelerometer and gyroscope in motion monitoring a comparative evaluation through inertial unit and smartphone This study compares the acceleration measured by inertial sensors to monitor physical activity The aim of this study is to compare information about motion measured by inertial sensor Xsens system and by a smartphone Those two instruments measured the rotation of a simple pendulum and the thigh rotation during squats To compare the time series of rotation of both systems it was applied the cross correlation analysis To estimate rotation it was used the quaternion measurements of each system For the simple pendulum rotation described by quaternions of Xsens system and smartphone presented a very strong correlation with 98 of similarity For the squat the level of correlation was very strong showing 97 of similarity The accelerometer within the smartphone showed signals very similar to the signal measured by the inertial unit KEYWORDS Physical activity Biomechanics Motion analysis Quaternion Agradecimentos Laboratório de Biomecânica do Centro de Ciências da Saúde e do Esporte da Universidade do Estado de Santa Catarina Referências 1 Amadio AC Costa PHL Sacco ICN Serrão JC Araujo RC Duarte M Mochizuki L Introdução à análise do movimento humano descrição e aplicação dos métodos de medição Rev Bras Fisioter 1999324154 2 Cliff DP Reilly JJ Okely AD Methodological considerations in using accelerometers to assess habitual physical activity in children aged 05 years J Sci Med Sport 200912555767 3 Jeremy AP Amick RZ Th ummar T Rogers ME Validation of measures from the smartphonesway balance application a pilot study Int J Sports Phys Th er 201492135 4 Guo Y Zhao G Liu Q Mei Z Ivanov K Wang L Balance and knee extensibility evaluation of hemiplegic gait using an inertial body sensor network Biomed Eng Online 201312183 5 del Rosario MB Redmond SJ Lovell NH Tracking the evolution of smartphone sensing for monitoring human movement Sensors Switzerland 20151581890133 6 Jambersi AB Silva S da A sutileza dos quatérnions no movimento de rotação de corpos rígidos Rev Bras Ensino Física 2016382 7 Tannous H Istrate D BenlarbiDelai A Sarrazin J Gamet D Ho Ba Th o MC et al A new multisensor fusion scheme to improve the accuracy of knee fl exion kinematics for functional rehabilitation movements Sensors Switzerland 20161611 436 Rev Bras Educ Fís Esporte São Paulo 2020 JulSet34342936 Antonio BA et al 8 Pomares J Perea I Garca GJ Jara CA Corrales JA Torres F A multisensorial hybrid control for robotic manipulation in humanrobot workspaces Sensors 20111110983962 9 Especifi cação técnica iPhone 2016 p Disponível em httpssupportapplecomkbSP655 viewlocalept 10 Especifi cação técnica SensorLog 2016 p Disponível em httpsitunesapplecomgbappsensorlogid388014 11 Especifi cação técnica Xsens 2016 p Disponível em httpswwwxsenscom 12 SENIAM Programa de Saúde e Investigação de Saúde e Investigação Biomédica Internet SENIAM Projeto de padronização de eletromiografi a de superfície para a avaliação não invasiva dos músculos 2016 citedo 2016 Abr 25 p httpseniamorg Disponível em httpseniamorg 13 Statistics Corner a guide to appropriate use of correlation coeffi cient in medical research Malawi Med J 201224369 71 14 Vieira LP Experimentos com o acelerômetro de tablets e smartphones Dissertação Mestrado em Física Universidade Federal do Rio de Janeiro 2013 15 Teruya TT Matareli BM Romano FS Mochizuki L Th e eff ect of a silicone wristband in dynamic balance Percept Mot Skills 201311723537 16 Salvador EP Ribeiro EH Garcia LM Andrade DR Guimaraes VM Aoki MS et al Interventions for physical activity promotion applied to the primary healthcare settings for people living in regions of low socioeconomic level study protocol for a nonrandomized controlled trial Arch public Heal 20147218 17 Mancini M Salarian A CarlsonKuhta P Zampieri C King L Chiari L et al ISway a sensitive valid and reliable measure of postural control J Neuroeng Rehabi 20129159 18 Renaudin V Combettes C Magnetic acceleration fi elds and gyroscope quaternion MAGYQbased attitude estimation with smartphone sensors for indoor pedestrian navigation Sensors Switzerland 201414122286490 19 SaberSheikh K Bryant EC Glazzard C Hamel A Lee RYW Feasibility of using inertial sensors to assess human movement Man Th er 20101511225 20 Cain KL Sallis JF Conway TL Van Dyck D Calhoon L Using accelerometers in youth physical activity studies a review of methods J Phys Act Heal 20131043750 ENDEREÇO Beatriz de Araujo Antonio Escola de Artes Ciências e Humanidades Universidade de São Paulo Rua Arlindo Bettio 1000 03828000 São Paulo SP Brasil Email fi lipepitagorashotmailcom Submetido 16052017 Revisado 13112017 Aceito 01022018