EDUARDO CESAR
El software analiza los movimientos de los jugadores del GuaraníEDUARDO CESAREl objetivo del sistema Dvideow –Digital Video for Biomechanics, creado por el profesor de educación física Ricardo Machado Leite de Barros, coordinador del Laboratorio de Instrumentación Biomecánica (LIB) de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), es analizar el movimiento humano a partir de imágenes de video y servir como herramienta para los profesionales que trabajan con actividades físicas, deportes o rehabilitación motora. El Dvideow fue proyectado para su uso en diferentes aplicaciones.
Cuatro de éstas ya han sido desarrolladas: el análisis de la marcha (o caminada) y de los movimientos respiratorios, el rastreo automático de los jugadores de fútbol y la reconstrucción de las superficies del cuerpo humano. “Procuramos desarrollar un sistema abierto y estructurado, con un gran potencial de difusión”, afirma Ricardo Barros. Dicho sistema se compone de un software desarrollado en la Unicamp, seis cámaras de video digital y seis computadoras del tipo PC.
El análisis biomecánico permite, en el contexto de la rehabilitación motriz, la cuantificación de las alteraciones en los patrones normales de los movimientos, como por ejemplo, la capacidad de flexionar la rodilla o mover los brazos durante la marcha. De esta manera es posible evaluar la evolución de los procesos de recuperación en personas que sufrieron accidentes, en los portadores de parálisis o en aquéllos que utilizan prótesis. Cuando se lo aplica al deporte, el análisis biomecánico ayuda a evaluar el desempeño de los atletas, auxiliando en la prevención de lesiones resultantes de la sobrecarga, amén de comparar los métodos de enseñanza de una determinada técnica deportiva y evaluar equipamientos deportivos. La metodología también puede usarse para evaluar grados de habilidad o destreza en estudios ergonómicos.
Pese a no ser un sistema totalmente inédito, el Dvideow presenta varias novedades con relación al que ya existe en el mercado. La primera de éstas es precisamente su flexibilidad, toda vez que diferentes tipos de aplicaciones pueden desarrollarse con el mismo software. Otra diferencia, que también se configura como una ventaja, es el hecho de que este sistema se basa imtegralmente en el vídeo.
Análisis de la marcha
Al contrario que otros sistemas, el Dvideow no trabaja con cámaras infrarrojas, en las cuales los marcadores activos de diodos emisores de luz (LEDs), sujetos en el cuerpo de la persona, emiten la luz infrarroja registrada por las cámaras. “Esto impide el desarrollo de un aplicativo para seguir a los jugadores de fútbol, por ejemplo”, explica el investigador. En cada una del las aplicaciones fueron desarrolladas herramientas específicas e innovadoras. En el aplicativo para el análisis de la marcha, por ejemplo, se montó un modelo para monitorear el cuerpo humano por entero y no solamente los miembros inferiores.
El análisis de la marcha será probablemente el principal aplicativo utilizado del sistema. Esta metodología plantea efectuar la descripción y la cuantificación de los movimientos de los miembros inferiores y demás partes del cuerpo de una persona mientras ésta camina. Para tal fin, se fijan decenas de marcadores retroreflectivos en puntos previamente definidos, que permiten la identificación de los diversos segmentos óseos (brazos, antebrazos, muslos, rodillas, etc.). Las seis cámaras son calibradas y la persona que lleva los marcadores en el cuerpo se desplaza frente a éstas. Las imágenes son trasmitidas a las computadoras y la posición de cada marcador es medida automáticamente. Con base en la posición de esos marcadores, se calculan los ángulos entre los segmentos del cuerpo, las rotaciones, las distancias recorridas y las velocidades de movimiento.
La metodología de análisis de marcha es actualmente utilizada por varios laboratorios de recuperación motora en Brasil, como el de la Asociación de Asistencia al Niño Deficiente (AACD) de São Paulo. Dicha entidad ayuda a los profesionales a decidir qué tipo de intervención se debe hacer en cada paciente. “La diferencia del Dvideow con relación al utilizado por AACD reside en que nuestro sistema utiliza un registro de imagen, y el de ellos se basa en la luz infrarroja”, dice el investigador. “El sistema utilizado en esa entidad facilita la medición automática del movimiento, pero no suministra la información visual”.
La desventaja de no contar con la imagen reside en que el equipo de evaluación se queda sin un parámetro cualitativo (visual) del movimiento que acompañe al cuantitativo. “Muchas veces, el registro visual suministra informaciones importantes para el médico. Algunas características no comprendidas en el gráfico pueden ser el resultado del movimiento de un brazo, por ejemplo. Y eso solamente se notará en un sistema que monitoree las extremidades superiores y trabaje con imágenes, tal como es el caso del nuestro”, explica Barros. Otra ventaja del Dvideow es su bajo costo. “El sistema de AACD cuesta alrededor de 300 mil dólares, mientras que el nuestro no superó los 50 mil reales”, afirma el investigador.
Jugadores de fútbol
El Dvideow también puede usarse para seguir y analizar el movimiento de los jugadores durante un partido de fútbol. Para hacer posible el desarrollo de esta metodología, el investigador concretó un acuerdo hace dos años con el club de fútbol Guaraní, de Campinas. Cuatro cámaras fueron dispuestas en el estadio de la institución en los días de cotejo, para la captación de las imágenes, que luego fueron exhaustivamente estudiadas. “Grabamos varios juegos y ahora, con el sistema ya finalizado, pretendemos suministrarle informaciones al entrenador y al equipo de preparación física del Guaraní o de otros cuadros interesados”.
La idea de este aplicativo consiste en lograr identificar automáticamente la posición de todos los atletas durante el juego, confeccionando un mapa de la trayectoria que cada uno de éstos recorre durante los 90 minutos de juego. Para que esto sea posible, cada jugador es identificado por el operador del sistema en una imagen inicial, y a partir de allí, los atletas son seguidos automáticamente en las alrededor de 40 mil imágenes registradas en cada cámara. Cuando ocurren situaciones en las cuales el sistema puede confundirse en la identificación de los atletas – por ejemplo, en una aglomeración de jugadores en el área chica -, un operador verifica se no se produjeron fallas de identificación. Una vez captadas las imágenes, éstas son procesadas y transformadas en gráficos, con los cuales se efectúa una especie de inventario sobre el comportamiento de los jugador en la cancha.
La primer ventaja de esta metodología es la posibilidad de evaluar variables relacionadas con el estado físico de los jugadores durante el partido. “Podremos saber qué distancia recorrió cada atleta, cuál fue la velocidad promedio de sus desplazamientos y cuál fue el porcentaje de tiempo durante el cual el mismo permaneció estático, corrió o alcanzó picos de velocidad”, afirma Barros. Estas informaciones son útiles para los profesionales encargados de la preparación y la planificación de las actividades físicas del plantel, y además ayudan en la elaboración del esquema táctico. “El sistema efectúa una especie de fotografía del juego, a una velocidad de siete cuadros y medio por segundo. Con ello disponemos de la evolución del esquema táctico del equipo”, dice el investigador.
Movimientos respiratorios
El tercer aplicativo del sistema se refiere al análisis de los movimientos respiratorios. Para tal fin, son colocados marcadores retroflectivos en el tronco de la persona y se efectúa la captura de imágenes por medio de cuatro cámaras. El método más común para evaluar la capacidad respiratoria es la espirometría, que trabaja con el volumen de gases intrcambiados entre el individuo y una máquina, en este caso un espirómetro. La metodología del Dvideow representa un avance con relación a esa técnica, pues además de evaluar la capacidad respiratoria, también es capaz de identificar cuáles compartimientos del tórax y del abdomen son más utilizados en el movimiento respiratorio. De esta manera es posible verificar las alteraciones funcionales inducidas por los ejercicios físicos, patologías o accidentes.
“Pretendemos identificar de qué modo la actividad física altera los patrones o las maneras de respirar”, dice Barros. De acuerdo con el investigador, un estudio realizado con este sistema mostró que las personas que practicaban yoga durante mucho tiempo pasan a tener un determinado tipo de respiración diferente que el de las personas sedentarias. “El sistema mostró un cambio de patrón. La primera alteración que se notó fue la disminución de la frecuencia respiratoria, tendiente a una respiración más profunda, más amplia. Ese aspecto podría detectarse con otras metodologías, pero lo más interesante fue observar que en las personas que practicaban yoga existe un trabajo más acentuado de la región abdominal en comparación con la región torácica”.
Reconstrucción de superficies
El último aplicativo del Dvideow se destina a la reconstrucción tridimensional y al análisis de superficies del cuerpo humano. Esto es importante para la confección de asientos ortopédicos anatómicos o hormas de calzados, por ejemplo. La técnica utilizada es la proyección de luz sobre el cuerpo. “La ventaja de esta técnica consiste en que no utilizamos marcadores fijados en el individuo, pues éstos se limitan a algunas decenas. Utilizamos un proyector de diapositivas que emite luz con un patrón de centenas de puntos, que cubren a la persona”, explica Barros. “Con base en la imagen captada por las cámaras, reconstruimos cada uno de esos puntos, en una densidad de uno o dos puntos por centímetro cuadrado, formando una especie de mapa topográfico tridimensional de la región estudiada”.
La industria de calzados utiliza actualmente una técnica similar, con equipamientos de barredura de láser, para crear modelos de zapatos. “La desventaja de esta técnica reside en que la pierna de la persona permanece inmobilizada, mientras que un lector óptico reconstruye la superficie del pie”, explica el investigador. Con el Dvideow es posible también analizar movimientos. “En el caso de los calzados, pretendemos observar la deformación del pie durante la marcha, cuando el mismo sufre deformaciones que muchas veces no son respetadas por el zapato”.
Doctorado alemán
El sistema Dvideow nació durante el doctorado realizado por el investigador en el Instituto de Biomecánica de la Universidad de Deportes de la ciudad de Colonia, Alemania, en 1997. “Al regresar a Brasil, me traje un prototipo del sistema, que todavía funcionaba con cámaras analógicas y microcomputadoras 486. Posteriormente nos asociamos al Instituto de Computación de la Unicamp, en particular con los profesores Neucimar Leite y Ricardo Anido, y parte del sistema fue desarrollado durante el doctorado del alumno Pascual Figueroa.
El siguiente paso fue hacer que el sistema pasase a la interfaz Windows, que es más amigable, e introducir algunas técnicas y teorías matemáticas más avanzadas, aplicadas al procesamiento de imágenes”, comenta Barros. “Pero con el apoyo financiero de la FAPESP logramos migrar hacia una tecnología más eficiente, en este caso la digital, tanto para las cámaras como para el análisis de las grabaciones”. El proyecto contó también con la participación de René Brenzikofer y Euclydes Custódio Lima Filho, profesores del Laboratorio de Biomecánica de la Unicamp, éste último fallecido en mayo de este año.
Según Ricardo Barros, el sistema, pese a su enorme potencial comercial, fue proyectado y desarrollado para la investigación. “Inicialmente nuestro objetivo se vinculaba a la demanda del Laboratorio de Instrumentación Biomecánica, que necesitaba un sistema de análisis como éste”. En un segundo momento, el profesor colocó el Dvideow a disposición gratis para otras instituciones de investigación, tales como el Departamento de Educación Física de la Unesp de Río Claro. “No tenemos todavía ninguna perspectiva comercial, ya que nuestra finalidad principal es efectivamente la investigación. Pero estamos abiertos, si hubiera interés por parte de alguna empresa que desee comercializarlo”.
El Proyecto
Desarrollo de un Sistema para el Análisis Biomecánico de los Movimientos Humanos
Modalidad
Línea Regular de Auxilio a la Investigación
Coordinador
Ricardo Machado Leite de Barros – Facultad de Educación Física – Unicamp
Inversión
R$ 70.647,50
