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Algoritmo de segmentación para las fases de la prueba Timed Up and Go (TUG) considerando variables físicas de movimiento medidas a partir de sensores inerciales especializados.
(Universidad de Concepción, 2025) Quintana Órdenes, Ignacio Andrés; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
El presente estudio aborda la evaluación de la movilidad mediante el desarrollo y la validación de un algoritmo para la segmentación automática de las fases de la prueba Timed Up and Go (TUG). El objetivo general fue diseñar, implementar y validar un sistema basado en un único sensor de medición inercial (IMU) inalámbrico, ubicado en la región lumbar, capaz de cuantificar y analizar de manera precisa las sub-tareas de la prueba, superando las limitaciones del TUG tradicional basado en cronómetro. La metodología se basó en un estudio con una cohorte de 60 adultos jóvenes sanos (edad media 23.03±2.57 años). Se empleó un sensor IMU en la región L3-L4 para registrar la aceleración lineal, la velocidad angular y la orientación (mediante cuaterniones) a 100 Hz. Las señales crudas fueron sometidas a un preprocesamiento que incluyó filtrado de paso bajo y conversión de cuaterniones a ángulos de Euler para su análisis. El algoritmo de segmentación propuesto se fundamenta en la detección de características cinemáticas clave en las señales de inclinación (Pitch) y rotación (Yaw) del tronco para identificar con alta precisión las transiciones entre las fases de sentado a de pie, caminata, giro y de pie a sentado. A partir de la segmentación, se extrajo un conjunto de parámetros biomecánicos para cada fase. El análisis estadístico de estos parámetros permitió establecer rangos normativos (media ±2 DE) para la cohorte, proporcionando una base cuantitativa para la caracterización de la "normalidad" del movimiento en adultos jóvenes. La conclusión principal de este trabajo es que la metodología de TUG instrumentado (iTUG) aquí presentada constituye una herramienta válida, precisa y objetiva. Supera las limitaciones del TUG tradicional al ofrecer un análisis granular y detallado del rendimiento motor, lo que representa un avance significativo con un alto potencial para enriquecer la práctica clínica en la evaluación de la movilidad, el diseño de rehabilitaciones personalizadas y la prevención de caídas.
Análisis de datos de aceleración y ángulo en exámenes de la prueba time up and go para la identificación de patrones de movimiento.
(Universidad de Concepción, 2024) Alvarado Zárate, Diego Antonio; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
Este documento presenta un estudio sobre la evaluación del movimiento humano utilizando una Unidad de Medición Inercial. El estudio incluye la recopilación de datos de participantes, el procesamiento de señales y un análisis exhaustivo de los resultados. Se destaca la importancia de mantener la calidad de la señal y considerar factores ergonómicos para garantizar resultados precisos. En cuanto a los hallazgos, se observa una inclinación durante el giro en individuos sanos, sugiriendo posibles ajustes posturales. Además, se propone un clasificador Support Vector Machine (SVM) para tareas de clasificación binaria, con un rendimiento del 92.31%. Las conclusiones señalan la necesidad de investigar más a fondo la inclinación durante el giro, especialmente en relación con adultos mayores, y sugieren considerar variables demográficas y ergonómicas en futuras investigaciones. Se resalta la importancia de un enfoque integral al evaluar la prueba Time Up and Go (TUG), teniendo en cuenta tanto aspectos cuantitativos como cualitativos del movimiento. El trabajo futuro propone investigar las causas de la inclinación, optimizar la calidad de la señal, evaluar el impacto de variables demográficas y condiciones de superficie, y realizar un estudio detallado de la inclinación en la prueba TUG. Este enfoque integral busca mejorar la comprensión de los patrones de movimiento y su relevancia en diferentes contextos.
Análisis e interpretabilidad de imágenes en seguridad laboral mediante machine learning.
(Universidad de Concepción, 2025) Ansorena Carrasco, Jaime Ignacio; Pinacho Davidson, Pedro Pablo; utiérrez Gómez, Fernando Andree Tercero; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
Esta memoria de título presenta el diseño e implementación de una prueba de concepto para el monitoreo automatizado del cumplimiento de normativas de seguridad laboral. La solución combina detección visual con YOLOv11 para identificar personas y elementos de protección personal, interpretación contextual mediante modelos multimodales de lenguaje (MLLM) y un componente de Retrieval-Augmented Generation (RAG) que fundamenta las evaluaciones en documentación técnica y normativa. El prototipo fue validado en un entorno industrial real, con participación de distintos profesionales del área. Los resultados indican que la detección alcanzó un mAP50 de 0.775. La evaluación cualitativa de las salidas de los modelos de lenguaje mostró excelentes criterios de coherencia e integridad, mientras que la justificación y relevancia fueron levemente inferiores. Pese a estas restricciones, los resultados evidencian que la interpretación contextual y la generación de alertas aportan valor operativo para la supervisión y la reducción de incidentes.
Análisis y detección de fatiga muscular con electromiografía de superficie en sujetos en ambiente laboral.
(Universidad de Concepción, 2023) Olarte Mora, Maria Fernanda; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
La fatiga muscular es una sensación de cansancio extremo, tanto físico como mental, que se experimenta durante un trabajo prolongado o intenso. Esta fatiga puede ser causada por diversas razones, como posturas incómodas, esfuerzos continuos y repetidos, sobrecarga de trabajo, movimientos repetitivos y el ambiente físico del trabajo. Estos factores generan tensión constante en los músculos y articulaciones, así como la falta de descanso y recuperación muscular. Para abordar la detección de contracciones y niveles de fatiga muscular, se desarrolló un algoritmo que utiliza la Transformada en Tiempo Corto de Fourier como herramienta matemática principal. Esta técnica permite analizar el comportamiento de la Frecuencia Mediana de la señal en el tiempo, ya que su disminución indica la presencia de fatiga muscular. El algoritmo utiliza un ajuste de regresión lineal para observar la tendencia de la señal a lo largo del tiempo y determinar diferentes niveles de fatiga muscular basados en los porcentajes de disminución. Los resultados del algoritmo se presentan en una Interfaz Gráfica de Usuario, donde se visualizan indicadores como la cantidad de contracciones, la señal preprocesada, la Frecuencia Mediana de la señal y los tiempos en los que se detectan los niveles de fatiga muscular. El algoritmo se aplicó a un grupo de 30 personas sanas que realizaron dos tipos de ejercicios: contracciones isométricas y contracciones dinámicas. Los resultados obtenidos se evaluaron mediante análisis estadísticos, como el Test de Friedman y análisis de precisión y sensibilidad. Estos análisis demostraron que el algoritmo tiene un desempeño prometedor en la detección de fatiga muscular utilizando señales de electromiografía (EMG). Se observaron diferencias significativas en la detección de contracciones entre los ejercicios isométricos y dinámicos, lo que indica la capacidad del algoritmo para adaptarse a diferentes tipos de ejercicio. Además, se encontró una concordancia sustancial entre la fatiga detectada y percibida en los ejercicios dinámicos, lo que sugiere una mayor precisión en la detección de fatiga en ese tipo de ejercicios. Sin embargo, se identificaron algunas limitaciones, como las discrepancias en la detección de contracciones dinámicas y las variaciones en la precisión y sensibilidad en cada nivel de fatiga. Estas limitaciones podrían considerarse en futuras mejoras del algoritmo y en el diseño de nuevas investigaciones en el campo de la detección de fatiga muscular.
Caracterización automatizada de marcha utilizando medición de presiones plantares.
(Universidad de Concepción, 2020) Osorio Lepez, Rodrigo Andrés; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban; Ortega Bastidas, Paulina Cecilia
Este trabajo propone la investigación y análisis de marcha humana, desde un punto de estudio de la interacción dinámica de la interfaz pie-suelo. Para ello, se plantea como objetivo general desarrollar e implementar un sistema para la caracterización y el análisis automático de marcha humana en ambientes controlados, mediante un sistema podobarométrico portable en base a sensores capacitivos. Se desarrolló un sistema de medición de presiones plantares portátil tipo plantilla sensorizada, y el análisis automatizado de señales de presión obtenidas con el sistema descrito mediante la implementación de Módulos Ocultos de Márkov (HMM), para segmentación de fases de marcha. Tras la realización de pruebas en sujetos, se obtuvo un perfil de marcha (cadencia, tiempo y porcentaje de tiempo de fases de marcha, y posición y velocidad de Centro de Presión (COP)). Se obtuvo una relación porcentual entre fase de apoyo y balanceo 58.9/41.4 y una cadencia promedio de 116±3.6 pasos/minuto. Ambos resultados dentro de la normalidad registrada en la literatura. Utilizando posición y velocidad de COP, se implementó una HMM y se consiguió la segmentación en 5 estados para cada ciclo de marcha. De 29 pasos registrados, se observan artefactos de segmentación en 3 pasos; es decir, se logró una correcta segmentación de subfases en el 90% de los pasos detectados. Se espera que esta investigación siente las bases para el desarrollo de un sistema de utilidad clínica para el estudio de patologías asociadas a la marcha y la planificación de tratamientos de rehabilitación de marcha humana.
Desarrollo de estrategias de cuantificación del equilibrio estático utilizando algoritmos basados en sensores inerciales.
(Universidad de Concepción, 2026) Inostroza Paillalef, Paula Bellanira; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
El equilibrio postural permite a las personas mantener la estabilidad al realizar actividades diarias, como caminar, estar de pie o girar. Su deterioro, ya sea por el envejecimiento o por afecciones neuromusculares, aumenta el riesgo de caídas, lo que representa una preocupación significativa a nivel mundial, debido al aumento de la población mayor de 60 años. Esto evidencia la necesidad de métodos precisos y accesibles para evaluar el equilibrio y diseñar intervenciones preventivas. Actualmente, las evaluaciones tradicionales del equilibrio se basan en pruebas clínicas y en sistemas de medición de movimiento, los cuales pueden ser costosos y requieren equipamiento especializado, lo que limita su uso en entornos clínicos y de investigación. Como alternativa, las unidades de medición inercial (IMU) han surgido como una solución más accesible y portátil para evaluar la estabilidad postural mediante métricas cuantitativas. Sin embargo, aunque su uso está en expansión, su implementación aún no se ha generalizado, ya que su validez y fiabilidad frente a los sistemas tradicionales no se encuentran completamente establecidas. En este trabajo se desarrolló, implementó y validó un sistema completo para la evaluación cuantitativa del equilibrio estático, basado en el uso de dos sensores inerciales ubicados en la región lumbar y en el tronco. El sistema integra adquisición de señales, procesamiento, extracción automática de métricas cinemáticas, dinámicas y espaciales, selección de variables relevantes mediante un ranking multicriterio y una interfaz gráfica orientada al despliegue de resultados. La validación del sistema se realizó mediante la comparación con un sistema de captura de movimiento (OptiTrack®), utilizando el protocolo m-CTSIB como marco experimental. Los resultados obtenidos demostraron que las métricas espaciales de oscilación postural calculadas son sensibles a los cambios en la demanda sensorial y presentan una alta concordancia entre sistemas de medición, especialmente para las componentes lineales. Estos hallazgos respaldan el uso del sistema como una herramienta válida y funcional para la evaluación objetiva del equilibrio postural. Esta investigación tiene el potencial de contribuir significativamente a la mejora del diagnóstico y tratamiento de trastornos del equilibrio, permitiendo intervenciones más efectivas y accesibles tanto en Chile como internacionalmente.
Desarrollo de sistema para medir el retardo electromecánico (EMD) del bíceps en rehabilitación.
(Universidad de Concepción, 2025) Lagos Noa, Nicolás Gustavo; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban; Muñoz Bustos, Mario Eugenio
El estudio del retardo electromecánico (EMD) en rehabilitación y medicina deportiva es esencial para mejorar la efectividad de la terapia y el rendimiento atlético. El EMD representa una demora en la respuesta de un sistema electromecánico a una señal eléctrica de entrada, afectando diversos aspectos como la inercia mecánica y el procesamiento de señales. Para abordar este fenómeno, se emplean técnicas de filtrado, modelado matemático, simulación, métodos experimentales y control adaptativo. En la actualidad, optar por estas tecnologías supone un amplio gasto tanto en lo económico como en lo computacional, debido a que las técnicas para medir este fenómeno requieren el uso de equipos específicos y de alto costo, necesarios para obtener las señales de la mejor calidad posible. Además, para un estudio más completo, es necesario medir otros parámetros que requieren equipos aún más especializados. El uso de herramientas avanzadas y tecnologías inalámbricas ha ampliado las posibilidades de aplicación en entornos clínicos y deportivos. Para este proyecto, se utilizaron sensores económicos pero funcionales para medir señales de electromiografía (EMG) y señales de mecanomiografía (MMG) para la captura de la actividad muscular. Además, se empleó el software MATLAB para el procesamiento de señales fisiológicas y un microcontrolador Arduino para la adquisición de datos en tiempo real. Para la medición de las señales de EMD, se tomaron muestras a sujetos jóvenes deportistas, lo que permitió obtener datos representativos de individuos en óptimas condiciones físicas. Varios factores, como la edad, el nivel de condición física, el historial de lesiones, el tono muscular, la composición corporal y el nivel de fatiga, influyen en la medición y adquisición de señales de EMD. Es crucial considerar estas variables para obtener mediciones precisas y representativas del EMD.
Desarrollo de sistema para medir y ajustar la presión de las telas sobre la piel en personas que han sufrido quemaduras.
(Universidad de Concepción, 2026) Moraga Ramírez, Valeria Constanza; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
Las quemaduras graves representan un desafío significativo para la salud a nivel mundial, en términos de discapacidad motora y además estético, por lo que prevenir la aparición de cicatrices hipertróficas y favorecer una cicatrización adecuada es primordial. Hoy en día existen diversos tratamientos que tienen esto como objetivo, donde se destaca la terapia de compresión por sus beneficios tanto en la mejora de las características fisiológicas y estéticas de las cicatrices, como en el manejo del dolor. No obstante, la presión ejercida por las prendas no suele medirse directamente, sino que se estima un valor ideal de acuerdo con lo visual y sensación del paciente, esto principalmente por la falta de sistemas de medición para este propósito. Por esto, se plantea el desarrollo de un sistema usando sensores, que permita medir con precisión la presión ejercida por las telas sobre la piel, facilitando así al personal médico la evaluación de la efectividad del tratamiento. Dado que este trabajo se enfoca en el tratamiento con cicatrices, se realiza una búsqueda de sensores que posean alta sensibilidad y adaptabilidad, especialmente en condiciones húmedas, y que puedan ser utilizados en esta área delicada. En primera instancia se diseña un prototipo usando sensores capacitivos para monitorear la presión, donde los se concluye que la relación capacitancia vs. presión difiere de lo esperado, presentando valores superiores a los en la literatura. Esto se atribuye al diseño y configuración de los sensores, y a la conductividad de la piel en contacto directo con este. Por esto, y a partir de la revisión bibliográfica, se reformula el sistema de monitoreo utilizando medición de presión neumática mediante una compresa de aire. Esto también permite explorar la condición de ajuste manual de presión, como una propuesta de aumento de compresión provisoria en el tratamiento. La calibración muestra una relación lineal entre la presión teórica y la medida, junto con una adecuada precisión y estabilidad temporal. Las pruebas realizadas evidencian que la anatomía de la mano influye en la variabilidad de las mediciones, siendo mayor en zonas palmares complejas y menor en superficies más planas. Del mismo modo, el ajuste de presión entre 20 a 25 mmHg también se consiguió, donde en las 4 zonas medidas las pendientes registradas en el minuto de medición post intervención no son significativas, y según el análisis estadístico presenta características asociadas a una distribución normal. En conjunto, los resultados confirman que la medición neumática y ajuste constituye una alternativa viable y confiable para cuantificar objetivamente la presión ejercida por prendas compresivas.
Desarrollo de un sistema de detección de anomalías operacionales en procesos industriales basados en sensores IoT.
(Universidad de Concepción, 2022) Barraza Riquelme, Moisés Alejandro; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
El trabajo desarrollado en esta memoria presenta un estudio del arte actual de las tecnologías IoT con fines industriales, se discuten sus capacidades, beneficios y desafíos que se presentan a la hora de abrir el camino a la revolución de la Industria 4.0. Se propone la identificación del estado de salud de motores eléctricos a partir del análisis de sus vibraciones de operación. Para esto se desarrolla un sistema electrónico embebido, compuesto principalmente por un microprocesador y un sensor inercial, capaz de conectarse a una red inalámbrica por la cual poder enviar un mensaje de alerta en el caso de que se compruebe, por medio de su vibración, que un motor eléctrico está operando fuera de las condiciones esperadas. El trabajo involucra el diseño de una red inalámbrica de características industriales, el diseño y desarrollo de una placa electrónica capaz de funcionar por sí sola, y el software necesario para el control del hardware, el análisis de la vibración y la determinación de fallas operacionales. Se desarrollan dos algoritmos de identificación de fallas que se ejecutan en el microprocesador del dispositivo embebido, los cuales por medio de operaciones matemáticas realizadas en una ventana de muestras de acelerómetro pueden describir el comportamiento de las vibraciones en el dominio del tiempo y en el de la frecuencia. Finalmente comparan estos resultados con parámetros de referencia y envía un mensaje de alerta en caso de haber diferencias relevantes.
Desarrollo de un sistema wearable para la detección de estrés mediante aprendizaje automático basado en ritmo cardiaco.
(Universidad de Concepción, 2021) Navarro Cermenati, Andrés Jacobo; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban; Morales Montecinos, Aníbal
El estrés es un mecanismo natural de los seres vivos para abordar situaciones peligrosas, específicamente en el ser humano es la reacción del cuerpo a un desafío o momento demandante tanto físico como mental. Si esta condición se mantiene por tiempos prolongados se transforma en un estrés crónico que puede generar problemas graves en la salud de las personas. Actualmente es uno de los principales problemas laborales en Chile. Durante el año 2016 el 21% de las licencias médicas aprobadas se asociaban a enfermedades mentales ubicándose en el primer puesto, de las cuales un 20,7% corresponde a estrés, 45% a episodios depresivos y 24,9% a otros trastornos de ansiedad, mientras que para el año 2019 la cantidad de licencias médicas aprobadas asociadas a enfermedades mentales subió a un 24,3%. El estrés genera problema físicos, psicológicos y conductuales y en casos muy extremos la muerte de la persona. Actualmente para poder medir el estrés existen principalmente tres métodos a nivel mundial; el primer método es por cuestionarios o encuestas, el segundo método se basa en la medición de cortisol salival y el tercer método es por medición de variables fisiológicas. Esta tesis realiza una investigación relacionada con el tercer método de medición y tiene como principal objetivo desarrollar un sistema wearable que, mediante la medición de variables fisiológicas como ritmo cardiaco (H.R) y herramientas de aprendizaje automático, permita detectar estrés en personas. Se desarrolla un dispositivo weareable el cual mide temperatura y Heart Rate. Este último se mide en base a ECG, el cual es obtenido mediante electrodos textiles. Para la creación de los electrodos textiles se estudia los diseños existentes tanto comerciales como de laboratorio y se determina su posición y formato más idónea para la obtención de ECG. Debido a la pandemia generada por la enfermedad del coronavirus 2019 (COVID 19), en primera instancia, se obtiene una base de datos previamente etiquetada desde PhysioNet (“Non-EEG Dataset for Assessment of Neurological Status”), cuyos datos fueron analizados mediante estadísticas descriptivas para determinar cómo las variables afecta al sistema, para luego realizar un análisis de relación entre variables donde se observa que existe una concentración de datos relacionados a Delta Heath Rate y que la temperatura no afecta mayormente en la clasificación de estados de estrés y relajo. Debido a lo antes expuesto, y según lo observado en el estado del arte, se determina que los mejores modelos a utilizar corresponden a aquellos de clasificación binaria, específicamente los clasificadores KNN (K-Nearest Neighbor), Support Vector Machine y Naive Bayes. Posteriormente, en base a la cantidad de datos contenidos de la base de datos, se define utilizar 16 personas (80%) como entrenamiento y verificación del modelo y 4 personas (20%) para pruebas del estado de estrés en dichas personas. Los principales resultados indican que el mejor clasificador corresponde a KNN cuando se utilizan todas las variables consideradas y Delta Heart Rate, con un exactitud (accuracy) promedio de 68.5% y 70.5% respectivamente y F1, variable que combina las medidas de precisión y exhaustividad en un solo valor, de 73.47% y 70.74% respectivamente. Un buen desempeño en ambas métricas permite asegurar un resultado exacto, preciso y exhaustivo, evitando posibles resultados engañoso al considerar solo una la exactitud. Estos resultados pueden mejorar si, en la base de datos utilizada, se incorporarán una mayor cantidad de personas sanas y personas que padecen de estrés crónico, ya que así el modelo podría reconocer de mejor manera los estados de estrés y relajo.
Desarrollo de una herramienta informática para medición de equilibrio estático con sensores inerciales.
(Universidad de Concepción, 2021) Pinto Delgado, Daniela Constanza; Godoy del Campo, Julio Erasmo; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
El equilibrio es la capacidad de mantener el cuerpo erguido en actividades que requieren o no desplazamiento para prevenir caídas. Por esto, el equilibrio es una compleja integración y coordinación de los sistemas vestibular, visual y somatosensorial. Así, medir el equilibrio sirve para diagnosticar de manera temprana si existen trastornos o enfermedades que lo alteren, y prevenir caídas que podrían provocar la muerte. Este proyecto de tesis propone realizar una investigación referente al estudio del equilibrio. El proyecto incluye la implementación de una herramienta con un sensor inercial que ayude al personal clínico a facilitar la medición del equilibrio en el paciente. Este sistema es portable, inalámbrico y cómodo, ya que calcula automáticamente medidas para cuantificar el equilibrio e incluye algoritmos de aprendizaje automático para caracterizar el equilibrio y lograr un mejor diagnóstico y rehabilitación para el paciente. Los resultados de las pruebas en 34 sujetos (25 sanos y 9 no sanos) muestran que utilizando las medidas propuestas se logra correlación con la Escala de Balance de Berg, la cual se encuentra validada para medir el equilibrio en personas sanas y no sanas. Además, con un clasificador basado en un árbol de decisión, con criterio de Entropía y splitter Best, se logra un 97.22% de precisión clasificando sujetos sanos y no sanos.
Desarrollo e implementación de una estrategia para la evaluación automática del riesgo de caídas en personas usando sensores inerciales.
(Universidad de Concepción, 2021) Gómez Arias, Britam Arom; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
Este trabajo presenta una investigación referente a la identificación y el análisis automático del movimiento humano mientras se realizan evaluaciones clínicas sensorizadas para determinar el riesgo de caídas en población objetivo. El proyecto incluye la implementación de un sistema de medición con una Unidad de Medición Inercial bajo las características propias de un sistema “wereable”: portable, autónomo, inalámbrico y ergonómico, y el posterior procesamiento para la identificación de las actividades realizadas durante la aplicación del “Timed Up & Go Test” de 3–metros y su versión extendida (6–metros). Con esto, se propone un análisis automático para la extracción de los índices y/o características correspondientes que caracterizan el movimiento humano durante el “Timed Up & Go Test” y la marcha usando el Test de 10 metros como referencia para su versión extendida y, de esta manera, otorgar una evaluación automática y específica del riesgo de caídas usando algoritmos de aprendizaje automático. Los resultados obtenidos en cuanto a la identificación del riesgo en cada una de las actividades observadas durante la realización del “Timed Up & Go Test” van de bien a excelente, con un “Recall” (sujetos con riesgo de caídas respecto al total de sujetos con riesgo) de un 88.46 % en las fases de pararse y del primer giro, hasta un 100 % en las fases del primer giro y en la marcha del “Timed Up & Go Test” no extendido, comprobando que mediante el uso de una Unidad de Medición Inercial ubicada en la espalda y algoritmos de aprendizaje automático se puede determinar el riesgo de caídas en sujetos durante el “Timed Up & Go Test” y su versión extendida, no solo de manera global, sino también de manera específica al segmentar las actividades realizadas durante su ejecución. Esta tesis contribuye a la investigación y desarrollo de sistemas para el análisis y monito reo clínico del movimiento humano, centrándose en el reconocimiento automático de actividad humana y en la extracción de índices que caracterizan el riesgo de caídas.
Development of ferroelectric nanocomposite for capacitive pressure sensors.
(Universidad de Concepción, 2021) Vennu, Divya; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban; Mangalaraja, Ramalinga Viswanathan
The demand of flexible electronic devices led the scientific community to develop novel electroactive materials for various sensing devices to realize them in the potential applications in health monitoring, robotics, electronic skin and diagnostics. Especially, monitoring the human activities using integrated sensors are dedicated to non/invasive measurements such as pressure and force are seen in dielectric and piezoelectric applications. Currently, capacitive sensors with various dielectric materials with high sensitivity are realized as low power electronics devices in prosthetics, humanoids, structural health monitoring, biomedical and planter pressure monitoring in neurogenerative pathology applications. Materials for the capacitive sensors generally consist of electroactive polymers and ceramics as dielectric layer. Polymers which are flexible, robust are widely used and have low dielectric properties. On the other hand, ceramic having high dielectric properties are restricted its widespread usage due to brittle/rigid in nature. Currently, polymer nanocomposite with synergetic properties of polymer matrix and ceramic fillers are realized for capacitive pressure sensors. The present work is intended to develop a polymer-ZnO based nanocomposite and to fabricate a flexible capacitive pressure sensor. Zinc oxide nanostructures modified with graphene greatly influenced the crystallinity and showed strong interaction with polyvinyldine fluoride matrix. Frequency dependent dielectric studies suggests the PVDF-ZnO-Gr nanocomposite shows the higher permittivity (~30 at 100 Hz) than PVDF-ZnO (~20 at 100Hz) nanocomposite. The electromechanical performance was investigated by measuring the change in capacitance response under various load conditions. The capacitive pressure sensing response is considerably higher than that of the pristine PVDF-based device. The significant change in capacitance upon load is observed by the induced electrical potential due to displacement of electrodes and change in spacing between the fillers in the polymer matrix.
Diseño de equipo de estimulación eléctrica para tratamiento del bruxismo nocturno.
(Universidad de Concepción, 2013) López Valenzuela, Roberto Sebastián; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
El BN es un trastorno de movimientos estereotipados y periódicos que se caracteriza por un excesivo apretamiento y/o rechinamiento de los dientes mientras la persona se encuentra durmiendo. Las consecuencias a corto plazo conllevan fatiga y dolor de los músculos elevadores mandibulares debido al aumento de la actividad de estos, cansancio general, cefalea, mala calidad de sueño, dolores de oído y dolores musculares en el cuello. Los efectos a largo plazo provocan desgaste dental severo pudiendo llegar a fractura de los dientes, daños importantes en el periodonto y también en la articulación temporo-mandibular (ATM). En este documento se presenta la implementación del prototipo de un equipo de estimulación eléctrica dirigida al tratamiento para el bruxismo nocturno (BN). El objetivo del trabajo consistió en el diseño de un equipo que detecte los eventos de BN mientras la persona se encuentra durmiendo y genere el reflejo mentoniano mediante estimulación eléctrica para disminuir la actividad electromiográfica (EMG) de los músculos elevadores mandibulares. El equipo se basó en el registro del EMG del músculo temporal anterior izquierdo (TaI) mediante electrodos de superficie para detectar el bruxismo mientras la persona duerme. Para detectar los eventos de BN fue necesario implementar un algoritmo de detección de bruxismo en el equipo. Este se basó en la detección de la señal EMG integrada (EMGint) mediante un umbral al 25% de la máxima contracción voluntaria (MCV), y posteriormente se evalúa la integral acumulada de la señal en una ventana de 0.52[s] para corroborar si el evento corresponde a BN. Se realizaron distintas pruebas para ajustar los parámetros que utiliza el equipo. Dentro de las 520 pruebas se realizó una validación del uso de la señal EMG como indicador del nivel de fuerza de mordida. La fuerza de mordida fue medida con un sensor de fuerza que se desarrolló previamente. De esta manera, la señal EMG y la fuerza de mordida fueron registradas utilizando el equipo Biopac MP35. Posteriormente, se realizó una prueba para evaluar la actividad EMG que generan diferentes tipos de actividades que se realizan cuando una persona se encuentra durmiendo, y así compararlas con la actividad EMG que genera un evento de BN. Las actividades que se consideraron fueron: mover la boca, mover la mandíbula, tragar saliva, realizar una mordida a MCV, apretar los ojos y por último, no realizar ningún movimiento. Adicionalmente, se realizó una prueba en la cual se probaron distintos niveles de estimulación eléctrica, en un sujeto bruxista, para determinar en cual nivel se generaba un mayor efecto de disminución de la actividad EMG.
Diseño de teclado computacional capacitivo para personas con limitaciones motoras
(Universidad de Concepción, 2016) Ulloa Chandía, Marco Alejandro; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
En este trabajo se presenta lo que son los sensores capacitivos de proximidad y las utilidades que han tenido sobre todo en el campo biomédico. Además se muestran las necesidades que presentan los pacientes con dificultad motora (la cual es producida principalmente por lesiones medulares), la importancia de estimularles en la rehabilitación y ayudarles en el uso de la tecnología. Por esta razón en este trabajo se mencionan los pasos seguidos para conseguir un modelo funcional de un teclado capacitivo, el cual se activa con el tacto y tiene como finalidad ayudar a las personas con dificultad motora a utilizar de manera más fácil un computador. El teclado consta de una placa en PCB sobre la cual se crearon seis electrodos con los que se detecta el tacto de los dedos a través de una lámina de plástico. Debido a las características del paciente objetivo el tamaño de los electrodos es de 20 centímetros cuadrados. El dispositivo se creó para funcionar de tres formas diferentes: la primera es emular las teclas direccionales de un teclado convencional junto con su tecla “Enter”, la segunda es controlar el funcionamiento del “mouse” donde se pueden hacer desplazamientos en cuatro direcciones y realizar “clics” con el botón izquierdo del mismo, finalmente en la tercera forma de funcionar se puede escribir tocando cada botón por un determinado tiempo hasta que aparezca la letra del abecedario que se desee, además están presentes las teclas borrar, “Enter” y espacio. El teclado posee tres LED que se encargan de indicar que funcionalidad está activa. Para crear las funcionalidades descritas se implementó un programa en Arduino, el que se probó en una tarjeta de desarrollo modelo Leonardo. En esta tarjeta se usaron librerías que permitieron simular un “mouse” y un teclado además de otra librería que le permitió actuar como sensor capacitivo. Una vez creado el dispositivo, se realizaron pruebas en personas sanas a las cuales se les pidió evaluar el desempeño del teclado. Como resultado un 80% de las personas pudo realizar todo lo que deseaba en el computador, mientras que un 80% de ellos lo considera útil al punto de recomendarlo para este tipo de pacientes. El 10% reconoció dificultades en su uso principalmente por ser más engorroso que un teclado común.
Diseño e implementación de una prótesis mioeléctrica de mano con manipuladores intercambiables energizados mediante enlaces inductivos resonantes.
(Universidad de Concepción, 2020) Germany Morrison, Enrique Ignacio; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
El desarrollo de prótesis de miembro superior ha sido fuertemente impactado por los desarrollos tecnológicos en los últimos años, generando significativos avances no solo en materialidad, resistencia y apariencia, sino que también en su usabilidad, control y destreza. Este trabajo de tesis considera aportes de investigación en 3 aspectos relevantes para el desarrollo de prótesis mioeléctricas que impactan el grado de destreza y usabilidad de este tipo de dispositivos. En primer lugar, se conceptualizan y desarrollan sistemas de energización inalámbrica basadas en enlaces inductivos para transferir energía entre el soquete y manipulador, incluyendo sistemas de control de energización que permiten optimizar la transferencia de energía. Segundo, se proponen y desarrollan manipuladores simples, con baja cantidad de grados de libertad, pero intercambiables de forma rápida y sencilla, controlables mediante señales de electromiografía. Para lo anterior, se realizan pruebas del sistema con voluntarios amputados. Tercero, se realizan aportes en conceptualización diseño y caracterización de sensores táctiles mediante sensores capacitivos. Los resultados muestran que los manipuladores se anclan mecánicamente al soquete y se energizan de forma inalámbrica mediante enlaces inductivos resonantes alcanzando eficiencias de transmisión de energía del 69% (incluyendo pérdidas en sistema inversor y etapa de rectificación). La prótesis desarrollada cuenta con tres variantes de manipuladores, los cuales se energizan de forma inductiva e intercambian información de control mediante enlace Bluetooth. Se validan de forma satisfactoria los sistemas de control y energización del dispositivo mediante pruebas de control y destreza a través de la “Prueba de Caja y Cubos”.
Diseño y pruebas de un dispositivo para generar movimiento de mano pléjica mediante estimulación eléctrica en pacientes secuelados de ACV
(Universidad de Concepción, 2017) Salazar Valenzuela, Nicole Salomé; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
En este trabajo se investiga el accidente cerebrovascular y su incidencia hoy en Chile y en el mundo. Se da a conocer la enfermedad y sus clasificaciones, sus factores de riesgo y secuelas. De aquí nace la inquietud de la rehabilitación de aquellas personas secueladas de un accidente cerebrovascular, específicamente en aquellas secueladas de espasticidad. Se estudia la plasticidad del cerebro y su influencia en la rehabilitación. Se revisan los métodos de rehabilitación. La rehabilitación del accidente cerebrovascular busca incorporar al paciente nuevamente en su vida. En Chile se hace una rehabilitación basada en sesiones con terapeutas según la etapa del ictus. En el mundo algunos centros hospitalarios cuentan con tecnologías para tratar o asistir al miembro superior. Algunas de estas tecnologías utilizan la electroestimulación para disminuir la espasticidad, aumentar el rango de movimiento de las articulaciones, mejorar la circulación sanguínea y recuperar el movimiento del miembro superior. Se presentan los diferentes tipos de estimulación eléctrica y su efecto en el cuerpo enfatizando en la estimulación eléctrica funcional y en la terapia eléctrica funcional. Se observan las formas de aplicación y su efecto en la contracción muscular. Parámetros utilizados en la rehabilitación y lugares en que se aplica dependiendo del objetivo de la terapia. También se revisan los criterios de inclusión y de exclusión y se propone un protocolo a seguir en la realización de este procedimiento. Finalmente se realizaron pruebas en una persona sana y en un paciente secuelado con hemiplejia espástica del miembro superior tras un ACV. Las pruebas con la persona sana se realizaron con el objetivo de probar el funcionamiento del sistema configurado en Matlab Simulink e interfaz con equipo RehaMove 2 (Hasomed). Para ajustar los parámetros de estimulación, tiempos de estimulación, configuración de una serie de ejercicios y ubicación correcta de los electrodos. Las pruebas con paciente secuelado se realizaron para comprobar el funcionamiento del sistema obteniendo los resultados esperados de movimientos de apertura y cierre de la mano con el objetivo de manipular objetos.
Estimación del largo del paso con un sensor inercial lumbar considerando un modelo biomecánico inspirado en un doble péndulo invertido, inclinaciones de la pelvis y asimetría en la marcha.
(Universidad de Concepción, 2026) Pinto Delgado, Daniela Constanza; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
La medición precisa de la marcha fuera de laboratorios enfrenta limitaciones críticas, ya que los modelos inerciales actuales suelen fallar al asumir simetría en poblaciones patológicas. Esta tesis propone y valida un nuevo modelo biomecánico basado en el doble péndulo invertido que, mediante un único sensor lumbar, integra explícitamente la rotación pélvica para estimar el largo del paso en condiciones de asimetría. La validación experimental, realizada en adultos sanos y pacientes con Enfermedad de Parkinson comparada con sistemas optoelectrónicos, demostró una alta precisión global con un sesgo sistemático (bias) de apenas -0,016 m. El modelo alcanzó una Mediana del Error Absoluto (MdAE) de 0,049 m en sujetos sanos y demostró una robustez superior en el grupo con Parkinson, manteniendo el error en 0,050 m, superando la estabilidad de modelos basados en aprendizaje automático. Adicionalmente, se desarrolló el Índice de Asimetría Pélvica Funcional (IAPF) para cuantificar la calidad del control motor. Este indicador logró diferenciar numéricamente la dinámica saludable (mediana IAPF > 3,6) de la restricción de movimiento patológico (mediana IAPF < 2,8), detectando deterioros funcionales de forma numérica. Finalmente, esta tesis presenta una solución portátil y robusta para el análisis de la marcha mediante un sensor inercial, considerando que la integración de la asimetría pélvica es un factor crítico a evaluar para lograr estimaciones confiables en marchas patológicas y típicas. Por lo tanto, el modelo propuesto no solo garantiza precisión métrica en presencia de restricción biomecánica, sino que establece un nuevo análisis funcional, demostrando que, al respetar la complejidad anatómica de la marcha, se logran resultados más consistentes y clínicamente viables en la realidad.
Estrategias de control de energización de implantes médicos mediante enlaces inductivos
(Universidad de Concepción, 2017) Saavedra Rodríguez, Francisco Andrés; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
Los enlaces inductivos se caracterizan por ser sensibles a cambios de acoplamiento entre bobinas y cambios de consumo energético propios del funcionamiento de un dispositivo electrónico. Eso hace que mantener el voltaje de energización estable sea un reto. Actualmente, los métodos de regulación se basan en el uso de reguladores lineales de tensión, los cuales tienen la desventaja de disipar la energía que no se está utilizando en forma de calor. El aumento de temperatura en un dispositivo electrónico común generalmente no es crítico y se pueden implementar sistemas que permitan disipar ese calor. Sin embargo, cuando hablamos de dispositivos médicos implantados un aumento de la temperatura puede causar daños permanentes en los tejidos circundantes al implante, y por lo tanto, afecta a la seguridad del paciente. En este trabajo se probó y validó una estrategia de control que permiten controlar el voltaje de energización de dispositivos médicos implantados, utilizando un enlace inductivo topología serie-paralelo frente a cambios de acoplamiento y cambios de consumo. A diferencia de las estrategias propuestas a la fecha, la que se presenta en este trabajo permite hacer un control desde el circuito primario del enlace inductivo, es decir, desde la parte externa del dispositivo implantado. Esto permite eliminar cualquier sistema de regulación en el implante, haciendo que sea más confiable, más pequeño y se disminuyan las fuentes de disipación de calor. Se probó el concepto emulando un dispositivo implantado que tiene un consumo de 83.3 mW en reposo y 166,7 mW en funcionamiento. Mediante la estrategia propuesta se logró regular el voltaje de energización de 5V a una distancia máxima de 3 cm. Se evaluó el impacto que tiene la estrategia de control en la disipación de energía cuando se utiliza un regulador de voltaje, donde se disminuyó el aumento de temperatura desde 25ºC a 3ºC.
Estrategias de control de enlaces inductivos para energizar dispositivos biomédicos implantables.
(Universidad de Concepción, 2013) Sáez Leiva, Marcial Gabriel; Aqueveque Navarro, Pablo Esteban
En este informe se presenta la evaluación de técnicas de control para sistemas de transferencia inalámbrica de energía mediante enlace inductivo, para energizar dispositivos biomédicos implantables. Se hace una revisión del marco teórico de los enlaces inductivos, y de los sistemas de control usados a lo largo del tiempo. Se compara el método del control por voltaje, usado en las últimas publicaciones presentes en la literatura, con el control por frecuencia, que ha sido planteado de forma teórica. Se presentan las etapas principales de un enlace inductivo, y se explican las ventajas y desventajas tanto del sistema de control por voltaje como el sistema de control por frecuencia, demostrándose que el control por voltaje es el más apropiado para esta clase de aplicaciones por su rango de operación, alta eficiencia, y facilidad de implementación. Finalmente, se implementa un sistema de control por voltaje, mediante un algoritmo de lógica difusa, que otorga nuevas ventajas en la implementación, ya que no requiere de un modelo matemático de la planta usada, simplificando su aplicación, y convirtiéndolo en un sistema robusto al tolerar sin problemas entradas de realimentación con ruido.

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