Diseño de un sistema de adquisición de datos
para el monitoreo del equilibrio del casco
equino durante la locomoción
Design of a data acquisition system for monitoring equine hoof balance during
locomotion
Cánepa, Paula Analía
#1
, Chilo, Juan Manuel
#2
, De Palma, Viviana Edith
#3
#
Catedra de Semiología. Departamento de Ciencias Preclínicas. Facultad de Ciencias Veterinarias.
Universidad Nacional de La Plata, Argentina
1 pcanepa@fcv.unlp.edu.ar
2 jchilo@fcv.unlp.edu.ar
3 vdepalma@fcv.unlp.edu.ar
Resumen— El presente trabajo describe una solución de
bajo costo basada en un sistema de adquisición de datos ad
hoc, para el monitoreo del equilibrio del casco equino durante
la locomoción con fines diagnósticos. El hardware integró un
conjunto compuesto por un sensor MPU6050, un procesador
ESP32, un módulo de lectura de tarjetas SD y una fuente de
alimentación con su correspondiente módulo de carga.
Además, se desarrolló una interfaz de aplicación para la
interacción del usuario con el sistema y se presenta una
solución para la representación de datos en entornos abiertos.
Tras su implementación, los resultados demostraron que el
sistema es eficiente al proporcionar un registro de datos en
tiempo real de la mecánica de la marcha, de igual modo que la
obtenida con dispositivos de mayor sofisticación.
Palabras clave: Equinos. Cinemática. Equilibrio del Casco.
Sistema de adquisición de datos.
Abstract— This work describes a low-cost solution based on
an ad hoc data acquisition system, for monitoring the balance
of the equine hoof during locomotion. The hardware
integrated an MPU6050 sensor, an ESP32 processor, an SD
card reading module and a battery with its charging module.
Also, a website was developed for interaction with the system
and a solution for data analysis and representation in open
environments is presented. After implementation, the results
demonstrated that the system is efficient in providing a real-
time data record of gait mechanics, in the same way as that
obtained with more sophisticated devices.
Keywords: Equine. Kinematic. Hoof balance. Data acquisition
system.
I. INTRODUCCIÓN
Los estudios cinemáticos actuales, requieren de
instrumentos de medición sensibles, con bajo sesgo de
subjetividad que permitan el registro y seguimiento de
cambios dinámicos asociados a diversos factores tales como,
superficie de pista, aire y sentido de la marcha, técnica de
herrado impuesta, tipo de herradura aplicada, entre otros,
con el objeto de reducir la prevalencia y los factores de
riesgo asociados al desarrollo de lesiones
musculoesqueléticas en equinos.
A nivel mundial, el avance de las tecnologías de detección,
los sistemas integrados, las tecnologías de comunicación
inalámbrica y las nanotecnologías, han creado un entorno
favorable para el desarrollo de sistemas inteligentes que
permitan monitorear diferentes eventos de la marcha equina
facilitando de este modo la detección precoz de enfermedad.
Sin embargo, dentro del ámbito regional, el diseño e
implementación de tecnología portátil como metodología
complementaria para la detección temprana de lesiones
musculoesqueléticas en equinos, no ha mostrado el
crecimiento esperado conforme al progreso global.
En este trabajo se explora el diseño e implementación de
un sistema de adquisición de datos ad hoc, de bajo costo,
mediante el empleo de tecnología y herramientas open
source y de software libre para su uso potencial en la
detección de anormalidades en los patrones de la marcha
equina. El propósito se centró en diseñar un sistema capaz
de registrar variables que permitieran explorar el equilibrio
dinámico del casco equino, antes y después de la aplicación
de un protocolo de recorte y herrado de rutina a cargo de un
herrador profesional.
Los análisis biomecánicos de este tipo permiten una mejor
comprensión de la función de los cascos y una base racional
y objetiva para comparar la eficacia de los protocolos de
recorte y herrado instaurados, entendiendo que un equilibrio
deficiente de los cascos se asocia con una mayor
predisposición al desarrollo de claudicación. El sistema se
diseñó para registrar la magnitud de velocidad angular de
rotación alrededor del eje dorsopalmar (eje x: balanceo), eje
lateromedial (eje y: cabeceo), y eje vertical (eje z: guiñada)
de los cascos a la marcha de siete equinos. Los datos
proporcionados en bruto por el sensor fueron recopilados
por el microcontrolador para procesarlos y analizarlos.
Una vez procesados, dado la capacidad de transmisión
inalámbrica del dispositivo, la disponibilidad de los mismos
se logró mediante el acceso a un sitio web diseñado para tal
fin. A su vez, los datos fueron guardados y almacenados en
una tarjeta SD permitiendo al usuario efectuar análisis
prospectivos o retrospectivos de los datos adquiridos.
Los resultados obtenidos han demostrado que el sistema
diseñado constituye una herramienta objetiva, sensible y
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Recibido: 27/03/24; Aceptado: 22/05/24
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.8.1.188.2024
Original Article
eficaz para monitorear del equilibrio vertical, longitudinal y
lateral experimentado por los cascos antes y después de la
intervención del herrador.
II. DESCRIPCIÓN METODOLÓGICA
El hardware del sistema constó de una unidad de medición
inercial MPU6050 como único componente de detección,
con el objeto de obtener lecturas de salida en términos de
aceleración y velocidad angular del casco de siete caballos
adultos, durante la marcha al paso sobre una superficie de
pista estandarizada; un procesador ESP32, para programar
la lógica del desarrollo; un módulo de lectura de tarjeta SD
y una fuente de alimentación con su correspondiente
módulo de carga.
La programación de la lógica de adquisición, se realizó
en el entorno de desarrollo integrado (IDE) de Arduino
®
,
dado que, al constituir una plataforma de código abierto, se
encuentran disponibles múltiples librerías de código
reutilizable permitiendo establecer la comunicación I2C
entre el sensor y la placa de desarrollo, codificar el intervalo
de tiempo deseado para la obtención de lecturas de salida,
efectuar tareas de inicialización, calibrado y filtrado de
datos crudos, aplicar técnicas de fusión e integración de los
mismos a partir de filtros digitales y, efectivizar la
comunicación con los restantes componentes del hardware,
estableciendo las vías para la transferencia y
almacenamiento de los mismos.
Con el objeto de presentar la información de forma clara
al usuario, se diseñó una interfaz de aplicación como vía de
acceso para la interacción y monitoreo del sistema. Se
utilizó el estándar inalámbrico IEEE 802.11 [1] para la
comunicación entre el usuario y el software del sistema,
dada la capacidad Wi-Fi integrada de la placa de desarrollo
escogida. De este modo, el usuario fue capaz de acceder a la
consola de mandos, realizar diferentes acciones tales como,
inicializar o detener la grabación de datos, escoger la
carpeta en que serán almacenados los mismos, definir el
tiempo de grabación o de registro entre datos, reiniciar el
sensor, verificar el porcentaje de batería restante del
dispositivo y visualizar los datos al tiempo que éstos son
adquiridos. A su vez, el empleo de una tarjeta SD permitió
almacenar los datos del sensor para ser importados a una
plataforma abierta de representación y análisis.
Previo a su implementación, siete caballos adultos fueron
mantenidos dentro de un programa de medicina preventiva
que además incluía un protocolo de recorte y herrado
periódico (c/ 6 semanas) de sus cascos con herradura de
hierro convencional, a cargo de un herrador experimentado.
El protocolo experimental fue revisado y aprobado por el
Comité de Uso y Cuidado de Animales de la Facultad de
Ciencias Veterinarias de la Universidad de la Plata.
Para efectuar la instrumentación de los mismos, el
dispositivo se montó sobre una cincha la cual se le colocó a
cada caballo y, el sensor se fijó a la línea media de la pared
dorsal del casco de la extremidad a ser censada. La marcha
se examinó de forma subjetiva por personal veterinario con
el objeto de descartar la presencia de claudicación. Luego,
los caballos fueron conducidos a una velocidad constante
(1.35 m/s) durante 15 s, sobre una distancia de 25 m lineales
de asfalto, antes y después de la intervención del herrador.
Por cada animal, se registraron un total de 618 a 644
datos/ medición, correspondientes a 8 - 9 ciclos locomotores.
Las magnitudes de aceleración y de velocidad angular
generadas a partir de la articulación interfalángica distal en
función del tiempo, se almacenaron en archivos de texto
para su importación a un software libre de representación.
Para simplificar cuestiones de software, se seleccionó la
plataforma MegaLogViewer HD Lite 4.5.07
®
de EFI
Analytics, dada su capacidad de admitir registros de datos
en diversos formatos. Una vez importados los datos a la
plataforma, se obtuvieron de forma inmediata valores
medios, lecturas mínimas, máximas y valores delta de cada
conjunto, permitiendo a su vez, la visualización de los
mismos mediante gráficos de líneas, diagramas de
dispersión e histogramas.
Luego, las magnitudes de velocidad angular de rotación
media para el cabeceo, balanceo y guiñada registradas de
los cascos antes y después de la intervención del herrador,
se analizaron estadísticamente a los fines de determinar
cambios significativos en el equilibrio vertical, longitudinal
y lateral de los cascos y su correlación con la práctica
instaurada por el herrador. Para ello, se seleccionó el
software estadístico XLSTAT para Microsoft Excel
®
.
1) Recolección de Datos
Los indicadores cinemáticos se obtuvieron sobre cada eje
ortogonal, tomando como punto de referencia la articulación
interfalángica distal del miembro censado. La magnitud de
aceleración en el plano sagital sobre el eje X, se consideró
la distancia angular completa entre el movimiento de
flexión (breakover point- retracción) y de dorsiflexión
(protracción- contacto- apoyo propiamente dicho, apoyo
medio) de la articulación interfalángica distal del pie. Los
movimientos hacia abajo (área de la curva sinusoidal
negativa) y hacia arriba (área de la curva sinusoidal positiva)
en relación al plano horizontal registrados por el
acelerómetro en el eje Y, representaron el inicio (retracción
del miembro) y el final (protracción del miembro) de las
fases de elevación y avance de cada zancada,
respectivamente. Mientras sobre el eje Z, (movimientos
laterales y mediales respecto al plano vertical) se estimaron
durante la permanencia del pie en apoyo.
El giróscopo midió la velocidad angular de rotación del
casco alrededor del eje dorsopalmar (eje x: balanceo), eje
lateromedial (eje y: cabeceo), y eje vertical (eje z: guiñada).
La duración relativa a cada periodo y fase del ciclo
locomotor comprendió el séptimo indicador.
La escala de medición implementada para la cinemática
angular, fue de intervalo, de acuerdo con el siguiente rango:
grados de rotación por segundo [°/ s], la magnitud temporal
fue establecida en milisegundos [ms] y, la magnitud de
aceleración en [G]. Los datos obtenidos se almacenaron en
archivos de texto de manera secuencial, registrando el valor
de cada variable junto con el momento exacto de su
medición.
2) Representación de Datos
Los datos en archivos de texto fueron importados a un
software libre para su visualización.
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El comportamiento de las magnitudes temporales se
representó en [ms] como se muestra en la Tabla 1. Los
resultados obtenidos han mostrado concordancia con los
valores de oscilación total reportados en el año 2013 por
Moorman et. al. [2].
Estructurar la información obtenida de este modo permitió
examinar el sincronismo en tiempo y en espacio entre las
fases de apoyo y de elevación de cada ciclo de la marcha del
grupo instrumentado, aportando solidez a la valoración
subjetiva previamente efectuada por personal veterinario.
Tabla 1.- Magnitudes temporales obtenidas de la población en
estudio.
Luego de verificar en la población bajo estudio, el
sincronismo de su marcha, la velocidad angular de rotación
media para el cabeceo, balanceo y guiñada del casco, se
analizó mediante dos ensayos. El primer ensayo se realizó
antes de efectuar el recorte y herrado del casco y, el
segundo, inmediatamente después de efectuadas las
prácticas de acondicionamiento. Esta valoración se realizó
a los fines de determinar el grado de equilibrio vertical,
longitudinal y lateral experimentado por el pie en apoyo,
durante el transcurso ambos ensayos.
Morfológicamente, se considera que un pie se encuentra
balanceado o en equilibrio, cuando el ángulo de la pared
dorsal del casco es equivalente al ángulo del talón y al eje
medio sagital de la segunda falange (eje cuartilla),
manteniendo la misma altura a nivel de las caras medial y
lateral del talón [3]. Desde la óptica del análisis cinemático,
el equilibrio del casco se establece en base a los momentos
generados alrededor de los tres ejes ortogonales del pie y,
refiere tanto a la forma geométrica del mismo, como a la
manera en la que éste y la extremidad, interactúan con la
superficie de contacto [4], de modo de distribuir las cargas
de manera uniforme.
Estudios anteriores han sugerido que la aplicación a los
cascos de herraduras de hierro, tiende a provocar un
aumento de la guiñada del casco en dirección lateral durante
el apoyo de la marcha [3].
Medición
Magnitud
media
Primer
-0,28
Ensayo
-1,00
0,99
Segundo
Giro z [°/s]
0,26
Ensayo
Giro x [°/s]
-0,01
Giro y [°/s]
2,09
Tabla 2.- Comportamiento medio de las magnitudes de velocidad
angular registradas durante los apoyos de los ensayos realizados.
Como se representa en el segundo ensayo de la Tabla 2,
las magnitudes medias para el balanceo y giñada del casco
registradas luego del recorte y herrado, fueron cercanas a
0 °/s, indicando el grado de estabilidad lateral y vertical
lograda. La magnitud media rotacional registrada alrededor
del eje Y fue positiva (2,09 °/s), explicando que, durante
esta fase, el pie incrementó su inclinación hacia su aspecto
más palmar, por ende, el acondicionamiento efectuado
aumentó la superficie de contacto sobre dicha región.
Si bien, los resultados se muestran congruentes con las
afirmaciones de Keegan et al. en 2006 [3], la magnitud
media de inclinación registrada sobre el eje Y constituye el
dato más relevante dado que, este hecho se considera
favorable para la correcta distribución de las fuerzas
biomecánicas generadas durante el movimiento [5], [6]. En
este sentido, las prácticas de recorte y herrado han mostrado
tener un efecto inmediato sobre el equilibrio y la estabilidad
del casco durante la fase de apoyo [7].
En contraposición, las mediciones efectuadas previamente
al recorte y herrado de los cascos reflejaron una
disminución del contacto sobre la región palmar, dado que
la magnitud media rotacional alrededor del eje Y registrada
fue significativamente menor (0,99 °/s). La distribución de
la carga durante el apoyo tendió a ocupar el aspecto medial
del pie, registrando magnitudes rotacionales de -1,00 °/s
alrededor del eje X y de -0.28 °/s, alrededor del eje Z, como
se muestra en el primer ensayo de la Tabla 2.
La velocidad angular de rotación media para el cabeceo,
balanceo y guiñada de los cascos antes y después de la
intervención del herrador, se analizó estadísticamente a los
fines de determinar cambios significativos en el grado de
equilibrio vertical, longitudinal y lateral experimentado por
los cascos y su asociación a la práctica instaurada. El nivel
de significancia (p) se fijó en 0.05, con un intervalo de
confianza del 95%.
En congruencia con los datos reportados por Keegan et al.
en al año 2006 [3], el aumento de la guiñada y la
disminución del balanceo del casco registrado luego de su
recorte y herrado, fueron estadísticamente significativas en
comparación con los valores previos al acondicionamiento
del casco (p= 0.03). La correlación entre los eventos
registrados y las practicas instauradas fue significativa
(coeficiente de correlación de Pearson = 0.97).
III. CONCLUSIONES
Las técnicas basadas en el empleo de sensores inerciales
han incrementado su popularidad como herramienta para la
Parámetro temporal
Promedio
valor medio apoyo [ms]
734
valor máximo [ms]
805
valor mínimo [ms]
637
valor medio elevación
[ms]
735
valor máximo [ms]
806
valor mínimo [ms]
637
Ciclo locomotor [s]
1.47
valor máximo [s]
1.61
valor mínimo [s]
1.27
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evaluación objetiva de la locomoción en equinos [8]. Sin
embargo, aún en la actualidad existen muy pocas compañías
dedicadas a su fabricación y, acceder a los dispositivos
comerciales junto al software de representación y licencia
de uso asociada, implica para el usuario, un alto costo
económico en términos de adquisición y mantenimiento.
En este trabajo se presentó el estudio y desarrollo de un
sistema portátil ad hoc, de bajo costo económico y bajo
consumo para ser implementado como herramienta
complementaria a la práctica clínica equina. Los resultados
obtenidos han demostrado un rendimiento prometedor para
el uso de esta herramienta en relación con el papel de la
Industria 4.0 (en términos de automatización en tecnologías
de detección).
AGRADECIMIENTOS
Los autores deseamos agradecer a los ingenieros Marcos
Gadze y Martín Rodolfo Chilo por la asistencia técnica
recibida en el marco de este desarrollo.
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