4. Obiettivi e preparazione del test
4.2 Il sistema di acquisizione
Il sistema di acquisizione si compone di una parte software (Biograph Infiniti) e una parte hardware (encoder e sensori).
Biograph Infiniti
BioGraph infinity `e stato sviluppato dalla Thought Tecnolo- gy Ltd, un’azienda Canadese, e consente in primo luogo di fare una acquisizione dei parametri fisiologici ma anche di effettuare
4.2. IL SISTEMA DI ACQUISIZIONE 49
una rielaborazione dati dalla quale si possono estrarre indici di interesse per stimare il workload.
Questo programma funziona con un encoder, il ProComp Infini- ti. Questo strumento `e dotato di otto canali e pu`o lavorare in multimodalit`a. I primi due canali possono acquisire fino a 2048 Hz, mentre gli altri sei a 256 Hz. Questa frequenza di campiona- mento in realt`a `e molto alta per il presente lavoro: per non avere vettori di dati troppo lunghi, si `e deciso di esportare i risultati a 16 Hz.
I sensori che vengono collegati inviano all’encoder i segnali grezzi. Il ProComp Infiniti campiona i segnali in entrata, li digitalizza, li codifica1 e trasmette i dati campionati all’unit`a di interfaccia
TT USB. Un cavo a fibra ottica `e utilizzato per la trasmissione al TT USB, consentendo la massima libert`a di movimento, fedelt`a del segnale e isolamento elettrico. L’unit`a di interfaccia TT USB `e collegata a una porta usb del computer e ha lo scopo di riceve- re i dati provenienti dall’encoder in forma ottica e convertirli nel formato usb al fine di comunicare con il software. Nella figura 4.4 `e riportata la strumentazione utilizzata per l’acquisizione: in alto a sinistra, il cavo usb che connette il TT USB con il com- puter; in alto a destra l’encoder ProComp Infiniti a otto canali; in basso a sinistra il TT USB, in basso a destra la fibra ottica. Per questa tesi non sar`a necessario acquisire tutti i canali. In particolare sar`a sufficiente acquisire:
• il sensore BVP Flex/Pro (blood volume pulse). Esso manda degli infrarossi sulla superficie della pelle e misura l’ammon- tare di luce riflessa. Questa quantit`a varia in funzione del volume di sangue presente nella pelle. A ogni battito car- diaco, nella pelle `e presente una maggiore massa di sangue e quindi pi`u luce viene riflessa2. Al contrario, tra un bat-
tito e l’altro, la quantit`a di sangue diminuisce e pi`u luce viene assorbita. Questa misurazione `e una indicazione del- la attivit`a dei vasi sanguigni e dell’eccitazione del sistema simpatico3 .
L’unit`a di misura di questo segnale `e relativa: non ha una unit`a standard. Da questo segnale il software pu`o calcolare la frequenza cardiaca e l’intervallo di tempo tra i battiti.
1
Si chiama codifica l’operazione di formalizzazione e scrittura dell’infomazione su supporto fisico. [39]
2
Questo perch´e il sangue riflette la luce rossa e assorbe gli altri colori
3Il sistema simpatico agisce nelle situazioni di emergenza: prepara il corpo alle reazioni di fuga o di combattimento, e lo fa senza badare a spese. Quando `e in azione il sistema parasimpatico, invece, l’organismo si rilassa e accumula energia sotto forma di sostanze di riserva. [44]
50 CAPITOLO 4. OBIETTIVI E PREPARAZIONE DEL TEST
Figura 4.1: BVP Flex/Comp[36]
Questo sensore deve essere mantenuto premuto sulla super- ficie cutanea (con una fascetta ad esempio). Potrebbe essere necessario dover aggiustare la pressione sul dito finch´e non viene raggiunto il segnale di massima ampiezza. [35]
• il sensore Resp Flex/Pro (respirazione). Esso `e sensibile all’allungamento. Quando applicato al torace dell’utente, converte l’espansione e la contrazione della gabbia toracica in una crescita e diminuzione del segnale sullo schermo. Il segnale della respirazione `e una misura relativa dell’e- spansione del torace.
Il software non genera unit`a standard per la misurazione della respirazione.
Dal segnale grezzo, il software `e in grado di calcolare la fre- quenza respiratoria e la relativa ampiezza del respiro. Il sensore consiste principalmente in una lunga fascia a vel- cro che `e disposta attorno al torace dell’utente. Deve essere allacciato quando l’utente si trova in fase di completa espi- razione: non deve cio`e essere allentato quando l’utente ha espirato completamente. [35]
• il sensore SC Flex/Pro (conduttanza della pelle). Questo, misura la capacit`a della pelle a condurre elettricit`a. Una piccola tensione `e applicata tra due elettrodi, applicati a due dita della mano, al fine di stabilire un circuito elettrico di cui l’utente diventa il resistore. Viene misurata la varia- zione in tempo reale della conduttanza. Questo parametro rappresenta i cambiamenti nel sistema nervoso simpatico. Quando la persona diventa pi`u o meno affaticata, la con- duttanza aumenta o diminuisce proporzionalmente.
4.2. IL SISTEMA DI ACQUISIZIONE 51
Figura 4.2: BVP Flex/Comp [36]
La conduttanza si misura in Siemens.
Il sensore `e costituito da due fili. All’estremit`a di ogni fi- lo c’`e un elettrodo, contenuto dentro un velcro. In questo modo si possono mantenere in contatto gli elettrodi con la pelle. [35]
I dati provenienti da questi sensori servono a Biograph In- finiti per calcolare alcuni parametri per la stima del workload cognitivo. Essi sono:
• High and low frequency della HRV (heart rate variability). Si pu`o dimostrare che in condizioni di stress cognitivo, la componente di alta frequenza aumenta.[42] La componente di bassa frequenza `e invece il risultato di una complessa interazione del sistema nervoso simpatico e parasimpatico. [43]
• Rapporto LF/HF (low frequency/high frequency). `E il rap- porto tra le due grandezze del punto sopra. All’aumentare di questo parametro, che si pu`o ricavare dallo spettro della HRV [40], aumenta il carico cognitivo, come dimostra uno studio dal titolo “The effect of mental stress on heart rate variability and blood pressure during computer work”. [41]
52 CAPITOLO 4. OBIETTIVI E PREPARAZIONE DEL TEST
Figura 4.3: SC Flex/Pro [37]
4.2. IL SISTEMA DI ACQUISIZIONE 53
In Biograph Infiniti, il calcolo del rapporto LF/HF e della HRV avviene in automatico a partire dalla acquisizione dei sensori BVP e respirazione.
• Attivit`a elettrodermica (SCR). SCR `e acronimo di Skin Conductance Response. La conduttanza cutanea assume importanza dove si manifestano pericoli improvvisi. In al- tre parole, se il guidatore si trova in uno stato rilassato e improvvisamente accade qualche fenomeno che lo fa aller- tare (ad esempio un veicolo fermo appena dopo una curva cieca), il corpo umano reagisce variando la skin conductan- ce. Questo parametro `e quindi interessante per valutare se l’automobilista `e andato incontro a pericoli improvvisi. Questi ultimi provocano in ogni guidatore una reazione dif- ferente4 interessante da valutare perch´e definisce lo stile di
guida di ogni automobilista.
• Cardiac Autonomic Balance(CAB). `E la differenza tra HF (che fornisce un indice sufficientemente buono del controllo parasimpatico) e il pre-ejection period (che fornisce un in- dice sufficientemente puro del controllo simpatico) [46]. In altre parole si studia quale dei due sistemi prevale sull’al- tro5. [45]
Nel presente lavoro di tesi, poich´e non `e disponibile la mi- sura del pre-ejection period, si misura il controllo simpatico attraverso la BVP amplitude. La relazione per calcolare il CAB diventa quindi:
CAB= HF − BV P A (4.1)
• Cardiac Autonomic Regulation (CAR). `E la somma di HF e il pre-ejection period. [45] `E una stima del lavoro totale dei sistemi simpatico e parasimpatico. Come sopra, al posto di usare nella formula il pre-ejection period, si utilizza la BVPA:
CAR= HF + BV P A (4.2)
4
Come potuto appurare durante il seminario “Simulating real danger? Psychological factors in brake response time, in real-life and simulated driving”, tenuto presso il Politec- nico di Milano l’11 Febbraio 2016 dal docente dell’Universit`a Cattolica del Sacro Cuore Daniele Ruscio.
5
Il pre-ejection period corrisponde al tempo che il ventricolo impiega a raggiungere una pressione al suo interno sufficiente ad eguagliare e a superare la pressione esistente in aorta e a determinare quindi l’apertura della valvola aortica
54 CAPITOLO 4. OBIETTIVI E PREPARAZIONE DEL TEST
Figura 4.5: Valutazione della low frequency e della high frequency a partire dalla PSD della heart rate variability. [40]
Come conclusione di tutto ci`o emerge chiaramente che il fat- tore psicologico durante la guida `e molto importante e influenza moltissimo lo stile di guida. Meno scontato `e dire se il suggeri- mento istante per istante di uno stile di guida da imitare abbia ripercussioni sulla psicologia dell’individuo, in termini di stress. Questo sar`a discusso nei risultati della tesi.