Stato dell’arte delle Tecniche di Analisi della Postura e del Movimento

Stato dell’arte delle Tecniche di Analisi della

Postura e del Movimento

1.1 Introduzione

Postura e Movimento sono termini di largo utilizzo che hanno moltissime implicazioni sul piano della salute, culturale e sociale. Il movimento richiede al nostro corpo di risolvere in ogni istante un problema di equilibrio dinamico dove i sistemi nervoso, muscolare e scheletrico si integrano alla perfezione. Ogni alterazione in questi sistemi, con l’età o la patologia, porta ad una limitazione funzionale che può essere rilevata e quantificata con tecniche strumentali. La conoscenza dei meccanismi di controllo coinvolti nei processi posturali e motori, formalizzata attraverso modelli matematici, può fare luce sulle cause delle alterazioni esistenti. L’acquisizione della cinematica segmentale o articolare costituisce il punto di partenza dell’analisi. Non sempre però un quadro patologico si riflette in una cinematica alterata. L’analisi dinamica consente allora di pervenire alla stima delle forze interne, spesso meglio correlate con l’efficacia della prestazione motoria. La rilevazione, attraverso l’utilizzo di sistemi automatici basati su tecnologie avanzate di grandezze cinematiche e dinamiche nonché di segnali biologici, permette la ricostruzione completa del movimento umano.

Esistono diverse tecniche di analisi della postura e del movimento che possono essere classificate in base alla strumentazione utilizzata:

• Cinematografiche • Dinamometriche • Elettromiografiche • Sistemi portatili

1.2 Tecniche Cinematografiche

La cinematografia, ossia l’uso di cineprese in luogo delle telecamere, è stata praticamente soppiantata dai sistemi digitali. Infatti, essa presentava alcuni limiti, in particolare il costo elevato delle cineprese ad alta velocità ed i tempi di sviluppo della pellicola piuttosto lunghi.

Il sistema optoelettronico, tra i sitemi digitali più in uso, è composto da un numero minimo di due telecamere; è in grado, attraverso algoritmi matematici e procedure di stereofotogrammetria, di combinare le immagini bidimensionali provenienti da ogni telecamera ed elaborare un’immagine tridimensionale.

Figura 1 Sistemi optoelettronici per l'analisi del movimento. Ogni telecamera registra un'immagine

bidimensionale dei marker riflettenti presenti sulla scena. Per i marker che vengono visti contemporaneamente da almeno due telecamere è possibile ricostruire l'immagine tridimensionale.

I sistemi optoelettronici, misurano le coordinate tridimensionali di marker apposti sul corpo del soggetto in particolari punti di repere anatomici. I marker sono generalmente delle piccole semisfere ricoperte di carta adesiva riflettente (marker passivi) o piccole lampadine (marker attivi). Servono a rendere possibile al sistema l’identificazione della

figura del soggetto e sono illuminati ad intervalli regolari da una sorgente a luce infrarossa, presente su ciascuna telecamera, ed il riflesso viene ripreso dalla telecamera coassiale alla sorgente di luce. Note le coordinate tridimensionali dei marker è possibile quindi calcolare traiettorie, grandezze angolari, velocità ed accelerazioni, cioè conoscere in dettaglio la cinematica del movimento del segmento corporeo sul quale sono stati posizionati i marker.

Figura 2 - a) Posizionamento dei marker sul paziente; b) Marker; c) Telecamera sistema Elite, BTS.

1.3 Tecniche Dinamometriche

I metodi dinamometrici sono classicamente rappresentati dalle pedane o piattaforme di forza. Si tratta di matrici di sensori di dimensioni variabili che appoggiate su una superficie o inseriti in una scarpa, visualizzano la pressione o la forza esercitata dalla parte del corpo con cui vengono a contatto. Le pedane rilevano le forze lungo i tre assi e queste tre componenti possono essere analizzate singolarmente o composte per essere visualizzate sotto forma di vettore risultante. Attorno alla pedana si può realizzare un ambiente di misura, definito “cabina di misura”, studiato per rendere il più possibile ripetibili le condizioni in cui viene effettuato l’esame, eliminando i disturbi non voluti provenienti dall’esterno e misurando quelli che sono previsti dal protocollo sperimentale.

Questi strumenti sono utilizzati ad esempio per lo studio delle posture o per lo studio della corsa o di calzature sportive ma possono essere utilizzate anche per

misurare le forze durante l’appoggio delle mani al suolo ad esempio nella rondata della ginnastica artistica o durante la verticale.

1.4 Tecniche Elettromiografiche

L’attività elettrica dei muscoli può essere misurata tramite l’elettromiografia (EMG). I segnali EMG si originano dall’attività elettrica delle singole unità motorie, le quali tendono progressivamente a sovrapporsi producendo tracciati sempre più complessi . L’attività elettrica muscolare può essere derivata utilizzando elettrodi applicati alla superficie cutanea (EMG interferenziale) o elettrodi ad aghi inseriti nel muscolo (EMG unitaria). Nel primo caso si registra l’attività complessiva del muscolo, mentre risulta limitata la discriminazione delle singole unità; nel caso degli elettrodi ad aghi, invece, è possibile indagare in maniera precisa l’attività delle singole unità motorie, con l’inconveniente, però di essere una tecnica invasiva.

Recentemente, l’uso di prelievi multi-canale da diversi punti del muscolo in esame, ha permesso di valutare l’attività muscolare, separando da essa numerosi artefatti, la cui identificazione non è possibile tramite singole coppie di elettrodi di prelievo.

Le limitazioni delle variabili globali del segnale EMG, per lo studio del controllo motorio, sono molto rilevanti, ed è solo possibile determinare se un muscolo è attivo o no. La tecnica elettromiografica si mostra comunque utile nella discriminazione delle fasi principali di intervento di muscoli durante alcuni semplici esercizi.

Figura 3 Elettromiografo Multicanale ed elettrodi di superficie

1.5 Sistemi Portatili

Nei sistemi portatili il sensore viene direttamente posizionato sul corpo e possiede un grande fattore di forma; ciò consente l’applicazione di tali strumenti ad aree di ampie dimensioni.

La misurazione diretta di variabili cinematiche, comporta l’applicazione del sensore di misura sul segmento corporeo in esame. Ciò limita la scelta a dispositivi di dimensioni e di peso tali da non perturbare il movimento. La tecnologia attuale offre sensori miniaturizzati, di basso costo e di buone prestazioni per numerose variabili cinematiche. Molti contengono nel chip anche la rete di condizionamento, fornendo in uscita segnali già amplificati, con valori di tensione di qualche volt. Ciò contribuisce a limitare ulteriormente l’ingombro del dispositivo. Un aspetto critico, comune alla maggior parte delle misure che prevedono l’applicazione di dispositivi sull’organismo, è anche costituito dal posizionamento e dalla stabilità meccanica dei sensori. Una cattiva

scelta può inficiare la qualità delle misure. Dimensioni limitate e pesi ridotti facilitano la stabilità.

I sensori utilizzati in questi dispositivi portatili sono: • Accelerometri

• Inclinometri • Giroscopi

1.5.1 Accelerometri

L’accelerazione è un indicatore di movimento molto sensibile, motivo per cui negli ultimi anni sono stati proposti vari impieghi degli accelerometri nella misura della cinematica del movimento biologico.

L’accelerometro produce un segnale elettrico proporzionale all’accelerazione applicata; inoltre dalla misura dell’accelerazione è possibile ricavare,attraverso tecniche di integrazione temporale, la velocità e la posizione.

Il sensore di natura meccanica è concettualmente strutturato, come riportato in Fig. 4.

In seguito ad una accelerazione la massa mobile si muove rispetto alla struttura di riferimento. L’equazione che lega lo spostamento x alla forza di sollecitazione esterna è del tipo: 2 2 2 2 d y d x dx m m b dt = dt + dt +kx (0.1) dove: m: massa mobile;

y: spostamento della struttura di riferimento; x: spostamento della massa mobile;

b: fattore di smorzamento; k: costante elastica della molla.

La frequenza naturale di oscillazione del sistema molla-massa è data dalla relazione:

1 2 N k f m π = (0.2)

dove f rappresenta anche il limite superiore di banda per un accelerometro utilizzato _N ad anello aperto.

Il sensore può essere classificato in base alla tecnologia di fabbricazione, al principio di trasduzione e al sistema di controllo usato.

Negli ultimi anni, sono state usate svariate tecnologie per creare una nuova generazione di strumenti integrati microfabbricati. Questi nuovi strumenti, consistono in apparecchiature che hanno come obiettivo, l’integrazione su un singolo chip di più processi realizzati in laboratorio.

Recentemente, la tecnologia MEMS è tra le più utilizzate. Micro-Eletrical-Mechanical-Sistems (MEMS) è l’integrazione attraverso tecniche di microfabbricazione di componenti meccanici, elettronici, sensori e attuatori su un unico substrato di silicio. Mentre i componenti elettronici vengono fabbricati con tecniche di lavorazione usate nella fabbricazione di circuiti integrati, i componenti micromeccanici vengono fabbricati utilizzando tecniche specifiche di microfabricazione che permettono di modellare e lavorare il wafer di silicio ed ottenere le strutture meccaniche ed elettromeccaniche richieste.

La microfabricazione di wafer di silicio si basa su due processi produttivi: “Bulk-micromachinig” e “Surface-micromachining”.

Il primo metodo di lavorazione sfrutta l’intero spessore del wafer di silicio ed è un processo sottrattivo. Infatti il wafer di silicio viene lavorato ed inciso con tecniche particolari (attacco chimico asciutto o bagnato) che permettono di creare e disegnare, per esempio, la massa mobile e il sistema sospeso dell’accelerometro.

Figura 5 Sistema sospeso Accelerometro

Spesso questi sensori sono formati da più strati di wafer di silicio che uniti insieme permettono la formazione di contatti elettrici e della massa mobile. “Bulk-micromachining” è la tecnica utilizzata nei primi strumenti e negli accelerometri di utilizzo commerciale; non è la più idonea per l’integrazione monolitica e spesso è utilizzata insieme a componenti discreti.

“Surface-micromachining” invece è una tecnica che permette l’integrazione di strutture eccaniche ed elettroniche nello stesso chip. E’ un processo additivo nel quale sottili

ottenere

isura della deflessione della

la loro resistenza quando sono sottoposti a variazione di lunghezza dovuta

coefficiente di temperatura abbastanza m

strati di silicio o ossido di silicio vengono fatti crescere sopra wafer di silicio.

Gli strati superficiali di ossido permettono, attraverso attacco acido, la formazione di masse e piatti sospesi. Con quest’ultima tecnica di lavorazione si riescono ad

spessori degli elementi sensibili piu piccoli di almeno un ordine di grandezza rispetto agli strumenti prodotti con la “Bulk-micromachining”, ed è, anche per questo, il processo di microfabricazione più utilizzato attualmente .

Un’ altra caratteristica dell’ accelerometro è la trasduzione delle grandezze meccaniche in quelle elettriche e in particolare nella trasduzione della m

massa mobile. I tipi più comuni sono basati sulla piezoresistività e sulla variazione di capacità.

Nei primi, gli elementi piezoresistivi sono direttamente connessi alla massa mobile e cambiano

allo spostamento della massa di prova. La variazione di resistenza può essere facilmente rilevata con tecniche a ponte standard; questo è uno dei motivi che ha reso questa tecnica la più utilizzata nei primi accelerometri.

Gli svantaggi sono un livello del segnale di uscita piuttosto basso (un valore tipico è 100 mV per una tensione di alimentazione di 10V), il

alto e il rumore termico introdotto dalle resistenze. Gli accelerometri a capacità differenziali sono costruiti in silicio e hanno dimensioni molto ridotte; si basano sulla proprietà intrinseca della capacità, che è direttamente proporzionale alla distanza tra i piatti che la formano.

Figura 6 Sistema a Capacità differenziali

Nel sensore, le due capaci un piatto centrale, che è

ostituito da una parte della massa mobile, e da due armature fisse; quindi ad ogni

igura 7Sistema a capacità differenziali

ell'accelerometro ADXL202 della Analog Device.

tà differenziali sono formate da c

spostamento della massa di prova, si avrà una variazione delle singole capacità, legata alla diminuizione o all’aumento della distanza tra i piatti. La differenza di capacità può essere convertita in una tensione, come segnale di uscita, attraverso tecniche di demodulazione sincrone e utilizzo di amplificatori di potenza.

F

Un altro tipo di accelerometro è quello basato sulla piezoelettricità, in quanto l’elemento ensibile è un materiale piezoelettrico che, sollecitato da forze vibratorie, genera un

gura 8 Esempi di Accelerometri piezoelettrici della Pcb

ezotronics.

ione si basa sul tipo di sistema di controllo utilizzato. Generalmente è possibile distinguere tra sistemi ad anello aperto e ad anello chiuso. s

segnale elettrico proporzionale a tali forze. Alcuni materiali, come ad esempio il quarzo, sono per natura già piezoelettrici e vengono quindi comunemente usati negli accelerometri. In altri materiali, le proprietà piezoelettriche sono generate in modo artificiale. I sensori in quarzo hanno una buona sensibilità in tensione e richiedono degli amplificatori per condizionare il segnale che consente la misura di elevati livelli di vibrazione. Hanno dimensioni non ridotte, come è possibile notare dalla fig. 8, e per questo vengono utilizzati per il monitoraggio delle vibrazioni, per il controllo dello stato di salute delle macchine e il controllo delle grandi strutture industriali e civili.

Fi

Pi

Figura 9 Schema a blocchi di sistemi ad anello aperto ed anello chiuso

In questo ultimo lo di retroazione

isura lo spostamento dell'elemento sensibile dalla sua posizione nominale ed applica

da e la rte elettronica e

massima accelerazione misurabile ( da 1g fino a decine caso si può creare un sistema retroazionato dove l'anel

m

una forza per tenerlo centrato. In questo caso, quindi, la massa sarà sottoposta solo a piccole variazioni e, quindi, se l'anello ha una notevole larghezza di banda si può estendere la banda del sensore oltre alla frequenza naturale della massa. Questo dispositivo non si può utilizzare in quelle applicazioni dove l'accelerazione d'ingresso è di molti g in quanto l'anello di retroazione non è in grado di realizzare le forze di attrazione necessarie a mantenere l'elemento sensibile nella posizione di riposo.

La maggior parte degli accelerometri in vendita sono ad anello aperto.

,Il sistema di retroazione fornisce,però, dei vantaggi come l’aumento della ban linearità dell’uscita, al costo di avere una maggior complessità della pa

quindi un aumento del costo.

Gli accelerometri sono disponibili in versione mono-, bi- o triassiale (assi ortogonali) e

in modelli diversi secondo la ±

di g); sono ugualmente sensibili a qualunque forma di accelerazione. Quindi, durante una rototraslazione, essi misurano contemporaneamente le componenti lungo il proprio asse o i propri assi: dell’accelerazione di traslazione, di quella tangenziale, di quella centripeta e di quella di gravità. Sia che si cerchi un indice di prestazione (ad es.: accelerazione massima del movimento), sia che si voglia ricostruire la traiettoria di un

movimento, è necessario separare l’una dall’altra queste componenti. La scomposizione, in generale, non è semplice.

lla misura della cinematica del passo (gait analysis), la

giroscopio è un sensore che permette la misura di velocità angolari o angoli di po in movimento. In passato, i costi molto elevati e le dimensioni

Newton ( forza

t’ultimo è tra i diffusi per le applicazioni ingegneristiche grazie all’utlizzo

ene inclinato, si genera un Tra le tante applicazioni degli accelerometri possiamo citare il monitoraggio di un’attività fisica (actigrafia),

misura della cinematica del ginocchio durante movimento sit-to-stand e viceversa, studio del tremore nel morbo di Parkinson e misura dei movimenti del capo.

1.5.2 Giroscopi

Il

rotazione di un cor

notevoli, rendevano questo sensore inutilizzabile in molti campi, quali quello automobilistico e nei prodotti di consumo. Con l’avvento della microfabricazione (MEMS), i giroscopi possono essere prodotti con bassissimi costi e ridotte dimensioni. Sono spesso utilizzati in unione con gli accelerometri nei sistemi di navigazione inerziale e in altri settori, incluso quello automobilistico nelle applicazioni per il rilevamento di stabilità e di inclinazione; in alcuni prodotti elettronici di consumo come lo stabilizzatore d’immagini nelle videocamere, realtà virtuale e nei mouse dei computer; nella robotica e in un ampio settore di applicazioni militari.

La misura della posizione angolare in un giroscopio è basata su principi simili a quelli utilizzati dall’accelerometro: la conservazione del momento e le leggi di

di Coriolis).

Esistono tre tipi di giroscopio: giroscopi a sistema rotanti, giroscopi ottici e a sistema vibrante. Ques

delle tecniche di microfabricazione che ne rendono le dimensioni finali del sensore di alcuni ordini di grandezza inferiore rispetto agli altri sistemi.

Il giroscopio a sistema rotante è costituito da una massa che ruota saldamente attorno ad ogni singolo asse, libero di muoversi. Quando il sensore vi

igura 10 Moto di precessione in un

roscopio a sistema rotante.

I giroscopi ottici invece si differenziano in: giroscop tegratori RLG (Ring Laser yro), giroscopi tacheometrici FOG (Fiber Optic Gyro). Ambedue operano sul

a generata in esso, riempendo lo spazio tra gli specchi di un mezzo attivo F

gi

i in G

principio chiamato effetto Sagnac che considera le situazioni di due fasci luminosi viaggianti in direzioni opposte in un circuito chiuso. Secondo il principio formulato da Sagnac, derivante dalla teoria più generale della relatività, “due raggi di luce controrotanti in un anello cambiano di fase quando l’anello viene fatto ruotare”; dallo sfasamento delle due onde di luce, si può risalire alla velocità angolare di rotazione dell’anello.

Nell’RLG si fa ricorso alla luce laser che, però, non viene convogliata nel circuito ottico dall’esterno m

opportunamente eccitato. Il mezzo attivo del giroscopio a laser è una miscela dei gas Elio e Neon. I fasci di luce laser generati, viaggiano in direzioni opposte in un cammino luminoso chiuso, usualmente caratterizzato dalla presenza di tre o quattro specchi che devono essere di elevata qualità per contenere le perdite ai livelli più bassi. Nel RLG la differenza di frequenza viene misurata consentendo l’uscita di una piccola parte della radiazione da uno degli specchi; uno dei fasci attraversa un prisma che lo rifrange

sull’altro fascio sul punto di lettura. L’effetto dell’angolo di incidenza fra i due raggi è quello di produrre delle frange di interferenza rilevate dai due fotodiodi nella zona di ttura; quando le frequenze dei due raggi sono diverse, la figura formata dalle frange si

ro chiuso. In questo caso il sentiero, invece di

onde le

muove relativamente ai fotodiodi con velocità e direzione proporzionali alla differenza di frequenza. In realtà , l’effettiva costruzione del giroscopio a laser anulare, non è del tutto così semplice perché ci sono altri effetti fisici coinvolti che ostacolano il funzionamento ideale del dispositivo.

Il giroscopio a fibre ottiche invece usa la procedura Sagnac, impiegando una fonte luminosa esterna e misurando direttamente il cambiamento di fase dell’onda di luce, dopo che essa ha percorso un sentie

svolgersi in uno spazio libero, è contenuto in una fibra di vetro e la sensibilità effettiva può essere accresciuta usando molte spire di fibre. Nel circuito ottico del giroscopio a fibre ottiche il raggio proveniente da un’unica sorgente di luce è suddiviso in due raggi da un partitore; i due raggi risultanti vengono diretti, in senso opposto, ai due estremi di una bobina di fibre ottiche a molte spire e, durante il percorso nella spira, interferiscono l’uno su l’altro. La rotazione della bobina produce una variazione di fase in base

all’effetto Sagnac. Poiché la sorgente di luce si trova al di fuori della bobina sensibile, la rotazione crea anche una variazione di fase differenziale che deve essere eliminata se si vuole misurare la velocità di rotazione solo in base allo sfasamento delle

controrotanti. I giroscopi a fibre ottiche soffrono di bassa sensibilità e di insufficiente accuratezza.

Il giroscopio a sistema vibrante è costituito da una massa sospesa attraverso dei sistemi lastici che le permettono di muoversi in entrambe le direzioni x ed y, come mostra la

gura seguente.

Schematizzazione del sistema

olla-massa per un giroscopio a sistema

Le equazioni del moto per il sistema visto possono essere così rappresentati: e fi Figura 11 m vibrante. 2 2

2

c

F

x

x

x x

y

y

m

m

ω

θ

θ θ

= −

−

+



+



+



+







2

c

F

y

y

y y

x

x

m

m

ω

θ

θ θ

= −

−

+



− −





+







ω = ω = = ξ ω = ξ ω e θ è la rotazione del sistema iroscopio e e sono le forze di controllo sulla massa nella direzione x e y

ivamente. Per misurare la velocità angolare

pilotare la con andamento sinusoidale a frequenza

g F_x F_y

rispett con questo tipo di giroscopio, si usa

x

F ωd, molto maggiore della

2 2

, ,

xθ yθ yθ e xθ sono molto piccoli e quindi trascurabili. Se necessario, questi termini possono essere anche appropriatamente compensati utilizzando le forze e

uindi l’equazione del moto diventa:

x F F . _y Q 2

2



c

F

x

x

x

y

m

m

ω

θ

= −

−

+

+







2

c

F

y

y

y

x

m

m

ω

θ

= −

−

−



+







Quando il giroscopio rileva una velocità angolare, θ= Ω, il termine 2 xΩ nell’equazione (1.6), provoca una vibrazione a frequenza ωd con ampiezza proporzionale alla velocità angolare Ω, del sistema massa-molla dell’asse y. Demodulando opportunamente il segnale y di uscita, alla frequenza ω_d, frequenza con cui è pilotato il sistema molla-massa dell’asse x, è possibile otte re il valore della velocità angolare.

ne

sistono di solito due metodi per misurare la velocità angolare rilevata dal giroscopio: levare la variazione di resistenza degli elementi piezoresistivi o la variazione di apacità. Sebbene gli strumenti piezoresistivi siano più facili da fabbricare e richiedano

d’angolo (sistema molla-massa asse y). E’ possibile rendere

el sistema pilotato e sensibile leggermente diverse, a costo di una E

ri c

una più semplice interfaccia elettronica, grazie alla bassa impedenza d’uscita fornita, rispetto ai sensori capacitivi, i primi hanno un’alta sensibilità alla temperatura e una bassissima risoluzione.

Per ottenere una buona sensibilità dello strumento, è necessario far coincidere le frequenza di oscillazione del sistema pilotato ( sistema molla-massa asse x) con quella sensibile alle variazioni

uguali le due frequenze di oscillazione in due modi: minimizzando, con controllo elettronico, la frequenza di oscillazione più alta o utilizzando molle più simili e simmetriche possibili, per ottenere la stessa frequenza di oscillazione, e quindi senza dover demodulare il segnale di uscita per ricavare la velocità angolare. Si capisce come in questo sensore sia di notevole importanza per il corretto funzionamento e la fedele risposta, la accurata costruzione di ogni singolo elemento costituente lo strumento. Anche i materiali utilizzati, quindi sono di fondamentale importanza per la prestazione dello strumento.

I giroscopi possono operare ad anello aperto o ad anello chiuso. Per ottenere una larghezza di banda ad anello aperto maggiore, spesso i giroscopi operano con frequenze di oscillazione d

minore sensibilità. Nei giroscopi che operano ad anello chiuso, la ampiezza del sistema sensibile viene continuamente controllata e pilotata verso lo zero, e dunque la larghezza di banda e il range dinamico di funzionamento del sensore può essere incrementato al di sopra dei valori ottenuti con l’anello aperto, perfino con le due frequenze di oscillazione coincidenti.

La larghezza di banda è limitata dai sitemi elettronici di lettura e controllo e comunque può essere incrementata fino a valori vicini alla frequenza di oscillazione della struttura.

Come applicazioni del giroscopio nell’analisi del movimento e della postura si possono citare applicazioni in combinazione con gli accelerometri nella misura della cinematica

el passo, del ginocchio e dei movimenti del capo.

eata con la componente della gravità tale piano. Di fatto, anche questo sensore come l’accelerometro, è sensibile a

ne, e tende quindi ad allinearsi con la componente nel proprio

Figura 13 Tre inclinometri della Seika d

1.1.6 Inclinometri

L’ inclinometro è basato sul principio del filo a piombo: una massa di prova sospesa e libera di oscillare in un piano, che si mantiene allin

in

qualunque accelerazio

piano della risultante delle accelerazioni applicate all’inclinometro. Per limitare questo effetto, il pendolo viene smorzato, per esempio in olio, con due conseguenze: la misura dell’angolo d’inclinazione è affidabile solo in condizioni statiche o quasi; il dispositivo è voluminoso e pesante rispetto agli accelerometri. Il secondo punto limita le possibilità di applicazione a settori in cui le dimensioni del sensore possono essere integrate nei soggetti di interesse. Un esempio di ciò sono gli inclinometri della Seika, che sono progettati per controllare le inclinazioni di macchinari come escavatori, ruspe o bracci delle gru. Gli inclinometri della Seika sono sensori di tipo capacitivo che contengono un fluido non tossico che lavora come dielettrico di un condensatore. L’inclinazione del sensore provoca una variazione proporzionale della capacità che viene convertita

dall’elettronica in un segnale analogico o digitale.

Nell’analisi del movimento, invece, il sensore viene applicato a segmenti corporei sufficientemente grossi, come tronco o coscia.

La buona risoluzione ottenibile solo in condizioni statiche o quasi, è importante solo se interessa l’accuratezza della misura, mentre può non esserlo se, ad esempio si utilizza il sensore come “spia” della presenza di attività fisica.

Tra le applicazioni recenti dell’inclinometro si possono citare la misura del movimento del rachide e la misura dell pplicazioni , per ovviare al roblema dell’ingombro, si utilizzano accelerometri ( da uno a tre), sfruttandone la irezionalità e la sensibilità all’accelerazione di gravità, per le misure inclinometriche.

n sistema indossabile, che

i un

del programma IST in linea con le aspettative à di vita dei cittadini che deriva dalla possibilità di

ent intelligense).

fisiologici e a posizione del capo. In altre a

p d

1.6 Il progetto Wealthy

Oggetto di questa tesi è la progettazione e realizzazione di u

con l’utilizzo di accelerometri e tecnologie wireless, sia capace di monitorare il movimento di una persona.

Tale dispositivo si inserisce in un progetto più ampio finalizzato alla creazione d sistema indossabile di monitoraggio di segnali fisiologici e biomeccanici.

Tale progetto, denominato Wealthy (Wearable health care system) e finanziato dall’Unione Europea, vede tra i partecipanti il Centro Interdipartimentale “E. Piaggio” e la Smartex, partner industriale presso il quale è stato svolto il presente lavoro di tesi. Il progetto Wealthy si sviluppa all’interno

di miglioramento della qualit

interagire con le nuove tecnologie in modo semplice e naturale (user friendly). La tecnologia viene resa quasi invisibile, integrata nell’ambiente che ci circonda e negli oggetti di uso comune (ambi

In questo senso, obbiettivi del progetto sono:

• sviluppo di un’interfaccia tessile di acquisizione dei segnali biomeccanici, ottenuta integrando nel tessuto fibre sensibili.

• sviluppo dei sistemi elettronici di acquisizione, pre-elaborazione e trasmissione wireless dei segnali.

• sviluppo dei software per la gestione ed elaborazione dei dati rilevati.

Il sistema, concepito per l’applicazione in ambito medico, ha altri potenziali utilizzi quali il monitoraggio di soggetti che lavorano in condizioni ambientali estreme (vigili ssione, etc..) o che sono sottoposti ad una inte a

valutar eti, di ottimizzare

l’al a

Il sistem da una parte indossabile per il sensing dei segnali, la pre-elaborazione e la trasmissione wireless e da una parte di gestione ed pre-elaborazione dei dat e

a prima consiste in una maglietta, capace di rilevare segnali biomedicali del fuoco, operatori del soccorso, militari in mi

ns e prolungata attività sportiva. Il monitoraggio dei segnali vitali permette di e i fattori di rischio professionale e, nel caso degli atl

len mento per il miglioramento delle performance. a Wealthy è formato

i ril vati. L

(l’elettrocardiogramma, il respirogramma, il movimento) attraverso diversi tessuti resi sensibili con appositi trattamenti e di portare i segnali stessi, tramite connessioni, anch’esse tessute, in ingresso a un dispositivo elettronico di dimensioni contenute, trasportabile dall’utente, dove avviene una pre-elaborazione analogica dei segnali rilevati, la loro conversione in formato digitale e la tramissione al centro di raccolta.

Figura 14 Wealthy, sistema

La seconda parte consiste in sistemi hardware e supporti info atici per la raccolta dei dati acquisiti in un database generale, dove sarà possibile accedere alle informazioni relative a ogni singolo utente, sia da parte del personale addetto che dall’utente stesso attraverso l’accesso ad un sito internet, nonché di software per l’elaborazione dei segnali raccolti, con l’estrapolazione di maggiori informazion

dell’utente, e con l’uteriore possibilità di generare segnali di allarme a amente, per diminuire il tempo necessario a un eventuale intervento da parte del personale di soccorso.

rm

i utili al monitoraggio utomatic