Riconoscimento di gesti: estensione a movimenti fini su spazi limitati. Teoria e implementazione

Riconoscere un gesto, tracciarlo ed identificarlo è una operazione complessa ed articolata. Negli ultimi anni, con l’avvento massivo di interfacce interattive sempre più sofisticate, si sono ampliati gli approcci nell’interazione tra uomo e macchina. L’obiettivo comune, è quello di avere una comunicazione “trasparente” tra l’utente e il computer, il quale, deve interpretare gesti umani tramite algoritmi matematici. Il riconoscimento di gesti è un modo per iniziare a comprendere il linguaggio del corpo umano da parte della macchina. Questa disciplina, studia nuovi modi di interazione tra questi due elementi e si compone di due macro obiettivi : (a) tracciare i movimenti di un particolare arto; (b) riconoscere tale tracciato come un gesto identificativo. Ognuno di questi due punti, racchiude in sé moltissimi ambiti di ricerca perché moltissimi sono gli approcci proposti negli anni. Non si tratta di semplice cattura dell’immagine, è necessario creare un supporto, a volte molto articolato, nel quale i dati grezzi provenienti dalla fotocamera, necessitano di filtraggi avanzati e trattamenti algoritmici, in modo tale da trasformare informazioni grezze, in dati utilizzabili ed affidabili. La tecnologia riguardo la gesture recognition è rilevante come l’introduzione delle interfacce tattili sui telefoni intelligenti. L’industria oggi ha iniziato a produrre dispositivi in grado di offrire una nuova esperienza, la più naturale possibile, agli utenti. Dal videogioco, all’esperienza televisiva gestita con dei piccoli gesti, all’ambito biomedicale, si sta introducendo una nuova generazione di dispositivi i cui impieghi sono innumerevoli e, per ogni ambito applicativo, è necessario studiare al meglio le peculiarità, in modo tale da produrre un qualcosa di nuovo ed efficace. Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo di apportare un contributo a questa disciplina. Ad oggi, moltissime applicazioni e dispositivi associati, si pongono l’obiettivo di catturare movimenti ampi: il gesto viene eseguito con la maggior parte del corpo e occupa una posizione spaziale rilevante. Questa tesi vuole proporre invece un approccio, nel quale i movimenti da seguire e riconoscere sono fatti “nel piccolo”. Si avrà a che fare con gesti classificati fini, dove i movimenti delle mani sono compiuti davanti al corpo, nella zona del torace, ad esempio. Gli ambiti applicativi sono molti, in questo lavoro si è scelto ed adottato l’ambito artigianale.

Analisi della dinamica nel gesto sportivo della battuta nel tennis

Creazione di un protocollo tramite il pacchetto software SMART-D BTS per l'analisi della dinamica dell'arto superiore durante il servizio del tennis e comparazione dei risultati ottenuti di tre atleti normodotati e di un atleta con disabilità

Studio e sviluppo di un prototipo di un meccanismo per l'azionamento di una mano protesica cinematica

Lo studio si prefigge di verificare la fattibilità di un nuovo meccanismo per l'azionamento di una mano protesica e inoltre di costruirne un prototipo. Questo nuovo meccanismo andrebbe a sostituire le molle azionate da tiranti delle attuali protesi cinematiche, evitando all'amputato vistosi movimenti del corpo atti ad azionare la mano protesica. Tramite confronto tra le forze calcolate tramite modellazione del meccanismo e quelle realmente fornite dal paziente, si può dichiarare che il meccanismo funziona correttamente. Il prototipo costruito inoltre rispetta i vincoli dimensionali che deve avere una protesi per arto superiore.

Analisi delle caratteristiche di dispositivi per il brain computer interface

La brain computer interface sono state create per sopperire ai problemi motori e di linguistica nei pazienti che, a causa di malattie neurodegenerative o in seguito a traumi, sono paralizzate o non riescono a parlare. Vengono prese in questione le caratteristiche di un sistema per le BCI analizzando ogni blocco funzionale del sistema. Si fa visione delle applicazioni tra le quali la possibilità di far muovere un arto bionico a una donna tetraplegica e la possibilità di far scrivere una parola su uno schermo a un paziente non in grado di comunicare verbalmente. Si mettono in luce i problemi annessi a questo campo e i possibili sviluppi.

Cinematica della corsa con stampelle tramite sensori inerziali: Analisi di soggetti della Nazionale Italiana di Calcio Amputati

L’analisi del movimento umano mira alla raccolta di informazioni quantitative riguardo la meccanica del sistema muscolo-scheletrico durante l’esecuzione di un compito motorio. All’interno di questo contesto, la cinematica del passo rappresenta uno strumento d’indagine tra i più usati. Tra i diversi protocolli di analisi cinematiche si è affermato recentemente l’uso di sensori magnetico-inerziali. Il principale vantaggio di questi dispositivi rispetto alla tecnica tradizionalmente impiegata (la stereofotogrammetria) è che possono essere utilizzati al di fuori di un ambiente di laboratorio, rendendo meno vincolante la scelta del task motorio da analizzare. Lo stato dell’arte offre una molteplicità di studi basati sull’analisi del cammino e della corsa di atleti, professionisti o dilettanti, utilizzando sensori inerziali; nulla, però, è stato dedicato alla corsa con stampelle. In questo lavoro di tesi è stata dunque analizzata la corsa su stampelle di soggetti amputati (in particolare di atleti della Nazionale Italiana di Calcio Amputati). Dalla letteratura sono stati individuati tre metodi, ideati principalmente per la corsa di soggetti normodotati e in questa situazione riadattati per la corsa di soggetti con amputazione/malformazione di un arto inferiore, con i quali è stato possibile ricavare parametri temporali relativi al ciclo del passo; è stato inoltre progettato un nuovo metodo che permette di ricavare parametri temporali della corsa attraverso le fasi delle stampelle. L’elemento che contraddistingue questo studio è la presenza di un gold standard, dato da un riferimento video, con il quale sarà possibile determinare con più affidabilità quale metodo risulti più adeguato per l’analisi di questo tipo di corsa.

Shoulder kinematic evaluation in patients with rotator cuff tears using inertial and magnetic sensors.

Questo progetto di tesi fa parte di un più ampio studio clinico condotto all’interno dell’azienda NCS Lab (Carpi,(MO)), in collaborazione con il Dr. Claudio Chillemi (ICOT, Latina (RM)) che mira ad eseguire un confronto tra diverse tecniche chirurgiche per la riparazione della cuffia dei rotatori. Lo studio clinico in questione durerà circa due anni: per questo motivo i dati analizzati in questo progetto di tesi provengono solo dal gruppo di pazienti acquisiti nella fase preoperatoria. Tutti i dati sono stati acquisiti utilizzando i sensori magneto-inerziali WISE (tecnologia proprietaria dell’azienda NCS Lab). Questo lavoro di tesi si propone, quindi, di valutare la ripetibilità del movimento in termini di coefficiente di correlazione multipla e di estrapolare alcuni parametri di interesse clinico come, ad esempio, i range di movimento (ROM) della scapola e dell’omero e il ritmo scapolo-omerale (SHR). Questi parametri sono stati poi caratterizzati da un punto di vista statistico al fine di valutare le differenze tra arto patologico e controlaterale. Sono state calcolate, inoltre, le prediction bands con lo scopo di descrivere le differenze tra arto patologico e controlaterale nella coordinazione scapolo-omerale dei pazienti. Per quanto riguarda la ripetibilità del movimento, i risultati ottenuti in questo lavoro di tesi mostrano che la rotazione medio-laterale è caratterizzata da un eccellente CMC sia per l'arto patologico che per il controlaterale. Inoltre, sono state riscontrate differenze significative dal punto di vista statistico tra le distribuzioni dei range di movimento dell'arto patologico e controlaterale. Tali differenze sono state trovate anche per quanto riguarda il ritmo scapolo-omerale.

Analisi della co-contrazione e delle sinergie muscolari in ambito sportivo

Con l’aumentare del livello delle manifestazioni sportive d’élite, la biomeccanica dello sport è diventata uno strumento fondamentale per permettere agli atleti di tenere il passo con le difficoltà legate alla competizione. Per riuscire in questo compito, vengono integrate tecnologie sempre più avanzate e fra queste spicca l’elettromiografia di superficie. L’obbiettivo di questo lavoro consiste in una revisione della letteratura per vedere come l’EMG permetta di studiare l’attivazione coordinata di più muscoli ad un’articolazione o ad un intero arto, valutandone le sinergie muscolari, e capire quali vantaggi questo possa portare alla ricerca sportiva. Lo studio è stato limitato all’ambito del ciclismo e della corsa in quanto discipline in cui questa tecnologia è più utilizzata. I risultati hanno mostrato come lo studio delle sinergie muscolari permetta di raggiungere una comprensione più profonda del movimento e come le tecniche di allenamento possano sfruttare questa conoscenza per monitorare gli atleti e raggiungere strategie motorie sempre più efficienti.

Gli effetti della realtà virtuale nel recupero della funzionalità dell’arto superiore in soggetti con esito di stroke in fase cronica: scoping review

Background: L’ictus rappresenta una delle principali patologie neurologiche che causa disabilità a lungo termine con un impatto profondo sulla funzionalità, autonomie della vita quotidiana (ADL) e partecipazione alla vita sociale. Circa il 50% degli individui affetti soffre di deficit cronici dell’arto superiore e solo 1/3 ha un pieno recupero. La realtà virtuale (VR) presenta i presupposti necessari dell’apprendimento motorio come ripetitività, specificità e adattamento del carico di lavoro per favorire la riorganizzazione neurale. Obiettivo: L’obiettivo della scoping review è di svolgere una mappatura della letteratura in cui sia previsto l’impiego della VR come possibile trattamento riabilitativo nel recupero della funzionalità dell’arto superiore in soggetti con esito di stroke in fase cronica, secondo la checklist della PRISMA Extension per le Scoping Review. Disegno dello studio: Sono stati inclusi gli studi pubblicati dall’01 gennaio 2016 al 05 settembre 2022 che prevedessero l’impiego della realtà virtuale, sia immersiva che non immersiva, applicata sull’intero arto superiore nel soggetto con esito di stroke in fase cronica per favorire il recupero della funzionalità dell’arto superiore. I limiti imposti sono: studi in lingua inglese, condotti in un ambiente sanitario con la supervisione di un operatore e il campione coinvolto di età adulta senza ulteriori patologie neurologiche. Le banche dati elettroniche coinvolte sono Pubmed, Cochrane library, PEDro, Scopus e Web of science. Risultati: Sono stati inclusi 5 evidenze scientifiche (1 RCT, 2 trial non controllati e 2 case report) che impiegassero la VR sull’arto superiore e svolgere ADL o attività ludiche nell’ambiente virtuale. Conclusione: Si evince che l’impiego della VR potrebbe favorire il recupero e il mantenimento della funzionalità dell’arto superiore nei soggetti con esito di stroke in fase cronica, ma sono necessari ulteriori studi futuri di maggiore rilevanza e validità scientifica.

Analisi del controllo posturale in soggetti con amputazione unilaterale agli arti inferiori mediante posturografia dinamica: una revisione sistematica dalla letteratura.

Una delle limitazioni funzionali più comunemente citate dai soggetti con amputazione agli arti inferiori è il deficit nel controllo dell’equilibrio. La perdita, più o meno parziale, di un arto è accompagnata da mancanze e succisivi adattamenti del sistema di controllo posturale. Considerando l’aumento dell’età della popolazione generale e la crescente incidenza delle cause di amputazioni su di essa, vi è un’inequivocabile necessità di indagare come il controllo posturale cambi in questi individui. A tal riguardo, è stata condotta una revisione sistematica dei metodi proposti in letteratura riguardanti l’analisi del controllo posturale in soggetti con amputazione unilaterale agli arti inferiori, mediante la posturografia dinamica. Partendo dall’articolo di riferimento: “Balance control in lower extremity amputees during quiet standing: A systematic review” (Ku et al., 2013), a dicembre 2022 è stata evidenziata ed estesa la ricerca, fino all’anno corrente, degli articoli riguardanti il medesimo argomento, ma esclusivamente in ambito dinamico. Dalla ricerca, condotta su PubMed e Scopus, sono stati selezionati 8 articoli scientifici, nei quali, attraverso l’utilizzo di dispositivi di equilibrio, vengono analizzati i meccanismi alla base del controllo posturale nelle persone con amputazione agli arti inferiori. Dai risultati si è potuto dimostrare che gli amputati unilaterali degli arti inferiori fanno molto affidamento su input visivi, vestibolari e segnali somatosensoriali dalla loro gamba intatta per compensare le informazioni somatosensoriali mancanti dell'arto amputato. Quando uno di questi viene compromesso, mostrano uno scarso controllo posturale rispetto agli individui normodotati.