Sviluppo e test di una rete di sensori indossabili per il monitoraggio e la riabilitazione di pazienti affetti da morbo di parkinson

Il recente sviluppo commerciale di smartphone, tablet e simili dispositivi, ha portato alla ricerca di soluzioni hardware e software dotate di un alto livello di integrazione, in grado di supportare una potenza di calcolo e una versatilità di utilizzo sempre più crescenti, pur mantenendo bassi i consumi e le dimensioni dei dispositivi. Questo sviluppo ha consentito parallelamente a simili tecnologie di trovare applicazione in tanti altri settori, tra i quali quello biomedicale. Il lavoro esposto in questa tesi si inserisce nel contesto appena descritto e, in particolare, consiste nello sviluppo di un sistema WBAN ideato per garantire maggiore flessibilità, controllo e personalizzazione nella terapia riabilitativa dei pazienti affetti da Morbo di Parkinson. In questo campo è stata dimostrata l'efficacia, in termini di miglioramento delle condizioni di vita dell'individuo, dell'esercizio fisico e in particolare di una serie di fisioterapie riabilitative specifiche. Tuttavia manca ancora uno strumento in grado di garantire più indipendenza, continuità e controllo,per le persone affette da MP, durante l'esecuzione di questi esercizi; senza che sia strettamente necessario l'intervento di personale specializzato per ogni seduta fisioterapeutica. Inoltre manca un sistema che possa essere comodamente trasportato dal paziente nelle attività di tutti i giorni e che consenta di registrare e trasmettere eventi particolari legati alla patologia, come blocchi motori e cadute accidentali. Il presente lavoro di tesi tratta della realizzazione di un Firmware per la gestione di un Nodo Centrale che funge da master in una rete WBAN a tre nodi. L'obbiettivo è quello di integrare in tale firmware le funzioni di acquisizione dati dai sensori on-board, comunicazione tra i nodi della rete e gestione delle periferiche hardware secondarie; in particolare per lo sviluppo è stato usato un Sistema Operativo Real-Time (RTOS) del quale sono esposti vantaggi e svantaggi dell’utilizzo.

Design of a wearable platform for PPG analysis with multicore low-power processor

Photoplethysmography (PPG) sensors allow for noninvasive and comfortable heart-rate (HR) monitoring, suitable for compact wearable devices. However, PPG signals collected from such devices often suffer from corruption caused by motion artifacts. This is typically addressed by combining the PPG signal with acceleration measurements from an inertial sensor. Recently, different energy-efficient deep learning approaches for heart rate estimation have been proposed. To test these new solutions, in this work, we developed a highly wearable platform (42mm x 48 mm x 1.2mm) for PPG signal acquisition and processing, based on GAP9, a parallel ultra low power system-on-chip featuring nine cores RISC-V compute cluster with neural network accelerator and 1 core RISC-V controller. The hardware platform also integrates a commercial complete Optical Biosensing Module and an ARM-Cortex M4 microcontroller unit (MCU) with Bluetooth low-energy connectivity. To demonstrate the capabilities of the system, a deep learning-based approach for PPG-based HR estimation has been deployed. Thanks to the reduced power consumption of the digital computational platform, the total power budget is just 2.67 mW providing up to 5 days of operation (105 mAh battery).

Development of wearable electrochemical sensors for the determination of biological analytes

Wearable biosensors are attracting interest due to their potential to provide continuous, real-time physiological information via dynamic, non-invasive measurements of biochemical markers in biofluids, such as interstitial fluid (ISF). One notable example of their applications is for glycemic monitoring in diabetic patients, which is typically carried out either by direct measurement of blood glucose via finger pricking or by wearable sensors that can continuously monitor glucose in ISF by sampling it from below the skin with a microneedle. In this context, the development of a new and minimally invasive multisensing tattoo-based platform for the monitoring of glucose and other analytes in ISF extracted through reverse iontophoresis in proposed by the GLUCOMFORT project. This elaborate describes the in-vitro development of flexible electrochemical sensors based on inkjet-printed PEDOT:PSS and metal inks that are capable of determining glucose and chloride at biologically relevant concentrations, making them good candidates for application in the GLUCOMFORT platform. In order to make PEDOT:PSS sensitive to glucose at micromolar concentrations, a biocompatible functionalization based on immobilized glucose oxidase and electrodeposited platinum was developed. This functionalization was successfully applied to bulk and flexible amperometric devices, the design of which was also optimized. Using the same strategy, flexible organic electrochemical transistors (OECTs) for glucose sensing were also made and successfully tested. For the sensing of chloride ions, an organic charge-modulated field-effect transistor (OCMFET) featuring a silver/silver chloride modified floating gate electrode was developed and tested.

Identificazione di attività motorie a partire da misure con sensori indossabili: una revisione critica della letteratura

La revisione qui riportata valuta tutte le modalità di identificazione di task motori e posturali attraverso l'uso di sensori indossabili, principalmente accelerometri. Essa ha lo scopo di illustrare i sensori e gli algoritmi utilizzati in 23 articoli scelti in base alla loro qualità secondo una metodologia personalizzata di ricerca per fare il punto degli studi in questo campo, fino a questo momento. I dati estratti vengono utilizzati per individuare gli aspetti chiave riportati negli articoli, specialmente riguardanti l'algoritmo, focus della nostra revisione. Secondo questo criterio vengono selezionati 13 articoli, i quali si soffermano maggiormente sui modelli di approccio utilizzati, al fine di ottenere la più elevata accuratezza nell'identificazione. Questa in generale varia tra l'80-90% per i task motori più conosciuti(camminata, corsa e altri) mentre rimane limitata, intorno al 60-70% quando vengono analizzati i movimenti specifici degli arti superiori o inferiori.

Progettazione e sviluppo di un prototipo di dispositivo wearable per il monitoraggio dell'attivita elettro-meccanica del cuore

Il presente lavoro di tesi è finalizzato allo sviluppo di un dispositivo indossabile, e minimamente invasivo, in grado di registrare in maniera continua segnali legati all’attività elettromeccanica del muscolo cardiaco, al fine di rilevare eventuali anomalie cardiache. In tal senso il sistema non si limita alla sola acquisizione di un segnale ECG, ma è in grado di rilevare anche i toni cardiaci, ovvero le vibrazioni generate dalla chiusura delle valvole cardiache, la cui ampiezza è espressione della forza contrattile (funzione meccanica) del cuore. Il presente lavoro di tesi ha riguardato sia la progettazione che la realizzazione di un prototipo di tale dispositivo ed è stato svolto presso il laboratorio di Bioingegneria del Dipartimento di Medicina Specialistica Diagnostica e Sperimentale dell’Università di Bologna, sito presso l’Azienda Ospedaliero-Universitaria Policlinico Sant’Orsola-Malpighi. Il sistema finale consiste in un dispositivo applicabile al torace che, attraverso una serie di sensori, è in grado di rilevare dati legati alla meccanica del cuore (toni cardiaci), dati elettrici cardiaci (ECG) e dati accelerometrici di attività fisica. Nello specifico, il sensing dei toni cardiaci avviene attraverso un accelerometro in grado di misurare le vibrazioni trasmesse al torace. I tracciati, raccolti con l’ausilio di una piattaforma Arduino, vengono inviati, tramite tecnologia Bluetooth, ad un PC che, attraverso un applicativo software sviluppato in LabVIEW™, ne effettua l’analisi, il salvataggio e l’elaborazione in real-time, permettendo un monitoraggio wireless ed in tempo reale dello stato del paziente.

Wearable computing e body area network: Android e wristox2 come caso di studio

In questa tesi verranno affrontati due argomenti principali. Il primo sono le tecnologie wearable, comprendendo anche la notazione più generica di tecnologie bearable, che si stanno sempre più diffondendo negli ultimi anni; il secondo sono le BAN (Body Area Network), reti di sensori e dispositivi posti sul corpo umano, utilizzate per rendere possibile la comunicazione e l'interazione fra i device wearable. Si partirà da una trattazione di tipo generico degli argomenti, descrivendo l'architettura fisica delle tecnologie, con focalizzazione sull'aspetto informatico prevalentemente che su quello elettronico e telecomunicazionistico. Si parlerà degli attuali impieghi dei dispositivi e delle reti, e delle loro probabili evoluzioni future. Si introdurranno poi i protocolli di comunicazione principali e se ne analizzeranno le differenze, decretando se sia o meno conveniente puntare su uno o sull'altro rispetto alle esigenze di progetto. Verrà introdotto il sistema operativo Android, descrivendo la sua architettura e fornendo le informazioni basilari per comprendere al meglio il rapporto esistente con la tecnologia Bluetooth.

Un sistema di controllo accessi basato su tecnologie wearable

Negli ultimi anni il mondo ha assistito ad un'espansione esponenziale del mercato mobile, un settore che ha rivoluzionato le nostre vite e le nostre abitudini. Parallelamente, sono entrati in commercio i primi dispositivi commerciali dell'era dell'Internet delle Cose (Internet-of-Things), un paradigma secondo il quale oggetti utilizzati quotidianamente possono dialogare tra loro mediante Internet al fine di migliorare la vita personale e i processi produttivi aziendali. Un'applicazione pratica di Internet-of-Things è costituita dai dispositivi indossabili (wearable) capaci per mezzo di sensori di raccogliere dati sanitari, ambientali e fisici attorno a noi. I dispositivi indossabili attualmente in commercio permettono di collegarsi tramite protocolli e standard come WiFi e Bluetooth ad altri dispositivi, siano essi indossabili, smartphone o computer. Da questo concetto nasce l’idea di far comunicare un indossabile con altri dispositivi utilizzati in un contesto aziendale. In questo documento verrà preso in considerazione un tassello fondamentale nella gestione delle risorse umane e della sicurezza: il controllo degli accessi in un edificio e lo sblocco di un varco, sia esso un tornello, una porta o una serranda. Verrà quindi analizzato e progettato un sistema che possa effettuare le operazioni di timbratura e di apertura di varchi dall'orologio Apple Watch e da iPhone collegandosi ad un terminale dedicato.

Progettazione e simulazione di un attacco sniffing su un dispositivo wearable

Oggigiorno, grazie al progresso tecnologico nel settore informatico e alla vasta diffusione dei dispositivi mobili all'interno del mercato mondiale, numerose sono le persone che utilizzando questi prodotti all'interno della vita di tutti giorni e.g. smartphone, smartwatch, smartband, auricolari, tablet, ecc. Per poter utilizzare questi dispositivi, spesso è necessario l'impiego di applicazioni apposite installate sui cellulari di ultima generazione e collegate ai dispositivi che permettono il controllo, la gestione e la raccolta dei dati relativo all'oggetto in questione. Oltre a facilitare le attività giornaliere, questi programmi, potrebbero causare dei problemi agli utenti a causa della ridotta o mancata sicurezza, poiché le informazioni personali come credenziali d'accesso, dati salutistici oppure quelli inerenti ai metodi di pagamento possono essere soggetti ad attacchi informatici. Questa tesi consiste nell'elaborazione di un software composto da un'applicazione Android, uno script Batch e dall'uso di programmi di terze parti, per poter effettuare la simulazione di un attacco sniffing in modo da poter intercettare i dati trasmessi, quali credenziali di accesso, OTP, tramite la tecnologia Bluetooth Low Energy.

Implementation of a VLSI amplifier interfaced with biomedical sensors for ultra wide band data transmission

This thesis presents a CMOS Amplifier with High Common Mode rejection designed in UMC 130nm technology. The goal is to achieve a high amplification factor for a wide range of biological signals (with frequencies in the range of 10Hz-1KHz) and to reject the common-mode noise signal. It is here presented a Data Acquisition System, composed of a Delta-Sigma-like Modulator and an antenna, that is the core of a portable low-complexity radio system; the amplifier is designed in order to interface the data acquisition system with a sensor that acquires the electrical signal. The Modulator asynchronously acquires and samples human muscle activity, by sending a Quasi-Digital pattern that encodes the acquired signal. There is only a minor loss of information translating the muscle activity using this pattern, compared to an encoding technique which uses astandard digital signal via Impulse-Radio Ultra-Wide Band (IR-UWB). The biological signals, needed for Electromyographic analysis, have an amplitude of 10-100μV and need to be highly amplified and separated from the overwhelming 50mV common mode noise signal. Various tests of the firmness of the concept are presented, as well the proof that the design works even with different sensors, such as Radiation measurement for Dosimetry studies.

Sistemi Informatici Mobili e Realtà Aumentata a supporto del lavoro cooperativo in scenari d'emergenza: studio e realizzazione di un caso applicativo

Scopo primario della tesi è studiare e progettare un sistema informatico che proponga un buon livello di innovazione tecnologica in relazione al contesto applicativo di riferimento, ovvero relativamente al supporto al lavoro cooperativo di operatori in scenari d'emergenza. In particolare, la tesi si concentra sul'ecosistema software che ruota attorno al singolo operatore con l'obiettivo di dotarlo di uno strumento informatico che gli consenta di avvalersi di un efficace ed efficiente supporto per l'esecuzione delle proprie azioni sul campo (in generale, per la prima assistenza ai pazienti, triage e monitoraggio di parametri vitali). A tal proposito, l'ambito tecnologico di riferimento è quello del Pervasive Mobile Computing, con specifico riferimento ai sistemi context-aware e a quelli con comportamenti fortemente autonomi. Inoltre, al fine di dotare l'operatore di un supporto per l'interazione con il sistema stesso in modalità hands-free, sono stati analizzati i dispositivi wearable di tipo "see-through"; in particolare, i recenti glasses per realtà aumentata. La progettazione del sistema e il conseguente sviluppo del prototipo (che implementa le caratteristiche più significative ed innovative), è stata guidata da un'ispirazione basata sul modello ad agenti (integrato a quello ad oggetti), rivisitando opportunamente l'utilizzo dei componenti offerti dalla tecnologia Android, al fine di ottenere un prodotto software robusto e modulare facilmente manutenibile ed estendibile. Infine, per garantire a ciascun operatore rapida fruibilità del sistema sono state sfruttate le potenzialità offerte dall'uso di smartcard NFC ed inoltre è stato progettato un protocollo di comunicazione ad hoc, basato su stack Bluetooth, per l'integrazione degli AR-Glasses all'intero sistema.

Discovery di dispositivi embedded e raccolta di dati con bluetooth e bluetooth smart

L'obbiettivo di questa tesi è la produzione del prototipo di un sistema che sia in grado di ottenere dati da un insieme di sensori per poterli poi trasmettere all’utente, in modo che esso sia maggiormente cosciente del mondo che lo circonda. Affronteremo la sfida in uno scenario medico / di soccorso, dove un operatore si avvicinerà ad un gruppo di pazienti con l’intenzione di ottenere i parametri vitali di uno di essi. All'interno del documento saranno descritte le tecnologie sfruttate per la realizzazione del prototipo: Bluetooth e Bluetooth Smart, il sistema operativo Linux in esecuzione su un Raspberry Pi dotato di sensori, il sistema operativo Android in esecuzione su smartphone o tablet e iBeacon. Verranno poi analizzati i requisiti del sistema da realizzare. Infine verrà descritta l'implementazione utilizzata nel prototipo e analizzato il suo comportamento.

Libreria per comunicazioni ad-hoc per android basate su bluetooth

La tesi sviluppa, attraverso un processo definito e gestito, una libreria Android che permette di far comunicare diversi dispositivi mobili tramite Bluetooth. Inoltre gestisce: • le richieste di connessione sia che esse provengano dall’esterno, sia che partano dal dispositivo stesso; • la dinamicità del sistema utilizzando dispositivi mobili, cioè capaci di muoversi in diverse direzioni costantemente. In tal senso, la lista dei dispositivi vicini è costantemente aggiornata. • la comunicazione in stile Peer-to-Peer(P2P). In questo caso si viene a formare un gap in quanto la libreria Android di Bluetooth usa lo stile Master-Slave per i suoi dispositivi. Per colmare questo gap, la libreria sviluppata crea un layer soprastante la libreria Bluetooth di Android e maschera lo stile di comunicazione di quest’ultima a favo- re di una comunicazione paritaria, nella quale un dispositivo può sia accettare le richieste di connessione, sia connettersi ad altri dispositivi.

Progettazione di un applicativo di supporto al monitoraggio di team situati

Lo scopo della tesi e quello di giungere alla realizzazione di un prototipo, che si basi su tecnologie specifiche quali GPS, Android e Bluetooth, per l'infrastruttura di un sistema che può essere visto come l'unione di tre macro parti distinte, centrale di controllo, dispositivo mobile e pulsossimetro. Concentrandosi in particolare sugli ultimi due componenti citati e realizzando un sistema di comunicazione che si basa su un Web Service ispirato al modello REST, si giungerà, attraverso un attento processo logico dettato dai canoni dell'ingegneria del software, al prototipo finale. Il prototipo che sarà realizzato rappresenterà oltre che un primo sistema funzionante e operativo, un punto di partenza per estensioni future, con lo scopo di perfezionare le funzionalità già esistenti o di fornirne di aggiuntive.