Analisi cinematica dello sci di fondo tramite sensori inerziali

Lo studio di questa tesi è stato incentrato sull'analisi della disciplina sportiva dello sci di fondo, in alcune sue tecniche. L'indagine è stata realizzata con l'ausilio di sensori inerziali e di telecamere per l'analisi video. L'attenzione è stata focalizzata sull'analisi delle articolazioni degli arti inferiori per la stima di parametri utili per sviluppi futuri.

Analisi del cammino e della corsa con stampelle in soggetti amputati tramite sensori inerziali

L’obiettivo dello studio era quello di analizzare la corsa con stampelle in soggetti amputati, attraverso sensori inerziali indossabili. Nello specifico sono stati individuati in letteratura i metodi classici per il calcolo dei parametri temporali nella corsa di normodotati e applicati alla corsa di un soggetto amputato. Dato il numero ristretto di prove e la mancanza di un gold standard, in questa prima analisi sono stati studiati i vari metodi utilizzabili per il calcolo dei parametri temporali, e confrontati tra loro in maniera qualitativa. Utilizzando come riferimento un’analisi video dei primi 4 cicli della corsa del soggetto amputato sono stati identificati come più affidabili i metodi che sfruttano gli angoli articolari della caviglia e la derivata seconda della velocità angolare della pelvi.

Sviluppo del cammino durante la crescita: Confronto tra variabilità segmentale e variabilità del centro di massa

In letteratura è noto che la variabilità cinematica dei bambini durante il cammino è molto maggiore se confrontata con quella di soggetti adulti. Ciò rende difficile definire lo sviluppo del cammino basandosi sull'analisi di angoli articolari. In questo lavoro è stata valutata la traiettoria del centro di massa come possibile fattore caratterizzante la maturazione del cammino durante la crescita: l’ipotesi è che questa risulti, nei bambini, più ripetibile rispetto al pattern degli angoli articolari. È stata analizzata la cinematica del cammino di soggetti appartenenti a tre fasce di età differenti (4 anni, 6 anni, giovani adulti), mediante un sistema di stereofotogrammetria e marker riflettenti (protocollo Plug-in Gait). Lo studio è stato condotto avvalendosi di software per l’acquisizione, l’elaborazione (BTS Smart-DX) e l’analisi statistica (SPM1D) dei parametri d’interesse. La variabilità è stata analizzata secondo tre diverse modalità (Inter-subject, Intra-subject, Inter-test). È stato osservato un trend simile in termini di variabilità del centro di massa tra bambini e adulti. La variabilità cinematica degli angoli articolari è invece risultata più alta nei bambini, in maniera significativa per tutte e tre le modalità citate. L’ipotesi è stata confermata per i soggetti che hanno preso parte allo studio: i bambini, pur avendo raggiunto un relativo sviluppo del cammino, presentano una variabilità segmentale maggiore di quella degli adulti, mentre la variabilità della traiettoria del centro di massa è risultata essere simile a quella dei soggetti maturi.

Studio biomeccanico del movimento di entrata alle parallele asimmetriche: kippe

Studio di un esercizio dell'entrata alle parallele asimmetriche in ginnastica artistica effettuato mediante le tecniche della biomeccanica, in particolare la rilevazione per mezzo della stereo-fotogrammetria e l'analisi dei dati attraverso SMART Tracker e SMART Analyzer allo scopo di introdurre un nuovo movimento di entrata alle parallele di maggiore difficoltà.

Analisi del cammino di pazienti con lesione midollare

Nel trattamento e nella cura di pazienti con lesione spinale è fondamentale una corretta valutazione della lesione e delle disfunzionalità che questa produce. Il cammino è senza dubbio una delle funzionalità maggiormente ridotta a seguito di una lesione, che può portare sia ad una diminuzione di questa capacità sia ad una completa inabilità. Nella valutazione del cammino il clinico si avvale di diverse strumentazioni come sistemi stereofotogrammetrici, pedane di forza ed elettromiografi che gli permettono di svolgere un’analisi strumentale del passo ed indagare le cause muscolari e neurologiche che portano a delle anormalità nella deambulazione. Questo lavoro si propone di presentare questi sistemi e compiere una panoramica dei principali parametri cinematici (velocità del cammino, lunghezza del passo, fase di stance, angoli articolari, ciclogrammi intra-articolari) che influenzano il passo e le metodologie con più successo nel migliorarli. Inoltre verranno evidenziati i risultati ottenuti dall’analisi elettromiografica riguardo alla presenza di pattern muscolari comuni alla base del cammino riscontrabili anche in persone sane e come gli impulsi EMG siano modulabili in ampiezza e durata a seguito di training motori.

Studio della cinematica del nuoto a stile libero attraverso sensori inerziali

Analisi cinematica delle fasi del nuoto, velocità in vasca e body roll attraverso l'uso di sensori inerziali. Implementazione di innovativi algoritmi di calcolo con l'utilizzo del filtro di Kalman 3D, matrici di rotazione e quaternioni per la determinazione dei parametri fondamentali del nuoto e della posizione del polso nel sistema di riferimento di torace. Confronto dei risultati ottenuti mediante i diversi algoritmi e loro validazione con quelli ottenuti con l'uso della stereofotogrammetria. Gli algoritmi possono essere generalizzati ad altri gesti motori.

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.

Analisi del cammino in acqua tramite sensori inerziali: Accuratezza strumentale e fasce di normalita

La biocinematica è una branca della biomeccanica che studia il movimento dei segmenti corporei senza considerare le cause che lo determinano. Le grandezze fisiche di interesse (posizione, velocità ed accelerazione) vengono determinate grazie ai sistemi di analisi del movimento che sfruttano principi fisici di funzionamento differenti con vari gradi di invasività. Lo sviluppo di nuove tecnologie di costruzione dei sensori inerziali, ha fornito una valida alternativa alle tecniche classiche per l’analisi del movimento umano. Gli IMUs (Inertial Measurement Units) sono facilmente indossabili, possono essere facilmente utilizzati fuori dal laboratorio, hanno un costo molto inferiore rispetto a quello dei sistemi opto-elettronici, non richiedono particolari abilità per essere utilizzati dall’utente e si configurano facilmente. In questa tesi verrà analizzato il cammino e costruite le bande di normalità sia in laboratorio che in acqua tramite i sensori inerziali. L’utilizzo in acqua delle tecniche classiche di analisi del movimento presenta dei problemi di accuratezza (legati ad esempio alla presenza delle bolle d’aria in acqua) che impediscono di effettuare un confronto tra i risultati ottenuti dai sensori e quelli ottenuti con un gold standard. Per questo motivo, è stato implementato un test per valutare l’accuratezza dei sensori e l’influenza dei disturbi magnetici sui magnetometri nelle stesse condizioni ambientali in cui si desidera registrare il cammino. Quest’analisi strumentale ha consentito anche di individuare, tra i diversi algoritmi di fusione utilizzati (algoritmo di fabbrica e algoritmo di Madgwick), quello da impiegare nell’analisi del suddetto task motorio per stimare in maniera più accurata l’orientamento dei sensori in acqua e in laboratorio. L'algoritmo di fabbrica viene escluso dal processo di sensor fusion poiché mostra un'accuratezza peggiore rispetto all'algoritmo di Madgwick. Dal momento che il protocollo implementato di analisi del cammino attraverso i sensori inerziali è già stato validato a secco e che le prestazioni dei sensori sono analoghe a secco e in acqua, il protocollo può essere utilizzato per la stima della cinematica degli arti inferiori nell'acqua. Le differenze riscontrate tra le curve del cammino sono da imputare sia alla diversa condizione ambientale che alla minore velocità di progressione che i soggetti manifestano in acqua. Infatti, la velocità media di progressione è 151.1 cm/s in laboratorio e 40.7 cm/s in acqua.

Stima ottimale del guadagno del filtro di Kalman per l'analisi del cammino tramite sensori inerziali

L’analisi del movimento ha acquisito, soprattutto negli ultimi anni, un ruolo fondamentale in ambito terapeutico e riabilitativo. Infatti una dettagliata analisi del movimento di un paziente permette la formulazione di diagnosi dettagliate e l’adozione di un adeguato trattamento terapeutico. Inoltre sistemi di misura del movimento sono utilizzati anche in ambito sportivo, ad esempio come strumento di supporto per il miglioramento delle prestazioni e la prevenzione dell’infortunio. La cinematica è la branca della biomeccanica che si occupa di studiare il movimento, senza indagare le cause che lo generano e richiede la conoscenza delle variabili cinematiche caratteristiche. Questa tesi si sviluppa nell’ambito dell’analisi della cinematica articolare per gli arti inferiori durante il cammino, mediante l’utilizzo di Unità di Misura Magnetico-Inerziali, o IMMU, che consistono nella combinazione di sensori inerziali e magnetici. I dati in uscita da accelerometri, giroscopi e magnetometri vengono elaborati mediante un algoritmo ricorsivo, il filtro di Kalman, che fornisce una stima dell’orientamento del rilevatore nel sistema di riferimento globale. Lo scopo di questa tesi è quello di ottimizzare il valore del guadagno del filtro di Kalman, utilizzando un algoritmo open-source implementato da Madgwick. Per ottenere il valore ottimale è stato acquisito il cammino di tre soggetti attraverso IMMU e contemporaneamente tramite stereofotogrammetria, considerata come gold standard. Il valore del guadagno che permette una vicinanza maggiore con il gold standard viene considerato il valore ottimale da utilizzare per la stima della cinematica articolare.

Analisi cinematica del nuoto tramite IMU: Stima della durata delle fasi e della velocità.

Nell’ambito del nuoto, la scelta della strumentazione è legata all’ambiente, il metodo più utilizzato per analizzare il movimento degli atleti, ancora oggi, è quello dell’analisi video, che utilizza videocamere subacquee. L’analisi video in acqua ha diversi limiti: presenta errori legati alla turbolenza e alla rifrazione aria/acqua, necessità di elevati tempi sia per la calibrazione sia per l’elaborazione dei dati, non consente un feedback in tempo reale e quindi non fornisce informazioni immediate all’allenatore e ha costi elevati. Da qui la necessità di investigare altri metodi. Il metodo alternativo proposto, per la prima volta da Oghi et al. nel 2000 utilizza i sensori inerziali (IMU- Inertial Measurements Units) che possono essere indossati dall’atleta, previa impermeabilizzazione. Non sono invasivi e non limitano eccessivamente il movimento, non richiedono un setup di calibrazione complesso e hanno costi ridotti. Per questo elaborato sono stati stimati i parametri che vengono tipicamente utilizzati dagli allenatori per valutare le performance degli atleti durante l’allenamento: parametri temporali legati alle fasi della bracciata e la velocità istantanea. Sono state effettuate prove sul campo, presso il Laboratorio di Biomeccanica della Scuola di Farmacia, Biotecnologie e Scienze Motorie, situato nella palestra Record del CUSB di Bologna.

Smart structures: sperimentazione mediante attuatori e sensori innovativi

L’idea di base della seguente tesi, finora mai applicata o descritta in letteratura scientifica in base alle ricerche effettuate, è stata quella di creare un sistema di monitoraggio strutturale intelligente (Structural Health Monitoring, SHM) mediante dei sensori di deformazione a reticolo di Bragg (Fiber Bragg Grating, FBG), incollati su fili a memoria di forma inseriti a loro volta, bloccati con opportuni ancoraggi esterni, in sei travi di betoncino cementizio armato. L’obbiettivo della sperimentazione è stato quindi quello di creare delle travi intelligenti che, in condizioni di carico eccezionali e critiche (monitorate dal sensore a fibra ottica), sapessero “autoripararsi” mediante gli attuatori a memoria di forma con un processo di riscaldamento appositamente progettato.

Analisi di immagini termiche aeree e satellitari per indagini multiscala in ambito urbano

L’alta risoluzione nel telerilevamento termico (Thermal Remote Sensing) da aereo o satellitare si rivela molto importante nell’analisi del comportamento termico delle superfici, in particolare per lo studio dei fenomeni climatici locali dello spazio urbano. La stato termico dell'ambiente urbano è oggi motivo di grande interesse per ricercatori, organi istituzionali e cittadini. Uno dei maggiori campi di studio del comportamento termico urbano interessa il problema energetico: la riduzione dei consumi e delle emissioni di CO2 è un obiettivo primario da perseguire per uno sviluppo sostenibile, spesso supportato da criteri legislativi e progetti comunitari. Su scala differente e con caratteristiche differenti, un altro degli argomenti che scuote da anni e con notevole interesse la ricerca scientifica, è il fenomeno termico urbano che prende il nome di isola di calore; questa si sviluppa non solo in conseguenza al calore sensibile rilasciato da attività antropiche, ma anche a causa della sempre maggiore conversione del territorio rurale in urbanizzato (inurbamento), con conseguente riduzione del fenomeno dell’evapotraspirazione. Oggetto di questa dissertazione è lo studio del comportamento termico delle superfici in ambito urbano, sperimentato sulla città di Bologna. Il primo capitolo si interessa dei principi e delle leggi fisiche sui quali è basato il telerilevamento effettuato nelle bende spettrali dell’infrarosso termico. Viene data una definizione di temperatura radiometrica e cinematica, tra loro legate dall’emissività. Vengono esposti i concetti di risoluzione (geometrica, radiometrica, temporale e spettrale) dell’immagine termica e viene data descrizione dei principali sensori su piattaforma spaziale per l’alta risoluzione nel TIR (ASTER e Landsat). Il secondo capitolo si apre con la definizione di LST (Land Surface Temperature), parametro del terreno misurato col telerilevamento, e ne viene descritta la dipendenza dal flusso della radiazione in atmosfera e dalle condizioni di bilancio termico della superficie investigata. Per la sua determinazione vengono proposti metodi diversi in funzione del numero di osservazioni disponibili nelle diverse bande spettrali dell’IR termico. In chiusura sono discussi i parametri che ne caratterizzano la variabilità. Il capitolo terzo entra nel dettaglio del telerilevamento termico in ambito urbano, definendo il fenomeno dell’Urban Heat Island su tutti i livelli atmosferici interessati, fornendo un quadro di operabilità con gli strumenti moderni di rilievo alle differenti scale (analisi multiscala). Un esempio concreto di studio multiscala dei fenomeni termici urbani è il progetto europeo EnergyCity, volto a ridurre i consumi energetici e le emissioni di gas serra di alcune città del centro Europa. Il capitolo quarto riporta la sperimentazione condotta sull’isola di calore urbana della città di Bologna tramite immagini ASTER con risoluzione spaziale 90 m nel TIR e ricampionate a 15 m dal VIS. Lo studio dell’isola di calore si è effettuata a partire dal calcolo della Land Surface Temperature utilizzando valori di emissività derivati da classificazione delle superfici al suolo. Per la validazione dei dati, in alternativa alle stazioni di monitoraggio fisse dell’ARPA, presenti nell’area metropolitana della città, si è sperimentato l’utilizzo di data-loggers per il rilievo di temperatura con possibilità di campionamento a 2 sec. installati su veicoli mobili, strumentati con ricevitori GPS, per la misura dei profili di temperatura atmosferica near-ground lungo transetti di attraversamento della città in direzione est-ovest.