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.

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.

Sviluppo di una interfaccia per l'integrazione della piattaforma inerziale X-Nucleo con una rete di sensori wireless

Questo elaborato presenta il progetto di una interfaccia per l'aggiunta di sensori inerziali ad un nodo di una WSN (Wireless Sensor Network) �finalizzato al monitoraggio delle frane. Analizzando i vantaggi che avrebbe portato l'utilizzo di ulteriori sensori, si �e cercato di fornire un valido approccio di progettazione; in particolare l'idea �e quella di integrarli con un giroscopio ed un accelerometro aventi applicazioni in altri settori. Con questo particolare utilizzo, essi possono portare ad un miglior monitoraggio riuscendo a rilevare i movimenti in modo dettagliato ed a riconoscere i falsi allarmi. Nell'approccio che si intende suggerire verranno sfruttate schede per la prototipazione rapida, user-friendly e con costi decisamente accessibili, adatte alla sperimentazione elettronica e per lo sviluppo di nuovi dispositivi. Attraverso l'utilizzo di ambienti di sviluppo appositamente creati, si sono simulate le comunicazioni tra nodo e scheda di sensori, mettendo in evidenza i vantaggi ottenuti. Buona parte del progetto ha riguardato la programmazione in linguaggio C/C++, con una particolare attenzione al risparmio energetico.

Caratterizzazione del cammino in soggetti sani e patologici mediante accelerometria

Background: studi in letteratura mostrano come l'accelerometria stia diventando una pratica clinica (e non solo) molto utile sia in ambito diagnostico sia riabilitativo; molti di essi sfruttano i dati provenienti da più sensori inerziali posti su un soggetto e ne ricavano l'andamento accelerometrico dei vari segmenti corporei durante il movimento in esame. Obiettivo: caratterizzare il cammino di soggetti sani ed osservare quello di alcuni casi patologici, parametrizzando l'accelerazione Antero-Posteriore. Gli indici sono: il Range dell'accelerazione, la Simmetria sulle accelerazioni e sugli intervalli di tempo tra un appoggio al suolo ed il successivo, la Simmetria nel dominio delle frequenze. Strumenti e Metodi: 10 volontari clinicamente sani hanno svolto 5 prove a velocità Spontanea, Lenta e Lentissima con il sensore inerziale G-Walk (BTS Milano) all'altezza di L5. I dati, acquisiti mediante il software G-Studio, sono stati elaborati grazie a Matlab. Risultati: è definita una fascia di normalità per ogni velocità. Conclusioni: le differenze tra il cammino sano e quello patologico si manifestano nelle grandezze di Range ed Indice di Simmetria sulle accelerazioni. I due parametri che misurano la simmetria nel dominio dei tempi ed in quello delle frequenze sono invece sostanzialmente simili. Tale distinzione è importante in medicina, perchè permette di definire le cause di deficit motorio, il percorso chirurgico/riabilitativo da effettuare e l'entità del recupero funzionale.

Movement Analysis by means of inertial sensors: from bench to bedside

in the everyday clinical practice. Having this in mind, the choice of a simple setup would not be enough because, even if the setup is quick and simple, the instrumental assessment would still be in addition to the daily routine. The will to overcome this limit has led to the idea of instrumenting already existing and widely used functional tests. In this way the sensor based assessment becomes an integral part of the clinical assessment. Reliable and validated signal processing methods have been successfully implemented in Personal Health Systems based on smartphone technology. At the end of this research project there is evidence that such solution can really and easily used in clinical practice in both supervised and unsupervised settings. Smartphone based solution, together or in place of dedicated wearable sensing units, can truly become a pervasive and low-cost means for providing suitable testing solutions for quantitative movement analysis with a clear clinical value, ultimately providing enhanced balance and mobility support to an aging population.

Valutazione della stabilita motoria in soggetti anziani attraverso misure strumentali e scale cliniche

Il rischio di caduta durante la deambulazione aumenta con l'età; le cadute comportano costi elevati per l’assistenza sanitaria ed hanno un influenza critica sullo stato di salute dell'anziano. La valutazione della stabilità del cammino rappresenta un aspetto fondamentale per la definizione di un indice del rischio di caduta. Diverse misure di variabilità e stabilità del cammino sono state proposte in letteratura con l'obiettivo di ottenere una standardizzazione metodologica e risultati affidabili, ripetibili e facilmente interpretabili. Queste misure andrebbero ad integrare, o sostituire, le scale cliniche, unico metodo attualmente in uso ma la cui affidabilità è limitata in quanto fortemente dipendente dall’operatore. Il fine ultimo è quello di definire un indice del rischio di caduta specifico per il soggetto. Gli obiettivi della tesi comprendono la valutazione della ripetibilità in dipendenza dalla lunghezza del trial di una serie di misure di variabilità e stabilità applicate al cammino di soggetti anziani, la valutazione della correlazione fra queste misure di variabilità e stabilità e il risultato delle scale cliniche e la valutazione della correlazione fra queste misure di variabilità e stabilità e la storia di caduta dei soggetti. Per fare questo si sono somministrati alcuni questionari e schede di valutazione funzionale (CIRS, Barthel, Mini-BESTest) a 70 soggetti di età superiore a 65 anni. Questi hanno eseguito inoltre una camminata lungo un tratto rettilineo di circa 100 m di lunghezza; il relativo segnale accelerometrico è stato registrato mediante sensori inerziali. Il risultato generale ottenuto è che alcune misure di stabilità come la MSE e la RQA, già in passato risultate legate alla storia di cadute, mostrano promettenti performance per la definizione del rischio di caduta.

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.

Analisi dei parametri spazio-temporali del passo durante i primi due mesi di cammino indipendente: Uno studio longitudinale

Tramite i sensori inerziali sono stati analizzati 17 bambini (10-16 mesi) durante i primi 2 mesi di cammino indipendente. Sono stati acquisiti i parametri temporali e analizzata la simmetria del passo differenziando i parametri su gamba destra e su gamba sinistra. Si è riscontrato che gli andamenti dei parametri sono in linea generale in accordo con la letteratura. Analizzando la simmetria si è evidenziato che la differenza tra Stance- time destro e Stance- time sinistro per alcuni soggetti è più bassa e per altri più alta. Tali studi saranno importanti per approfondire ulteriormente in futuro aspetti sulle strategie del passo nei primi due mesi di cammino indipendente.

Sensor-based evaluation of Circadian motor behavior in people with Dementia. Development and validation of analysis strategies

[ITA]La demenza consiste nel deterioramento, spesso progressivo, dello stato cognitivo di un individuo. Chi è affetto da demenza, presenta alterazioni a livello cognitivo, comportamentale e motorio, ad esempio compiendo gesti ossessivi, ripetitivi, senza uno scopo preciso. La condizione dei pazienti affetti da demenza è valutata clinicamente tramite apposite scale e le informazioni relative al comportamento vengono raccolte intervistando chi se ne occupa, come familiari, il personale infermieristico o il medico curante. Spesso queste valutazioni si rivelano inaccurate, possono essere fortemente influenzate da considerazioni soggettive, e sono dispendiose in termini di tempo. Si ha quindi l'esigenza di disporre di metodiche oggettive per valutare il comportamento motorio dei pazienti e le sue alterazioni patologiche; i sensori inerziali indossabili potrebbero costituire una valida soluzione, per questo scopo. L'obiettivo principale della presente attività di tesi è stato definire e implementare un software per una valutazione oggettiva, basata su sensori, del pattern motorio circadiano, in pazienti affetti da demenza ricoverati in un'unità di terapia a lungo termine, che potrebbe evidenziare differenze nei sintomi della malattia che interessano il comportamento motorio, come descritto in ambito clinico. Lo scopo secondario è stato quello di verificare i cambiamenti motori pre- e post-intervento in un sottogruppo di pazienti, a seguito della somministrazione di un programma sperimentale di intervento basato su esercizi fisici. --------------- [ENG]Dementia involves deterioration, often progressive, of a person's cognitive status. Those who suffer from dementia, present alterations in cognitive and motor behavior, for example performing obsessive and repetitive gestures, without a purpose. The condition of patients suffering from dementia is clinically assessed by means of specific scales and information relating to the behavior are collected by interviewing caregivers, such as the family, nurses, or the doctor. Often it turns out that these are inaccurate assessments that may be heavily influenced by subjective evaluations and are costly in terms of time. Therefore, there is the need for objective methods to assess the patients' motor behavior and the pathological changes; wearable inertial sensors may represent a viable option, so this aim. The main objective of this thesis project was to define and implement a software for a sensor-based assessment of the circadian motor pattern in patients suffering from dementia, hospitalized in a long-term care unit, which could highlight differences in the disease symptoms affecting the motor behavior, as described in the clinical setting. The secondary objective was to verify pre- and post-intervention changes in the motor patterns of a subgroup of patients, following the administration of an experimental program of intervention based on physical exercises.

Sviluppo di un ambiente software di test e analisi delle prestazioni di INS di livello navigation e tactical grade

In questa tesi abbiamo provato a definire fino a che punto le misure di sensori siano affidabili, creando un simulatore che sia in grado di analizzare, qualitativamente e quantitativamente, le prestazioni di sensori inerziali facenti parte di sistemi di navigazione inerziale. Non ci siamo soffermati troppo sulle dinamiche dovute agli errori deterministici, che sono eliminabili facilmente mediante prove sperimentali e test, ma abbiamo puntato ad uno studio approfondito riguardante gli errori dovuti a processi stocastici casuali. Il simulatore, programmato sulla piattaforma MATLAB/Simulink, prende i dati grezzi contenuti all’interno dei datasheets dei sensori e li simula, riportando risultati numerici e grafici degli errori risultanti dall’utilizzo di quei specifici sensori; in particolare, esso mette in luce l’andamento degli errori di posizione, velocità ed assetto ad ogni istante di tempo della simulazione. L’analisi effettuata all’interno dell’elaborato ha successivamente condotto all’identificazione dei giroscopi laser come i sensori che soffrono meno di questi disturbi non-sistematici, portandoli ad un livello sopraelevato rispetto ai MEMS ed ai FOG.

Analisi della stabilità motoria durante il cammino: come gli indici di variabilità e stabilità dell'accelerazione del centro di massa sono influenzati da processi cognitivi (dual-task)

La valutazione strumentale del cammino è solitamente svolta chiedendo ai soggetti semplicemente di camminare (ST). Tale condizione non rappresenta la quotidianità. Infatti, nella vita di tutti i giorni la locomozione richiede di adattarsi alle necessità individuali e il coinvolgimento di attività cognitive. I paradigmi di Dual-Task (DT) sono utilizzati per valutare i cambiamenti nella strategia di controllo del cammino in situazioni di vita quotidiana. In particolare, gli indici di performance, di variabilità e di stabilità, utilizzati nella valutazione del controllo motorio, potrebbero essere utili per valutare le interferenze cognitive durante il cammino. L’obiettivo del lavoro è di valutare come tali indici cambiano durante il Dual-Task. Sono stati reclutati 16 studenti, giovani e sani, della Facoltà di Ingegneria Biomedica di Cesena, ai quali è stato chiesto di compiere un cammino rettilineo di 250 m, senza ostacoli, all’aperto, in due condizioni: svolgendo la sola attività di cammino (ST); aggiungendo al precedente task, una sottrazione consecutiva di 7 ad alta voce, partendo da un numero casuale (DT). Tramite tre sensori inerziali tri-assiali, posti sul tronco (L5) e sulle caviglie, sono stati acquisiti i segnali di accelerazione e velocità angolare. Dopo aver calcolato, a partire da tali dati, indici di performance (numero di passi, cadence, velocità e tempo di esecuzione del test), di variabilità (Standard Deviation, Coefficient of Variation, Index of the Variance, Nonstationary Index, Poincare 4 Plots) e di stabilità (Harmonic Ratio e Index of Harmonicity), nelle due condizioni (ST e DT), è stata eseguita un’analisi statistica tra i due task. Le analisi statistiche condotte su tali indici hanno evidenziato che il DT influenza prevalentemente gli indici di performance (numero di passi, cadence, velocità e tempo di esecuzione del test) e in grado minore gli indici di variabilità e stabilità.

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.

Analsi biomeccanica di protesi transtibiali: dai test sulle componenti all'analisi del movimento in pazienti durante postura, cammino e corsa

L’elaborato propone una descrizione generale dei dispositivi protesici transtibiali, dalla storia, al processo di protesizzazione dei pazienti amputati alla struttura costitutiva modulare. Particolare importanza viene, inoltre, conferita all’analisi biomeccanica del movimento, della quale è data descrizione delle tecniche, della strumentazione, e dei risultati che vengono ottenuti nelle indagini di soggetti amputati rispetto alle persone normodotate. Considerazioni sulla biomeccanica di pazienti protesizzati transtibialmente offrono interessanti spunti di riflessione sulle componenti meccaniche, idrauliche ed elettroniche dei dispositivi modulari, delle quali si descrive in modo completo la struttura e il funzionamento, facendo riferimento ai brevetti tecnici più noti. Verranno, infine, riportati risultati di recenti studi e ricerche che evidenziano come l’utilizzo nei moduli prostesici transtibiali di caviglie idrauliche a controllo elettronico dello smorzamento sia la soluzione ottimale per ottenere risultati biomeccanicamente migliori, sia dal punto di vista dell’efficienza del movimento che per quanto riguarda l’equilibrio.