Sviluppo di una piattaforma software per applicazioni di monitoraggio di parametri vitali basate su tecnologie wearable e mobile

L'obiettivo della tesi è quello di sviluppare una piattaforma software a supporto della programmazione di applicazioni mobile per la rilevazione di parametri vitali. Questo caso di studio offre una ampia discussione su wearable computing, healthcare e prototipazione del wearable. La tesi va a descrivere tutte le fasi di analisi, modellazione e progettazione del sistema, evidenziando problematiche e soluzioni adottate.

Attenuazione del multipath attraverso tecniche di diversità per applicazioni beacon tramite segnali Bluetooth Low Energy

In questo elaborato è stato effettuato uno studio di soluzioni tecnologiche per eseguire una localizzazione di prossimità in ambienti indoor tramite la percezione di segnali Bluetooth Low Energy. Il sistema analizzato e sperimentato è composto da un dispositivo in ricezione che effettua una stima della distanza che intercorre con il trasmettitore, tramite la valutazione della potenza del segnale ricevuto. A causa della propagazione indoor, tale stima risulta poco accurata in termini di ranging in quanto vengono a generarsi delle fluttuazioni istantanee del segnale ricevuto dovute a fenomeni di multipath. L’obiettivo di questo progetto è stato quello di mitigare queste oscillazioni sfruttando due trasmettitori al posto di uno, effettuando quindi in ricezione opportune combinazioni fra i segnali ricevuti (Diversity Combining Techniques).

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.

Evoluzione delle user interface: dalla metafora del desktop al Wearable Computing

Negli ultimi decenni abbiamo assistito ad una graduale evoluzione delle interfacce utente e della tecnologia. Sono stati introdotti nuovi dispositivi mobile e wearable che negli ultimi anni hanno subito un incremento tecnologico esponenziale arrivando a fondersi con la vita di tutti i giorni. Le classiche interfacce grafiche WIMP, la metafora del desktop e le linee guida di progettazione fino ad ora sviluppate non risultano ideali per la nuova tecnologia di wearable computing. Il proposito che la tesi vuole andare ad affrontare è proprio quello di indagare lo sviluppo di nuove user inteface basate sulla tecnologia wearable ed in particolare per smart glasses.

Bluetooth per TuCSoN mobile: panorama tecnologico ed esperimenti

La tesi analizza lo stack di comunicazione Bluetooth e le possibili estensioni di TuCSoN per permettere il suo utilizzo. Come risultato di questo lavoro, sono state realizzate delle librerie software che permettono lo scambio di messaggi tra TuCSoN su Android e dispositivi Bluetooth.

Sistema Bluetooth-based di remarketing pervasivo

Il progetto si propone di dotare la realta fisica di un estensione digitale. Sensori, attuatori e tecnologie embedded hanno cambiato il nostro modo di lavorare, allenarci e seguire i nostri interessi. Il mondo del commercio non e rimasto a guardare ed ha dovuto adattarsi alla metamorfosi high-tech del settore dei servizi. Il sistema proposto costituisce un promotore per acquisti ed un raccoglitore intelligente di abitudini sullo shopping e si compone di applicazione mobile, microcontroller e web server. Caratteristica prima e principale del progetto e sicuramente la pervasivita. All'utente ed utilizzatore dell'app dello shopping center deve essere certamente resa nota la collaborazione al fine di raccogliere dati statistici sulle sue abitudini, tuttavia sono le modalita di tale operazione a dover rimanere velate, in modo da non appesantire il cliente con tediose operazioni di invio di feedback e valutazioni ed allo stesso tempo permettere una raccolta capillare delle informazioni. Parallelamente alla raccolta di dati funzionali al producer, sono state implementate features per il consumatore, come notifiche promozionali place-triggered e pubblicita mirata. Tra tutte le tecnologie adibite allo scambio di informazioni, si e scelto l'utilizzo del Bluetooth e del piu recente Bluetooth Low Energy (BLE) per permettere ai dispositivi di comunicare tra loro.

Framework Orchestration e Applicazioni Mobili/Wearable con GUI Adattative

in questo elaborato sono trattati i temi delle Adaptive User Interface e dell'Internet Of Things nei sistemi mobili. Il primo attraverso l'orchestrazione e la definizione di un'architettura framework in grado di fornire allo sviluppatore tutti gli strumenti di base per la realizzazione di interfacce grafiche capaci di esibire un comportamento adattativo a livello di singoli componenti. il secondo,invece, attraverso lo studio della tecnologia DQuid applicata ad un caso d'uso reale nel quale si prevedeva la connessione di un applicazione mobile iOS con un sistema per il parcheggio in garage di un'autovettura ed il monitoraggio delle informazioni relative.

Wearable device e User Experience

La tesi tratta in modo approfondito il concetto di wearable device, i suoi utilizzi e l'esperienza d'uso da parte dell'utente soffermando l'attenzione sui principali dispositivi presenti in commercio e non. Nello specifico vengono trattati smart watch, smart glass e visori per la realta virtuale. Nella sezione conclusiva vengono trattati gli standard ISO relativi all'ergonomia degli utenti con i computer, descrivendo nel dettaglio le direttive che sono presentate nello standard ISO 9241:210-2010.

Confronto tra Bluetooth classic e Bluetooth low energy nelle comunicazioni tra sensori inerziali e dispositivi mobili in applicazioni biomeccaniche in ambito medico e sportivo

In questo elaborato sono stati confrontati i moduli bluetooth WT11, BLE113 , BT121 rispetto alle loro caratteristiche di banda, consumo, range e utilizzabilita in un contesto applicativo stringente come quello degli utilizzi biomeccanici. Si sono prima elencati i settori di riferimento, per poi descrivere il contesto applicativo in ambito medico e sportivo. Il confronto finale ha tenuto conto delle modalita di comunicazione bluetooth classic e bluetooth low energy, cercando di motivare quale modulo risulti migliore per questo particolare e innovativo contesto.

Progettazione ed implementazione di un sistema di navigazione in realtà aumentata per motocicli

Questa tesi ha l'obiettivo di mostrare i fondamenti per lo sviluppo di un sistema di navigazione per caschi motociclistici in realtà aumentata. L'applicazione implementata sfrutta i concetti principali di realtà aumentata sensor based, cioè basata su geo-localizzazione, al fine di fornire i dati di interesse all'interno del campo visivo del guidatore. Lo scopo del progetto è di realizzare un sistema in grado di interagire con l'utente attraverso i suoi movimenti, e rendere fruibili le informazioni riguardanti la navigazione all'interno di un casco. Non sono pochi i vantaggi che questi strumenti potrebbero introdurre nella guida veicolare, anche in ambito di sicurezza stradale. Infatti, in questo modo, l'utilizzatore del casco non sarà più costretto a distrarsi dalla guida per consultare le informazioni del percorso da seguire, ma avrà la possibilità di vederle proiettate direttamente all'interno del suo campo visivo. Tutte le informazioni che oggi siamo abituati a ricevere da un comune navigatore satellitare (o dal nostro smartphone), saranno disponibili nella visione reale del mondo che ci circonda in modo rapido e intuitivo. Si è scelto di utilizzare Android come sistema operativo per lo sviluppo del sistema, utilizzando la libreria droidAR per la realtà aumentata.

Studio e Progettazione di Sistemi Hands-free basati su Tecnologie Wearable: Un Caso di Studio in Ambito Healthcare

Il percorso intrapreso per la scrittura della tesi, si snoda essenzialmente in due fasi e nove capitoli. La prima fase ha avuto come scopo l’analisi dal punto di vista tecnologico dell’evoluzione tecnologica avuta nel campo di realtà aumentata e dispositivi wearable in particolare orientandosi verso una tipologia di interazioni hands-free. Questo ha portato ad una ricognizione sullo stato dell’arte permettendo di attenere una base di conoscenza solida per la costruzione del sistema presentato all’interno del caso di studi. I capitoli successivi, in particolare dal quinto, introducono alla seconda fase ed hanno lo scopo di progettare e realizzare il sistema proposto, partendo da un’attenta analisi delle caratteristiche richieste passando per la prototipazione e successiva definizione delle caratteristiche atte alla valutazione del sistema stesso.

Context-Aware Computing e Tecnologie Wearable

Quest' ultimo ventennio ha visto una vera e propria rivoluzione dei dispositivi, partendo dal computer desktop, passando ai laptop fino ad arrivare agli smartphone. Oggi giorno invece si parla di computer indossabili, i dispositivi stanno diventando sempre più piccoli e integrati in oggetti di moda come possono essere degli orologi, occhiali e orecchini.Questi sono connessi in rete con migliaia di dispositivi e con computer più grandi, con i quali, gli utenti nel corso della giornata interagiscono continuamente senza nemmeno rendersene conto scambiandosi migliaia di piccole informazioni: quando si cammina per strada, in centro città quando si fanno compere, quando si è in casa a guardare la TV. Questo ha portato quindi alla nascita di una nuova tipologia di sistemi, in risposta ai cambiamenti portati da questa rivoluzione, i così detti "Sistemi Context-Aware".Il context di un utente può essere descritto come la relazione che vi è tra i suoi dispositivi elettronici, e l' ambiente che lo circonda, a seconda di dove si trova esso dovrà dare delle risposte opportune, e compiere quindi autonomamente certe azioni, tal volta ad insaputa dell' utente. Le applicazioni che usano quindi questo sistema, vengono continuamente messe a conoscenza dei cambiamenti che vengono apportati all' ambiente circostante, regolandosi e reagendo di conseguenza in autonomia. Ad esempio, il nostro dispositivo scopre tramite la rete, la presenza di un amico nelle vicinanze, mentre stiamo passeggiano per strada, allora potrebbe inviarci un messaggio mostrandoci chi è, e dove si trova, con il tragitto da percorrere per raggiungerlo. Le migliaia di informazioni che vengono quindi scambiate in rete andranno a creare “un ambiente intelligente”, con il quale gli utenti interagiscono inviando informazioni sul proprio conto, senza nemmeno accorgersene, in modo da avere una risposta personalizzata, da parte dell' ambiente.

Integrating optical fiber force sensors into microforceps for ORL microsurgery

The delicate anatomy of the ear require surgeons to use great care when operating on its internal structures. One example for such an intervention is the stapedectomy, where a small crook shaped piston is placed in the oval window of the cochlea and connected to the incus through crimping thus bypassing the diseased stapes. Performing the crimp process with the correct force is necessary since loose crimps poorly transmit sound whereas tight crimps will eventually result in necrosis of the incus. Clinically, demand is high to reproducibly conduct the crimp process through a precise force measurement. For this reason, we have developed a fiber Bragg grating (FBG) integrated microforceps for use in such interventions. This device was calibrated, and tested in cadaver preparations. With this instrument we were able to measure for the first time forces involved in crimping a stapes prosthesis to the incus. We also discuss a method of attaching and actuating such forceps in conjunction with a robot currently under development in our group. Each component of this system can be used separately or combined to improve surgical accuracy, confidence and outcome.

Increasing Utilization of US Electric Grids via Smart Technologies: Integration of Load Management, Real Time Pricing, Renewables, EVs and Smart Grid Sensors

Electric power grids throughout the world suffer from serious inefficiencies associated with under-utilization due to demand patterns, engineering design and load following approaches in use today. These grids consume much of the world’s energy and represent a large carbon footprint. From material utilization perspectives significant hardware is manufactured and installed for this infrastructure often to be used at less than 20-40% of its operational capacity for most of its lifetime. These inefficiencies lead engineers to require additional grid support and conventional generation capacity additions when renewable technologies (such as solar and wind) and electric vehicles are to be added to the utility demand/supply mix. Using actual data from the PJM [PJM 2009] the work shows that consumer load management, real time price signals, sensors and intelligent demand/supply control offer a compelling path forward to increase the efficient utilization and carbon footprint reduction of the world’s grids. Underutilization factors from many distribution companies indicate that distribution feeders are often operated at only 70-80% of their peak capacity for a few hours per year, and on average are loaded to less than 30-40% of their capability. By creating strong societal connections between consumers and energy providers technology can radically change this situation. Intelligent deployment of smart sensors, smart electric vehicles, consumer-based load management technology very high saturations of intermittent renewable energy supplies can be effectively controlled and dispatched to increase the levels of utilization of existing utility distribution, substation, transmission, and generation equipment. The strengthening of these technology, society and consumer relationships requires rapid dissemination of knowledge (real time prices, costs & benefit sharing, demand response requirements) in order to incentivize behaviors that can increase the effective use of technological equipment that represents one of the largest capital assets modern society has created.

PM(10) remote sensing from geostationary SEVIRI and polar-orbiting MODIS sensors over the complex terrain of the European Alpine region

The subject of this study is to investigate the capability of spaceborne remote sensing data to predict ground concentrations of PM10 over the European Alpine region using satellite derived Aerosol Optical Depth (AOD) from the geostationary Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager (SEVIRI) and the polar-orbiting MODerate resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). The spatial and temporal resolutions of these aerosol products (10 km and 2 measurements per day for MODIS, ∼ 25 km and observation intervals of 15 min for SEVIRI) permit an evaluation of PM estimation from space at different spatial and temporal scales. Different empirical linear relationships between coincident AOD and PM10 observations are evaluated at 13 ground-based PM measurement sites, with the assumption that aerosols are vertically homogeneously distributed below the planetary Boundary Layer Height (BLH). The BLH and Relative Humidity (RH) variability are assessed, as well as their impact on the parameterization. The BLH has a strong influence on the correlation of daily and hourly time series, whilst RH effects are less clear and smaller in magnitude. Despite its lower spatial resolution and AOD accuracy, SEVIRI shows higher correlations than MODIS (rSEV∼ 0.7, rMOD∼ 0.6) with regard to daily averaged PM10. Advantages from MODIS arise only at hourly time scales in mountainous locations but lower correlations were found for both sensors at this time scale (r∼ 0.45). Moreover, the fraction of days in 2008 with at least one satellite observation was 27% for SEVIRI and 17% for MODIS. These results suggest that the frequency of observations plays an important role in PM monitoring, while higher spatial resolution does not generally improve the PM estimation. Ground-based Sun Photometer (SP) measurements are used to validate the satellite-based AOD in the study region and to discuss the impact of aerosols' micro-physical properties in the empirical models. A lower error limit of 30 to 60% in the PM10 assessment from space is estimated in the study area as a result of AOD uncertainties, variability of aerosols properties and the heterogeneity of ground measurement sites. It is concluded that SEVIRI has a similar capacity to map PM as sensors on board polar-orbiting platforms, with the advantage of a higher number of observations. However, the accuracy represents a serious limitation to the applicability of satellites for ground PM mapping, especially in mountainous areas.