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.

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.

La nuova frontiera dei dispositivi indossabili nella ricerca sulla malattia di Parkinson: gli sviluppi e le prospettive nello studio del sonno

La malattia di Parkinson, seconda tra le malattie degenerative più comuni, ha basato per anni la diagnosi e le valutazioni terapeutiche su scale di misura soggettive, di modesta accuratezza e limitate all’utilizzo clinico. Per questo motivo, alla luce di nuove tecnologie emergenti ed efficaci, questa tesi si propone di analizzare lo stato dell’arte dei dispositivi indossabili per la ricerca sul Parkinson e i suoi disturbi. Dopo una breve introduzione, la narrazione prende avvio, nel primo capitolo, con la descrizione della malattia seguita dai trattamenti curativi più utilizzati. Nel secondo capitolo verranno trattati i metodi di diagnosi, a partire dalle scale di valutazione qualitative per poi proseguire con una breve rassegna dei componenti e dei nuovi sensori utilizzabili per ottenere misurazioni quantitative. Questa descrizione sarà fondamentale per poter comprendere il funzionamento dei dispositivi che verranno successivamente citati. Il terzo capitolo si focalizza sulla sintomatologia del Parkinson e sulla rassegna dei dispositivi innovativi destinati alla diagnosi, al monitoraggio e alla cura, partendo dai sintomi motori più comuni ed evidenti, fino ad arrivare alle manifestazioni non motorie silenziose e subdole. Infine, la tesi si focalizzerà in particolar modo sul sonno. Dopo un’analisi della struttura del sonno, si tratteranno le metodiche più utilizzate fino ad oggi per lo studio dei disturbi notturni. Successivamente si proporranno alcuni nuovi dispositivi indossabili innovativi e li si metterà a confronto con i metodi tradizionali per analizzarne le potenzialità, gli svantaggi e i possibili sviluppi futuri. La tesi, nel suo complesso, si pone l’obiettivo di illustrare come, nella ricerca sul Parkinson, lo sviluppo di nuove tecnologie indossabili possa rappresentare un punto di svolta e di sostegno per la valutazione, la diagnosi, la cura della malattia per i clinici, i pazienti e chi se ne prende cura.

Stima della cinematica degli arti superiori per il controllo dell'equilibrio di un soggetto con esoscheletro di arto inferiore

Il presente lavoro di tesi si inserisce nell’ambito degli studi finalizzati al miglioramento delle condizioni di stabilità degli esoscheletri attivi per gli arti inferiori. L’obiettivo principale di questa tesi è la stima in tempo reale dell’orientamento degli arti superiori a partire dalle grandezze in uscita dall’esoscheletro e da un sistema di sensori inerziali indossabili. Il primo capitolo descrive lo stato dell’arte degli esoscheletri per gli arti inferiori seguita da una breve analisi degli studi compiuti dalla ricerca per il controllo dell’equilibrio del sistema uomo-macchina con l’impiego di metodi diversi. Nel secondo capitolo viene presentato il modello biomeccanico uomo-esoscheletro-stampelle, le strategie utilizzate per il controllo dell’equilibrio del sistema, ed i metodi impiegati per la stima dell’orientamento delle braccia del soggetto. Nel terzo capitolo vengono riportati e discussi i risultati dell’applicazione dei metodi di stima della cinematica degli arti superiori che vengono ripresi nelle conclusioni nel quarto capitolo.

Sistema de treino para ciclistas

No trabalho é desenvolvido um sistema de treino para ciclistas. O sistema de treino é constituído por uma bicicleta de ―Spinning‖, um travão accionado electricamente, e por um sensor de velocidade, utilizado para medir a velocidade de rotação da roda de inércia. Nos primeiros capítulos encontra-se o estudo dos vários conceitos que envolvem o sistema de treino. É realizado um estudo sobre as principais forças que actuam numa bicicleta. Outro conceito estudado é o filtro Kalman (FK). Este será importante para o controlo do sistema de treino. O modelo do sistema de treino está dividido em duas partes. A primeira corresponde ao sistema mecânico, e a segunda o sistema de controlo e actuação. Este é constituído por um sensor de velocidade, uma unidade de estimação e o sistema de actuação do travão da bicicleta. A unidade de estimação é composta por conjunto de filtros de Kalman que estima a velocidade, a aceleração e a posição necessárias ao cálculo da força resistente ao movimento do conjunto ciclista bicicleta. Os resultados da simulação do sistema mostram que o sistema de treino modelado apresenta um desempenho bastante razoável. A estimação efectuada pelos filtros dos valores da velocidade, da aceleração e da posição do ciclista, permite a unidade de controlo do sistema calcular o valor da força resistente ao movimento.

Fly by data link: feasibility of a relative navigation solution for aviation relying on a future L-band data link

Trabalho final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Posicionament de vehicles en mapes mitjançant GPS

El projecte consisteix en el desenvolupament d'un algorisme que millori el posicionament final d'un sistema que adquireix les dades d'una antena de GPS estàndard. Aquest sistema en certs moments té pèrdua total de senyal GPS o rep senyal amb pertorbacions, derivant en un mal posicionament. Nosaltres hem proposat una solució que utilitza les coordenades del GPS, el filtre Kalman per resoldre els problemes de pertorbacions de senyal, bases de dades digitals geogràfiques per garantir la circulació del vehicle per sobre la carretera, i finalment combina la informació temporal de posicions anteriors i la de les bases de dades per posicionar el vehicle quan hi ha pèrdua total de senyal. Els experiments realitzats ens indiquen que s'obté una millora del posicionement.

Taxa natural de juros no Brasil : estimativa com parâmetros variantes no tempo entre 2001 e 2010

Neste artigo, foi estimada a taxa natural de juros para a economia brasileira entre o final de 2001 e segundo trimestre de 2010 com base em dois modelos, sendo o primeiro deles o proposto por Laubach e Williams e o segundo proposto por Mesónnier e Renne, que trata de uma versão alterada do primeiro, que segundo os autores perimite uma estimação mais transparente e robusta. Em ambos os modelos, a taxa natural de juros é estimada em conjunto com o produto potencial, através de filtro de Kalman, no formato de um modelo Espaço de Estado. As estimativas provenientes dos dois modelos não apresentam diferenças relevantes, o que gera maior confiabilidade nos resultados obtidos. Para o período de maior interesse deste estudo (pós-2005), dada a existência de outras análises para período anterior, as estimativas mostram que a taxa natural de juros está em queda na economia brasileira desde 2006. A mensuração da taxa natural de juros, adicionalmente, possibilitou que fosse feita uma avaliação sobre a condução da política monetária implementada pelo Banco Central brasileiro nos últimos anos através do conceito de hiato de juros. Em linhas gerais, a análise mostrou um Banco Central mais conservador entre o final de 2001 e 2005, e mais próximo da neutralidade desde então. Esta conclusão difere da apontada por outros estudos, especialmente para o primeiro período.

Deconvolução de processo sísmico não-estacionário

O presente trabalho trata da aplicação do filtro Kalman-Bucy (FKB), organizado como uma deconvolução (FKBD), para extração da função refletividade a partir de dados sísmicos. Isto significa que o processo é descrito como estocástico não-estacionário, e corresponde a uma generalização da teoria de Wiener-Kolmogorov. A descrição matemática do FKB conserva a relação com a do filtro Wiener-Hopf (FWH) que trata da contra-parte com um processo estocástico estacionário. A estratégia de ataque ao problema é estruturada em partes: (a) Critério de otimização; (b) Conhecimento a priori; (c) Algoritmo; e (d) Qualidade. O conhecimento a priori inclui o modelo convolucional, e estabelece estatísticas para as suas componentes do modelo (pulso-fonte efetivo, função refletividade, ruídos geológico e local). Para demostrar a versatilidade, a aplicabilidade e limitações do método, elaboramos experimentos sistemáticos de deconvolução sob várias situações de nível de ruídos aditivos e de pulso-fonte efetivo. Demonstramos, em primeiro lugar, a necessidade de filtros equalizadores e, em segundo lugar, que o fator de coerência espectral é uma boa medida numérica da qualidade do processo. Justificamos também o presente estudo para a aplicação em dados reais, como exemplificado.

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.

Valutazione cinematica complessiva, in vivo e sotto carico, di un modello protesico di caviglia a 3 componenti.

Nonostante le importanti ricadute che gli impianti protesici di caviglia hanno nella qualità della vita dei pazienti che si sottopongono ad intervento di sostituzione articolare, le reali proprietà biomeccaniche e cinematiche in-vivo e sotto carico degli impianti protesici sono state scarsamente studiate e descritte in letteratura. Lo scopo di questa trattazione è quella di valutare la cinematica protesica complessiva, in vivo, attraverso l’utilizzo dell’Analisi Radiostereometrica model-based (MB-RSA) e di ulteriori metodiche clinico-strumentali. La valutazione cinematica è stata permessa dall’analisi della posizione degli impianti attraverso la MB-RSA. Tra gli obiettivi secondari, i pazienti sono stati valutati clinicamente mediante AOFAS Ankle-Hindfoot score e SF-36, mediante full-body gait analysis con sensori inerziali e valutazione posturale-stabilometrica mediante Y Balance Test e workstation dedicata Delos DPPS. I pazienti sottoposti ad iter completo con valutazione clinica e strumentale a fine follow-up sono risultati 18 (2 drop-out). Il ROM complessivo a catena cinetica chiusa ha evidenziato una dorsi-plantarflessione complessiva media di 19.84°. Gli score clinici hanno mostrato tutti un netto miglioramento nel post-operatorio. La gait analysis ha evidenziato uno schema del passo composto dai tre principali spike e compatibile con schemi fisiologici. Dal punto di vista cinematico, i risultati angolari MB-RSA ricavati durante questo lavoro di tesi evidenziano tutti e 6 i gradi di libertà, dato coerente con la mobilità di una caviglia nativa. Valori di articolarità differenti sono stati registrati mediante sensori inerziali. Infine, in una valutazione cinematica complessiva, le possibili implicazioni sul bilanciamento posturale e propriocettivo presente nelle caviglie artrosiche e successivamente sottoposte a sostituzione protesica totale sono ampiamente descritte e discusse. I dati raccolti in questo lavoro di tesi rappresentano il risultato di una valutazione cinematica complessiva, e potranno aiutare a definire una tipologia di soggetto artrosico in cui i risultati siano verosimilmente migliori ed eventualmente a migliorare design e strumentari futuri.

Gait analysis using a single wearable inertial measurement unit

Procedures for quantitative walking analysis include the assessment of body segment movements within defined gait cycles. Recently, methods to track human body motion using inertial measurement units have been suggested. It is not known if these techniques can be readily transferred to clinical measurement situations. This work investigates the aspects necessary for one inertial measurement unit mounted on the lower back to track orientation, and determine spatio-temporal features of gait outside the confines of a conventional gait laboratory. Apparent limitations of different inertial sensors can be overcome by fusing data using methods such as a Kalman filter. The benefits of optimizing such a filter for the type of motion are unknown. 3D accelerations and 3D angular velocities were collected for 18 healthy subjects while treadmill walking. Optimization of Kalman filter parameters improved pitch and roll angle estimates when compared to angles derived using stereophotogrammetry. A Weighted Fourier Linear Combiner method for estimating 3D orientation angles by constructing an analytical representation of angular velocities and allowing drift free integration is also presented. When tested this method provided accurate estimates of 3D orientation when compared to stereophotogrammetry. Methods to determine spatio-temporal features from lower trunk accelerations generally require knowledge of sensor alignment. A method was developed to estimate the instants of initial and final ground contact from accelerations measured by a waist mounted inertial device without rigorous alignment. A continuous wavelet transform method was used to filter and differentiate the signal and derive estimates of initial and final contact times. The technique was tested with data recorded for both healthy and pathologic (hemiplegia and Parkinson’s disease) subjects and validated using an instrumented mat. The results show that a single inertial measurement unit can assist whole body gait assessment however further investigation is required to understand altered gait timing in some pathological subjects.

Analisi del cammino di pazienti post-cardiochirurgici durante la riabilitazione domiciliare tramite l'utilizzo di una mobile app

Con il presente studio si analizza il Six Minute Walking Test di pazienti post-cardiochirurgici durante la riabilitazione domiciliare attraverso l’utilizzo di una mobile app e sensori indossabili. Inoltre sono state intraprese alcune attività preliminari per integrare l’app per la valutazione motoria all'interno di un progetto sanitario di Telemedicina.

Tracciamento di particelle con filtro di Kalman

Un problema fondamentale nello studio delle particelle elementari è disporre di misure più accurate possibile delle traiettorie che queste seguono all'interno dei rivelatori. La precisione di misura dei parametri di traccia è importante per poter descrivere accuratamente gli eventi e le interazioni che avvengono all'interno dei rivelatori. LHCb è un esempio di esperimento progettato con lo scopo di ottenere misure di precisione dei parametri della cinematica delle particelle per poter studiare la violazione delle simmetrie. Rivelatori come quello dell'esperimento LHCb utilizzano avanzate tecniche di tracciamento per individuare le traiettorie. Queste sono influenzate da fattori di rumore dovuti all'interazione tra le particelle e il materiale del rivelatore stesso. Nell'analisi delle misure effettuate quindi occorre tenere conto che sia la sensibilità del rivelatore che i fattori di rumore contribuiscono nella determinazione dell'incertezza sulla misura. Uno strumento matematico usato per ottenere precise stime dei parametri di traccia è il filtro di Kalman, che implementato su un campione di misure di una determinata grandezza, consente di minimizzare gli effetti dovuti a rumori statistici. In questo lavoro di tesi sono stati studiati la struttura e il funzionamento del rivelatore dell'esperimento LHCb e dei sistemi di tracciamento che lo caratterizzano e che ne costituiranno il futuro aggiornamento. Inoltre è stata analizzata l'azione del filtro di Kalman, implementandolo in una simulazione di tracciamento al calcolatore.

Potencialidad de la modelización state-space y el filtro de Kalman para el anàlisis regional : una aplicación para el índice de actividad industrial

El déficit existente a nuestro país con respecto a la disponibilidad de indicadores cuantitativos con los que llevar a término un análisis coyuntural de la actividad industrial regional ha abierto un debate centrado en el estudio de cuál es la metodología más adecuada para elaborar indicadores de estas características. Dentro de este marco, en este trabajo se presentan las principales conclusiones obtenidas en anteriores estudios (Clar, et. al., 1997a, 1997b y 1998) sobre la idoneidad de extender las metodologías que actualmente se están aplicando a las regiones españolas para elaborar indicadores de la actividad industrial mediante métodos indirectos. Estas conclusiones llevan a plantear una estrategia distinta a las que actualmente se vienen aplicando. En concreto, se propone (siguiendo a Israilevich y Kuttner, 1993) un modelo de variables latentes para estimar el indicador de la producción industrial regional. Este tipo de modelo puede especificarse en términos de un modelo statespace y estimarse mediante el filtro de Kalman. Para validar la metodología propuesta se estiman unos indicadores de acuerdo con ella para tres de las cuatro regiones españolas que disponen d¿un Índice de Producción Industrial (IPI) elaborado mediante el método directo (Andalucía, Asturias y el País Vasco) y se comparan con los IPIs publicados (oficiales). Los resultados obtenidos muestran el buen comportamiento de l¿estrategia propuesta, abriendo así una línea de trabajo con la que subsanar el déficit al que se hacía referencia anteriormente