Sviluppo ed utilizzo in ambito biomedico di un casco strumentato per il rilievo della cinematica della testa

Il presente lavoro di tesi si basa sullo sviluppo di un dispositivo per l’analisi della cinematica della testa. La necessità di studiare tali grandezze dipende dal fatto che la testa è sede dei sistemi sensoriali quali il sistema visivo, uditivo e vestibolare e, in presenza di un disturbo di uno di essi, si può avere una destabilizzazione della testa con possibile perdita dell’equilibrio. Proprio per tali motivi il dispositivo sviluppato può servire sia come strumento di ricerca in campo biomeccanico sia, in campo riabilitativo, per monitorare in modo oggettivo i progressi fatti da pazienti durante la terapia esaminando come variano, nel tempo, alcune grandezze caratterizzanti la cinematica della testa. Il dispositivo sviluppato consiste in un casco da ciclista, scelto in quanto leggero e facile da adattare, su cui vengono montati dei sensori per la misura della velocità angolare, dell’accelerazione lineare e di quella angolare. I parametri che hanno discriminato la scelta dei sensori sono stati:  dimensioni del sensore il più possibile ridotte: massimo 2 x 2 x 2 cm;  massa contenuta: minore di 20 g;  campo di misura della velocità angolare:  300 °/s (circa  5,24 rad/s);  campo di misura dell’accelerazione lineare:  2 g ( 19,61 m/s2);  campo di misura dell’accelerazione angolare:  20 rad/s2;  banda passante: da 0 Hz (DC) a 50 Hz;  costo contenuto. Inoltre si è deciso, in accordo con il personale medico dell’Ospedale Pediatrico Bambino Gesù di Palidoro (RM), che il dispositivo in esame dovesse comportare un’incertezza massima nella misura della velocità angolare e delle accelerazioni sia lineari che angolari non maggiore del 5% del valore massimo di ogni grandezza. Tale valore è stato stabilito tenendo conto che, nel previsto campo di applicazione del casco, non è richiesta una estrema precisione nella determinazione delle grandezze cinematiche da misurare in quanto, soprattutto in soggetti patologici, la limitata ripetibilità intrasoggettuale ed intersoggettuale del valore misurato può comportare variazioni superiori all’incertezza limite stabilita. La progettazione e lo sviluppo del casco strumentato si è articolato in tre fasi in ciascuna delle quali è stato realizzato un prototipo. La motivazione risiede nella presenza sul mercato di una grande varietà di sensori e soprattutto dalle continue innovazioni prodotte dalle case costruttrici. Si pensi che, nel 2004, anno di inizio dottorato, i giroscopi avevano prezzi elevati (superiori a 100 €) e gli accelerometri di tipo triassiale erano ben pochi, di grandi dimensioni e, nella maggior parte dei casi, costruiti con due accelerometri biassiali posti ortogonalmente tra loro. Nel 2007, invece, i giroscopi e gli accelerometri costruiti con la tecnologia MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sono prodotti da diverse industrie in dimensioni ridotte (arrivano anche a 7 x 7 x 3 mm), i costi sono notevolmente diminuiti (pochi dollari per ogni sensore) e si iniziano a trovare sensori che integrano direttamente un accelerometro ed un giroscopio triassiale (ADIS16355), dotati di un termometro per correggere l’uscita (il costo aumenta però notevolmente). La prima versione (denominata prototipo α) del casco strumentato è caratterizzata dall’utilizzo di otto accelerometri capacitivi biassiali di tipo lineare (ADXL311della Analog Devices) fissati in modo casuale sia per quanto attiene la posizione che l’orientamento, sulla superficie esterna del casco. Per determinare l’accelerazione angolare di un corpo rigido bisogna conoscere le accelerazioni lineari di almeno dodici punti e l’utilizzo, nel prototipo α, di sedici accelerazioni permette di avere una misura ridondante per il calcolo di tale grandezza. La seconda versione (denominata prototipo ) è caratterizzata dall’utilizzo di 10 accelerometri lineari biassiali montati sul casco non più in modo casuale, ma seguendo i risultati di una simulazione numerica utilizzata per determinare quale miglioramento nell’accuratezza della misura si ottiene variando il numero e la tipologia di accelerometri applicati al casco. Le differenze sostanziali tra le versioni  e α sono due: 1. l’aumento del numero di segnali accelerometrici (20 invece di 16) in modo da avere la misura dell’accelerazione angolare e l’accelerazione lineare (a-g) con un grado di ridondanza maggiore rispetto al prototipo α; 2. il posizionamento degli accelerometri sul casco non più casuale; infatti tali sensori vengono montati sul casco cercando di seguire il più fedelmente possibile la configurazione ottimale trovata e testata tramite simulazione numerica descritta nel succitato articolo. 3. la tipologia di casco utilizzato: si è scelto infatti un casco da ciclista per bambini, in quanto l’obiettivo è quello di sviluppare un dispositivo di analisi per pazienti in età pediatrica. La terza versione (denominata prototipo γ) è caratterizzata dall’utilizzo non solo di accelerometri lineari ma anche di giroscopi del tipo monoassiale per ottenere, con accuratezza maggiore, la misura della velocità angolare. Come prototipo  sono stati sviluppati due diversi modelli, il primo (1) costituito oltre che dai giroscopi anche da 10 accelerometri biassiali ADXL 311 ed il secondo (2) caratterizzato dall’utilizzo di un accelerometro triassiale della ST Microelectronics modello LIS3L02AS4 al posto dei dieci biassiali. In entrambi i casi i giroscopi utilizzati sono il modello ADXRS300 dell’Analog Devices. Tramite 1 si riesce a determinare l’accelerazione angolare della testa utilizzando la ridondanza dei segnali accelerometrici, mentre tramite 2 questo non è più possibile ciò a vantaggio però di un minore numero di canali con conseguente diminuzione del peso e dell’ingombro del cavo di trasmissione del segnale che, per taluni esercizi, può risultare di intralcio allo spostamento del soggetto in esame. Inoltre nel modello 2 l’alimentazione è fornita tramite batteria montata direttamente sul casco in modo da diminuire ulteriormente il numero di cavi tra il casco e la scheda di acquisizione. Il numero di cavi passa così da ventisei nel primo modello a sette nel secondo, a scapito però della possibilità della determinazione diretta dell’accelerazione angolare. Le differenze sostanziali, quindi, tra la configurazione γ e le due precedenti sono: 1. l’utilizzo dei giroscopi per la misura della velocità angolare in modo da evitare la necessaria compensazione della deriva del segnale, causata dall’integrazione numerica, che risulta essere essenziale nelle configurazioni α e  per ottenere tale velocità dall’accelerazione angolare; 2. la possibilità, tramite integrazione dei segnali giroscopici, di stimare l’assetto del casco. Nelle precedenti versioni sarebbe stata richiesta una duplice integrazione dell’accelerazione angolare cosa che, per il suddetto fenomeno della deriva, avrebbe fornito errori non ammissibili. 3. l’utilizzo di un accelerometro triassiale e dell’alimentazione posta direttamente sul casco per diminuire il numero dei cavi in uscita dal casco.. Utilizzando i dati provenienti dagli accelerometri e dai giroscopi in un nuovo algoritmo di data fusion si riescono a stimare gli angoli di rotazione rendendo trascurabile la deriva di integrazione. L’algoritmo, sommariamente, si basa sull’integrazione dei dati giroscopici e sull’ipotizzare un errore in questi eliminabile conoscendo la direzione reale dell’asse verticale del casco ottenuta considerando gli accelerometri come inclinometri. Quest’ultima ipotesi si verifica maggiormente tanto la componente inerziale dell’accelerazione della testa risulta trascurabile rispetto a quella di gravità. Poiché tramite gli accelerometri è possibile determinare unicamente due angoli di rotazione su tre, l’algoritmo proposto non diminuisce l’errore presente nella stima dell’angolo intorno all’asse verticale. Sono state condotte diverse simulazioni per determinare se l’algoritmo proposto diminuisse realmente l’errore sulla misura degli angoli di rotazione. Si è visto che, scegliendo opportunamente il parametro λ, si riesce a contenere tale errore entro 3 ° anche nelle prove di durata pari a 60 s. Per poter utilizzare il casco bisogna prima tararlo in modo da conoscere le posizioni, le sensibilità e le direzioni degli assi dei sensori. Per far questo si utilizzano tre differenti sistemi:  Sistema optoelettronico VICON;  Sistema a pendolo;  Sistema a bipendolo. Gli ultimi due sono stati progettati e realizzati ad hoc per l’utilizzo con il dispositivo sviluppato. Tramite sistema optoelettronico si riescono a determinare con piccola incertezza tutte le grandezze succitate, di contro gli svantaggi sono:  tecnologia di elevato costo;  utilizzo in laboratori progettati ad hoc per tale sistema. Per questi motivi si è passato all’ideazione ed alla realizzazione di due dispositivi a pendolo per la taratura del casco. Il sistema a pendolo semplice risulta essere ovviamente meno costoso del precedente ma di contro presenta:  la necessità di conoscere la posizione dei sensori prima di effettuare la taratura o tramite sistema optoelettronico o posizionando questi in punti la cui distanza dal centro del sistema di riferimento casco risulti misurabile con nota accuratezza;  la necessità di effettuare una prima prova di rotazione posizionando il casco lungo un asse, poi scollegarlo dal sistema, ruotarlo di 90° e rimontarlo nuovamente per effettuare la seconda rotazione secondo un altro asse perpendicolare al primo. Proprio a causa dell’impossibilità di determinare le posizioni dei sensori si è deciso di progettare un sistema a doppio pendolo che fornisca due rotazioni contemporanee del casco intorno a due assi mutuamente perpendicolari. Tramite tale sistema si determinano le posizioni degli accelerometri con un incertezza teoricamente elevata (7 mm) ma trascurabile in fase di verifica del funzionamento del casco in quanto il numero ridondante di sensori comporta una compensazione di tale errore nella determinazione dell’accelerazione angolare e lineare. Oltre alla stima delle posizioni degli accelerometri il dispositivo a doppio pendolo viene utilizzato per determinare le incertezze combinate standard e le incertezze estese del casco strumentato nella misurazione dell’accelerazione angolare, dell’accelerazione lineare, della velocità angolare e degli angoli di rotazione. I valori ottenuti si ritengono validi nelle applicazioni cliniche e biomeccaniche in cui il casco verrà utilizzato. Solo per la misura degli angoli si ritiene che il sistema possa essere migliorato integrando un magnetometro triassiale o utilizzando sensori con migliori qualità metrologiche anche se questo comporterebbe un aumento del prezzo del dispositivo ideato. Il casco realizzato è stato infine utilizzato in prove preliminari volte allo studio degli effetti indotti sulla stabilità della testa in presenza di differenti perturbazioni rotative della base di appoggio: 1. perturbazione a gradino: si fornisce una breve rotazione della base di appoggio al soggetto mentre sta compiendo una rotazione su se stesso di 90 °. L’obiettivo è quello di vedere come la perturbazione si propaga attraverso il “sistema uomo” passando dal bacino fino ad arrivare alla testa; 2. perturbazione periodica: si fornisce al soggetto una rotazione della base di appoggio avente forma di chirp di ampiezza ± 40 ° prima a frequenza crescente (0-1 Hz) e poi decrescente (1-0 Hz) in modo da poter studiare quando la testa risulta essere stabile. I risultati ottenuti hanno una valenza unicamente qualitativa dato il numero esiguo delle prove condotte. Tali dati potranno servire come base per possibili lavori nel campo della posturografia dinamica.