Ottimizzazione della maglietta sensorizzata

Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica
A.A. 2006-2007
Sensori indossabili nel monitoraggio di
calciatori di elite per la valutazione di
parametri cardio-respiratori e biomeccanici
Michele Galante matr. 673847
Andrea Giussani matr. 673858
Introduzione
2
Allenamento del calciatore
•
Caratterizzato da movimenti di natura
aciclica e di tipo intermittente, cioè compiuti
a varie velocità ed intervallati da pause più o
meno prolungate
•
È un’attività con caratteristiche “aerobicheanaerobiche alternate” ed è necessario un
monitoraggio costante dello stato di salute e
di performance del calciatore
•
La frequenza cardiaca e l’attività respiratoria
sono buoni indici dello stato di forma
dell’atleta; vengono valutate durante
appositi test
•
Attualmente non viene svolta actigrafia
sportiva
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Stato dell’arte
3
Monitoraggio della frequenza cardiaca: Polar team system
ricevitore
fascia - trasmettitore
•Limiti:
Consiste in una fascia da indossare a contatto con la pelle intorno al
torace che trasmette i dati ad un ricevitore che si indossa come un
- Rileva orologio
esclusivamente
comune
da polsola frequenza cardiaca e alcuni indici
- Assenza di trasmissione in telemetria per la visualizzazione dei dati
• Permette il monitoraggio della frequenza cardiaca di più soggetti
contemporaneamente
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Stato dell’arte
4
Monitoraggio dell’attività respiratoria: Cosmed k4
maschera
unità portatile
•Limiti:
Sistema ergospirometrico portatile per la valutazione “respiro per
respiro” della funzionalità cardiorespiratoria
- Attrezzatura ingombrante
• L’apparecchiatura portatile trasmette in tempo reale i dati ad un’unità
ricevente collegata ad un PC
- Può essere utilizzato solo per specifici test sul consumo d’ossigeno
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Obiettivi del lavoro
5
Realizzazione di uno strumento integrato, multiparametrico e totalmente non
intrusivo per il monitoraggio della condizione atletica del calciatore
•
verifica di fattibilità e ottimizzazione dell’indumento sensorizzato: tipo di
segnali e sensori, posizionamento, aderenza e contatto
•
necessità trasmissione wireless a lungo raggio per monitorare l’atleta durante
la normale seduta di allenamento
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Wearable sensors
•
Indumenti realizzati con tessuti conduttivi
e piezoresistivi che svolgono il ruolo di
sensori di segnali fisiologici
•
Facilmente indossabili, senza alcuna
preparazione preliminare
•
I segnali che vengono comunemente
monitorati sono ECG, attività respiratoria,
movimento delle articolazioni
•
I principali campi applicativi sono: il
supporto all’assistenza domiciliare o in
strutture assistenziali specializzate, il
monitoraggio funzionale durante l’attività
lavorativa e la medicina sportiva.
6
-FIGURA
Sport
• ECG, movimenti e accelerazioni, attività respiratoria, temperatura e sudorazione.
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Ottimizzazione della maglietta sensorizzata
7
Maglietta originale
Maglia costituita per il 95%
di poliammide 6 e per il 5%
di Elastan
Due coppie di elettrodi per
la rilevazione dell’ECG
Due estensimetri per la
rilevazione dell’attività
respiratoria
Sul retro è prevista una tasca per contenere il
dispositivo di rilevazione e trasmissione dei dati
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Ottimizzazione della maglietta sensorizzata
8
Prove preliminari per determinare la migliore configurazione
ESTENSIMETRO BASSO
ELETTRODI ALTI
ESTENSIMETRO ALTO
ELETTRODI BASSI
ECG di un soggetto durante cammino
Respirazione di un soggetto durante cammino
Per la
rilevazione
dell’attività
respiratoria
della
Per
la rilevazione
dell’ECG
la coppialadiscelta
elettrodi
piùconfigurazione
bassa ha
migliore
è stata più
difficile a causa migliore
della soggettività
della
tecnica la
dimostrato
un accoppiamento
con la cute
garantendo
respiratoria. In base ai risultati delle prove preliminari si è deciso di
qualità
del segnale più
e laalto
sua(toracico)
processabilità
utilizzare
l’estensimetro
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Ottimizzazione della maglietta sensorizzata
Modifiche apportate …
•
ottimizzazione del tensionamento
della maglia e del posizionamento
dei sensori
•
ottimizzazione delle dimensioni
della tasca posteriore e
rivestimento interno della stessa
con uno strato di gommapiuma
•
utilizzo di un connettore RJ11
per la connessione del dispositivo
alle bande conduttive della
maglietta
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
9
… vantaggio introdotto
miglioramento dell’interfaccia
elettrodi-cute e riduzione dei
movimenti relativi
dispositivo completamente solidale
con la maglietta e quindi con il
corpo del soggetto (in posizione
baricentrale)
plug-in immediato e massima
stabilità della connessione anche
durante movimenti critici
Ottimizzazione della maglietta sensorizzata
10
Prototipo finale maglietta
connettore
tasca
vista anteriore
vista posteriore
Con tali modifiche è possibile monitorare un soggetto che svolge un’attività fisica
garantendo la qualità del segnale anche durante movimenti di vario genere
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Dispositivo per rilevazione e trasmissione
11
Modulo XBee-PRO™:
- trasmissione a lunga
distanza
- facilità di
configurazione
PARTEANALOGICA
ANALOGICA
PARTE
PARTE DIGITALE
Composta da due schede
elettroniche: una per la rilevazione
dell’ECG e una per la misurazione
dell’attività respiratoria.
Fornisce la tensione di alimentazione a
tutti i circuiti, converte i dati rilevati dalle
schede analogiche e li trasmette al PC
grazie al modulo di trasmissione XBeePRO™ . Accelerometro integrato
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Assemblaggio del dispositivo
12
Schede analogiche
cavo RJ11
interruttore
Dispositivo assemblato
Batteria
Scheda digitale
Dimensioni: 8.2 * 5.3 * 3.7 cm
Interfacce con l’esterno: interruttore
on/off e cavo RJ11
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Segnali misurati
13
Bio-segnale …
… dispositivo
1. ECG
elettrodi tessuti nella maglietta e
scheda per pre-condizionamento
e trasmissione del segnale
2. Respirazione
estensimetri integrati nella
maglietta e scheda per precondizionamento e trasmissione
del segnale
3. Accelerazioni
accelerometro triassiale
integrato nella scheda digitale
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Applicazione al calcio
14
Si sono esaminati 5 calciatori delle giovanili e 3 della prima squadra. I dati
antropometrici sono tra loro molto eterogenei
ATLETA
ETA’
ALTEZZA (cm)
PESO
(kg)
CATEGORIA
SOGGETTO A
16
178
75,2
giovanili
SOGGETTO B
17
182
72,9
giovanili
SOGGETTO C
18
175
78
giovanili
SOGGETTO D
19
192
83,5
giovanili
SOGGETTO E
19
183
75
giovanili
SOGGETTO F
27
183
89
prima squadra
SOGGETTO G
25
175
72
prima squadra
SOGGETTO H
20
181
78
prima squadra
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Applicazione al calcio
15
Segnale acquisito …
… parametri misurati
•
ECG
frequenza cardiaca massima,
minima, media e percentuale
della frequenza massima raggiunta (I)
•
Ampiezza del respiro
frequenza respiratoria massima,
minima, media e percentuali della
frequenza massima raggiunta (R),
tempi del respiro (TI, TE e TTOT) e
FIT (TI/TTOT)
•
Accelerazioni
accelerazione istantanea massima,
decelerazione istantanea massima,
valore medio delle accelerazioni e
delle decelerazioni massime locali
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Calibrazione del dispositivo (accelerazioni)
16
Setup sperimentale

Acquisizione c/o il Lab. di Analisi del Movimento “L. Divieti”
1 marker su dispositivo
1 soggetto
3 tipologie di salto (avanti, verticale, latero-laterale) in 3 ripetizioni
Movimenti liberi il più possibile “monoassiali”

Confronto con l’output del dispositivo



accelerazione [m/s2]

sistema elite
accelerazione [g]
tempo [frames]
dispositivo di
trasmissione
tempo [samples]
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Calibrazione del dispositivo (accelerazioni)
17
Correlazione tra le misurazioni
0,9
0,88
0,86
coefficiente di 0,84
correlazione [R]
0,82
salto avanti
salto verticale
0,8
salto laterale
0,78
0,76
1
2
3
prova [n°]
Buona correlazione per ognuna delle tre direzioni (0.85 valore medio per il
salto in avanti; 0.86 per quello in verticale; 0.84 per quello in laterale)
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Risultati
18
Aspetti cardiaci
di sforzo
I (=frequenza cardiaca media/frequenza cardiacafrequenza
massima)frequenza
è un
buon indice
media
per misurare il livello di sforzo rispetto alla frequenza cardiaca massima.
intervallo R-R
Dalla letteraturaondaemerge
che un allenamento per il miglioramento della soglia
R
onda T
anaerobica prevede
un valore di I pari a 80-90%. I valori ottenuti su diversi
soggetti durante esercizi prevalentemente anaerobici sono perfettamente
confrontabili
ESERCIZI TECNICI CON IL PALLONE AD ALTA INTENSITA'
frequenza di
recupero
singola
serie
94%
oscillazioni della
linea di base
92%
90%
88%
86%
84%
82%
80%
78%
76%
74%
frequenza di
partenza
I [%]
E
C
Elettrocardiogramma e tacogramma
-1
- 3 O Briferiti
-2
Oad una prova intervallare
O
A
A
A
T
T
T
T
T
5*30 m del soggetto GFETTO ETTO GETTO OGGE GGET OGGE
G
G
SO SO
G
G
SO
S
SO
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
S
Risultati
19
Aspetti respiratori
Tra i parametri misurati per valutare l’attività respiratoria c’è il FIT (Fractional
Inspiratory Time, TI/TTOT).
In letteratura si afferma che durante un esercizio i valori di questo parametro
oscillano tra 0.4 e 0.49. Anche in questo caso i risultati ottenuti sono
confrontabili.
CORSA SENZA PALLA AD ALTA INTENSITA'
0,47
0,465
0,46
0,455
0,45
0,445
0,44
0,435
0,43
0,425
fine
fine
ciclo
ciclo
inizio
ciclo
ciclo
respiratorio
FIT
Ampiezza del respiro ed andamento
della
frequenza
respiratoria
riferiti alla
A
B
D
F
H
G
O
O
O
O
O
O
T
T
T
T
T
T
T
T F ET
T
T
T
stessa prova 5*30 del soggetto
GE
GE
G
GE
GE
GE
G
SO
G
SO
G
SO
G
SO
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
G
SO
G
SO
Risultati
20
Aspetti biomeccanici
accelerezioni massime
recupero
singolo
scatto
Accelerazioni nelle direzioni cranio-caudale (rosso), latero-laterale (blu) e
antero-posteriore (nero), durante la stessa prova (5*30) e dettaglio della
componente antero-posteriore durante una singola serie
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
decelrerazioni
massime
Risultati
21
Confronti incrociati
accelerazione
ampiezza del
tacogramma
respiro
Durante
la fase di scatto tra
massimale
(30 variazione
metri) il soggetto
effettua unegrande
Esatta corrispondenza
l’inizio della
di accelerazione
l’aumento
respiro
nei primi metri
e lo trattiene in quelli successivi. Nella fase di recupero il
della frequenza
cardiaca.
soggetto recupera incrementando notevolmente la frequenza respiratoria fino
La fine dello
della scatto
serie coincide
approssimativamente con la massima frequenza
all’inizio
successivo.
raggiunta in quella data ripetizione
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Risultati
22
Affidabilitàerrore
della
misura
percentuale nella determ inazione real-tim e della frequenza cardiaca a
perdita percentuale di segnale
Errore percentuale nella determinazione
Perdita percentuale
real-time
di segnale
della frequenza cardiaca a causa di artefatti
causa di artefatti
3,00%
7,00%
2,50%
6,00%
%
errorierrore
di
trasmissione
G
G
SO ET
G TO
G
A
SO ET
T
SO GG O B
ET
G
G
TO
SO ET
C
G TO
G
ET D 1
T
SO O
D
G
-2
G
SO ET
G TO
G
SO ET E
T
SO GG O
F
E
G
G TTO
SO ET
G
G TO
G
ET H TO 1
H
-2
2,00%
5,00%
1,50%
4,00%
1,00%
3,00%
0,50%
2,00%
0,00%
1,00%
0,00%
SO
E
F
A
B
C
G
-1
-2
-1
-2
D
H
H
TO TTO TTO
TO TTO TTO O D
T
T
O
O
O
E
GE
TT GG
TT
GE GGE GGE ETT
GE ETT
E
E
G
G
G
SO
SO
SO
SO
SO OGG OGG
SO OGG OGG
S
S
S
S
Per
seduta
di allenamento
relativa
a ciascuno
dei di
soggetti
esaminati
Perogni
quanto
riguarda
il segnale ECG,
oltre
alle perdite
trasmissione,
è
tenere
conto dei vari
artefatti soggette
che ne possono
inficiare
sinecessario
sono valutate
le percentuali
di segnale
a problemi
di
l’andamento, inducendo così l’algoritmo di determinazione on-line (Pantrasmissione.
Tompkins 1985) a rilevare alcuni picchi R errati.
I risultati ottenuti sono più che soddisfacenti in quanto questa
La percentuale
di errore
non supera
il 7%unmentre
il suoinvalor
percentuale
è sempre
inferiore
all’1%mai
a parte
solo caso
cui èmedio
è circa 3%.abbastanza
Questi valori,
analizzati
sulla distanza di un’intera seduta di
comunque
contenuta
(3%)
allenamento possono essere considerati trascurabili
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Conclusioni e sviluppi futuri
23
Conclusioni
•
Possibilità di monitorare intere sedute di allenamento di sportivi professionisti
in maniera non intrusiva e senza interferire con la loro libertà di movimento
•
Possibilità di ottenere un quadro cardio-respiratorio e biomeccanico il più
completo e dettagliato possibile
•
Solidità e consistenza dei risultati ottenuti anche in condizione di sudorazione
elevata
•
Lo strumento può essere facilmente indossato dall’atleta e il tempo richiesto è
molto ridotto non essendo necessaria alcuna preparazione preliminare degli
elettrodi
•
Si è verificata la lavabilità della maglietta, ed essa è stata usata per più
allenamenti senza deteriorarsi e perdere di elasticità
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
Conclusioni e sviluppi futuri
24
Sviluppi futuri
• Determinazione di indici della condizione dell’atleta
• Utilizzo di più dispositivi contemporaneamente per monitorare diversi
atleti durante la stessa sessione di allenamento
• Miniaturizzazione del dispositivo di trasmissione per minimizzare
l’ingombro sul corpo dell’atleta e ridurre ulteriormente i fattori di rischio
• Miglioramento del fattore comfort e del design dell’indumento per
favorirne l’accettazione da parte dell’utilizzatore
• Applicazione dello stesso strumento al monitoraggio di atleti praticanti
altre tipologie di sport
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi
M.Galante,
Cesare
A.Giussani
Alippi