Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica A
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 k 4 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 RJ 11 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 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 XBee. PRO™. Accelerometro integrato M. Galante, Cesare A. Giussani Alippi
Assemblaggio del dispositivo 12 Schede analogiche cavo RJ 11 interruttore Dispositivo assemblato Batteria Scheda digitale Dimensioni: 8. 2 * 5. 3 * 3. 7 cm Interfacce con l’esterno: interruttore on/off e cavo RJ 11 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 (T I, TE e TTOT) e FIT (T I/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” accelerazione [m/s 2] § Confronto con l’output del dispositivo 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 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 I (=frequenza cardiaca media/frequenza cardiaca massima) è un buon indice per misurare il livello di sforzo rispetto alla frequenza cardiaca massima. frequenza media frequenza di sforzo intervallo R-R Dalla letteratura emerge che un allenamento per il miglioramento della soglia anaerobica prevede un valore di I pari a 80 -90%. I valori ottenuti su diversi soggetti durante esercizi prevalentemente anaerobici sono perfettamente confrontabili onda R onda T frequenza di recupero singola serie oscillazioni della linea di base frequenza di partenza Elettrocardiogramma e tacogramma riferiti ad una prova intervallare 5*30 m del soggetto F M. Galante, Cesare A. Giussani Alippi
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. fine ciclo inizio ciclo respiratorio Ampiezza del respiro ed andamento della frequenza respiratoria riferiti alla stessa prova 5*30 del soggetto F M. Galante, Cesare A. Giussani Alippi
Risultati 20 Aspetti biomeccanici accelerezioni massime recupero singolo scatto decelrerazioni massime 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
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 Affidabilità della misura Errore percentuale nella determinazione Perdita percentuale real-time di segnale della frequenza cardiaca a causa di artefatti 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
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