RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Sviluppo e sperimentazione di un sensore a microonde per il controllo a distanza dei parametri fisiologici vitali attraverso la rilevazione dei movimenti cardiaci e della respirazione , sia per il monitoraggio delle condizioni di pazienti in ambiente clinico, sia per la localizzazione di persone ancora in vita sepolte da macerie o valanghe.

Università di riferimento

Università degli Studi di FIRENZE - ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI - FIRENZE(FI)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Carlo ATZENI

Descrizione

Con riferimento alla suddivisone in attività del programma di ricerca come illustrato nel modello A dal coordinatore, il programma di questa Unità si incentrerà sulle attività più strettamente connesse alla progettazione e alla realizzazione dei sensori oggetto di questo progetto, nonchè all'organizzazione delle sperimentazioni. In tale attività l'Unità collaborerà strettamente con l'Unità degli esperti elettromagnetici di Reggio Calabria. Ovviamente l'Unità collaborerà attivamente per fornire il necessario supporto tecnico anche alle attività più propriamente di pertinenza delle Unità di carattere clinico-fisiologico.

Per comodità di lettura si riportano sinteticamente le attività illustrate nel modello A nelle quali questa Unità è coinvolta in grado maggiore o minore. Nel seguito, l'Unità del Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni dell'Università di Firenze è indicata come DET, l'Unità di Reggio Calabria con RC, l'Unità della Facoltà di Medicina dell'Università di Firenze come MEDFI e l'Unità della Facoltà di Medicina dell'Università di Pisa come MEDPI.

Attività 1: Sperimentazione della tecnica di rivelazione dei parametri vitali mediante un radar prototipale
Unita': DET, RC, MEDFI, MEDPI

Presso l'Unità DET di Firenze è disponibile un radar operante in banda Ku (17 GHz) basato sulla tecnica della trasmissione CW SF (onda continua a passi discreti di frequenza ), che attraverso l'elaborazione coerente dei segnali ricevuti è in grado sintetizzare larghe bande di frequenza. Attraverso una elaborazione interferometrica, ottenuta dal confronto di fase tra i segnali ottenuti da acquisizioni successive, il sistema è in grado di apprezzare in tempo reale movimenti dell'ordine del decimo di millimetro. Nonostante tale prototipo non sia stato progettato per le finalità del presente progetto, esso ha permesso di osservare le prime registrazioni dinamiche dei movimenti respiratori e cardiaci , come mostrato nelle figure riprodotte nella Sezione "Base di partenza" . Esso verrà quindi inizialmente impiegato per una sperimentazione preliminare su volontari per la rivelazione dei parametri vitali. I dati ottenuti verranno elaborati con la collaborazione delle Unità mediche di Firenze e Pisa (includenti medici, fisiologi e bioingegneri ) allo scopo di identificare da una parte gli andamenti caratteristici dei movimenti respiratori, che risultano dalla combinazione dei movimenti toracici e polmonari, dall'altra i movimenti cardiaci. In particolare questi ultimi saranno oggetto di una approfondita ricerca di carattere clinico-fisiologico, in quanto non si posseggono, a quanto ci risulti, modelli dei segnali dinamici ottenuti con questa tecnica. Tale fase della ricerca potrebbe quindi anche risultare molto lunga e complessa, richiedendo la creazione di procedure di trattamento dei segnali sia a livello applicativo (filtraggio, integrazione, riconoscimento di eventi, estrazione parametri, classificazione, ecc.) che propedeutico e conoscitivo per apprendere ed estrarre l'informazione utile a livello fisiologico/clinico. Nonostante che la potenza emessa dallo strumento sia inferiore a quella di un telefono cellulare, fin da questa fase verrà affrontata la problematica dei limiti di sicurezza con riferimento alla normativa europea
Deliverable :
Tracciati generati dal movimento respiratorio e cardiaco
Procedure di elaborazione, classificazione, confronto
Interpretazione dei tracciati


Attività 2: Progetto e sviluppo di un sistema a microonde dedicato per la rivelazione dei parametri vitali a distanza in ambiente clinico
Unità: DET

Sulla base dell'esperienza maturata nel corso dell'attività 1, e in presenza di risultati positivi, verrà progettato e sviluppato un sistema a microonde specificamente dedicato alla rivelazione dei parametri vitali. Questo sistema sarà interamente progettato dall'Unità a livello di scelta degli integrati, disegno degli schemi elettrici, sbroglio delle schede, montaggio dei componenti e assemblaggio del sistema. Il sistema dovrà essere in grado di operare in ambiente ospedaliero senza barriere fisiche tra il sensore a microonde e il paziente.

Deliverable:
Strumento dedicato per la registrazione dei movimenti dovuti alla respirazione e dei movimenti cardiaci e relativo software.

Attività 4: Progetto e sviluppo di un radar penetrante con alta soppressione del clutter allo scopo di rilevare segni vitali attraverso barriere fisiche
Unità: DET, RC

Si intende progettare e realizzare un radar penetrante a frequenza variabile per consentire varie profondità di penetrazione e attraverso materiali diversi. La tecnica impiegata sarà quella della trasmissione in onda continua a passi di frequenza, più volte ricordata.Il segnale relativo a un corpo umano nascosto da una barriera, ad esempio di muratura, è estremamente debole rispetto al segnale relativo alla barriera stessa: in condizioni realistiche è tipico un rapporto tra i due segnali di 80-100 dB. Ricevitori di questa dinamica non sono realizzabili semplicemente e devono fare necessariamente uso di tecniche speciali di soppressione del clutter. La tecnica che si intende adottare si basa sulla soppressione del clutter mediante interferenza distruttiva: parte del segnale trasmesso è inviato direttamente sul ricevitore dopo esser passato attraverso un attenuatore e uno sfasatore controllati digitalmente per sopprimere per interferenza distruttiva il clutter associato al bersaglio più intenso. Si tratta di un obiettivo tecnologicamente complesso che richiede elevate capacità di progettazione e realizzazione . Il contributo dei colleghi elettromagnetici dell'Unità RC sarà fondamentale per la modellizzazione elettromagnetica completa dello scenario, includendo anche i sensori nelle condizioni operative di funzionamento, e per lo sviluppo di algoritmi di diffusione elettromagnetica inversa, tendente alla ricostruzione di immagini tomografiche del sottosuolo dalle quali sia possibile desumere la presenza e determinare la posizione di eventuali bersagli.

Deliverable:
Sistema hardware per la soppressione del clutter.
Risultati degli esperimenti di soppressione del clutter e relativa documentazione.


Attività 5: Progetto e realizzazione di una o più antenne idonee all'introspezione attraverso materiali di varia natura
Unita: DET, RC
Un problema critico nella rivelazione del segnale relativo a bersagli sepolti è la progettazione delle antenne. Infatti, poichè le antenne convenzionali sono progettate per operare nello spazio libero, le loro prestazioni a contatto possono essere insoddisfacenti. E' quindi necessario progettare antenne espressamente disegnate per l'uso a contatto. Tuttavia tali antenne sono fortemente orientate all'applicazione: ad esempio, antenne per impiego sul suolo non sono adatte ad operare sulla muratura. Le macerie costituiscono un mezzo particolarmente difficile a causa della loro disomogeneità. Verranno sperimentate quindi un certo numero di antenne di varie caratteristiche. Tra le varie ipotesi, si prenderà in considerazione l'impiego di antenne a stilo in grado di essere inserite tra le macerie, oppure antenne miniaturizzate.

Deliverable:
Vari tipi di antenne per introspezione

Attività 6: Sperimentazione in un ambiente realistico appositamente realizzato per simulare la rivelazione di persone nascoste da barriere di muratura e/o macerie
Unita: DET, RC,MEDFI

Si prevede di realizzare una struttura artificiale in grado di simulare in modo realistico scenari tipici di macerie risultanti da un crollo. Usando tale struttura, si sperimenterà l'efficacia del sistema di ricerca di segnali vitali con la strumentazione sviluppata.

Deliverable:
Rapporto sulla sperimentazione e sui risultati ottenuti

Attività 7: Sperimentazione in un ambiente realistico la rivelazione di persone sepolte da neve
Unita: DET, RC, MEDFI
Si prevede di realizzare una facility temporanea in una zona innevata in grado di simulare in modo realistico uno scenario tipico di una persona sepolte dalla neve. Usando tale facility, si sperimenterà l'efficacia del sistema di ricerca di segnali vitali di persone sepolte dalla neve.

Deliverable:
Documentazione sui risultati della sperimentazione

Attività 8: Sperimentazione di un sistema in grado di fornire immagini mediante un sensore in grado di operare a distanza
Unita: DET, RC

Come accennato in precedenza, nell'ambito della recente attività di ricerca dell'Unità di Firenze è stato realizzato un sensore radar ad apertura sintetica in grado di fornire a distanza immagini della struttura interna di edifici. Si intende sperimentare la stessa tecnica per valutare la possibilità di rivelare a distanza la presenza e la posizione di persone intrappolate all'interno di un edificio pericolante o crollato. La tecnica non è alternativa a quella della ricerca di segnali vitali, ma è complementare .
Deliverable:
Documentazione sui risultati della sperimentazione

Deliverable:
Documentazione sui risultati della sperimentazione