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 "Mediterranea" di REGGIO CALABRIA - INFORMATICA, MATEMATICA, ELETTRONICA E TRASPORTI - REGGIO CALABRIA(RC)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Giovanni LEONE

Descrizione

Descrizione del programma e dei compiti dell'Unità di Ricerca

I compiti che l'Unità di Reggio Calabria intende perseguire nel presente progetto di ricerca, sono due.
Da un lato ci si occuperà della modellazione del fenomeno della diffusione elettromagnetica e dello sviluppo dei relativo algoritmi di simulazione, ossia della valutazione dei campi diffusi da oggetti immersi nelle varie strutture considerate. Ciò sarà fatto per opportune geometrie di riferimento identificate concordemente con le altre unità e coerentemente con le applicazioni del progetto e la loro realizzabilità in laboratorio. Le finalità che si intende perseguire in questa fase sono molteplici. Innanzitutto, sulla base delle informazioni di carattere clinico fornite dalle unità mediche, si mira a realizzare una modellazione elettromagnetica del complesso cardiaco-respiratorio allo scopo di prevedere l'escursione sia del livello che della fase del segnale retrodiffuso legati ai movimenti sia cardiaci che respiratori; tali informazioni risultano importanti per lo sviluppo della strumentazione e della procedura di estrazione dei segni vitali dai dati. Inoltre, un'accurata modellazione dello scenario che tiene in conto della struttura interposta nonché del tipo di sensori utilizzati è fondamentale per caratterizzare la natura del "clutter" ed evidenziare le differenze rispetto al segnale "utile". Tale fase è quindi necessaria e preliminare sia all'attività di localizzazione che di estrazione dei segni vitali. In particolare, tale studio fornirà dati sintetici su cui testare preliminarmente sia gli algoritmi di localizzazione tomografica che saranno sviluppati dalla presente unità che la procedura di cancellazione del ‘clutter' e di estrazione dei segni vitali che sarà sviluppata dall'unità DET. Saranno, inoltre, analizzati l'applicabilità ed i limiti di validità di modelli approssimati e/o basati sull'uso di informazioni a priori per il successivo sviluppo di procedure di inversione necessarie per la formazione di immagini tomografiche delle regioni di investigazione.
Il secondo obiettivo riguarderà la messa a punto, l'analisi e la verifica numerica e sperimentale degli algoritmi di ricostruzione di immagini tomografiche basati sui modelli sviluppati per le configurazioni precedentemente individuate. La verifica degli algoritmi di ricostruzione avverrà dapprima con dati sintetici forniti dai codici in precedenza sviluppati e poi utilizzando dati sperimentali raccolti dall'unità DET. L'obiettivo ultimo è la rilevazione e la localizzazione di oggetti diffusori immersi nelle condizioni realistiche di misura per ottenere informazioni approssimate sulla posizione degli oggetti immersi in un semispazio omogeneo (rappresentative del caso di persone sepolte in una valanga) o situati oltre una barriera stratificata (con riferimento alle applicazioni umanitarie) onde delimitare la regione spaziale su cui applicare la procedura di estrazione dei segni vitali.

Le attività di ricerca saranno organizzate secondo il seguente programma, suddiviso sulla base delle geometrie di interesse nelle varie applicazioni biomediche del progetto.

I FASE (1° anno)
Verrà presa in esame la modellizzazione del fenomeno della diffusione elettromagnetica da parte di oggetti cilindrici dielettrici disomogenei disposti in spazio libero per una geometria bidimensionale. I parametri dielettrici dell'oggetto saranno scelti opportunamente per rappresentare la struttura del corpo umano e concordemente a quanto riportato in letteratura. In particolare, allo scopo di analizzare le escursioni del segnale retrodiffuso, sia del livello che della fase, dovuti al movimento cardiaco-respiratorio, saranno sviluppati opportuni codici per il calcolo del campo diffuso. Tali codici saranno realizzati per diverse frequenze di lavoro e diverse posizioni dell'antenna trasmittente e ricevente ed il risultato comparato con i dati sperimentali raccolti dalle altre unità. Il lavoro svolto in questa fase si inquadra nell'ambito dell'attività 1.

II FASE (1°-2°anno)
In questa fase, sempre con riferimento ad una geometria bidimensionale si procederà alla modellizzazione del fenomeno della diffusione elettromagnetica da parte di oggetti cilindrici dielettrici disomogenei immersi in un semispazio omogeneo. Le caratteristiche dielettriche del semispazio saranno scelte in modo da rappresentare un manto di neve. Saranno sviluppati codici per il calcolo del campo diffuso per diverse frequenze di lavoro e diverse posizioni dell'antenna trasmittente e ricevente. Inoltre si esaminerà un modello approssimato della diffusione basato su argomentazioni fisiche. E' ben noto, infatti, che fonte di non linearità nella diffusione elettromagnetica inversa sono le interazioni mutue degli oggetti con sé stessi, con altri oggetti e con l'interfaccia (aria/neve) presente.
Vista la difficoltà del problema di invertire modelli non lineari, verranno analizzate due diverse strategie. In primo luogo si valuterà, facendo perno sulla dissipatività del mezzo ospite e sulle elevate differenze delle caratteristiche dielettriche, la possibilità di utilizzare modelli linearizzati del problema. La bontà delle approssimazioni verrà comprovata mediante confronti con la soluzione esatta del problema di scattering. In secondo luogo, si valuterà la possibilità di invertire i modelli nella loro piena non linearità facendo perno su opportune tecniche di regolarizzazione matematica che tengano in conto le peculiarità (ad esempio forma, dimensioni, eventuale omogeneità) degli ostacoli cercati.


In seguito si procederà alla realizzazione di algoritmi di ricostruzione basati su tali modelli approssimati con riferimento ad una configurazione di misura multibistatica/multifrequenza in riflessione disponibile presso l'unità DET . Per questa configurazione una coppia di antenne, una trasmittente ed una ricevente, separate da una distanza fissa, viene spostata lungo una linea di misura. Per ogni posizione la regione sotto indagine viene illuminata ed il corrispondente campo diffuso misurato per tutte le frequenze di lavoro utilizzate.
Gli algoritmi di ricostruzione saranno prima testati sui dati sintetici ottenuti dai codici sviluppati dalla presente unità e poi sui dati sperimentali raccolti dall'unità DET. Il lavoro svolto in tale fase si inquadra nell'ambito dell'attività 7. In questa fase il comportamento delle antenne adottate in presenza di un mezzo materiale verrà anache analizzato in relazione all'attività 5.

III FASE (2° anno)
In questa fase si procederà alla modellizzazione del fenomeno della diffusione elettromagnetica da parte di oggetti cilindrici dielettrici disomogenei per una geometria bidimensionale ma considerando un mezzo ospite stratificato. In particolare, gli oggetti saranno disposti dietro la seconda interfaccia. Tale configurazione è rappresentativa di uno scenario in cui la persona risulta essere nascosta da un muro ed è pertanto di interesse per le attività 4 e 6.
Anche in questa fase si procederà dapprima alla realizzazione di codici per il calcolo del campo diffuso per diverse frequenze di lavoro e diverse posizioni dell'antenna trasmittente e ricevente con la finalità di avere a disposizione dati sintetici su cui testare preliminarmente le procedure di ricostruzione tomografica sviluppate da questa unità e quelle di rilevazione dei segni vitali sviluppate dal DET. Inoltre, tale studio fornirà indicazioni circa la natura del ‘clutter' e del livello relativo rispetto al segnale utile retrodiffuso. In seguito, verranno sviluppati algoritmi di ricostruzione delle immagini tomografiche basati su modelli approssimati la cui validatà verrà valutata mediante confronti con la soluzione esatta del problema. Anche in questo caso si farà riferimento ad una configurazione multibistatica/multifrequenza in riflessione. In particolare si considererà il caso in cui il sistema è vicino alla struttura sotto indagine, rilevante per le attività 4 e 6.
Gli algoritmi di ricostruzione saranno prima testati sui dati sintetici ottenuti dai codici sviluppati dalla presente unità e poi sui dati sperimentali raccolti dall'unità DET. Inoltre, anche in questa geometria verrà analizzato il comportamento delle antenne in presenza di un mezzo stratificato, in connessione con l'attività 5.