RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Sviluppo di metodi innovativi per la misura di grandezze meccaniche nella ottimizzazione della riabilitazione del movimento

Università di riferimento

Università Politecnica delle MARCHE - MECCANICA - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Gian Marco Revel

Descrizione

L’UO di Ancona affronterà il problema della misura di parametri e grandezze fisiche nel settore della valutazione del processo riabilitativo. In particolare la ricerca sarà condotta tramite matrici di sensori di pressione polimerici capacitivi posizionate alle estremità degli arti inferiori (matrici e solette strumentate) e degli arti superiori (matrici avvolte su impugnature), ovvero alle interfacce tra parti del corpo e mondo esterno, luoghi ove si esplicano le interazioni meccaniche tra soggetto ed ambiente. Oggetto della misura saranno le seguenti quantità:

1 – Distribuzione di pressione di contatto (interfacce:piede-suolo, mano-impugnatura)
2 – Forza di spinta (interfacce: piede-suolo, mano-impugnatura)
3 – Forza di presa (interfaccia:mano-impugnatura)

Tali grandezze saranno monitorate nel tempo e registrate in formato digitale, in sincronia con altre grandezze di interesse nel problema. Dalla elaborazione di tali segnali saranno estratte le caratteristiche rilevanti ai fini della valutazione del processo riabilitativo. Le informazioni acquisite dalla stazione di misura così realizzata saranno presentate al medico riabilitatore in formato numerico e grafico per permettere un ottimale valutazione del progresso nel progetto riabilitativo in corso sul soggetto in esame. L’UO di Ancona nel corso dei due anni di progetto ha pianificato le attività di ricerca in 3 fasi:

FASE 1 (mesi 1 -6): PROGETTO E REALIZZAZIONE DELLA STRUMENTAZIONE
Nella prima fase del progetto l’UO di Ancona, provvederà attraverso ricerca bibliografica e incontri con il responsabile Scientifico del progetto e con i medici riabilitatori a definire la tipologia ed il numero dei parametri da misurare e da riportare durante i tests.
Si intende implementare una serie di sistemi per la misura delle distribuzioni di pressioni di contatto ed in particolare:
1 - Una matrice di sensori di pressione, per la misura simultanea di forza e pressioni di contatto tra piede e suolo in un sistema di riferimento fisso col suolo (o piattaforma);
2 - Due solette strumentate con matrici di sensori di pressione per la misura delle distribuzioni delle pressioni di contatto in sistemi di riferimento solidali col piede;
3 - Due matrici di sensori di pressione da avvolgere sulle impugnature di appoggio per monitorare le pressioni mano-impugnatura e le azioni di presa e spinta del soggetto.

L’attività scientifica nella fase 1 si occuperà quindi del progetto e realizzazione di una piattaforma di prova composta da una pedana strumentata e da due impugnature strumentate poste in posizione normale a tale piattaforma posizionate in maniera da consentire al soggetto in esame di poter eseguire i test previsti nei protocolli riabilitativi precedentemente definiti.
La stazione di misura sarà composta da una piattaforma di forza triassiale. Tale piattaforma triassiale è dotata di 4 celle di forza triassiale disposte sui 4 piedini di appoggio della piattaforma stessa e permetterà la misura delle seguenti grandezze (riportate nel sistema di coordinate proposta dalla International Society of Biomechanics – ISB):

1 – Modulo della forza nella direzione medio-laterale (asse x).
2 – Modulo della forza nella direzione anterio-posteriore (asse y).
3 – Modulo della forza nella direzione verticale (asse z; direzione opposta all’ accelerazione di gravità).
4 – Momenti agenti sulla piattaforma lungo i tre assi x,y e z.
5 – Coordinate del centro di applicazione della forza (COP) nel piano x,y.

I dati misurati attraverso questo sistema di misurazione saranno utilizzati come dati di riferimento nello sviluppo del sistema di misurazione basato sull’utilizzo di matrici di pressione a sensori capacitivi che si intende sviluppare. Infatti scopo del dispositivo sarà osservare parametri caratteristici risultanti della misura delle distribuzioni di pressione di contatto tra soggetto ed ambiente esterno.
Sulla superficie superiore della piattaforma sarà quindi posizionata una matrice di sensori per la misurazione di pressione di contatto (dimensioni 500 x 500 mm) composta da 256 sensori ed in grado di fornire la mappa delle distribuzioni di pressione generata sul piano superiore della piattaforma quando il soggetto si troverà ad operare su di essa. La matrice sarà interfacciata ad un sistema di acquisizione dati in grado di permettere la lettura dei 256 sensori di pressione che compongono la matrice ad una frequenza di almeno 20 Hz.
Altre due matrici di sensori capacitivi polimerici saranno avvolte sulle impugnature di appoggio verticali che il soggetto dovrà afferrare con entrambe le mani durante il test. In questo caso si intende operare con due matrici di sensori polimerici da 256 sensori di dimensione 11 x 11 mm ciascuno in grado di assicurare la ricopertura di tutta l’area di contatto tra mano ed impugnatura. Anche in questo caso si acquisiranno le distribuzioni di pressione alle interfacce mano-impugnatura (sinistra e destra) con una frequenza di campionamento di almeno 20 Hz.
Una unità centrale di sincronismo ed acquisizione dati sarà quindi realizzata con un calcolatore dotato di scheda di controllo ed acquisizione dati 12-bit. Tale unità centrale avrà il compito di:

1 – Generare il segnale di clock e di trigger per sincronizzare l’acquisizione dei canali provenienti dalle tre unità di misura descritte: Piattaforma di forza, matrice di pressione interfaccia piedi-pedana e matrici di pressione interfaccia mani-impugnature.

2 – Agire come acquisitore multi-canale per i dati provenienti dalla piattaforma di forza.

3 – Salvare i dati acquisiti dalle tre unità di misura componenti il banco.

4 – Permettere il calcolo delle grandezze misurate per via indiretta (posizione del centro di gravità, posizione del centro di applicazione della forza, forza di spinta e forza di presa) e la visualizzazione delle quantità misurate e dei parametri calcolati.

FASE 2 (mesi 7 - 12): ANALISI DELLE PRESTAZIONI METROLOGICHE
La seconda fase del progetto ha come obiettivo la taratura dei trasduttori a matrice per la misura delle pressioni di contatto e la validazione dei metodi di misura indiretta delle grandezze di interesse a partire dalle distribuzioni di pressione di contatto. Le differenti caratteristiche dei sensori per l’interfacci piede-suolo e mano-impugnatura impongono che sia eseguita una campagna di indagine sperimentale differenziata per le due interfacce analizzate.
Per la valutazione delle prestazioni della matrice utilizzata per la misura delle pressioni di contatto generate sulla piattaforma si procederà ad una taratura statica del trasduttore su apposito banco di taratura; tale banco è già disponibile presso l’UO di Ancona (sviluppato in precedenti progetti di ricerca,progetto Europeo DOPTEST e progetto Europeo VIBTOOL) per la taratura di matrici di dimensioni massime 200 x 200 mm mentre ne sarà acquisito uno apposito per matrici di dimensioni 500 x 500 mm. Il medesimo banco è utilizzabile per la taratura delle solette strumentate, tramite la applicazione di pressioni note attraverso membrane flessibili.
Per ciò che riguarda le grandezze posizione del centro di spinta e del centro di gravità sul piano x-y saranno ricavate dalle distribuzioni di pressione fornite dalla matrice (e saranno confrontate con le i dati generati dalla piattaforma strumentata). Per l’analisi delle prestazioni nella misura indiretta della forza di spinta a partire dalla integrazione spaziale delle distribuzioni di pressione, si procederà alla taratura per confronto con le grandezze direttamente misurate con la piattaforma di forza.
Analogamente si procederà per la analisi delle prestazioni metrologiche delle matrici impiegate per la misura indiretta delle grandezze forza di spinta e forza di presa esercitate su ciascuna delle impugnature afferrate dal soggetto con le mani. Infatti si effettuerà una taratura per confronto con una impugnatura strumentata; in particolare si procederà alla valutazione della correlazione dei dati forniti dalla matrice di sensori di pressione avvolta su specifica impugnatura strumentata realizzata secondo la norma internazionale ISO-10819 ed anche essa già disponibile presso l’UO di Ancona (progetto ISPESL 2003).

FASE 3 (13- 18) SPERIMENTAZIONE IN LABORATORIO
In questa fase del progetto i trasduttori a matrice per la misura delle pressioni e delle forze che saranno stati caratterizzati nella fase 2 del progetto saranno impiegati per condurre due campagne di indagine sperimentali.
Nella prima campagna sperimentale ci si pone l’obiettivo di seguire sia un protocollo standard di prova per la valutazione dell’affaticamento, sia un protocollo standard per la riabilitazione in soggetti che hanno subito traumi all’articolazione della caviglia. Tutti i test di questa prima campagna sperimentale saranno condotti su soggetti sani di giovane età e reperiti tra la popolazione studentesca dell’UO. I dati così ottenuti saranno analizzati in collaborazione con personale medico esperto (reperito sia presso l’Ospedale Universitario dell’Università Politecnica delle Marche di Ancona, sia presso l’UO di Roma 1) e rappresenteranno la base dati di riferimento su soggetti sani.
Nella seconda campagna sperimentale, sempre in collaborazione con il personale medico ed in accordo con il Responsabile Nazionale del progetto si condurrà la medesima campagna sperimentale su pazienti e su soggetti in età avanzata.
In ciascuna campagna sperimentale si registreranno le distribuzioni spaziali e temporali delle pressioni di contatto e si deriveranno tramite di esse i parametri rilevanti ai fini della descrizione dei processi riabilitativi, con le metodologie sviluppate nelle precedenti fasi.
Al termine delle due campagne sperimentali si condurrà una analisi della correlazione tra i parametri osservati ed i processi di affaticamento e di riabilitazione, al fine di stabilire quali di essi siano significativamente correlati coi fenomeni di interesse e possano pertanto essere utilmente impiegati nella valutazione obiettiva del progresso riabilitativo del soggetto.


FASE 4 (mesi 19– 23) INTEGRAZIONE DEI SISTEMI DI MISURA
L’ultima fase operativa del progetto ha come obiettivo la possibilità di installare i sistemi di misura sviluppati presso questa UO sulla stazione di misura sviluppata presso l’UO di Roma1, ovvero sul banco dotato di piattaforma movimentata. L’obiettivo sarà quello di verificare la possibilità di integrare le informazioni acquisite in questo banco con quelle misurabili sulle interfacce piedi-piattaforma e mani-impugnature e misurabili attraverso le matrici capacitive per la misura di pressioni di contatto.
In particolare in quest’ultima fase del progetto si intende valutare la possibilità di monitorare le pressioni di contatto tra piede e piattaforma attraverso l’installazione di apposite solette per la misura di pressione che il soggetto potrebbe indossare. L’utilizzo di questo ulteriore sistema di misura è di particolare interesse poiché permette di ottenere la misura di pressione rispetto a due sistemi di riferimento indipendenti (il piede sinistro ed il piede destro) e permette quindi di eseguire misurazioni anche su soggetti non staticamente localizzati sulla piattaforma, ma magari operanti lungo specifici percorsi. Si pensi infatti all’importanza del monitoraggio della pressione di contatto sul piede e della risultante forza di spinta esercitata durante la salita di gradini o durante la camminata o la corsa su tappeti a scorrimento (tapis-rullant).

FASE 5 (mese 24) PREPARAZIONE DELLA RELAZIONE FINALE
L’ultimo mese del progetto sarà dedicato alla preparazione dei documenti amministrativi e contabili ed alla preparazione della relazione finale del progetto. In questa fase, insieme al Coordinatore Nazionale del progetto, si provvederà a valutare ed eventualmente ad individuare i risultati più significativi della ricerca per la preparazione di una o più pubblicazioni scientifiche.


Le attività dell'UO dell'Università Politecnica delle Marche prevedono il coinvolgimento durante tutte le fase del progetto di dottorandi dell’UO e, quando possibile, l’opportunità di partecipare anche alle attività sperimentali svolte con le altre UO del progetto. Parallelamente si faciliteranno, per quanto possibile, le visite e la partecipazione dei ricercatori e dei dottorandi di altre UO alle attività sperimentali svolte presso i laboratori della UO di Ancona. Questo al fine di permettere uno scambio di esperienze e di conoscenze reciproche anche al livello dei dottorandi delle UO amplificando così le opportunità fornite dal progetto stesso.