Stima della traiettoria della mano durante il test di hand tapping tramite sensori IMU. = Hand trajectory estimation during hand tapping test using IMU sensors

La paralisi cerebrale (CP) è una condizione di sviluppo neurologico causata da una lesione al cervello in via di sviluppo, che colpisce il tono muscolare, il movimento e le capacità motorie. La valutazione delle funzioni della mano nei pazienti affetti da CP e in particolare delle funzioni motorie (destrezza, velocità, coordinazione) viene generalmente eseguita tramite il test di hand tapping (HT). Questo test consiste nel colpire ripetutamente nel tempo con il dito o la mano una superficie con diverse modalità di realizzazione in termini di durata, velocità e traiettoria. Precedenti studi hanno dimostrato come i dati ottenuti dal test risultino essere fortemente correlati al livello di disfunzione motoria nel caso di malattie neurodegenerative quali la malattia di Huntington o il morbo di Parkinson, che presentano analogie con la paralisi cerebrale in termini di disturbi del movimento. L’esecuzione del test HT può avvenire utilizzando un semplice dispositivo per il conteggio del numero di tocchi o mediante l’utilizzo di sensori indossabili che forniscono una maggiore quantità di dati. In particolare, i sensori inerziali o IMU (Inertial Measurement Units) permettono di testare in modo affidabile le capacità motorie di un individuo a basso costo, con un minimo ingombro e non necessariamente in un laboratorio. Nonostante i molti vantaggi, gli IMU non consentono di misurare direttamente lo spostamento, ma di ricavarlo tramite una doppia integrazione dell’accelerazione lineare. Tuttavia, questo processo è affetto da un fenomeno chiamato drift, che restituisce dei segnali con una pendenza crescente nel tempo e invalida il calcolo dello spostamento. Per risolvere il problema, gli studi in letteratura sfruttano la ciclicità di alcuni gesti come il cammino per limitare temporalmente il fenomeno del drift, segmentando il segnale ogni volta che la velocità si annulla (Zero Velocity Update o ZUPT) e integrandolo all’interno delle singole finestre. Considerando il test di HT nei soggetti con CP, l’informazione relativa alla traiettoria della mano nello spazio è estremamente utile come strumento di valutazione clinica nel tempo, per rilevare eventuali benefici apportati dalle terapie o dai trattamenti riabilitativi e per studiare il fenomeno dell’affaticamento. A questo proposito, l’obiettivo del progetto di tesi è stato quello di sviluppare un algoritmo per il calcolo della traiettoria eseguita nello spazio durante il test di hand tapping a partire dall’accelerazione lineare registrata da un IMU sul polso. Il principio di ZUPT utilizzato in letteratura per il cammino è stato applicato al task di HT sfruttandone la ciclicità. Innanzitutto, il processo di segmentazione dei segnali IMU basata sul concetto di ZUPT è stato validato su soggetti sani attraverso l’utilizzo di pedane di forza che rilevassero gli istanti di impatto della mano sul tavolo. In seguito, l’algoritmo di doppia integrazione è stato validato su soggetti sani attraverso l’utilizzo di un sistema stereofotogrammetrico, confrontando la traiettoria ottenuta dagli IMU con quella misurata da marker. Infine, lo stesso algoritmo è stato testato su segnali di soggetti affetti da CP. Sulla base dei risultati ottenuti, è stato possibile concludere che: (i) gli IMU rappresentano uno strumento adeguato alla valutazione clinica delle funzioni motorie della mano nei soggetti affetti da paralisi cerebrale; (i) il processo di segmentazione dei segnali di accelerazione IMU sulla base del principio ZUPT è efficace ai fini della doppia integrazione;