Sviluppo di un sistema indossabile a basso costo per l’analisi del movimento umano basato su sensori inerziali custom = Development of a low-cost wearable system for human motion analysis based on custom inertial sensors

L’analisi del movimento umano è necessaria a comprendere e migliorare la funzione motoria di un soggetto. I sensori inerziali (IMU), rispetto ai sistemi ottici, offrono tipicamente soluzioni più economiche, poco invasive e portabili. Tuttavia, il loro impiego risulta a volte critico a causa dei disturbi ferromagnetici ambientali e dell’assenza di procedure standard per l’allineamento sensore-segmento corporeo (S2S), necessarie a definire modelli biomeccanici per descrivere il movimento. Questo progetto di tesi ha lo scopo di sviluppare e validare un sistema di analisi del movimento basato su sensori IMU custom di semplice utilizzo, portabile, economico e adatto al contesto clinico. L’unità hardware del sistema, sviluppata nell’ambito di una collaborazione con l’azienda brain Technologies (Torino), si compone di tre IMU a 9 gradi di libertà. Per ricavare la cinematica inversa, sono stati scelti dalla letteratura e testati un algoritmo di sensor fusion (Madgwick) e due algoritmi di calibrazione S2S (Vargas-Valencia et al., Nazarahari et al.). Il calcolo degli angoli articolari ha seguito le convenzioni di Grood e Suntay. La validazione del sistema ha previsto tre prove sperimentali, dove un soggetto ha eseguito movimenti di anca e ginocchio e camminate a velocità diverse. La prima prova è servita a individuare l’algoritmo di calibrazione più funzionale tra quelli selezionati. Utilizzando le IMU WaveTrack (Cometa, Italia), gli angoli articolari stimati con i due algoritmi e con OpenSense sono stati confrontati con quelli ottenuti tramite stereofotogrammetria. La seconda prova è servita a valutare le prestazioni del sistema basato sulle IMU custom mediante confronto con i risultati ottenuti con le IMU Wavetrack e, nuovamente, la stereofotogrammetria. Il sistema optoelettronico sfruttato per l’analisi del movimento si trova presso il PolitoBIOMed Lab. Nella terza prova sono state valutate le prestazioni del protocollo proposto confrontando tra loro IMU custom e WaveTrack. Infine, è stato condotto un test sperimentale per valutare l’applicabilità del protocollo proposto nell’ambito clinico di analisi del controllo posturale, utilizzando un perturbatore meccanico. Nel primo esperimento, entrambi gli algoritmi hanno ottenuto buone stime degli angoli di anca e ginocchio nel piano sagittale. È stato scelto l’algoritmo di Vargas-Valencia per la sua semplicità di utilizzo. La seconda prova ha mostrato delle discrepanze tra gli angoli stimati dai sensori inerziali e dalla stereofotogrammetria, dovuta in gran parte all'ingombro delle IMU custom che ha impedito la vestizione ottimale del soggetto. Tuttavia, le stime dei due sistemi inerziali sono risultate coerenti. È stata, dunque, condotta una terza prova per confrontare tra loro le stime ottenute dai due sistemi inerziali seguendo la medesima pipeline. Gli angoli articolari ottenuti a partire dai dati raccolti con IMU WaveTrack e custom sono risultati altamente correlati, a conferma dell’accuratezza del protocollo proposto. In conclusione, il sistema di IMU sviluppato ad hoc con l’azienda brain Technologies, con il metodo di calibrazione S2S adottato, è in grado di stimare adeguatamente gli angoli articolari di anca e ginocchio, soprattutto nel piano sagittale. Coinvolgere pochi soggetti per la validazione ha posto un limite allo studio, così come il numero ridotto di IMU che ha impedito un’analisi estesa a più segmenti corporei. Una miniaturizzazione dei prototipi faciliterebbe il loro posizionamento sul corpo del soggetto.