Realizzazione di un Sistema Low-Cost per la Motion Analysis Basato su Sensori Inerziali Custom = Development of a Low-Cost Motion Analysis System Based on Custom Inertial Sensors

L’analisi del movimento è un aspetto cruciale per la valutazione della funzione motoria in ambito clinico e sportivo. La stereofotogrammetria (ST) è il gold standard per la motion capture, ma presenta limiti quali costi elevati, vincoli ambientali e lunghi tempi di acquisizione. I sensori inerziali (IMU) offrono una soluzione più accessibile e portatile, ma soffrono di disturbi ferromagnetici e richiedono complesse e non standardizzate procedure di calibrazione sensore-segmento (S2S) per allineare i propri sistemi di riferimento agli assi anatomici dei segmenti corporei. Questo progetto di tesi propone un sistema per l’analisi del movimento degli angoli articolari di anca e ginocchio basato su IMU custom e un algoritmo per il calcolo degli angoli articolari, con l’obiettivo di garantire semplicità d’uso, portabilità, basso costo della strumentazione e adattabilità in ambito clinico. Il sistema, composto da tre IMU a 9 gradi di libertà (DOF) sviluppate nell’ambito di una collaborazione con l’azienda Brain Technologies di Torino, utilizza l’algoritmo di sensor fusion di Madgwick, uno dei due algoritmi S2S tratti dalla letteratura (Vargas-Valencia e Nazarahari), adattati al contesto sperimentale e le convenzioni di Grood e Suntay per il calcolo degli angoli articolari. Il sistema è stato validato nel corso di tre esperimenti in cui un soggetto ha eseguito camminate a varie velocità e movimenti a 1 DOF di anca e ginocchio. Nel primo test, di selezione dell’algoritmo S2S, sono stati confrontati i risultati dei due algoritmi e quelli di OpenSense utilizzando IMU commerciali (WaveTrack, Cometa, Italia), prendendo come riferimento la ST. Le prove eseguite con il sistema optoelettronico sono state svolte nel laboratorio di analisi del movimento del centro interdipartimentale PolitoBIOMed Lab. Scelto l’algoritmo più funzionale, la seconda prova ha previsto un confronto tra il sistema basato su IMU custom e su IMU Cometa, entrambi confrontati con la ST. Nel terzo test, invece, è stato svolto un confronto diretto tra IMU custom e Cometa. Infine, il sistema proposto è stato implementato in una prova di valutazione del controllo posturale utilizzando un perturbatore meccanico su più soggetti, per valutarne l’efficacia in ambito clinico. I risultati hanno mostrato buone prestazioni per gli algoritmi S2S nel primo test, in particolare per gli angoli nel piano sagittale. È stato scelto l’algoritmo di Vargas-Valencia perché, oltre a buone prestazioni, offre maggiore semplicità d’uso. Nel secondo esperimento sono emerse alcune differenze tra i risultati cinematici stimati dai dati acquisiti dai sensori inerziali e dalla ST. Tali discrepanze sono molto probabilmente dovute all’ elevato ingombro dei sensori custom che non ha permesso un set up ottimale per il posizionamento di entrambe le tipologie di IMU sui segmenti corporei. Nel terzo test, il set up è stato migliorato e ciò ha messo in risalto un’ottima correlazione tra i due tipi di IMU. In conclusione, il sistema di acquisizione proposto permette una stima soddisfacente degli angoli articolari analizzati, soprattutto nel piano sagittale. La principale limitazione dello studio è rappresentata dal numero ridotto di soggetti, dovuto all’elevata durata delle prove di ST e alla disponibilità limitata del laboratorio di analisi del movimento. Futuri sviluppi includono l’uso di un maggior numero di IMU per ampliare i campi di utilizzo del protocollo proposto e lo sviluppo di prototipi più compatti per facilitarne l’applicazione in contesti rilevanti.