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Sensori indossabili nel monitoraggio di calciatori di elite per la valutazione di parametri cardio-respiratori e biomeccanici Michele Galante matr. 673847.

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1 Sensori indossabili nel monitoraggio di calciatori di elite per la valutazione di parametri cardio-respiratori e biomeccanici Michele Galante matr Andrea Giussani matr Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica A.A

2 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 2 Introduzione Allenamento del calciatore Caratterizzato da movimenti di natura aciclica e di tipo intermittente, cioè compiuti a varie velocità ed intervallati da pause più o meno prolungate È unattività con caratteristiche aerobiche- anaerobiche alternate ed è necessario un monitoraggio costante dello stato di salute e di performance del calciatore La frequenza cardiaca e lattività respiratoria sono buoni indici dello stato di forma dellatleta; vengono valutate durante appositi test Attualmente non viene svolta actigrafia sportiva

3 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 3 Stato dellarte Monitoraggio della frequenza cardiaca: Polar team system Consiste in una fascia da indossare a contatto con la pelle intorno al torace che trasmette i dati ad un ricevitore che si indossa come un comune orologio da polso Permette il monitoraggio della frequenza cardiaca di più soggetti contemporaneamente Limiti: - Rileva esclusivamente la frequenza cardiaca e alcuni indici - Assenza di trasmissione in telemetria per la visualizzazione dei dati ricevitore fascia - trasmettitore

4 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 4 Stato dellarte Monitoraggio dellattività respiratoria: Cosmed k4 Sistema ergospirometrico portatile per la valutazione respiro per respiro della funzionalità cardiorespiratoria Lapparecchiatura portatile trasmette in tempo reale i dati ad ununità ricevente collegata ad un PC Limiti: - Attrezzatura ingombrante - Può essere utilizzato solo per specifici test sul consumo dossigeno maschera unità portatile

5 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 5 Obiettivi del lavoro verifica di fattibilità e ottimizzazione dellindumento sensorizzato: tipo di segnali e sensori, posizionamento, aderenza e contatto necessità trasmissione wireless a lungo raggio per monitorare latleta durante la normale seduta di allenamento Realizzazione di uno strumento integrato, multiparametrico e totalmente non intrusivo per il monitoraggio della condizione atletica del calciatore

6 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 6 Wearable sensors Indumenti realizzati con tessuti conduttivi e piezoresistivi che svolgono il ruolo di sensori di segnali fisiologici Facilmente indossabili, senza alcuna preparazione preliminare I segnali che vengono comunemente monitorati sono ECG, attività respiratoria, movimento delle articolazioni I principali campi applicativi sono: il supporto allassistenza domiciliare o in strutture assistenziali specializzate, il monitoraggio funzionale durante lattività lavorativa e la medicina sportiva. -FIGURA Sport ECG, movimenti e accelerazioni, attività respiratoria, temperatura e sudorazione.

7 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 7 Ottimizzazione della maglietta sensorizzata Maglietta originale Due coppie di elettrodi per la rilevazione dellECG Due estensimetri per la rilevazione dellattività respiratoria Maglia costituita per il 95% di poliammide 6 e per il 5% di Elastan Sul retro è prevista una tasca per contenere il dispositivo di rilevazione e trasmissione dei dati

8 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani Ottimizzazione della maglietta sensorizzata Prove preliminari per determinare la migliore configurazione Per la rilevazione dellECG la coppia di elettrodi più bassa ha dimostrato un accoppiamento migliore con la cute garantendo la qualità del segnale e la sua processabilità Per la rilevazione dellattività respiratoria la scelta della configurazione migliore è stata più difficile a causa della soggettività della tecnica respiratoria. In base ai risultati delle prove preliminari si è deciso di utilizzare lestensimetro più alto (toracico) ELETTRODI ALTIELETTRODI BASSI ESTENSIMETRO BASSOESTENSIMETRO ALTO ECG di un soggetto durante cammino Respirazione di un soggetto durante cammino 8

9 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 9 Ottimizzazione della maglietta sensorizzata Modifiche apportate … … vantaggio introdotto ottimizzazione del tensionamento della maglia e del posizionamento dei sensori ottimizzazione delle dimensioni della tasca posteriore e rivestimento interno della stessa con uno strato di gommapiuma utilizzo di un connettore RJ11 per la connessione del dispositivo alle bande conduttive della maglietta miglioramento dellinterfaccia elettrodi-cute e riduzione dei movimenti relativi dispositivo completamente solidale con la maglietta e quindi con il corpo del soggetto (in posizione baricentrale) plug-in immediato e massima stabilità della connessione anche durante movimenti critici

10 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 10 Ottimizzazione della maglietta sensorizzata Prototipo finale maglietta connettore tasca Con tali modifiche è possibile monitorare un soggetto che svolge unattività fisica garantendo la qualità del segnale anche durante movimenti di vario genere vista anteriore vista posteriore

11 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 11 Dispositivo per rilevazione e trasmissione PARTE ANALOGICA Composta da due schede elettroniche: una per la rilevazione dellECG e una per la misurazione dellattività respiratoria. PARTE DIGITALE Fornisce la tensione di alimentazione a tutti i circuiti, converte i dati rilevati dalle schede analogiche e li trasmette al PC grazie al modulo di trasmissione XBee- PRO. Accelerometro integrato Modulo XBee-PRO: - trasmissione a lunga distanza - facilità di configurazione PARTE ANALOGICA

12 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 12 Assemblaggio del dispositivo Schede analogiche Scheda digitale Batteria Dispositivo assemblato Dimensioni: 8.2 * 5.3 * 3.7 cm Interfacce con lesterno: interruttore on/off e cavo RJ11 interruttore cavo RJ11

13 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 13 Segnali misurati Bio-segnale … … dispositivo 1.ECG elettrodi tessuti nella maglietta e scheda per pre-condizionamento e trasmissione del segnale 2.Respirazione estensimetri integrati nella maglietta e scheda per pre- condizionamento e trasmissione del segnale 3.Accelerazioni accelerometro triassiale integrato nella scheda digitale

14 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 14 Applicazione al calcio Si sono esaminati 5 calciatori delle giovanili e 3 della prima squadra. I dati antropometrici sono tra loro molto eterogenei ATLETAETAALTEZZA (cm) PESO (kg) CATEGORIA SOGGETTO A ,2giovanili SOGGETTO B ,9giovanili SOGGETTO C giovanili SOGGETTO D ,5giovanili SOGGETTO E giovanili SOGGETTO F prima squadra SOGGETTO G prima squadra SOGGETTO H prima squadra

15 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 15 Applicazione al calcio Segnale acquisito … … parametri misurati ECG frequenza cardiaca massima, minima, media e percentuale della frequenza massima raggiunta (I) Ampiezza del respiro frequenza respiratoria massima, minima, media e percentuali della frequenza massima raggiunta (R), tempi del respiro (T I, T E e T TOT ) e FIT (T I /T TOT ) Accelerazioni accelerazione istantanea massima, decelerazione istantanea massima, valore medio delle accelerazioni e delle decelerazioni massime locali

16 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani Calibrazione del dispositivo (accelerazioni) Setup sperimentale Acquisizione c/o il Lab. di Analisi del Movimento L. Divieti 1 marker su dispositivo 1 soggetto 3 tipologie di salto (avanti, verticale, latero-laterale) in 3 ripetizioni Movimenti liberi il più possibile monoassiali Confronto con loutput del dispositivo 16 sistema elite dispositivo di trasmissione tempo [frames]accelerazione [m/s 2 ] accelerazione [g]tempo [samples]

17 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani Calibrazione del dispositivo (accelerazioni) Correlazione tra le misurazioni 17 Buona correlazione per ognuna delle tre direzioni (0.85 valore medio per il salto in avanti; 0.86 per quello in verticale; 0.84 per quello in laterale)

18 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 18 Risultati Aspetti cardiaci Elettrocardiogramma e tacogramma riferiti ad una prova intervallare 5*30 m del soggetto F singola serie frequenza di recupero frequenza di partenza frequenza di sforzo frequenza media intervallo R-R onda T onda R oscillazioni della linea di base I (=frequenza cardiaca media/frequenza cardiaca massima) è un buon indice per misurare il livello di sforzo rispetto alla frequenza cardiaca massima. Dalla letteratura emerge che un allenamento per il miglioramento della soglia anaerobica prevede un valore di I pari a 80-90%. I valori ottenuti su diversi soggetti durante esercizi prevalentemente anaerobici sono perfettamente confrontabili

19 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani fine ciclo 19 Risultati Aspetti respiratori Ampiezza del respiro ed andamento della frequenza respiratoria riferiti alla stessa prova 5*30 del soggetto F Tra i parametri misurati per valutare lattività respiratoria cè il FIT (Fractional Inspiratory Time, T I /T TOT ). In letteratura si afferma che durante un esercizio i valori di questo parametro oscillano tra 0.4 e Anche in questo caso i risultati ottenuti sono confrontabili. inizio ciclo fine ciclo ciclo respiratorio inizio ciclo

20 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani Aspetti biomeccanici Accelerazioni nelle direzioni cranio-caudale (rosso), latero-laterale (blu) e antero-posteriore (nero), durante la stessa prova (5*30) e dettaglio della componente antero-posteriore durante una singola serie 20 Risultati recupero accelerezioni massime decelrerazioni massime singolo scatto

21 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 21 Risultati Confronti incrociati Esatta corrispondenza tra linizio della variazione di accelerazione e laumento della frequenza cardiaca. La fine della serie coincide approssimativamente con la massima frequenza raggiunta in quella data ripetizione Durante la fase di scatto massimale (30 metri) il soggetto effettua un grande respiro nei primi metri e lo trattiene in quelli successivi. Nella fase di recupero il soggetto recupera incrementando notevolmente la frequenza respiratoria fino allinizio dello scatto successivo. accelerazione tacogramma ampiezza del respiro

22 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 22 Risultati Affidabilità della misura Per ogni seduta di allenamento relativa a ciascuno dei soggetti esaminati si sono valutate le percentuali di segnale soggette a problemi di trasmissione. I risultati ottenuti sono più che soddisfacenti in quanto questa percentuale è sempre inferiore all1% a parte un solo caso in cui è comunque abbastanza contenuta (3%) Per quanto riguarda il segnale ECG, oltre alle perdite di trasmissione, è necessario tenere conto dei vari artefatti che ne possono inficiare landamento, inducendo così lalgoritmo di determinazione on-line (Pan- Tompkins 1985) a rilevare alcuni picchi R errati. La percentuale di errore non supera mai il 7% mentre il suo valor medio è circa 3%. Questi valori, analizzati sulla distanza di unintera seduta di allenamento possono essere considerati trascurabili Perdita percentuale di segnaleErrore percentuale nella determinazione real-time della frequenza cardiaca a causa di artefatti

23 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 23 Conclusioni e sviluppi futuri Conclusioni Possibilità di monitorare intere sedute di allenamento di sportivi professionisti in maniera non intrusiva e senza interferire con la loro libertà di movimento Possibilità di ottenere un quadro cardio-respiratorio e biomeccanico il più completo e dettagliato possibile Solidità e consistenza dei risultati ottenuti anche in condizione di sudorazione elevata Lo strumento può essere facilmente indossato dallatleta e il tempo richiesto è molto ridotto non essendo necessaria alcuna preparazione preliminare degli elettrodi Si è verificata la lavabilità della maglietta, ed essa è stata usata per più allenamenti senza deteriorarsi e perdere di elasticità

24 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani 24 Conclusioni e sviluppi futuri Sviluppi futuri Determinazione di indici della condizione dellatleta Utilizzo di più dispositivi contemporaneamente per monitorare diversi atleti durante la stessa sessione di allenamento Miniaturizzazione del dispositivo di trasmissione per minimizzare lingombro sul corpo dellatleta e ridurre ulteriormente i fattori di rischio Miglioramento del fattore comfort e del design dellindumento per favorirne laccettazione da parte dellutilizzatore Applicazione dello stesso strumento al monitoraggio di atleti praticanti altre tipologie di sport

25 Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani


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