Michele Galante matr. 673847 Andrea Giussani matr. 673858 Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica A.A. 2006-2007 Sensori indossabili nel monitoraggio di calciatori di elite per la valutazione di parametri cardio-respiratori e biomeccanici Michele Galante matr. 673847 Andrea Giussani matr. 673858

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 un’attività con caratteristiche “aerobiche-anaerobiche alternate” ed è necessario un monitoraggio costante dello stato di salute e di performance del calciatore La frequenza cardiaca e l’attività respiratoria sono buoni indici dello stato di forma dell’atleta; vengono valutate durante appositi test Attualmente non viene svolta actigrafia sportiva

fascia - trasmettitore Stato dell’arte 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 ricevitore fascia - trasmettitore Limiti: Rileva esclusivamente la frequenza cardiaca e alcuni indici Assenza di trasmissione in telemetria per la visualizzazione dei dati

Stato dell’arte Monitoraggio dell’attività respiratoria: Cosmed k4 Sistema ergospirometrico portatile per la valutazione “respiro per respiro” della funzionalità cardiorespiratoria L’apparecchiatura portatile trasmette in tempo reale i dati ad un’unità ricevente collegata ad un PC maschera unità portatile Limiti: Attrezzatura ingombrante Può essere utilizzato solo per specifici test sul consumo d’ossigeno

wearable sensors Obiettivi del lavoro verifica di fattibilità e ottimizzazione dell’indumento sensorizzato: tipo di segnali e sensori, posizionamento, aderenza e contatto necessità trasmissione wireless a lungo raggio per monitorare l’atleta durante la normale seduta di allenamento Realizzazione di uno strumento integrato, multiparametrico e totalmente non intrusivo per il monitoraggio della condizione atletica del calciatore wearable sensors

Wearable sensors FIGURA 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 all’assistenza domiciliare o in strutture assistenziali specializzate, il monitoraggio funzionale durante l’attività lavorativa e la medicina sportiva. FIGURA Sport ECG, movimenti e accelerazioni, attività respiratoria, temperatura e sudorazione.

Ottimizzazione della maglietta sensorizzata Maglietta originale Maglia costituita per il 95% di poliammide 6 e per il 5% di Elastan Due coppie di elettrodi per la rilevazione dell’ECG Due estensimetri per la rilevazione dell’attività respiratoria Sul retro è prevista una tasca per contenere il dispositivo di rilevazione e trasmissione dei dati

Ottimizzazione della maglietta sensorizzata 8 Prove preliminari per determinare la migliore configurazione Per la rilevazione dell’ECG 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 dell’attività 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 l’estensimetro più alto (toracico) ESTENSIMETRO BASSO ESTENSIMETRO ALTO ELETTRODI ALTI ELETTRODI BASSI Respirazione di un soggetto durante cammino ECG di un soggetto durante cammino

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 dell’interfaccia 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

Ottimizzazione della maglietta sensorizzata Prototipo finale maglietta tasca connettore vista anteriore vista posteriore Con tali modifiche è possibile monitorare un soggetto che svolge un’attività fisica garantendo la qualità del segnale anche durante movimenti di vario genere

Dispositivo per rilevazione e trasmissione Modulo XBee-PRO™: trasmissione a lunga distanza facilità di configurazione PARTE ANALOGICA Composta da due schede elettroniche: una per la rilevazione dell’ECG e una per la misurazione dell’attività 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 PARTE ANALOGICA

Assemblaggio del dispositivo Schede analogiche cavo RJ11 interruttore Dispositivo assemblato Batteria Scheda digitale Dimensioni: 8.2 * 5.3 * 3.7 cm Interfacce con l’esterno: interruttore on/off e cavo RJ11

Segnali misurati Bio-segnale … … dispositivo ECG elettrodi tessuti nella maglietta e scheda per pre-condizionamento e trasmissione del segnale Respirazione estensimetri integrati nella maglietta e scheda per pre- condizionamento e trasmissione del segnale Accelerazioni accelerometro triassiale integrato nella scheda digitale

Applicazione al calcio Si sono esaminati 5 calciatori delle giovanili e 3 della prima squadra. I dati antropometrici sono tra loro molto eterogenei ATLETA ETA’ ALTEZZA (cm) PESO (kg) CATEGORIA SOGGETTO A 16 178 75,2 giovanili SOGGETTO B 17 182 72,9 SOGGETTO C 18 175 78 SOGGETTO D 19 192 83,5 SOGGETTO E 183 75 SOGGETTO F 27 89 prima squadra SOGGETTO G 25 72 SOGGETTO H 20 181

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 (TI, TE e TTOT) e FIT (TI/TTOT) Accelerazioni accelerazione istantanea massima, decelerazione istantanea massima, valore medio delle accelerazioni e delle decelerazioni massime locali

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 l’output del dispositivo accelerazione [m/s2] sistema elite tempo [frames] dispositivo di trasmissione accelerazione [g] tempo [samples]

Calibrazione del dispositivo (accelerazioni) Correlazione tra le misurazioni 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)

oscillazioni della linea di base Risultati Aspetti cardiaci Elettrocardiogramma e tacogramma riferiti ad una prova intervallare 5*30 m del soggetto F 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 frequenza di sforzo frequenza media intervallo R-R onda R onda T frequenza di recupero singola serie oscillazioni della linea di base frequenza di partenza

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 l’attività respiratoria c’è il FIT (Fractional Inspiratory Time, TI/TTOT). In letteratura si afferma che durante un esercizio i valori di questo parametro oscillano tra 0.4 e 0.49. Anche in questo caso i risultati ottenuti sono confrontabili. fine ciclo fine ciclo inizio ciclo inizio ciclo ciclo respiratorio

accelerezioni massime decelrerazioni massime Risultati 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 accelerezioni massime recupero singolo scatto decelrerazioni massime

Risultati Confronti incrociati Esatta corrispondenza tra l’inizio della variazione di accelerazione e l’aumento della frequenza cardiaca. La fine della serie coincide approssimativamente con la massima frequenza raggiunta in quella data ripetizione accelerazione ampiezza del respiro tacogramma 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 all’inizio dello scatto successivo.

Perdita percentuale di segnale 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 all’1% a parte un solo caso in cui è comunque abbastanza contenuta (3%) Errore percentuale nella determinazione real-time della frequenza cardiaca a causa di artefatti Perdita percentuale di segnale Per quanto riguarda il segnale ECG, oltre alle perdite di trasmissione, è necessario tenere conto dei vari artefatti che ne possono inficiare l’andamento, inducendo così l’algoritmo 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 un’intera seduta di allenamento possono essere considerati trascurabili

Conclusioni e sviluppi futuri 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 dall’atleta 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

Conclusioni e sviluppi futuri Determinazione di indici della condizione dell’atleta Utilizzo di più dispositivi contemporaneamente per monitorare diversi atleti durante la stessa sessione di allenamento Miniaturizzazione del dispositivo di trasmissione per minimizzare l’ingombro sul corpo dell’atleta e ridurre ulteriormente i fattori di rischio Miglioramento del fattore comfort e del design dell’indumento per favorirne l’accettazione da parte dell’utilizzatore Applicazione dello stesso strumento al monitoraggio di atleti praticanti altre tipologie di sport

Grazie per l'attenzione