Post on 02-May-2015
Sensori indossabili nel monitoraggio di calciatori di elite per la valutazione di
parametri cardio-respiratori e biomeccanici
Michele Galante matr. 673847Andrea Giussani matr. 673858
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica
A.A. 2006-2007
Cesare AlippiM.Galante, A.Giussani
2Introduzione
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
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3Stato 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
Limiti:
- Rileva esclusivamente la frequenza cardiaca e alcuni indici
- Assenza di trasmissione in telemetria per la visualizzazione dei dati
ricevitore
fascia - trasmettitore
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4Stato 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
Limiti:
- Attrezzatura ingombrante
- Può essere utilizzato solo per specifici test sul consumo d’ossigeno
maschera
unità portatile
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5Obiettivi 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
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6Wearable 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 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.
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7Ottimizzazione della maglietta sensorizzata
Maglietta originale
Due coppie di elettrodi per la rilevazione dell’ECG
Due estensimetri per la rilevazione dell’attività 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
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Ottimizzazione della maglietta sensorizzata
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)
ELETTRODI ALTI ELETTRODI BASSIESTENSIMETRO BASSO ESTENSIMETRO ALTO
ECG di un soggetto durante camminoRespirazione di un soggetto durante cammino
8
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9Ottimizzazione 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
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10Ottimizzazione della maglietta sensorizzata
Prototipo finale maglietta
connettore tasca
Con tali modifiche è possibile monitorare un soggetto che svolge un’attività fisica garantendo la qualità del segnale anche durante movimenti di vario genere
vista anteriore
vista posteriore
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11Dispositivo per rilevazione e trasmissione
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
Modulo XBee-PRO™:
- trasmissione a lunga distanza
- facilità di configurazionePARTE ANALOGICA
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12Assemblaggio del dispositivo
Schede analogiche
Scheda digitale
Batteria
Dispositivo assemblato
Dimensioni: 8.2 * 5.3 * 3.7 cm
Interfacce con l’esterno: interruttore on/off e cavo RJ11
interruttorecavo RJ11
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13Segnali 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
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14Applicazione 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 giovanili
SOGGETTO C 18 175 78 giovanili
SOGGETTO D 19 192 83,5 giovanili
SOGGETTO E 19 183 75 giovanili
SOGGETTO F 27 183 89 prima squadra
SOGGETTO G 25 175 72 prima squadra
SOGGETTO H 20 181 78 prima squadra
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15Applicazione 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
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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
16
sistema elite
dispositivo di trasmissione
tempo [frames]
acce
lera
zio
ne
[m/s
2]
acce
lera
zio
ne
[g]
tempo [samples]
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Calibrazione del dispositivo (accelerazioni)
Correlazione tra le misurazioni
17
0,76
0,78
0,8
0,82
0,84
0,86
0,88
0,9
coefficiente di correlazione [R]
1 2 3
prova [n°]
salto avanti
salto verticale
salto laterale
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)
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18Risultati
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 sforzofrequenza
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
74%76%78%80%82%84%86%88%90%92%94%
ESERCIZI TECNICI CON IL PALLONE AD ALTA INTENSITA'
I [%]
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fine ciclo
19Risultati
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.
inizio ciclo
fine ciclo
ciclo respiratorio
inizio ciclo
0,4250,43
0,4350,44
0,4450,45
0,4550,46
0,4650,47
SOGGETTO A
SOGGETTO B
SOGGETTO D
SOGGETTO F
SOGGETTO G
SOGGETTO H
CORSA SENZA PALLA AD ALTA INTENSITA'
FIT
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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
20Risultati
recupero
accelerezioni massime
decelrerazioni massime
singolo scatto
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21Risultati
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
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.
accelerazione
tacogrammaampiezza del
respiro
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22Risultati
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%)
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
Perdita percentuale di segnaleErrore percentuale nella determinazione real-time della frequenza cardiaca a causa di artefatti
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23Conclusioni 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 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
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24Conclusioni e sviluppi futuri
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
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