Sensori indossabili nel monitoraggio di calciatori di elite per la valutazione di parametri...

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


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


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


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


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.


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


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



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



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


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


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


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


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


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


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]


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)


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 [%]


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


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


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


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


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


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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