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Atti '97 del Seminario "Tecnologie al servizio dell'uomo"
La versione completa e rilegata degli Atti '97 del Seminario "Tecnologie al servizio dell'uomo" può essere richiesta ad I.LI.TEC. versando una piccola quota come contributo per le spese di stampa.
Sommario.
- M. N. Caravassilis ed E. Fabrizi.
- Progetto VIDET: robotica e realtà virtuale in un sistema di ausilio per videolesi.
- C. D.Bonivento, Di Stefano, M. Ferri, C. Melchiorri, G. Vassura.
- Piattaforma integrata piezo-dinamometrica per una più completa analisi di sottoaree del piede.
- Claudia Giacomozzi.
- Sistema di guida per carozzina elettrica per tetraplegici gravi.
- M. Bozzetti, M. Getuli, E. Habib, A. Papa.
- Il bastone multifunzione.
- Radice Simona.
- Apparecchi acustici digitali.
- Stefano Tomassetti.
- Riabilitazione della deambulazione mediante dispositivi di allevio del peso corporeo.
- Marina Torre.
Abstracts
Un sistema di guida per sedie a rotelle basato sui movimenti della testa.
Nell’intervento verrà descritto un nuovo sistema di guida che è stato studiato e realizzato per estendere la capacità di conduzione di sedie a rotelle. Tale dispositivo permette di impartire comandi direzionali di tipo continuo, attraverso il movimento della testa. Insieme al joystick e ai comandi vocali rappresenta l’interfaccia offerta all’utente per il controllo del veicolo nella modalità di guida convenzionale. Il joystick può essere sicuramente considerato il dispositivo più naturale e più adatto per lo scopo ma esistono varie categorie di persone disabili che non possono farne uso come ad esempio i tetraplegici. I comandi di tipo vocale, a loro volta, rappresentano una soluzione di facile implementazione, sicuramente accessibile alla maggior parte degli utenti disabili, ma hanno lo svantaggio di essere comandi di natura discreta. Il dispositivo di guida proposto , invece, genera un comando direzionale proporzionale alla misura della pressione esercitata dalla testa su appositi cuscinetti montati a bordo della carrozzella e presenta il vantaggio di essere facilmente integrabile con altri dispositivi. Inoltre la sua semplicità realizzativa soddisfa l’importante specifica di essere un progetto a basso costo.
M. Caravassilis ed E. Fabrizi -Università degli Studi di Roma Tre Dipartimento di Informatica e Automazione
Progetto VIDET: robotica e realtà virtuale in un sistema di ausilio per videolesi
Presso l’Università di Bologna è attivo un progetto di ricerca interdisciplinare denominato VIDET (VIdeo DEcodificatore Tattile) volto allo studio e alla realizzazione di un prototipo di dispositivo di supporto alla mobilità di persone videolese. Il prototipo attualmente in fase di sviluppo consiste in uno zaino con un supporto rigido, sul quale sono alloggiati: un elaboratore portatile che controlla tutte le funzionalità del sistema, una coppia di telecamere, un dispositivo robotico di ritorno di forza. Le telecamere, situate al di sopra delle spalle dell’utente, acquisiscono una coppia di immagini stereo; da queste viene calcolata una mappa di profondità associata alla porzione di scena inquadrata. I dati 3D ottenuti vengono opportunamente scalati e mappati nello spazio di lavoro del sistema (posizionato frontalmente rispetto al dispositivo, cioè nella zona facilmente raggiungibile da una mano dell'utente); infine essi vengono interpolati mediante una tecnica nota come triangolazione di Delaunay. Si viene quindi a creare una superficie virtuale, simile ad un bassorilievo che replica la porzione di scena osservata. Il dispositivo robotico (detto "WireMan", Wire Manipulator) rende tangibile la superficie virtuale. Esso è costituito da un ditale collegato a tre cavi tensionati attuati in parallelo, fissati al telaio in corrispondenza delle spalle e di un fianco dell’utente. L’utente inserisce un dito nel ditale ed esplora lo spazio di lavoro; WireMan reagisce bloccando i cavi quando il dito dell’utente incontra la superficie virtuale. La sensazione che ne risulta è quella di una superficie solida su cui l’utente può far scorrere il dito. L’utente è dunque in grado di esplorare l’ambiente antistante, toccandone una replica virtuale in scala. Attualmente, lo scopo previsto è principalmente quello del rilevamento di ostacoli, ma si prevede che si possa in seguito migliorare la risoluzione per fornire all’utente una descrizione tattile abbastanza dettagliata dell’ambiente che lo circonda. Un’utile aggiunta consiste nella resa tattile del colore, già in fase sperimentale. Essa viene fornita sotto forma di vibrazioni ai polpastrelli delle dita non impegnate dal ditale. In conclusione, il VIDET conta sulla elevata capacità di utilizzo del tatto nei non vedenti, per fornire loro informazioni sull’ambiente circostante al di là della portata naturale del braccio o del bastone. Si differenzia da altri ausilî (acustici, o anche tattili, ma in due dimensioni) per il fatto che l’informazione viene offerta in modo molto più diretto. Riteniamo che possa risultare efficace - con diverse modalità interpretative e diversi tipi di addestramento - sia per persone che hanno memoria delle sensazioni visive, sia per quelle che non l’hanno, ed anche per ipovedenti.
C. Bonivento*, L. Di Stefano*, M. Ferri**, C. Melchiorri*, G. Vassura† - Università di Bologna * DEIS-LAR, Dip. Elettronica, Informatica e Sistemistica † DIEM, Dip. Ingegneria Meccanica,** Dip. di Matematica.
Piattaforma integrata piezo-dinamometrica per una più completa analisi di sottoaree del piede.
Presso il Laboratorio di Ingegneria Biomedica dell’Istituto Superiore di Sanita’ e’ stato costruito uno strumento integrato a partire dalla sovrapposizione di una pedana di pressione, costruita ad hoc nel laboratorio stesso sfruttando una tecnologia gia’ collaudata e basata su matrici di sensori piezo-resistivi, su una piattaforma di forza commerciale. La ridondanza di alcune informazioni, quali la reazione verticale e la posizione del suo punto di applicazione, ha permesso una accurata calibrazione dei due strumenti, in particolare della pedana di pressione. Relativamente a tutto l’appoggio, lo strumento misura accuratamente le tre componenti della forza di reazione, il suo punto di applicazione, il momento libero, la localizzazione dell’impronta e la distribuzione spaziale delle pressioni su tutta l’area di contatto. In base alle informazioni fornite dalla pedana di pressione, si calcolano inoltre accuratamente le componenti verticali locali della reazione. A partire da queste e dalle componenti di taglio globali, e applicando un modello basato sulla proporzionalita’ delle forze di taglio locali alle reazioni verticali locali, si riescono a stimare anche tali componenti di taglio locali e il momento libero; in questo modo e’ possibile caratterizzare completamente dal punto di vista dinamico una qualunque sottoarea del piede. A partire dallo strumento integrato, quindi, e’ possible generare tante piccole piattaforme di forza virtuali, di qualunque forma e dimensione, rilocabili a piacere sotto il piede. Questa e’ una peculiarita’ dello strumento che suscita notevole interesse sia in ambito clinico che in studi biomeccanici dei segmenti del piede. Per poter sfruttare pienamente le potenzialita’ di questo strumento integrato, sono stati implementati alcuni metodi per l’identificazione delle sottoaree di interesse, in particolare un criterio di selezione manuale e un criterio, piu’ automatico, basato sulle caratteristiche geometriche dell’impronta. Il criterio di selezione manuale risulta piu’ affidabile in caso di appoggi anomali ed e’ particolarmente efficace nella selezione di sottoaree del piede ben identificabili, mentre il secondo e’ chiaramente piu’ oggettivo, quindi garantisce maggiore ripetibilita’ in tutte le situazioni in cui si trattano impronte complete. La piattaforma integrata, e le procedure di selezione sopra riportate, sono state validate su un certo numero di soggetti sani, e sono state successivamente utilizzate nello studio di una particolare patologia del piede che e’ la sinostosi astragalo-calcaneare. Sono stati esaminati alcuni pazienti presso il Laboratorio di Analisi del Movimento degli Istituti Ortopedici Rizzoli di Bologna, in condizioni pre- e post-operatorie, per valutare l’efficacia di diversi tipi di intervento chirurgico. Nel caso di questa specifica patologia, in cui le caratteristiche geometriche dell’impronta lungo la bisettrice della stessa vengono conservate, la selezione automatica si e’ rivelata particolarmente utile, e la suddivisione in tre grandi sottoaree - retropiede, mediopiede e avanpiede - particolarmente efficace.
Claudia Giacomozzi - Laboratorio di Ingegneria Biomedica, Istituto Superiore di Sanita’, Roma.
Sistema di guida per carozzina elettrica per tetraplegici gravi.
Il progetto, condotto dall’I.LI.TEC. in collaborazione con l’AISM, si propone la realizzazione di una configurazione del sistema di controllo di una carozzina elettrica accessibile a disabili affetti da tetraplegia grave. Lo studio viene condotto per un caso specifico di un assistito della suddetta associazione. Le specifiche del progetto sono anche: costi ridotti, discrezione, massima libertà dei movimenti residui. Le soluzioni adottate sono state il posizionamento del tradizionale joystick di controllo posteriormente al capo, in modo da poter essere azionato con la testa. Si sono adottati inoltre due pulsanti, posti lateralmente al capo che permettono di determinare il verso di marcia e di spegnere/accendere il sistema di controllo. Attualmente si è in procinto di costruire un prototipo.
M. Bozzetti, M. Getuli, E. Habib, A. Papa.
Scopo di questo progetto è di ideare un particolare dispositivo ortopedico ausiliario. Si tratta di un bastone automatizzato, che garantisca altre funzioni oltre a quella di sostegno: esso offrirà la possibilità di raccogliere da terra oggetti senza che l’utente debba chinarsi, grazie ad un organo meccanico prensile, scorrevole lungo il bastone stesso; presenterà un’agevole soluzione nelle situazioni in cui dovrà essere momentaneamente messo da parte, tramite piedini normalmente ritratti che, una volta azionati, saranno in grado di sorreggere il bastone stesso; sarà dotato di una spia fosforescente e di una pila incorporata, che ne faciliteranno l’uso al buio. Tale dispositivo risulterà particolarmente utile a soggetti anziani, che abbiano difficoltà di movimento per problemi di artrosi alle articolazioni ed a portatori di protesi d’anca o pazienti in attesa dell’intervento. Esso dovrà essere studiato nei particolari per venire incontro alle difficoltà ed alle esigenze di anziani e di persone affette da artrite reumatoide. In questa trattazione, si presentano i risultati di un’analisi preliminare di mercato, svolta per conoscere eventuali analoghi dispositivi già in commercio e confrontarli con quello qui proposto; si affrontano in modo teorico e schematico le fasi preliminari di un progetto ingegneristico (analisi configurazionale, cinematica, dinamica e funzionale); si accenna infine all’importante questione delle normative e di certificazione imposte dalla Comunità Europea ed al problema della scelta del motore ottimale.
Simona Radice - Dipartimento di Meccanica - Politecnico di Milano.
La tecnologia degli apparecchi acustici ha raggiunto una nuova importante era: l’ETA’ DIGITALE. La creazione di un apparecchio acustico completamente digitale è stata per molti anni un obiettivo dell’intera industria dell’udito. Proprio come l’elaborazione digitale del suono che ha rivoluzionato il mondo musicale, consentendo uno straordinario livello di qualità sonora, di flessibilità creativa, la tecnologia digitale rivoluzionerà l’adattamento e l’efficacia degli apparecchi acustici. L’elaborazione digitale si basa sulla conversione delle onde sonore in una serie di numeri, ottenuta attraverso il campionamento a brevissimi intervalli di tempo. Il computer digitale manipola, memorizza, trasmette questi numeri in un'infinità varietà di modi, detti algoritmi, andando ben di là della semplice amplificazione selettiva. Il computer può analizzare matematicamente i suoni all’ingresso dell’apparecchio acustico ed attuare elaborazioni "intelligenti" secondo l’algoritmo prescelto. Diventa allora fondamentale la competenza audiologica che attraverso la progettazione di particolari algoritmi, stabilisce cosa queste elaborazioni devono fare (ad esempio: una precisa compensazione della perdita uditiva, un adattamento automatico delle variazioni sonore, una chiara identificazione della voce dell’interlocutore, una migliore separazione della voce dal rumore, ecc..). L’obiettivo è di ridare al paziente la comprensione delle parole anche nel rumore, indipendentemente dalla loro direzione di provenienza e senza la schiavitù di continui controlli impartiti manualmente o con un telecomando. L’apparecchio acustico tradizionale, con le sue limitazioni, ingabbia l’audioprotesista e limita le soddisfazioni del paziente. Infatti, salvo rare eccezioni, l’apparecchio è uno strumento "passivo", ispirato più da una visione tecnologica che da una teoria audiologica. Spesso i ritrovati tecnologici sono privi di una sperimentazione clinica che ne avalli, dimostrandoli, i benefici per i pazienti. Gli apparecchi acustici devono partire da ricerche e "prove sul campo" ed essere "animati" dalla competenza audiologica, senza la quale sono, di solito, inutili. Con la giusta competenza e conoscenza audiologica, la flessibilità e la potenza degli apparecchi acustici digitali, consentono al paziente di condurre una vita normale con l’udito che ha.
Stefano Tomassetti - Tecnico audiometrista diplomato Università di "Tor Vergata" iscritto all’A.N.A.P.;direttore del periodico di informazione Soluzione Udito; direttore della azienda per l’adattamento protesico Soluzione Udito.
Riabilitazione della deambulazione mediante dispositivi di allevio del peso corporeo.
Introduzione.
Il ripristino della funzione deambulatoria di pazienti affetti da varie patologie sia ortopediche sia neurologiche e', per la riabilitazione motoria, un importante compito reso spesso difficile dal prolungato stazionamento a letto che comporta, tra l'altro, la diminuzione del tono e della resistenza dei muscoli attivatori più importanti. La mobilizzazione precoce, consentendo di limitare questi effetti, risulta quindi essenziale per un miglior risultato di tutto il processo riabilitativo. Questa esigenza trova una valida soluzione tecnologica nell'utilizzo di dispositivi che permettono la riduzione dei carichi articolari; nel caso di utilizzo di sistemi automatici si beneficia, tra l'altro, anche del notevole vantaggio legato al ridotto coinvolgimento di personale medico e paramedico.
Materiali e metodi.
Presso il laboratorio di Ingegneria Biomedica dell'Istituto Superiore di Sanita' e' stato realizzato un sistema di allevio del peso corporeo denominato WARD (Walking Assistance and Rehabilitation Device), abbinato ad un nastro trasportatore adatto all'uso in riabilitazione motoria. Il sistema si basa sull'impiego di un attuatore pneumatico capace di produrre una forza di sollevamento pari, a meno di un piccolo termine di errore dovuto alla configurazione del sistema stesso, a quella impostata dall'operatore attraverso un Personal Computer. Questa forza, generalmente espressa come percentuale del peso corporeo del paziente, viene applicata al soggetto da riabilitare mediante un imbragatura indossata all'altezza del tronco. Sono attualmente disponibili due imbragature: una sorregge il paziente tramite supporti ascellari, l'altra e' costituita da un corsetto che viene indossato dal soggetto e collegato poi al sistema di sollevamento mediante due cinghie. Il tutto e' contenuto in un traliccio di dimensioni di circa 2.5 x 1.5 x 2.7 m. Per quanto riguarda le prestazioni meccaniche, il sistema e' stato caratterizzato evidenziando con molto dettaglio tutte le componenti (di attrito, elastiche, viscose ed inerziali) che forniscono un contributo al termine di errore e provvedendo ad analizzare inoltre l'influenza della sospensione sulle caratteristiche della deambulazione. Le prove sono state condotte applicando carichi ciclici noti ed esaminando il cammino di due soggetti sani in 44 diverse condizioni di sgravio e velocita' variando questi ultimi da 10% a 80% e da 1.0 km/h a 6.0 km/h.
Il sistema e' stato inoltre utilizzato nella terapia riabilitativa di 20 soggetti affetti da varie patologie sostanzialmente raggruppabili in tre categorie: neurologici di tipo traumatico, neurologici di tipo degenerativo ed ortopedici. In questo caso si e' scelto di applicare un protocollo articolato su 4 settimane e basato sul controllo della velocita' di progressione, della percentuale di sgravio, della durata della prestazione e del costo energetico valutato mediante misure del consumo di ossigeno. Questi parametri sono stati modificati all'inizio di ciascuna settimana con l'obiettivo di raggiungere, alla fine della terapia, condizioni quanto piu' possibili simili alla deambulazione su terreno libero. Le misure di consumo di ossigeno per la valutazione del costo energetico associato all'esercizio sono state condotte in corrispondenza alla 1 e 4 settimana. Tutti i pazienti hanno mostrato, alla fine del trattamento, un aumento della velocita' di progressione e della durata della prestazione ed una diminuzione dello sgravio e del costo energetico.
Conclusioni.
La caratterizzazione dell'apparecchiatura ha permesso di quantificare l'errore da cui e' affetta la forza di sollevamento e di definire i ranges di sgravio e velocita' che non alterino sostanzialmente il pattern motorio. Per quanto riguarda l'applicazione clinica l'analisi dei risultati ha evidenziato un sostanziale miglioramento di tutti i pazienti in seguito al trattamento con riduzione dello sgravio necessario per eseguire la prestazione, aumento della velocita' media di progressione e aumento della durata della prestazione stessa. In particolare e' stato notato un marcato miglioramento per due soggetti, gia' trattati con riabilitazione convenzionale, su cui era stato possibile effettuare le misurazioni di consumo di ossigeno su terreno libero prima e dopo il trattamento. Si puo' concludere quindi che i benefici derivanti dall'utilizzo di questo tipo di sistema riabilitativo sono significativi e i risultati permangono anche nella deambulazione senza l'ausilio del sistema.
Marina Torre - Laboratorio di Ingegneria Biomedica, Istituto Superiore di Sanita', Roma.
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