IT201800010151A1 - Sistema propriocettivo-posturale robotizzato con telecamera tridimensionale integrata - Google Patents

Description

Descrizione di un brevetto d’invenzione avente per titolo: “Sistema propriocettivo-posturale robotizzato con telecamera tridimensionale integrata"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un sistema propriocettivo-posturale robotizzato con telecamera tridimensionale integrata, e in particolare ad un sistema e a un metodo per la valutazione della coordinazione (equilibrio) di un paziente comprendente una pedana propriocettiva sensorizzata e robotizzata.

Sono stati effettuati numerosi studi per quanto riguarda il movimento del corpo umano durante il compito di mantenere un equilibrio statico o dinamico. In particolare, per quanto riguarda la coordinazione del corpo su una piattaforma mobile o pedana propriocettiva sono stati individuati diversi modelli.

Un primo modello consiste neN’irrigidire caviglie, ginocchia e anca in modo che il corpo operi come un singolo segmento rigido, da qui il nome del pattern rigid mode o ride pattern (Buchanan, J. J., & Horak, F. B. (1999), Emergence of postural patterns as a function of Vision and translation frequency, Journal of Neurophysiology, 81 (5), 2325-2339).

Un secondo modello è denominato ankle strategy (detto anche modello del pendolo inverso): utilizzando questo pattern i soggetti stabilizzano il proprio centro di massa muovendo il corpo attorno alla caviglia. Un ulteriore modello è denominato hip strategy, durante il quale i soggetti per stabilizzare il loro centro di massa, attivano in modo alternato i muscoli della coscia e del tronco, utilizzando in questo modo l’anca per riuscire a mantenere l’equilibrio (Horak, F. B., & Nashner, L. M. (1986), Central programming of postural movements: Adaptation to altered support-surface configurations, Journal of Neurophysiology, 55(6), 1369-1381 ).

Un ultimo modello vede infine il soggetto muovere in maniera congiunta anca, ginocchia e caviglie per mantenere la posizione eretta sopra una piattaforma instabile (ankle-knee-hip strategy) (Ko, Y.-G., Challis, J. H., & Newell, K. M. (2001 ), Postural coordination patterns as a function of dynamics of thè support surface, Human Movement Science, 20 (6), 737-764).

Gli studi riguardanti l’equilibrio del corpo umano hanno da sempre rivolto la loro attenzione su quelli che potrebbero essere i parametri che possono essere utilizzati per meglio sintetizzare il comportamento di un soggetto nell’eseguire esercizi di equilibrio dinamico.

Recenti studi hanno individuato come variabile identificativa la fase relativa di COP (Centro di Pressione) e COM (Centro di Massa) sia per quanto riguarda le perturbazioni anteroposteriori (Ko, J.H., Challis, J. H., & Newell, K. M. (2014), Transition of COM-COP relative phase in a dynamic balance task, Human Movement Science, 38, 1 -14) sia per le perturbazioni mediolaterali (Aviroop Dutt-Mazumder, Karl Newell (2017), Transitions of postural coordination as a function of frequency of the moving support platform, Human Movement Science 52 (2017) 24-35).

Analizzare il COM di un soggetto che esegue esercizi di equilibrio permette di osservare il punto corrispondente al valor medio della distribuzione della massa del soggetto, mentre il suo COP rappresenta la posizione dove è concentrato il supporto del soggetto sulla pedana. Per questo motivo il binomio COP - COM può essere utilizzato per rappresentare l’organizzazione globale del sistema posturale di un soggetto durante il compito che sta eseguendo.

Nel corso della storia si sono susseguiti metodi sempre più innovativi atti alla valutazione di un soggetto durante specifici test di equilibrio. Un primo metodo prevedeva ad esempio l’utilizzo di una piattaforma di forza, sopra la quale un soggetto veniva sottoposto a perturbazioni da parte del terapista. Dalla piattaforma di forza era possibile valutare il comportamento del COP del soggetto ma purtroppo le perturbazioni applicate con questa strategia risultavano poco controllabili in quanto si trattavano di vere e proprie spinte, questo rendeva molto complicato ottenere ripetibilità tra diverse prove e di conseguenza comparare i risultati ottenuti.

Per la valutazione del COM si utilizzano diverse tecniche per cercare di valutare il comportamento del tronco ed avere così una visione più approfondita del comportamento della catena cinematica del soggetto valutato.

Un modo è quello di utilizzare un sensore inerziale posto sul tronco, con questo metodo è possibile ad esempio stimare le flessioni ed estensioni del tronco su tutti e tre i piani (frontale, sagittale e trasversale). Purtroppo questo metodo, oltre ad essere invasivo per l’utilizzatore in quanto va applicato sul corpo, solitamente tramite una fascia elastica, fornisce indicazioni troppo sterili riguardanti il comportamento della parte superiore del corpo, inoltre non fornisce indicazioni riguardanti il comportamento delle caviglie, ginocchia e delle anche.

Per meglio monitorare i movimenti della parte superiore del corpo viene sovente utilizzata la stereofotogrammetria, il soggetto è fatto operare indossando dei marker su parti ben definite del corpo e la pedana robotica viene posizionata all'interno di un’area di lavoro comprendente solitamente da 6 a 10 telecamere accuratamente calibrate. Le telecamere riconoscono i marker posizionati sul soggetto e incrociando le immagini rilevate nello stesso istante da due o più telecamere è possibile risalire alla posizione del marker nello spazio, in questo modo è possibile monitorare i movimenti del corpo e cercare di stimarne il COM. Sorgono però alcune problematiche legate all’uso di questa modalità di acquisizione, un primo problema è legato ai marker che vengono applicati sul soggetto, essi infatti pur essendo piccoli possono risultare fastidiosi per il soggetto che li indossa, ma limitare il numero di posizioni in cui sono applicati limita anche la ricostruzione del corpo del soggetto durante gli specifici esercizi e rende il calcolo del COM meno preciso. Un secondo problema riguarda la necessità di parecchio tempo per effettuare il set up del sistema, il fatto che le telecamere abbiano bisogno di un’area operativa appositamente calibrata e che sul soggetto vadano accuratamente posizionati i marker, rende la valutazione del soggetto un’operazione piuttosto lenta e macchinosa. Una ulteriore problematica riguarda la dipendenza della misura dall’operatore, infatti i marker potrebbero essere fissati in posizioni leggermente diverse da operatori diversi modificando così i risultati che si ottengono. Un ulteriore problema dell’utilizzo della stereofotogrammetria è legato al tipo protocollo di acquisizione impiegato (ad es. Davis, Helen Hayes, ecc.), ogni protocollo prevede metodi diversi di calcolo dei giunti, pertanto si otterranno risultati diversi, a parità di soggetto acquisito.

Scopo della presente invenzione è quello di provvedere ad sistema comprendente una pedana propriocettiva che permetta di determinare e monitorare il COM e il COP.

Altro scopo della presente invenzione è quello di provvedere ad un sistema che superi gli inconvenienti dell’arte nota.

In accordo con la presente invenzione, tali scopi ed altri ancora vengono raggiunti da un sistema per la valutazione della coordinazione di un paziente comprendente: una pedana propriocettiva mobile, sulla quale si pone detto paziente; detta pedana propriocettiva comprende dei sensori di forza; un sistema di rilevamento 3D che inquadra detto paziente; un centro di controllo che riceve i segnali forniti da detto sistema di rilevamento 3D e da detti sensori di forza; detto centro di controllo calcola il centro di massa ed il centro di pressione di detto paziente; uno schermo che visualizza gli andamenti di detto centro di massa e detto centro di pressione di detto paziente.

Tali scopi vengono inoltre raggiunti da un metodo per la valutazione della coordinazione di un paziente comprendente le fasi di: porre un paziente su detta una pedana propriocettiva; muovere detta pedana propriocettiva; rilevare immagini 3D di detto paziente e fornirle ad un centro di controllo; misurare le forze applicate a detta pedana propriocettiva e inviare i dati misurati ad un centro di controllo; calcolare il centro di massa ed il centro di pressione di detto paziente; visualizzare gli andamenti di detto centro di massa ed il centro di pressione di detto paziente.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono descritte nelle rivendicazioni dipendenti.

I vantaggi di questa soluzione rispetto alle soluzioni dell’arte nota sono diversi.

Il sistema è formato da una pedana propriocettiva sulla quale sono presenti dei sensori di forza in grado di misurare la forza applicata dal soggetto sulla pedana e due o più motori in grado di muovere la pedana rispetto agli assi antero-posteriore e medio-laterale, e comunque ruotare e traslare la pedana fino a raggiungere 6 gradi di libertà.

Inoltre comprende in aggiunta o in alternativa una seduta robotica con sensori di forza in grado di misurare la forza applicata dal soggetto sulla seduta e due o più motori anche in questo caso che permettono di ruotare la seduta rispetto ai due assi antero-posteriore e medio-laterale oppure ruotare e traslare la pedana.

Infine il sistema comprende una telecamera tridimensionale in grado di riconoscere il corpo umano e di stimarne le posizioni dei giunti corporei e in particolare il suo centro di massa.

Il sistema pone il suo focus sulle funzionalità di valutazione e di training dell’equilibrio di soggetti sia normotipo sia con deficit dell’equilibrio .

Utilizzando la pedana robotizzata è possibile perturbare a piacimento la superficie di appoggio del soggetto e contemporaneamente riprenderlo con una telecamera tridimensionale in grado di riconoscere tutti i segmenti corporei e di stimare le posizioni dei sui giunti nello spazio, in particolare del suo centro di massa, per poter effettuare una valutazione completa delle sue capacità di equilibrio. Inoltre il sistema, grazie alla telecamera tridimensionale, fornisce al soggetto un biofeedback grazie al quale è possibile eseguire esercizi di training durante i quali il soggetto può prendere maggiore coscienza della posizione del proprio corpo nello spazio, allenando e migliorando le proprie capacità di equilibrio sia statico che dinamico.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:

la figura 1 mostra un sistema comprendente una pedana propriocettiva, vista in prospettiva, in accordo ad una prima forma di realizzazione della presente invenzione;

la figura 2 mostra un sistema comprendente una pedana propriocettiva, vista dall’alto, in accordo ad una prima forma di realizzazione della presente invenzione; la figura 3 mostra un sistema comprendente una pedana propriocettiva, vista in prospettiva, in accordo ad una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;

la figura 4 mostra un sistema comprendente una pedana propriocettiva, vista dall’alto, in accordo ad una seconda forma di realizzazione della presente invenzione;

le figure 5a e 5b mostrano un grafico dell’andamento del COM e del COP relativi a due diverse perturbazioni al paziente.

Riferendosi alle figure allegate, un sistema per la valutazione della coordinazione (equilibrio) di un paziente, in accordo ad una prima forma di realizzazione che utilizza come sensori di forza delle celle di carico e che consente il movimento della pedana solo sugli assi x e y della presente invenzione, comprende un basamento 10 sostanzialmente rettangolare. Da una estremità del basamento 10 si innalza una struttura verticale 1 1 frontale. Sul basamento 10 trova posto una pedana propriocettiva 12 circolare, sulla quale si pone in piedi un utilizzatore, circondata da una piattaforma di sicurezza 13, anch’essa circolare.

La pedana propriocettiva 12 comprende quattro celle di carico 14 disposte a croce e a 45° gradi rispetto agli assi x e y del basamento 10.

Le celle di carico 14 permettono di determinare ogni singola forza applicata alla pedana propriocettiva 12 e viene determinata la sua intensità e la posizione del centro di pressione (COP). Il centro di pressione viene valutato considerando le misure effettuate da ogni singola cella di carico 14.

In particolare, si calcola il centro di pressione del sistema formato dalle quattro forze che incidono sulle celle di carico 14.

La distanza dal centro della pedana propriocettiva 12 al centro 15 delle celle di carico 14 è chiamata d e tipicamente misura 0,175 m.

Le celle di carico 14 sono poste inoltre ad un angolo di 45° rispetto agli assi, quindi la distanza delle celle dal centro della pedana viene calcolata come σ = d * cos(45).

Le quattro celle di carico misurano quattro valori di forza F1 , F2, F3, F4 che sommate tra loro corrispondono alla forza totale Ft impressa sulla pedana.

A questo punto è possibile calcolare la scomposizione del COP sugli assi x e y, attraverso le formule:

E’ possibile inoltre calcolare il braccio del momento applicato dal soggetto sulla pedana rcop e il suo angolo thetacop:

In un modo alternativo di realizzazione, si possono utilizzare sensori di tipo diverso (ad esempio si possono utilizzare trasduttori piezoelettrici, ottici o a fibre ottiche) ed anche in numero diverso (tre o più), rispetto a quelli utilizzati nella forma di realizzazione descritta.

La pedana propriocettiva 12 è fissata al basamento 10 mediante una cerniera posta nel centro 15 e può essere ruotata solo lungo l’asse x e l’asse y tramite due motori 16 e 17.

In un modo alternativo di realizzazione della presente invenzione, si possono utilizzare pedane propriocettive realizzate e movimentate in modo diverso rispetto a quelli utilizzati nella forma di realizzazione descritta, ad esempio si possono utilizzare attuatori di diverso tipo (motori brushless, motori a corrente continua, attuatori pneumatici, attuatori elettro-meccanici) e in numero variabile al fine di ottenere diverse movimentazioni (inclinazioni, rotazioni e traslazioni).

Sulla struttura verticale 1 1 ad altezza uomo si trova un pannello di comando e visione 20 del sistema che è preferibilmente uno schermo tattile. Esso permette la visione di informazioni ma può anche ricevere comandi di ingresso. Sottostante al pannello di controllo 20 è posto un sistema 21 di rilevamento 3D della postura dell’utilizzatore.

Il sistema 21 di rilevamento 3D comprende una telecamera a 3D è in grado di riconoscere il corpo umano e di stimare la posizione di ogni suo giunto in ogni istante attraverso tecniche di body tracking adattate alle esigenze della presente applicazione. Un esempio di tecnica di body tracking è ad esempio l’SDK Kinect il quale ricostruisce la scena tridimensionale attraverso una stima della mappa di profondità e riconosce il corpo umano all’interno dell’area ripresa dividendolo dallo sfondo (background), infine stima la posizione nello spazio dei giunti corporei del corpo rilevato.

La telecamera a 3D consiste in una telecamera video rgb e di un sensore di profondità a raggi infrarossi, composto da uno scanner laser ad infrarossi e da una telecamera sensibile agli infrarossi del laser. Grazie a questo sensore è possibile ottenere un'immagine video rgb ed una immagine di profondità. Alcune telecamera a 3D utilizzabili in questa applicazione sono ad esempio: Kinect One (Microsoft, Redmond, USA), Astra Pro (Orbbec, Troy, USA), RealSense (Intel, Santa Clara, USA) e LIPSedge (LIPS, Taipei, Taiwan)

Il sistema 21 mediante la visione a 3D individua inoltre i movimenti della persona che possono essere visti sul pannello di controllo 20.

Un centro di controllo (non mostrato) gestisce il funzionamento del sistema, quindi riceve i segnali provenienti dalle celle di carico 12 e dal sistema 21 di rilevamento 3D, effettua le operazioni necessarie, pilota il pannello di controllo 20 e i motori 16 e 17.

In una forma alternativa di realizzazione della presente invenzione il sistema comprende una struttura di base 30 che sostiene una pedana propriocettiva 31 circolare posta ad una altezza che l’utilizzatore si possa sedere sopra. Comprende inoltre accessori che facilitano la seduta come braccioli 32 e poggiatesta 33.

Anteriormente alla struttura di base 30 è posta una piattaforma 34 su cui l'utilizzatore può appoggiare i piedi.

Di fronte alla struttura è posto un visore 35 ed un sistema 36 di rilevamento 3D della postura dell’utilizzatore, disposti all’altezza dell’utilizzatore seduto.

In alternativa al sistema composto dagli elementi 35 e 36 si può utilizzare il pannello di controllo 20 del sistema e il sistema 21 di rilevamento 3D della postura dell’utilizzatore, descritti precedentemente.

La pedana propriocettiva 31 comprende quattro celle di carico 40 disposte a croce e a 45° gradi rispetto agli assi x e y della struttura di base 30.

La pedana propriocettiva 31 comprende inoltre due motori (non mostrati) per la movimentazione della stessa nelle direzioni di x e y, analoghi a quelli definiti con i riferimenti numerici 16 e 17.

Anche la piattaforma 34 comprende quattro celle di carico 41 disposte divergenti lungo all’asse x.

L’uso del sistema per la valutazione della coordinazione (equilibrio) di un paziente utilizzando una pedana motorizzata, in accordo alla presente invenzione, avviene ponendo il paziente in piedi sulla pedana propriocettiva 12, azionando i motori 16 e 17 che inclinano la pedana, in modo da dare una perturbazione al paziente, che può ritornare alla posizione iniziale o può rimanere inclinata, ed il paziente cerca di mantenersi in equilibrio.

Il sistema 21 di rilevamento 3D individua il paziente ed invia i dati al centro di controllo così come i dati forniti dalle quattro celle di carico 14. Il centro di controllo calcola il COP ed il COM, calcola la differenza tra essi, e fornisce i risultati al pannello di controllo e visione 20.

Nel caso della versione con la pedana propriocettiva 31 dove il paziente si siede, avviene quanto già descritto precedentemente. In aggiunta in questo caso è possibile anche verificare il comportamento del paziente durante la fase di alzarsi o sedersi sulla pedana propriocettiva 31 , mediante i sensori posti sulla pedana propriocettiva 31 che quelli sulla piattaforma 34.

L’uso di una pedana motorizzata permette di effettuare perturbazioni controllate della superficie sulla quale il soggetto valutato si mantiene in equilibrio; è possibile ad esempio effettuare perturbazioni sul piano sia anteroposteriore che medio-laterale, oppure oscillazioni in senso orario ed antiorario, il tutto con ampiezza e frequenza regolabili e perfettamente ripetibili.

L’utilizzo della telecamera tridimensionale permette infatti di riconoscere il corpo e tutti i suoi giunti senza dover applicare alcun marker, quindi le misure non sono più operatore dipendente e le tempistiche necessarie a valutare un soggetto diminuiscono sensibilmente.

L’utilizzo del sistema permette la valutazione del comportamento globale del corpo durante esercizi di equilibrio, questo avviene ad esempio posizionando il soggetto in posizione bipodalica sulla pedana robotica e combinando i dati provenienti da telecamera 3D e dai sensori di forza si valuta la dinamica e cinematica del corpo (usando COP, COM e posizioni dei giunti) a seguito di perturbazioni della pedana. Un altro esempio di utilizzo del sistema permette la valutazione periferica, ad esempio posizionando il soggetto sulla pedana robotizzata e facendolo lavorare in posizione monopodalica con carico parziale è possibile valutare il suo comportamento sfruttando la telecamera 3D e i sensori di forza della pedana durante esercizi che prevedono l’utilizzo di un solo arto. Un ulteriore modo di utilizzo è quello di posizionare il soggetto sulla seduta e chiedergli di alzarsi in posizione eretta valutando il trasferimento del carico durante l’alzata.

Il sistema può svolgere inoltre una funzione di allenamento (training), sfruttando infatti la telecamera è possibile fornire al soggetto un biofeedback in tempo reale permettendogli di prendere maggiore coscienza della posizione del proprio corpo nello spazio. Il biofeedback è molto utile per aumentare i benefici derivanti dall’allenamento, permettendo al soggetto di migliorare il proprio controllo posturale, il proprio movimento e la propria forza.

Inoltre grazie all’utilizzo combinato della pedana attiva e della telecamera è possibile immergere il soggetto in una realtà virtuale sottoponendolo ad esercizi multi-task durante i quali viene chiesto al soggetto di eseguire diversi compiti, come ad esempio premere dei pulsanti mentre cerca di mantenere l’equilibrio in posizione bipodalica o monopodalica anche a seguito di perturbazioni della superficie di appoggio. Questa modalità è molto utile per migliorare coordinazione ed equilibrio, con conseguente riduzione del rischio di caduta

I dati di COM e COP che abbiamo in questo modo calcolato permettono di esaminare con un metodo più preciso, rapido ed economico rispetto all’arte nota il controllo posturale di una persona. Per esaminare il controllo posturale infatti è possibile valutare il movimento del COM a seguito di una perturbazione ed in particolare la sua posizione relativa al centro di pressione dei piedi sulla pedana (COP). In particolare un metodo molto efficace per valutare il controllo posturale di un soggetto è quello di calcolare la differenza COP - COM in ogni istante. Questa differenza è fortemente correlata all’accelerazione orizzontale del corpo mentre cerca di mantenere l’equilibrio a seguito di una perturbazione e rappresenta quello che può essere visto come l’errore che la persona deve riuscire a compensare per rimanere in piedi.

Nelle figure 5 è mostrato un esempio di comportamento di un soggetto, movimento dei centri COP e COM in millimetri, al variare del tempo in secondi, a seguito di due perturbazioni differenti.

Il segnale in linea tratteggiata è il COM mentre il segnale in linea continua rappresenta il COP.

La differenza tra i due segnali, quindi COP - COM rappresenta la compensazione che un soggetto deve effettuare per riuscire a stabilizzarsi a seguito della perturbazione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Sistema per la valutazione della coordinazione di un paziente comprendente: una pedana propriocettiva mobile, sulla quale si pone detto paziente; detta pedana propriocettiva comprende dei sensori di forza; un sistema di rilevamento 3D che inquadra detto paziente; un centro di controllo che riceve i segnali forniti da detto sistema di rilevamento 3D e da detti sensori di forza; detto centro di controllo calcola il centro di massa ed il centro di pressione di detto paziente; uno schermo che visualizza gli andamenti di detto centro di massa e detto centro di pressione di detto paziente.
2. 2. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto paziente è posto su detta pedana propriocettiva in piedi.
3. 3. Sistema in accordo ad una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto paziente è posto su detta pedana propriocettiva seduto.
4. 4. Sistema in accordo alla rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che anteriormente detta pedana propriocettiva è posta una piattaforma, su cui l’utilizzatore può appoggiare i piedi, che comprende sensori di forza.
5. 5. Sistema in accordo ad una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detta propriocettiva mobile comprende mezzi per inclinare e/o ruotare e/o traslare detta pedana.
6. 6. Sistema in accordo ad una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto centro di controllo calcola l’andamento di detto centro di massa e di detto centro di pressione di detto paziente, e invia ad un pannello di visione sistema.
7. 7. Sistema in accordo ad una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto centro di controllo calcola la differenza tra detto centro di massa e detto centro di pressione di detto paziente.
8. 8. Metodo per la valutazione della coordinazione di un paziente comprendente le fasi di: porre un paziente su detta una pedana propriocettiva; muovere detta pedana propriocettiva; rilevare immagini 3D di detto paziente e fornirle ad un centro di controllo; misurare le forze applicate a detta pedana propriocettiva e inviare i dati misurati ad un centro di controllo; calcolare il centro di massa ed il centro di pressione di detto paziente; visualizzare gli andamenti di detto centro di massa ed il centro di pressione di detto paziente.
9. 9. Metodo in accordo alla rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto di porre un paziente su detta una pedana propriocettiva in piedi.
10. 10. Metodo in accordo alla rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto di porre un paziente su detta una pedana propriocettiva seduto.