IT201800010368A1 - Metodo e sistema di abilitazione sportiva e riabilitazione neuromotoria - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del Brevetto Italiano per Invenzione Industriale dal titolo:

“METODO E SISTEMA DI ABILITAZIONE SPORTIVA E RIABILITAZIONE

NEUROMOTORIA”

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce al settore della abilitazione sportiva e riabilitazione neuromotoria, ed è stata sviluppata con particolare riferimento ad un metodo ed un sistema di abilitazione e riabilitazione neuro-motoria.

Si osservi che qui e nel seguito con il termine “abilitazione sportiva” si vuol far riferimento a tutte quelle attività che coinvolgono le abilità umane basilari (fisiche e mentali), esercitandole con costanza per migliorare ed usarle in maniera più proficua. Ancora, con tale termine si vuole indicare l'insieme delle attività, individuali o collettive, che impegnano e sviluppano determinate capacità psicomotorie, svolte anche a fini ricreativi o salutari.

Si osservi che qui e nel seguito con il termine “riabilitazione neuro-motoria” si intende una specifica branca della medicina fisica e riabilitativa volta al recupero delle funzioni motorie e all’apprendimento di strategie adattative in soggetti colpiti da malattie invalidanti, congenite o acquisite.

TECNICA PREESISTENTE

Sono noti numerosi e differenti approcci di sistemi di abilitazione sportiva e riabilitazione neuromotoria, ciascuno dei quali basato su specifici schemi e metodi che risultano particolarmente adatti al gesto motorio da abilitare, al tipo di malattia invalidante o alla tipologia di soggetto. Ognuno di questi approcci prevede naturalmente che il soggetto esegua determinati esercizi, o attività fisiche, che coinvolgono il suo apparato neuro-motorio, allo scopo di recuperare o compensare quei deficit creati dalla noxa patogena o malattia congenita o acquisita che lo affligge oppure da qualsiasi causa abbia ridotto le sopracitate abilità psicomotorie.

La scelta e l’implementazione di tali approcci dipendono naturalmente dalla valutazione che un operatore, uno specialista del movimento, effettua sulla base della conoscenza della malattia, del soggetto e delle abilità, ed anche della sua esperienza acquisita nel corso degli anni.

Sono altrettanto noti numerosi sistemi basati su computer in grado di interagire con un soggetto per consentirgli di effettuare alcuni esercizi, o attività fisiche, senza la presenza dello specialista del movimento. Ad esempio, US8094873 descrive un dispositivo terapeutico in grado di far compiere ad un paziente allettato una serie, o successione, di movimenti predeterminati e memorizzati sul computer. Una telecamera è in grado di filmare i movimenti di un paziente e di trasmettere su uno schermo una sua rappresentazione digitale dinamica (avatar).

US2002/0146672 descrive un metodo ed una apparecchiatura per la riabilitazione di disordini neuromotori, in cui vengono misurati uno o più parametri di movimento di una mano come il range di movimento, la velocità, il frazionamento e la forza. Un guanto sensoriale, incorporante tecnologia “force feedback” e indossato dal soggetto, rileva la posizione delle dita della mano dell'utente e fornisce un feedback di forza all'utente mentre l'utente sta eseguendo un esercizio interagendo con un'immagine virtuale.

WO2011063079 descrive una apparecchiatura ed un metodo per eseguire terapia fisica in remoto, in cui una pluralità di sensori applicati in vari parti del corpo di un paziente (braccia, gambe, parte superiore ed inferiore del tronco, testa, piedi e mani) determinano la posizione di ogni parte del corpo in relazione alle altre. Al paziente viene prescritto un predeterminato movimento da compiere ed un computer memorizza i dati provenienti dai sensori e trasmette su uno schermo una rappresentazione digitale dinamica di tali movimenti (avatar). I dati memorizzati vengono successivamente analizzati per determinare la compliance del paziente con il trattamento terapeutico.

Numerose sperimentazioni condotte dalla Titolare hanno evidenziato come tali sistemi, ed in generale i sistemi ed i metodi di tipo noto basati su computer, non siano in grado di avvicinarsi ai risultati ottenuti da un fisioterapista o uno specialista. Uno dei principali limiti dei sistemi di tipo noto è l’impossibilità di sopperire alla capacità di uno specialista del movimento di identificare e determinare l’efficacia dell’esercizio in tempo reale, ovvero mentre il soggetto esegue tale esercizio.

Una ulteriore esigenza sorta nel corso delle sperimentazioni è quella di ricavare informazioni sulle condizioni del soggetto e sui suoi progressi anche nel caso in cui l’esercizio non sia eseguito in modo del tutto corretto dal soggetto e quindi di ricavare maggiori informazioni rispetto alle sole due informazioni ricavate dai sistemi di tipo noto sui movimenti del soggetto: giusto o sbagliato.

In virtù di quanto sopra, uno scopo della presente invenzione è quello di fornire una soluzione a tali esigenze.

Questo ed altri scopi sono raggiunti tramite le forme di attuazione dell’invenzione comprendente le caratteristiche tecniche definite nella rivendicazione principale. Le rivendicazioni dipendenti delineano aspetti preferiti e/o particolarmente vantaggiosi dell’invenzione.

ESPOSIZIONE DELL’INVENZIONE

La presente invenzione rende disponibile un metodo di abilitazione sportiva e riabilitazione neuromotoria comprendente le seguenti fasi:

- predisporre una pluralità di sensori in grado di determinare il loro orientamento nello spazio rispetto ad una loro rispettiva posizione iniziale,

- associare detti sensori ad una o più parti del corpo di un utente,

- fornire istruzioni all’utente affinché esegua un esercizio che coinvolge un movimento con almeno una di detta pluralità di parti del corpo,

- rilevare tramite i sensori informazioni riguardanti il movimento di dette una o più parti del corpo di un utente da una posizione iniziale ad una posizione finale, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre le fasi di:

- rilevare tramite i sensori informazioni riguardanti il movimento delle parti del corpo dell’utente associate ai sensori ma non coinvolte nell’esecuzione dell’esercizio,

- elaborare tutte le informazioni rilevate tramite i sensori e confrontare le informazioni ricevute dai sensori associati all’almeno una parte del corpo coinvolta nell’esercizio con le informazioni ricevute dai sensori associati alle parti del corpo dell’utente non coinvolte con l’esercizio per determinare l’efficacia dell’esercizio svolto dall’utente.

Grazie a tale soluzione è possibile determinare e monitorare movimenti di parti del corpo non direttamente coinvolti in un esercizio che tuttavia di identificare e quantificare l’efficacia dell’esercizio svolto dall’utente.

Un altro aspetto della presente invenzione prevede che la fase di determinazione del parametro di compensazione di tronco comprende le fasi di:

Un altro aspetto della presente invenzione prevede che dette una o più parti del corpo siano comprese in almeno un arto inferiore o un arto superiore di un utente, e che l’efficacia dell’esercizio svolto dall’utente sia determinata sulla base di uno o più dei seguenti parametri relativi ai movimenti eseguiti dall’utente: compensazione di tronco, compensazione di arto, accuratezza di movimento, e fluidità di movimento. Un ulteriore aspetto della presente invenzione comprende le seguenti fasi:

- determinare informazioni riguardanti un orientamento angolare iniziale del sensore associato al tronco dell’utente,

- determinare un orientamento angolare finale del sensore associato al tronco dopo un intervallo di tempo predeterminato,

- determinare una effettuazione di una azione di compensazione di tronco da parte dell’utente se l’orientamento angolare del sensore associato al tronco rilevato dopo un intervallo di tempo predeterminato è differente dall’orientamento angolare iniziale.

Un ulteriore aspetto della presente invenzione prevede inoltre le fasi di:

- determinare un valore della distanza angolare tra un asse del sensore associato al tronco ed un corrispettivo asse di un sistema cartesiano di riferimento, - confrontare il valore della distanza angolare determinata con un rispettivo valore angolare massimo predeterminato,

- quantificare una azione di compensazione di tronco da parte dell’utente determinando la differenza tra uno o più di detti valori angolari di ogni asse ed il rispettivo valore angolare massimo predeterminato.

Grazie a tale soluzione è possibile determinare se l’utente ha eseguito correttamente l’atto motorio utilizzando gli arti superiori o inferiori richiesti dall’esercizio, ed i corrispondenti muscoli richiesti, e con quale livello di efficacia.

Un ulteriore aspetto della presente invenzione prevede che la fase di determinazione della compensazione di arto comprenda le fasi di:

- rilevare il valore angolare di ROM di una articolazione di un arto non coinvolta nell’esercizio richiesto,

- determinare una effettuazione di una azione di compensazione di arto da parte dell’utente se il valore angolare di ROM rilevato dopo un intervallo di tempo predeterminato è differente da un valore predeterminato.

Un altro aspetto della presente invenzione prevede inoltre le fasi di:

- determinare informazioni riguardanti un valore angolare dell’elevazione di spalla tramite un sensore associato ad una spalla dell’utente,

- identificare l’effettuazione di una azione di compensazione di braccio se il valore angolare dell’elevazione di spalla determinato è differente da zero.

Ancora un altro aspetto della presente invenzione prevede che la fase di determinazione della accuratezza di movimento comprenda le fasi di:

- impostare due intervalli di valori definenti una coppia di piani nello spazio virtuale, ciascuno di detti piani essendo definito da una relazione tra un angolo di longitudine ed un angolo di latitudine,

- determinare i valori angolari di latitudine e di longitudine, tramite il sensore associato, di una o più parti del corpo dell’utente nel corso dell’esercizio,

- determinare una accuratezza del movimento se detti valori angolari di latitudine e di longitudine determinati sono inferiori dei valori limite di detti intervalli di valori e quindi compresi nello spazio definito da detta coppia di piani.

Un ulteriore aspetto della presente invenzione prevede inoltre le fasi di:

- determinare i valori angolari di latitudine e di longitudine di una o più parti del corpo dell’utente,

- determinare se per ogni valore di latitudine determinato, il rispettivo valore di longitudine determinato sia maggiore di un primo di detti valori limite predeterminati o minore di un secondo di detti valori limite predeterminati,

- determinare l’errore di accuratezza sulla base del valore dell’angolo di longitudine determinato maggiore di un primo di detti valori limite predeterminati o minore di un secondo di detti valori limite predeterminati.

Grazie a tale soluzione è possibile determinare con precisione lo scostamento del movimento compiuto dall’utente rispetto ad un movimento ideale che abbia massima efficacia, e fornire quindi informazioni utili per una valutazione dell’attività svolta e per l’impostazione di successivi esercizi che migliorino il rendimento della attività di abilitazione sportiva e riabilitazione neuromotoria eseguita dall’utente.

Un altro aspetto della presente invenzione prevede che la fase di determinazione del parametro di fluidità di movimento comprenda le fasi di:

- determinare un valore di accelerazione di un sensore associato ad una parte del corpo dell’utente in un primo predeterminato istante di tempo,

- determinare un valore di accelerazione di detto sensore in un secondo predeterminato istante di tempo,

- dividere la differenza tra i due valori di accelerazione determinati per il valore dell’intervallo di tempo tra il primo ed il secondo istante di tempo.

Grazie a tale soluzione possono essere raccolte importanti informazioni sulla modalità con cui l’utente esegue l’esercizio e che consentono un più efficace monitoraggio della sua attività di abilitazione sportiva e riabilitazione neuromotoria.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più̀ evidenti dalla seguente descrizione, fatta a titolo di esempio con riferimento alle figure allegate in cui:

- la figura 1 è una vista della totalità dei sistemi di riferimento associati ad ogni parte del corpo del soggetto;

- la figura 2 è una vista parziale dei sistemi di riferimento associati all’arto superiore destro del soggetto;

- la figura 3 è una vista esplicativa per il calcolo degli angoli relativi all’omero del soggetto;

- la figura 4 è una vista esplicativa per il calcolo dell’angolo di flessione di avambraccio del soggetto; e

- la figura 5 è una vista esplicativa per il calcolo dell’angolo di pronazione dell’avambraccio del soggetto.

MODO MIGLIORE PER ATTUARE L’INVENZIONE

Il metodo ed il sistema di abilitazione e riabilitazione neuro-motoria secondo la presente invenzione si basa innanzi tutto sulla considerazione che nell’esecuzione di un atto motorio, i muscoli non si attivano singolarmente, ma in gruppi secondo schemi di movimento complessi. Questi schemi sono principalmente composti da movimenti che combinano tra di loro flesso-estensione, adduzione, abduzione e rotazione.

Per la determinazione dell’efficacia di una attività fisioterapica o di abilitazione sportiva il sistema deve pertanto tenere in considerazione la complessità di questo quadro ed il metodo deve essere in grado di valutarne i singoli parametri che lo compongono così come la combinazione di questi.

Il sistema di abilitazione e riabilitazione neuro-motoria secondo la presente invenzione comprende una pluralità di sensori particolarmente adatti ad essere associati ad una pluralità di parti del corpo di un utente. Ciascun sensore è in grado di fornire in uscita, ad ogni rilevazione, un quaternione, che indica il loro orientamento nello spazio rispetto all’orientamento iniziale del momento in cui i sensori vengono accesi. Ciascun sensore comprende anche un accumulatore di energia elettrica particolarmente adatto per consentire il funzionamento del sensore durante le varie fasi del metodo di abilitazione e riabilitazione neuro-motoria. Ciascun sensore comprende inoltre un sistema di comunicazione wireless, ad esempio, ma non limitativamente, implementante tecnologia Bluetooth<®>, particolarmente adatto per inviare i dati delle rilevazioni condotte durante il suo funzionamento, ad esempio i quaternioni, e a ricevere dati da un dispositivo remoto. Il sistema di abilitazione e riabilitazione neuro-motoria secondo la presente invenzione comprende inoltre una stazione base alla quale possono essere connessi i sensori. La stazione base può comprendere un dispositivo di caricamento, ad esempio un caricatore per ricaricare gli accumulatori presenti all’interno dei sensori. La stazione base può comprendere inoltre un sistema di comunicazione wireless, ad esempio, ma non limitativamente, implementante tecnologia Bluetooth<®>, particolarmente adatto per ricevere i dati delle rilevazioni condotte da sensori durante il loro funzionamento, ad esempio i quaternioni, e a inviare dati ai sensori e ad altri dispositivi remoti.

Secondo una caratteristica particolarmente vantaggiosa della presente invenzione, la stazione base comprende una pluralità di alloggiamenti particolarmente adatti ad accogliere i sensori. Ciascun alloggiamento comprende una o più pareti sagomate in modo tale che il sensore possa essere alloggiato al suo interno solo secondo una predeterminata disposizione. Ciascun alloggiamento comprende inoltre uno o più contatti elettrici, ad esempio piastre metalliche, particolarmente adatti nell’uso, a trasferire corrente elettrica dalla stazione base a rispettivi contatti elettrici associati ai sensori e connessi all’accumulatore presente nel sensore quando un sensore è disposto in uno di tali alloggiamenti.

Secondo una delle forme di attuazione della presente invenzione, fornita a solo titolo esemplificativo e non limitativo, l’una o più pareti di ciascun alloggiamento sono sagomate in modo tale che ciascun sensore possa essere alloggiato solamente secondo una disposizione per cui i contatti elettrici del sensore siano appoggiati sui contatti elettrici della stazione base ed il sensore sia disposto secondo un orientamento predeterminato rispetto alla stazione base.

Il sistema di abilitazione e riabilitazione neuro-motoria secondo la presente invenzione comprende inoltre un elaboratore elettronico collegato alla stazione di base. L’elaboratore elettronico è dotto di un modulo di realtà virtuale, comprendente una unità di elaborazione grafica in grado di visualizzare su uno schermo, mediante l’ausilio di una interfaccia grafica, le informazioni ricevute dai sensori tramite la stazione di base e trasformarle in una rappresentazione digitale dinamica (avatar), ovvero in una immagine virtuale. In questo modo, ogni spostamento di una parte del corpo del soggetto a cui è associato un sensore viene visualizzato sullo schermo come uno spostamento della corrispondente parte del corpo dell’avatar. Naturalmente, l’unità di elaborazione grafica è anche in grado di realizzare una rappresentazione digitale dinamica di un ambiente virtuale all’interno del quale l’avatar compie i suoi movimenti.

Il metodo di abilitazione e riabilitazione neuro-motoria secondo la presente invenzione comprende una fase di inizializzazione dei sensori. Durante questa fase i sensori sono inseriti ciascuno in un rispettivo alloggiamento della stazione base, e la stazione base è disposta di fronte ad uno schermo, su cui, come detto, verranno visualizzati i movimenti compiuti dal soggetto, rilevati dai sensori e trasformati in movimenti dell’avatar. Poiché ciascun alloggiamento della stazione base consente un solo orientamento predeterminato dei sensori rispetto alla stazione base, questa fase garantisce che all’inizio della fase di inizializzazione i sensori siano orientati rispetto allo schermo di gioco sempre nello stesso modo. Inoltre, poiché la stazione di base comprende una superficie inferiore piana ed è solitamente disposta su una superficie piana, ad esempio un tavolo o un pavimento, questa configurazione consente di ottenere un riferimento assoluto sull’asse verticale di ogni sensore.

Successivamente durante una fase di registrazione dei sensori sulla stazione base, ciascun sensore invia un gruppo di dati alla stazione base che a sua volta invia tali dati all’elaboratore elettronico, in modo da determinare l’orientamento iniziale dei sensori rispetto allo schermo.

Successivamente i sensori vengono associati al corpo dell’utente, ed in particolare vengono associati a predeterminate parti del corpo di un utente. Secondo una delle possibili forme di attuazione del sistema della presente invenzione, l’utente indossa un capo di abbigliamento provvisto di una pluralità di alloggiamenti, ciascuno in prossimità di una sua zona corporea. Ad esempio, ma non limitativamente, un alloggiamento è disposto in corrispondenza di ogni avambraccio, un alloggiamento è disposto in corrispondenza di ogni omero, un alloggiamento è disposto in corrispondenza del tronco, un alloggiamento è disposto in corrispondenza del bacino, un alloggiamento è disposto in corrispondenza di ogni coscia, ed un alloggiamento è disposto in corrispondenza di ogni tibia dell’utente.

Analogamente, è possibile prevedere alloggiamenti associati a differenti zone corporee, ad esempio in corrispondenza delle estremità degli arti superiori ed inferiori, ad esempio in corrispondenza della mani e/o dei piedi dell’utente.

Successivamente, l’utente si dispone di fronte allo schermo e ciascun sensore invia un gruppo di dati, ad esempio un quaternione, alla stazione base che a sua volta invia tali dati all’elaboratore elettronico, in modo determinare l’orientamento dell’utente rispetto allo schermo e registrare l’orientamento dei suoi arti in posizione di riposo.

Queste due ultime fasi del metodo della presente invenzione, consentono di determinare in modo quanto più preciso la posizione dell’utente, e soprattutto di una pluralità di parti del corpo dell’utente, nello spazio rispetto allo schermo. Come apparirà più chiaro nel seguito, queste fasi consentono all’immagine dell’utente elaborata dall’elaboratore elettronico e visualizzata sullo schermo di essere quanto più possibile coincidente con l’effettiva posizione dell’utente, e soprattutto con l’effettiva posizione di una pluralità di parti del corpo dell’utente. Uno dei principali vantaggi di questa caratteristica è che l’utente si sentirà più coinvolto nell’esecuzione degli atti motori che è chiamato ad eseguire, e sarà quindi più motivato ad eseguirli in modo corretto. Inoltre, questa maggiore coincidenza tra i movimenti reali effettuati ed i movimenti virtuali visualizzati sullo schermo consentirà all’utente di rendersi maggiormente conto del tipo di movimento, e degli eventuali errori, che compie, aspetto che aumenta notevolmente i risultati di una terapia riabilitativa e migliora l’efficacia dell’allenamento per uno specifico gesto atletico.

Il metodo di abilitazione e riabilitazione neuro-motoria secondo la presente invenzione comprende quindi una fase in cui viene richiesto all’utente di eseguire una sequenza di predeterminati atti motori che coinvolgano uno o più parti del corpo, ovvero un esercizio di abilitazione sportiva e/o riabilitazione neuro-motoria. Tali richieste potranno essere rivolte all’utente secondo una qualsiasi di differenti modalità. Ad esempio, ma non limitativamente, può essere creato, tramite l’elaboratore elettronico e visualizzato sullo schermo, uno specifico scenario in cui deve essere svolta una predeterminata attività legata allo scenario stesso. L’attività comprende specifiche sequenze motorie di uno o più arti che l’utente deve eseguire, studiate in modo tale che l’esecuzione di tali sequenze permetta di recuperare o compensare i deficit che hanno ridotto le sue abilità psicomotorie.

Il metodo di abilitazione e riabilitazione neuro-motoria secondo la presente invenzione comprende quindi una fase di acquisizione dei quaternioni forniti dai sensori ad ogni rilevazione.

Secondo una successione di intervalli di tempo predeterminati, ogni sensore invia un quaternione alla stazione base che a sua volta le invia all’elaboratore elettronico. I quaternioni sono quindi inseriti all’interno di un programma di simulazione di realtà virtuale, installato ad esempio sull’elaboratore elettronico, in cui è possibile associare direttamente un quaternione alla rotazione nello spazio di un oggetto virtuale. In questo caso, l’oggetto virtuale è una porzione di un avatar che riproduce le caratteristiche antropomorfiche dell’utente e i quaternioni provenienti dai sensori sono associati direttamente all’orientamento di corrispondenti parti del corpo dell’avatar. In questo modo, gli orientamenti dei segmenti corporei dell’avatar corrispondono esattamente a quelli dei sensori, e quindi agli orientamenti delle parti del corpo dell’utente. Date queste premesse, le rotazioni dei segmenti corporei dell’avatar vengono utilizzate per determinare gli angoli articolari dell’utente e quindi per analizzare i movimenti compiuti dall’utente.

Secondo una delle forme di attuazione della presente invenzione, i dati provenienti dai sensori vengono letti in una predeterminata sequenza che consente di ricostruire il movimento complessivo effettuato dall’utente e di fornire dati essenziali per la valutazione dei movimenti stessi.

In ambiente virtuale non vengono utilizzati assi cartesiani assoluti, in quanto l’avatar stesso è in movimento all’interno dell’ambiente virtuale, ma gli assi vengono determinati rispetto ad un riferimento solidale costituito da una parte del corpo virtuale non controllata dai sensori e quindi virtualmente immobile.

Come detto, ciascuna parte del corpo di un utente di cui si vuole replicare e analizzare il movimento è associata ad un sensore. Con particolare riferimento alla figura 1, ogni parte del corpo di un avatar di cui si vuole replicare il movimento è associata ad uno specifico sistema di riferimento cartesiano. Nell’esempio illustrato, l’addome è preso come parte del corpo virtuale non controllata dai sensori e quindi virtualmente immobile, ed è associata ad una terna di assi cartesiani Xvr, Yvr e Zvr. Nella sequenza di lettura dei dati provenienti dai sensori, i primi angoli articolari che vengono misurati sono quelli relativi al tronco, cioè i dati provenienti dal sensore associati al petto dell’utente. Al tronco del corpo virtuale dell’avatar è associata una terna di assi cartesiani Ot, in cui, ad esempio, un asse Zt corrisponde ad un primo asse cartesiano orizzontale, orientato in modo tale da coincidere con un asse orizzontale in uscita dall’ombelico dell’avatar. Un asse Yt corrisponde ad un secondo asse cartesiano verticale, orientato in modo tale da coincidere con un asse verticale uscente dalla testa dell’avatar. Un asse Xt corrisponde ad un terzo asse cartesiano, orientato in modo tale da coincidere con un asse orizzontale uscente dal braccio destro dell’avatar.

Per misurare un movimento di flessione anteriore del tronco viene determinato l’angolo tra l’asse Zt del tronco e l’asse Yvr dell’addome. Per misurare un movimento di flessione laterale del tronco viene determinato l’angolo tra l’asse Yt del tronco e l’asse XOb dell’addome. Per misurare un movimento di torsione del tronco viene determinato l’angolo tra l’asse Xt del tronco e l’asse ZOb dell’addome.

La determinazione dei suddetti angoli viene effettuata calcolando l’arcoseno del modulo della proiezione di un’asse sull’altro, ovvero del loro prodotto scalare, in modo da misurare correttamente l’angolo anche quando i due segmenti corporei sono ruotati uno rispetto all’altro.

Nella sequenza di lettura dei dati provenienti dai sensori, gli ulteriori angoli articolari che vengono calcolati sono quelli relativi agli arti superiori e/o inferiori, cioè i dati provenienti dai sensori associati agli arti superiori e/o inferiori dell’utente.

Come illustrato in Figura 2, all’omero del corpo virtuale dell’avatar è associata una terna di assi cartesiani Oo, in cui, ad esempio, un asse Xo corrisponde ad un primo asse cartesiano orizzontale, orientato in modo tale da coincidere con un asse orizzontale uscente dalle dita dell’avatar, e disposto su un piano A corrispondente ad un piano orizzontale avente come normale l’asse Yt del tronco, e quindi solidale al tronco stesso, quando l’utente è posizionato “a T”, come il manichino in figura. Un asse Zt corrisponde ad un secondo asse cartesiano orizzontale, orientato in modo tale da essere parallelo all’asse Zt del tronco, e quindi disposto su detto piano A, ed un asse Yt corrisponde ad un terzo asse cartesiano verticale, orientato in modo tale da essere parallelo all’asse Yt del tronco, quando l’utente è posizionato “a T”, come il manichino in figura.

Per determinare l’orientamento dell’omero, si usa un procedimento simile a quello precedentemente descritto per il tronco, ovvero vengono misurati gli angoli relativi tra il sistema di riferimento dell’omero virtuale e quello del tronco virtuale.

Come illustrato in Figura 3, per misurare un movimento di elevazione di un braccio rispetto al piano orizzontale in cui giacciono le spalle (angolo α), viene determinato l’angolo tra l’asse Xo ed il piano A. La misura angolare corrisponde all’angolo tra l’asse Xo e Xo’, ovvero la proiezione dell’asse Xo su detto piano A.

Quando il braccio è disposto in posizione orizzontale rispetto al tronco, ovvero quando il suo asse Xo è pararllelo all’asse Xt del tronco, la misura angolare assume un valore pari a 0°, quando il braccio è disposto in alto, ovvero quand o l’asse Xo è parallelo e nello stesso verso dell’asse verticale Yt, la misura angolare assume un valore pari a 90°, e quando il braccio è disposto in basso, ovvero quando l’asse Xo è parallelo a Yt, ma in direzione opposta, cioè appoggiato lungo il fianco, la misura angolare assume un valore pari a -90°.

Per misurare un movimento di disposizione laterale dell’omero (angolo β), chiamata anche “flessione” o longitudine, viene utilizzata la stessa proiezione dell’asse Xo del braccio sul piano A. Si può quindi determinare l’angolo tra l’asse Xo’, ovvero la proiezione dell’asse Xo sul piano A e l’asse giacente sul piano stesso e congiungente le due spalle, ovvero l’asse Xt del tronco.

In questo caso, quando le braccia sono direzionate verso l’esterno, come illustrato in figura 1, la misura angolare assume un valore pari a 0°, quando le braccia punta no in avanti la misura angolare assume un valore pari a 90°, quando le braccia puntano indietro la misura angolare assume un valore pari a -90°.

La misurazione angolare del terzo angolo di rotazione dell’omero, cioè la rotazione dell’omero attorno all’asse Xo, viene determinata come l’angolo tra l’asse Zo, e l’asse Xt, o l’asse Yt del tronco, a seconda dell’orientamento dell’omero.

Per determinare gli angoli articolari di un gomito, vale a dire per determinare gli angoli che rappresentano l’orientamento dell’avambraccio, vengono determinate la flessione di gomito e la prono-supinazione di avambraccio, cioè la rotazione dell’avambraccio sul suo asse principale. Il procedimento adottato è analogo a quello precedentemente descritto per il tronco, ovvero vengono determinati gli angoli relativi tra un sistema di riferimento dell’avambraccio virtuale e quello dell’omero virtuale.

Come illustrato in Figura 2, all’avambraccio del corpo virtuale dell’avatar è associata una terna di assi cartesiani Oa, in cui, ad esempio, un asse Xa corrisponde ad un primo asse cartesiano orizzontale, orientato in modo tale da coincidere con un asse orizzontale uscente dalle dita dell’avatar, e disposto su un piano A corrispondente ad un piano orizzontale avente come normale l’asse Yt del tronco, e quindi solidale al tronco stesso, quando l’utente è posizionato “a T”, come il manichino in figura. Un asse Za corrisponde ad un secondo asse cartesiano orizzontale, orientato in modo tale da essere parallelo all’asse Zt del tronco, e quindi disposto su detto piano A, quando l’utente è posizionato “a T”, come il manichino in figura; ed un asse Ya corrisponde ad un terzo asse cartesiano verticale, orientato in modo tale da essere parallelo all’asse Yt del tronco, quando l’utente è posizionato “a T”, come il manichino in figura.

Come illustrato in Fig. 4, per determinare un movimento di flessione di gomito, viene misurato l’angolo tra l’asse Xa dell’avambraccio e l’asse Xo dell’omero, senza dover effettuare operazioni di proiezione, poiché i vincoli imposti dall’articolazione del gomito implicano che l’avambraccio si fletta in una sola direzione.

Come illustrato in Fig. 5, per determinare un movimento di prono-supinazione dell’avambraccio viene misurato l’angolo tra l’asse Za’, ovvero la proiezione dell’asse Za dell’avambraccio sul piano B, identificato dalla normale Xo dell’omero, e l’asse Yo dell’omero, che giace sul piano B stesso.

Analoghi procedimenti vengono applicati agli arti inferiori, in cui, come illustrato in figura 1, al bacino del corpo virtuale dell’avatar è associata una terna di assi cartesiani Ob, al femore del corpo virtuale dell’avatar è associata una terna di assi cartesiani Of, ed alla tibia del corpo virtuale dell’avatar è associata una terna di assi cartesiani Otb. Anche in questo caso ciascuna terna di assi cartesiani Ob, Of, Otb comprende, ad esempio, rispettivi primi assi Xb, Xf, Xtb corrispondenti ciascuno ad un primo asse cartesiano orizzontale, orientato come l’asse Xvr di riferimento, rispettivi secondi assi Zb, Zf, Ztb corrispondenti ciascuno ad un asse cartesiano orizzontale, orientato come l’asse Zvr di riferimento, e terzi assi Yb, Yf, Ytb ciascuno corrispondente ad un asse cartesiano verticale, orientato come l’asse Yvr di riferimento.

Nonostante la descrizione fin qui effettuata abbia fatto riferimento a parti anatomiche degli arti di un emilato di un utente, preferibilmente anche se non limitativamente, alla spalla destra, al braccio destro ed alla gamba destra, analoga procedura e misurazione viene effettuata anche per gli arti dell’altro emilato.

Il metodo di abilitazione e riabilitazione neuro-motoria secondo la presente invenzione comprende anche una fase di calcolo di jerk dei sensori, e, di conseguenza, delle porzioni del corpo dell’utente ad essi associati. Con il termine jerk si intende indicare il valore della derivata dell'accelerazione rispetto al tempo, normalmente utilizzato per misurare la variazione dell'accelerazione nel tempo.

I jerk vengono utilizzati per valutare la fluidità dei movimenti articolari dell’utente. In particolare, la valutazione viene effettuata dividendo la differenza tra un valore di accelerazione determinato da un sensore associato ad una parte del corpo dell’utente in un primo predeterminato istante di tempo ed il valore di accelerazione del medesimo sensore in un secondo predeterminato istante di tempo, per il valore dell’intervallo di tempo tra il primo ed il secondo istante di tempo, calcolando quindi la derivata dell’accelerazione come rapporto incrementale.

Come detto, nell’esecuzione di un atto motorio, ed in particolare nell’esecuzione di un atto motorio inserito in una attività di abilitazione o riabilitazione neuro-motoria, i muscoli non si attivano singolarmente, ma in gruppi secondo schemi di movimento complessi. Inoltre l’efficacia dell’atto motorio di un arto non è basata unicamente sul corretto percorso spaziale che l’arto compie ma anche dalla modalità con cui tale percorso viene effettuato.

Sperimentazioni condotte dalla Titolare hanno evidenziato come l’efficacia complessiva di una attività di abilitazione o riabilitazione neuro-motoria possa essere misurata, determinata e verificata attraverso alcune caratteristiche fondamentali del movimento fisioterapico: compensazione, accuratezza, fluidità, asimmetria di lato e ritardo del gesto tra i due arti.

Con il termine compensazione di movimento, o errore di compensazione, si intende la tendenza del soggetto a sopperire alla mancanza di funzionalità di un dato distretto corporeo utilizzandone un altro. Un esempio critico in tal senso è il movimento di tronco in luogo del movimento di un arto superiore.

Con il termine accuratezza del movimento si intende l’inverso della percentuale di scostamento della traiettoria effettiva della parte anatomica rispetto alla traiettoria ideale prevista per quello specifico movimento.

Con il termine fluidità di movimento si intende l’assenza di variazioni impulsive nell’accelerazione dei sensori ovvero l’esecuzione di un atto motorio secondo un ritmo temporale costante e in assenza di soluzione di continuità.

Con il termine asimmetria di lato si intende lo sbilanciamento e slivellamento del corpo sul piano frontale ovvero sul piano orizzontale ovvero la esecuzione di un atto motorio eseguito con un arto o con un emilato o porzione di questo secondo stili e modalità differenti in ordine a intervallo di movimento (ROM -Range Of Motion), Jerk, tempi e condotte.

Con il termine ritardo di movimento tra i due arti si intende una differenza temporale di esecuzione di un gesto o di un atto motorio compiuto da un arto rispetto al contro laterale a partire da una posizione iniziale. In altri termini, per ritardo di movimento si intende l’intervallo di tempo che, per vari motivi, si aggiunge a quello che un arto impiega per eseguire un gesto bilaterale richiesto o intenzionale.

Sulla base di queste impostazioni, il metodo di abilitazione e riabilitazione neuromotoria secondo la presente invenzione comprende una successione di fasi (spiegate più dettagliatamente in seguito) mediante le quali vengono misurati e valutati i seguenti parametri:

- raggiungimento dell’obiettivo;

- compensazione di tronco;

- compensazione di arto;

- accuratezza di movimento; e

- fluidità di movimento.

La fase di valutazione del raggiungimento dell’obiettivo (reaching) varia a seconda dell’esercizio proposto. L’obiettivo può essere costituito da una posizione finale nello spazio che un distretto corporeo, ovvero un arto intero o una porzione di un arto, deve raggiungere entro un predeterminato intervallo di tempo partendo da una posizione iniziale nello spazio. In questo caso la valutazione del raggiungimento dell’obiettivo è data dalla distanza tra la posizione del distretto corporeo nella sua posizione finale e la posizione dell’obiettivo stesso, alla fine del suddetto intervallo di tempo. In caso tale distanza sia pari a zero, l’obiettivo è considerato raggiunto, diversamente è considerato errore ed il valore di tale distanza viene memorizzato per una successiva fase di valutazione.

Nel caso in cui, invece, l’obiettivo sia costituito dallo svolgimento di un movimento all’interno di determinati limiti spaziali, la valutazione del raggiungimento dell’obiettivo è data dalla differenza tra l’intervallo di movimento effettuato rispetto a quello richiesto. In quest’ultimo caso, vale la precisione di raggiungimento del limite, ed è quindi considerato errore sia il non raggiungimento, sia il superamento dello stesso.

Considerando che per la stragrande maggioranza, se non la totalità, degli esercizi di abilitazione sportiva e riabilitazione neuromotoria che coinvolgono un arto si richiede all’utente di stare il più possibile immobile col tronco, la fase di valutazione della compensazione di tronco risulta fondamentale per determinare la correttezza dell’esercizio eseguito dall’utente. Questa fase viene quindi eseguita contemporaneamente ad una fase di determinazione del movimento di un arto.

Una fase di valutazione della compensazione di tronco comprende una prima fase di determinazione di tre sotto-parametri, ciascun parametro corrispondente ad un angolo articolare del tronco. In questa fase sono rilevati i valori degli angoli articolari di ogni asse Xt, Yt, Zt del tronco. Per stabilire se l’utente ha eseguito una compensazione di tronco durante un esercizio in cui è previsto il solo movimento di altri distretti corporei, ad esempio arti inferiori e/o superiori, sono determinate informazioni riguardanti un orientamento angolare iniziale Xti, Yti, Zti del sensore associato al tronco dell’utente, ad esempio quando l’utente si trova in una posizione iniziale prima di iniziare un esercizio. Quindi sono determinate informazioni riguardanti un orientamento angolare finale Xtf, Ytf, Ztf del sensore associato al tronco dopo un intervallo di tempo predeterminato, ad esempio quando l’utente si trova in una posizione finale e ha finito l’esercizio, o in una posizione intermedia di controllo. Quindi vengono confrontati l’orientamento angolare del sensore nella posizione iniziale Xti, Yti, Zti e l’orientamento angolare del sensore nella posizione finale Xtf, Ytf, Ztf, o intermedia. Se i due orientamenti sono differenti viene identificata una effettuazione di una azione di compensazione di tronco da parte dell’utente.

Secondo una delle forme di attuazione della presente invenzione, la fase di identificazione della compensazione di tronco può comprendere anche una ulteriore fase di quantificazione di un errore di compensazione di tronco. Questa fase comprende la fasi di rilevare il valore angolare di ogni asse Xt, Yt, Zt del tronco raggiunto nel singolo movimento compiuto dall’utente, confrontare ciascun valore angolare rilevato con un rispettivo valore angolare massimo predeterminato Xtmax, Ytmax, Ztmax, determinare la differenza tra uno o più di detti valori angolari di ogni asse Xt, Yt, Zt ed il rispettivo valore angolare massimo predeterminato Xtmax, Ytmax, Ztmax.

Una fase di valutazione della compensazione di arto, ad esempio di braccio, comprende la determinazione del valore angolare di ROM di una articolazione di un braccio non coinvolta nell’esercizio richiesto. Ad esempio, nel caso in un esercizio di flessione di gomito, la fase comprende determinare un valore angolare dell’elevazione di spalla, determinare l’effettuazione di una azione di compensazione di braccio se il valore angolare dell’elevazione di spalla determinato è differente da zero. Ad esempio, nel caso di un esercizio di movimento di spalla, la fase comprende determinare un valore angolare di flessione di gomito, determinare l’effettuazione di una azione di compensazione di braccio se il valore angolare di flessione di gomito è differente da zero. Per gli esercizi di reaching solitamente questo parametro non viene considerato, perché vanno usate entrambe le articolazioni.

Una fase di valutazione dell’accuratezza di movimento viene effettuata secondo differenti parametri a seconda dell’arto coinvolto.

Per gli esercizi di movimentazione della spalla, la fase di valutazione dell’accuratezza di movimento comprende una fase di impostazione nello spazio virtuale dell’avatar di una coppia di piani verticali, paralleli tra loro e solidali con il movimento del tronco. Detti piani definiscono uno spazio all’interno del quale deve rimanere l’omero durante l’esercizio. Per gli esercizi di flessione della spalla i piani sono paralleli al piano sagittale del corpo, per gli esercizi di abduzione della spalla i piani sono paralleli a quello coronale. Tramite una funzione trigonometrica, il piano è definito da una relazione tra l’angolo di longitudine e quello di latitudine. Per ogni valore possibile di latitudine ci sono due valori limite di longitudine predeterminati entro i quali deve stare la spalla.

Secondo una delle forme di attuazione della presente invenzione, la fase di valutazione dell’accuratezza di movimento di spalla può comprendere una ulteriore fase di determinazione dei valori angolari di latitudine e di longitudine dell’omero, per determinare se per ogni valore di latitudine determinato, il rispettivo valore di longitudine determinato sia maggiore di un primo di detti valori limite predeterminati o minore di un secondo di detti valori limite predeterminati, al fine di determinare l’errore di accuratezza sulla base del valore dell’angolo di longitudine determinato maggiore di un primo di detti valori limite predeterminati o minore di un secondo di detti valori limite predeterminati.

Per gli esercizi di flessione di gomito e reaching controlaterale questo parametro non è usato, e quindi gli è sempre assegnato un punteggio massimo.

Per valutare l’accuratezza in un esercizio di reaching omolaterale viene creato un cilindro virtuale che ha come asse centrale il segmento che unisce la mano dell’avatar e l’oggetto da raccogliere. Il raggio di questo cilindro è una distanza preimpostata. L’errore di accuratezza viene misurato come la distanza della mano dell’avatar dalla superficie esterna del cilindro che identifica il movimento corretto. Il cilindro viene creato solo una volta che l’avatar si trovi abbastanza vicino all’oggetto da raggiungere.

La fluidità viene valutata attraverso il jerk. Minore è il valore di jerk per un dato esercizio, maggiore sarà la fluidità di movimento.

Come apparirà chiaro ad un tecnico esperto del settore, per verificare l’effettuazione e l’efficacia dell’esercizio da parte dell’utente con le modalità sopra descritte, è possibile determinare gli angoli articolari tra due distretti corporei determinando gli angoli compresi tra due sensori associati a due distinti distretti corporei dell’utente. In questo caso viene selezionato un primo sensore per determinare un primo sistema cartesiano di riferimento, quindi viene calcolato l’orientamento nello spazio di un secondo sensore e confrontato con il sistema cartesiano di riferimento del primo sensore. L’operazione è ripetuta con tutti i sensori associati ai distretti corporei per poter ricostruire il movimento complessivo dell’utente, utilizzando le terne di coordinate rilevate dai sensori e non le terne dell’avatar.

Tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti. Analogamente, i materiali impiegati, nonché le forme e le dimensioni contingenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze senza per questo uscire dall’ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di abilitazione sportiva e riabilitazione neuromotoria comprendente le seguenti fasi: - predisporre una pluralità di sensori in grado di determinare il loro orientamento nello spazio rispetto ad una loro rispettiva posizione iniziale, - associare detta pluralità di sensori a più parti del corpo di un utente, - fornire istruzioni all’utente affinché esegua un esercizio che coinvolge un movimento con almeno una di detta pluralità di parti del corpo, - rilevare tramite i sensori informazioni riguardanti il movimento di detta almeno una parte del corpo dell’utente da una posizione iniziale ad una posizione finale, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre le fasi di: - rilevare tramite i sensori informazioni riguardanti il movimento delle parti del corpo dell’utente associate ai sensori ma non coinvolte nell’esecuzione dell’esercizio, - elaborare tutte le informazioni rilevate tramite i sensori e confrontare le informazioni ricevute dai sensori associati all’almeno una parte del corpo coinvolta nell’esercizio con le informazioni ricevute dai sensori associati alle parti del corpo dell’utente non coinvolte con l’esercizio per determinare l’efficacia dell’esercizio svolto dall’utente.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette una o più parti del corpo coinvolte nell’esercizio sono comprese in almeno un arto inferiore o in un arto superiore di un utente, e che l’efficacia delle esercizio svolto dall’utente è determinata sulla base di uno o più dei seguenti parametri relativi ai movimenti eseguiti dall’utente: compensazione di tronco, compensazione di arto, accuratezza di movimento, e fluidità di movimento.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la fase di determinazione del parametro di compensazione di tronco comprende le fasi di: - determinare informazioni riguardanti un orientamento angolare iniziale del sensore associato al tronco dell’utente, - determinare un orientamento angolare finale del sensore associato al tronco dopo un intervallo di tempo predeterminato, - determinare una effettuazione di una azione di compensazione di tronco da parte dell’utente se l’orientamento angolare del sensore associato al tronco rilevato dopo un intervallo di tempo predeterminato è differente dall’orientamento angolare iniziale.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre le fasi di: - determinare un sistema cartesiano di riferimento virtuale, - determinare una pluralità di valori della distanza angolare tra un asse di un sensore associato al tronco ed un corrispettivo asse del sistema cartesiano di riferimento durante lo svolgimento dell’esercizio da parte dell’utente, - confrontare i valori della distanza angolare determinati con un rispettivo valore angolare massimo predeterminato, - quantificare un valore del parametro di azione di compensazione di tronco da parte dell’utente determinando la differenza tra uno o più di detti valori angolari di ogni asse determinati durante lo svolgimento dell’esercizio ed il rispettivo valore angolare massimo predeterminato.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la fase di determinazione della compensazione di arto comprende le fasi di: - rilevare il valore angolare di intervallo di movimento di una articolazione di un arto non coinvolta nell’esercizio richiesto, - determinare una effettuazione di una azione di compensazione di arto da parte dell’utente se il valore angolare di intervallo di movimento rilevato dopo un intervallo di tempo predeterminato è differente da un valore predeterminato.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che comprende le fasi di: - determinare informazioni riguardanti un valore angolare dell’elevazione di spalla tramite un sensore associato ad una spalla dell’utente, - identificare l’effettuazione di una azione di compensazione di braccio se il valore angolare dell’elevazione di spalla determinato è differente da zero.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la fase di determinazione della accuratezza di movimento comprende le fasi di: - impostare due intervalli di valori definenti una coppia di piani in uno spazio virtuale, ciascuno di detti piani essendo definito da una relazione tra un angolo di longitudine ed un angolo di latitudine, - determinare i valori angolari di latitudine e di longitudine, tramite il sensore associato, di una o più parti del corpo dell’utente nel corso dell’esercizio, - determinare una accuratezza del movimento se detti valori angolari di latitudine e di longitudine determinati sono inferiori dei valori limite di detti intervalli di valori e quindi compresi nello spazio definito da detta coppia di piani.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre le fasi di: - determinare i valori angolari di latitudine e di longitudine di una o più parti del corpo dell’utente, - determinare se per ogni valore di latitudine determinato, il rispettivo valore di longitudine determinato sia maggiore di un primo di detti valori limite predeterminati o minore di un secondo di detti valori limite predeterminati, - determinare l’errore di accuratezza sulla base del valore dell’angolo di longitudine determinato maggiore di un primo di detti valori limite predeterminati o minore di un secondo di detti valori limite predeterminati.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la fase di determinazione del parametro di fluidità di movimento comprende le fasi di: - determinare un valore di accelerazione di un sensore associato ad una parte del corpo dell’utente in un primo predeterminato istante di tempo, - determinare un valore di accelerazione di detto sensore in un secondo predeterminato istante di tempo, - dividere la differenza tra i due valori di accelerazione determinati per il valore dell’intervallo di tempo tra il primo ed il secondo istante di tempo.