IT202000006793A1 - Strumento di scrittura, sistema e metodo per il monitoraggio e l'analisi trasparente della scrittura - Google Patents
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Description
STRUMENTO DI SCRITTURA, SISTEMA E METODO PER IL
MONITORAGGIO E L'ANALISI TRASPARENTE DELLA SCRITTURA
DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO
La presente invenzione si riferisce al settore dei dispositivi di analisi delle attivit? umane. In dettaglio, la presente invenzione riguarda uno strumento per l'acquisizione di dati relativi alla scrittura eseguita da un individuo per mezzo di tale strumento. Inoltre, la presente invenzione riguarda un sistema e un metodo di monitoraggio e analisi della scrittura che utilizzano tale strumento.
STATO DELL'ARTE
La scrittura a mano libera ? una complessa operazione cognitivo-motoria che necessita di abilit? psicomotorie raffinate e un addestramento estensivo. La possibilit? di analizzare lo sviluppo di tali abilit? presenta un notevole interesse da un punto di vista medico accademico in quanto permette di identificare approfondire la comprensione della costituzione di relazioni di coordinazione manuale mentale e visiva necessaria per eseguire manipolazioni fini, in generale, e, in particolare, la comprensione dei processi e delle relative problematiche di apprendimento e produzione della scrittura.
Inoltre, le operazioni motorie coordinate dal cervello in combinazione con i sistemi neuromuscolari e sensoriali - visivo, propriocettivi e cutanei ? necessarie alla scrittura, possono essere soggette a deterioramento durante l'et? senile e per via dell'insorgere di malattie neurologiche.
Nella tecnica sono stati proposti dispositivi progettati per compensare un tremore dovuto a una patologia neurologica, per esempio il morbo di Parkinson, al fine di ottenere un testo scritto leggibile.
Per esempio, US 2018/032159 propone un apparato di scrittura che comprende uno strumento di scrittura azionato da un attuatore, quest'ultimo controllato da un controllore. Il controllore acquisisce dati forniti da uno stilo e da una tavoletta elettronica su cui un utente scrive con lo stilo. Sulla base di tali dati il controllore controlla l'attuazione dello strumento di scrittura in modo da replicare su un foglio un testo vergato dall'utente con una leggibilit? aumentata.
Inoltre, nello stato dell?arte sono noti metodi di analisi della scrittura manuale per identificare patologie neurologiche e il declino cognitivo di pazienti. Tipicamente, tali metodi prevedono lo svolgimento di test di scrittura in condizioni controllate ? ossia, secondo protocolli specificati e modalit? di acquisizione prescritte ?, durante i quali ? previsto che l'individuo esaminato copi un testo predeterminato o replichi una particolare forma geometrica, per esempio una spirale. Inoltre, tali test sono solitamente somministrati mediante l'utilizzo di un'apposita strumentazione comprendente penne elettroniche e/o tablet.
Per esempio, GB 201008089 propone un apparato per diagnosticare e trattare un disordine neurologico, il quale comprende un dispositivo sensore progettato per assomigliare a una penna e una superficie di scrittura sensorizzata. Il dispositivo sensore fornisce un primo segnale indicativo di una forza applicata da almeno un dito dell'utente mentre afferra il sensore. La superficie di scrittura fornisce un secondo segnale indicativo della posizione del sensore sulla superficie e/o un terzo segnale indicativo di una forza con cui il sensore ? premuto sulla superficie. Inoltre, una videocamera fornisce un quarto segnale indicativo di una posizione di parte del braccio dell'utente usato per scrivere.
WO 2007/003417 propone un bastoncino fluidico che ha lo scopo di rilevare informazioni neuromotorie di un movimento guidato manualmente. Detto bastoncino comprende una camera riempita di fluido, laddove la pressione interna di tale camera corrisponde a una forza generata durante il movimento guidato manualmente. Almeno un sensore di pressione ? usato per rilevare la pressione del liquido e convertirla in un segnale elettrico per un'unit? di controllo.
Tuttavia, l'esecuzione dei test e/o le condizioni in cui tali test sono svolti possono influenzare l'individuo esaminato al punto di alterare le informazioni ottenibili dal test stesso. Per esempio, l'individuo esaminato pu? sviluppare stress durante lo svolgimento del test accentuando imprecisioni e/o tremori o, al contrario, il fatto di sapere di essere esaminato pu? portare l'individuo a prestare maggiori attenzione e impegno durante lo svolgimento del test, con la possibilit? di attenuare o, perfino, mascherare condizioni patologiche.
Inoltre, tali test sono somministrati per periodi limitati nel tempo, pertanto i dati ottenuti dall'osservazione dell'individuo esaminati sono limitati sia in termini quantitativi e sia in termini di un periodo temporale di raccolta.
SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE
? scopo della presente invenzione quello di superare gli inconvenienti dell?arte nota.
In particolare ? scopo della presente invenzione fornire uno strumento di scrittura, come una penna, una matita infinita, una matita 'pop-a-point', un pennarello, ecc., che permetta di monitorare in modo la scrittura di un individuo in modo trasparente a quest'ultimo. In particolare, con 'trasparente' si intende senza vincoli n? sul contenuto, n? sulla modalit? di scrittura (es stampatello, corsivo), n? sul modo di impugnare lo strumento da parte dell'individuo esaminato.
Inoltre, tale strumento di scrittura ? sostanzialmente indistinguibile da un comune strumento di scrittura.
Un ulteriore scopo della presente invenzione ? quello di proporre uno strumento di scrittura che permetta di monitorare la scrittura di un individuo per periodi prolungati di tempo, in particolare, senza la necessit? di interventi da parte di operatori qualificati.
Un ulteriore scopo della presente invenzione ? quello di presentare un sistema e un metodo di analisi della scrittura che permetta di identificare alterazioni nella scrittura di un individuo indicativi dell'insorgere di una patologia neurodegenerativa.
Un ulteriore scopo della presente invenzione ? quello di presentare un sistema e un metodo di analisi della scrittura in grado di identificare uno o pi? simboli vergati da un individuo.
Questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un sistema incorporante le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente descrizione.
Secondo un primo aspetto, la presente invenzione ? diretta a uno strumento di scrittura comprendente:
- un elemento scrivente;
- una pluralit? di sensori comprendente almeno:
- un sensore di forza configurato per misurare una forza applicata a detto elemento scrivente, e
- un sensore di movimento configurato per misurare movimento dello strumento in uno spazio tridimensionale;
- un'unit? di comunicazione configurata per trasmettere dette misure a un dispositivo remoto;
- un'unit? di controllo connessa alla pluralit? di sensori e all'unit? di comunicazione e configurata per controllare detta pluralit? di sensori e detta unit? di comunicazione, e
- un involucro cavo.
Inoltre, l'elemento scrivente ha un'estremit? di scrittura configurata per depositare materiale su un supporto. Per esempio, il supporto pu? essere un foglio, un cartoncino o una lamina in vetro, metallo, plastica, ecc., secondo la specifica implementazione dell'elemento scrivente.
L'involucro ? vantaggiosamente configurato per contenere:
- parzialmente detto elemento scrivente, in modo da lasciare esposta l'estremit? di scrittura dell'elemento scrivente attraverso una prima estremit? dell'involucro, e
- completamente detta pluralit? di sensori, l'unit? di controllo, l'unit? di memoria e l'unit? di comunicazione.
Questa soluzione risulta molto efficace nel monitoraggio non supervisionato della scrittura di un individuo. Grazie al fatto che l'involucro racchiude e nasconde completamente i sensori e l'elettronica dello strumento di scrittura, lo strumento risulta sostanzialmente indistinguibile da un comune strumento di scrittura corrispondente, per esempio una penna, infinita, una matita 'pop-apoint', un pennarello, ecc., cos? da non influenzare il modo di utilizzo da parte dell'individuo. In altre parole, l'interazione dell'individuo con lo strumento di scrittura ? naturale e l'operazione di scrivere o, pi? in generale, di tracciare un segno risulta famigliare.
Inoltre, lo strumento non impone vincoli su come debba essere afferrato o utilizzato, cos? da permettere una scrittura il pi? possibile spontanea da parte dell'individuo, in particolare, non richiede che l'individuo prema o interagisca direttamente con elementi di interfaccia e/o elementi di rilevazione durante la scrittura. Queste caratteristiche permettono quindi di acquisire dati sostanzialmente non influenzati da specifiche condizioni di test, permettendo quindi un'analisi ecologica, trasparente e non perturbata dal sistema di misura delle capacit? di scrittura dell'individuo esaminato.
In una forma di realizzazione, il sensore di movimento ? alloggiato in una posizione avente una distanza minore da una seconda estremit? di detto involucro rispetto a una distanza dalla prima estremit? dello stesso, detta seconda estremit? dell'involucro essendo opposta alla prima estremit? dello stesso. Preferibilmente, detta distanza ? calcolata rispetto a una direzione di sviluppo principale dello strumento di scrittura.
In una forma di realizzazione preferita, il sensore di movimento ? alloggiato prossimit? di una seconda estremit? di detto involucro, detta seconda estremit? dell'involucro essendo opposta alla prima estremit?.
Grazie a questa struttura, la disposizione dei sensori all'interno dello strumento di scrittura risulta particolarmente vantaggiosa. In particolare, la distanza tra il sensore di movimento e l'estremit? di scrittura dell'elemento scrivente permette di rilevare variazioni di movimento minime dello strumento di scrittura. Inoltre, il sensore di forza ? in grado di rilevare variazioni minime della pressione applicata dall'individuo su un supporto.
In una forma di realizzazione, il sensore di forza ? associato a un'estremit? terminale dell'elemento scrivente, detta estremit? terminale essendo opposta all'estremit? di scrittura.
Questa disposizione del sensore di forza risulta particolarmente semplice e permette di misurare efficacemente la forza associata alla pressione dello strumento di scrittura quando quest'ultimo ? appoggiato sul supporto.
In una forma di realizzazione, il sensore di movimento comprende almeno uno tra:
- un sensore di accelerazione lineare configurato per fornire una misura di un'accelerazione dello strumento lungo una direzione predeterminata,
- un sensore di velocit? angolare configurato per misurare una velocit? di rotazione dello strumento in un piano predeterminato, e
- un magnetometro.
Pi? preferibilmente, il sensore di movimento comprende un'unit? di misura inerziale.
Grazie a questa soluzione ? possibile ottenere un insieme di informazioni completo sul movimento dello strumento di scrittura durante le operazioni di scrittura eseguite dall'individuo esaminato, le quali possono essere elaborate per individuare varie informazioni, anche di tipo complesso, sulle capacit? di scrittura dell'individuo esaminato e, pi? in generale, sulle capacit? psicomotorie dell'individuo esaminato.
In una forma di realizzazione, l'unit? di controllo ? configurata per:
- monitorare le misure fornite dal sensore di movimento, e
- attivare l'unit? di comunicazione quando ? rilevata una misura di movimento superiore a un valore di soglia e
- quando ? stabilita una connessione al dispositivo remoto prima che il tempo di connessione raggiunga l'istante di tempo massimo, l'unit? di comunicazione ? configurata trasmettere le misure fornite dalla pluralit? di sensori.
In questo modo ? possibile identificare le misure utili ? ossia, effettivamente relative a un'operazione di scrittura da parte dell'individuo esaminato ? rilevate dai sensori della penna e renderli disponibili a un dispositivo esterno in tempo reale, sostanzialmente in una modalit? di streaming dati.
In una forma di realizzazione preferita, l'unit? di controllo ? configurata per: - monitorare le misure fornite dal sensore di movimento, e
- attivare l'unit? di comunicazione quando ? rilevata una misura di movimento superiore a un primo valore di soglia;
- conteggiare un numero di misure di movimento che superano detto primo valore di soglia entro un intervallo di tempo di conteggio, e
- quando ? stabilita una connessione al dispositivo remoto prima che il tempo di connessione raggiunga un tempo massimo, l'unit? di comunicazione ? configurata trasmettere le misure fornite dalla pluralit? di sensori, o
- quando il tempo di connessione raggiunge un tempo massimo senza che sia stabilita una connessione al dispositivo remoto e il numero di misure di movimento conteggiate entro detto intervallo di tempo di conteggio supera un secondo valore di soglia, memorizzare le misure fornite dalla pluralit? di sensori nell'unit? di memoria.
Grazie a questa soluzione ? possibile garantire di rendere disponibili e trasmettere le misure rilevate dai sensori a bordo dello strumento di scrittura in modo affidabile limitando, o eliminando del tutto, la perdita di informazioni utili e, allo stesso tempo, limitando il consumo di energia da parte dell'elettronica a bordo dello strumento di scrittura. Inoltre, l'acquisizione delle misure e la trasmissione dei dati ? trasparente per l'individuo esaminato; in particolare, gli istanti iniziali e gli istanti finale di acquisizione delle misure e trasmissione dei dati non sono noti all'individuo esaminato.
In alternativa, l'unit? di controllo ? configurata per:
- monitorare le misure fornite dal sensore di movimento, e
- attivare l'unit? di comunicazione quando ? rilevata una misura superiore a un primo valore di soglia;
- memorizzare le misure fornite dalla pluralit? di sensori nell'unit? di memoria, quando un numero di misure di movimento maggiori del primo valore di soglia entro un intervallo di tempo di conteggio supera un secondo valore di soglia, e
in cui l'unit? di comunicazione ? configurata per:
- trasmettere almeno parte delle misure memorizzate quando ? stabilita una connessione con il dispositivo remoto.
In questo modo ? possibile garantire una registrazione e trasmissione affidabile dei dati con una strategia di controllo semplificata rispetto al caso precedente al prezzo di un maggiore consumo di risorse.
In una forma di realizzazione, l'involucro comprende una prima porzione e una seconda porzione separabili. Preferibilmente, la prima porzione e la seconda porzione comprendendo corrispondenti aperture di accoppiamento trasversali a una direzione principale dell'involucro. In particolare, la prima porzione ? configurata per alloggiare detto elemento scrivente, mentre la seconda porzione ? configurata per alloggiare la pluralit? di sensori, l'unit? di controllo, l'unit? di memoria e l'unit? di comunicazione.
Questa struttura dello strumento di scrittura permette di sostituire l'elemento scrivente in modo estremamente semplice una volta che quest'ultimo risulti esaurito. Di conseguenza lo strumento di scrittura pu? essere utilizzato dall'individuo esaminato per periodi di tempo particolarmente lunghi, non limitati dalla quantit? di materiale immagazzinato nell'elemento scrivente.
Inoltre, tale struttura permette di evitare che l'utente interagisca con l'elettronica a bordo dello strumento di scrittura. Infine, questa struttura compatta permette di minimizzare i cablaggi interni tra i componenti dell'elettronica a bordo dello strumento di scrittura, in particolare tra l'unit? di controllo e i sensori di forza e movimento.
In una forma di realizzazione, l'elemento scrivente ? selezionato tra:
- un refill per penna a inchiostro;
- un'anima di una matita infinita;
- una mina di una matita 'pop-a-point', e
- un bastoncino in materiale poroso imbevuto di inchiostro.
In altre parole, lo strumento di scrittura pu? essere realizzato secondo diverse esigenze, in particolare, correlate per esempio alle capacit? e/o et? dell'individuo da esaminare.
Un differente aspetto della presente invenzione riguarda un sistema di monitoraggio e analisi della scrittura comprendente uno strumento di scrittura secondo una qualsiasi delle precedenti forme di realizzazione e un dispositivo elaboratore, detto dispositivo elaboratore comprendendo a sua volta:
- un modulo di comunicazione configurato per scambiare dati con l'unit? di comunicazione dello strumento di scrittura, e
- un modulo di elaborazione configurato per elaborare i dati forniti dallo strumento di scrittura e fornire un'indicazione relativa ad almeno un simbolo vergato con lo strumento di scrittura.
Tale sistema permette di sfruttare i dati raccolti dallo strumento di scrittura in modo particolarmente efficace e trasparente per l'individuo esaminato.
Un ulteriore aspetto della presente invenzione riguarda un metodo di analisi della scrittura, implementato dal sistema sopra descritto. Tale metodo comprende i passi di:
- determinare un disturbo statico nelle misure di forza fornite dal sensore di forza della pluralit? di sensori dello strumento di scrittura;
- sottrarre detto disturbo statico dalle misure di forza fornite dal sensore di forza;
- elaborare le misure di forza fornite dal sensore di forza per mezzo di un algoritmo di rimozione della baseline;
- convertire in un valore nullo, ciascun valore di misura inferiore a un valore di soglia, e
- identificare una successione di misure di forza differenti da zero come un singolo movimento continuo di scrittura eseguito attraverso lo strumento di scrittura
In questo modo ? possibile identificare in modo semplice e affidabile singoli movimenti continui di scrittura, o stroke, i quali permettono di ottenere una analisi particolarmente accurata e precisa delle capacit? di scrittura dell'individuo esaminato.
In una forma di realizzazione, il metodo ulteriormente comprendente i passi di: - determinare una frequenza di variazione delle misure di movimento fornite dal sensore di movimento, e
quando detta frequenza di variazione ? superiore a un valore di soglia:
- calcolare una velocit? angolare indicativa di un'inclinazione dello strumento di scrittura sulla base di misure della velocit? angolare fornite dal sensore di movimento;
- calcolare una ulteriore velocit? angolare indicativa dell'inclinazione dello strumento di scrittura sulla base di misure di accelerazione lineare fornite dal sensore di movimento, e
- calcolare una velocit? angolare di inclinazione corretta indicativa dell'inclinazione dello strumento di scrittura come:
dove elocit? angolare determinata sulla base delle misure di velocit? angol ? il valore dell'angolo determinato sula base dell'ulteriore velocit? angolare determinata sulla base delle misure di accelerazione lineare, k1 ? un parametro costante compreso tra 1,2 e 1,7, preferibilmente pari a 1,5, e k2 ? un parametro costante compreso tra 0,3 e 0,6, preferibilmente pari a 0,4, e quando detta frequenza di variazione ? inferiore a un valore di soglia:
- calcolare l'angolo di inclinazione dello strumento di scrittura come:
dove az ? una misura di accelerazione allineata a una direzione principale dello strumento di scrittura. Preferibilmente, detta misura ? fornita dall'accelerometro allineato alla direzione principale dello strumento di scrittura e g ? l'accelerazione di gravit?.
Questo modo di calcolare il tasso di variazione dell'angolo di inclinazione permette di valutare con accuratezza il movimento dello strumento di scrittura. In particolare, tale metodo permette di compensare errori nel calcolo dell'angolo di inclinazione a frequenze elevate, laddove accelerazioni significative introducono errori non trascurabili nel calcolo dell'angolo di inclinazione stesso. Pertanto, ? possibile eseguire una analisi particolarmente accurata del movimento dello strumento di scrittura durante le operazioni di scrittura eseguite dall'individuo esaminato.
Ulteriori caratteristiche e scopi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione che segue.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
L?invenzione verr? descritta qui di seguito con riferimento ad alcuni esempi, forniti a scopo esplicativo e non limitativo, ed illustrati nei disegni annessi. Questi disegni illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione e, dove appropriato, numeri di riferimento illustranti strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento similari.
La Figura 1a illustra una vista assonometrica schematica di uno strumento di scrittura in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione;
la Figura 1b ? una vista in esploso semplificata dello strumento di scrittura di Figura 1a;
la Figura 2 ? uno schema a blocchi dell'elettronica a bordo dello strumento di scrittura delle Figure 1a e 1b;
la Figura 3a illustra un sistema di monitoraggio e analisi della scrittura secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
la Figura 3b illustra un sistema di monitoraggio e analisi della scrittura secondo una differente forma di realizzazione della presente invenzione;
la Figura 4 ? un diagramma di flusso che illustra una procedura di acquisizione e trasmissione dati da parte dello strumento di scrittura delle Figure 1a e 1b;
la Figura 5 ? un diagramma di flusso che illustra una procedura di identificazione di sequenze di scritture continue, o stroke, da parte di un dispositivo elaboratore del sistema delle Figure 3a e 3b secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
la Figura 6 ? un grafico di una funzione della forza rilevata dallo strumento di scrittura in funzione del tempo;
la Figura 7 ? un diagramma di flusso che illustra una procedura di identificazione di simboli tracciati per mezzo dello strumento di scrittura da parte di un dispositivo elaboratore del sistema delle Figure 3a e 3b secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
la Figura 8 illustra schematicamente l'organizzazione delle informazioni sulla scrittura raccolte dal sistema delle Figure 3a e 3b secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
la Figura 9 ? uno schema di principio di un'organizzazione dei dati di scrittura rilevati ed elaborati dal sistema delle Figure 3a e 3b secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, e
la Figura 10 ? un diagramma di flusso che illustra una procedura di analisi della scrittura basata sulle informazioni raccolte eseguita dal dispositivo elaboratore del sistema delle Figure 3a e 3b secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE
Mentre l?invenzione ? suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione preferite sono mostrate nei disegni e saranno descritte qui di seguito in dettaglio. Si deve intendere, comunque, che non vi ? alcuna intenzione di limitare l?invenzione alla specifica forma di realizzazione illustrata, ma, al contrario, l?invenzione intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell?ambito dell?invenzione come definito nelle rivendicazioni.
L?uso di ?ad esempio?, ?ecc.?, ?oppure? indica alternative non esclusive senza limitazione a meno che non altrimenti indicato. L?uso di ?include? significa ?include, ma non limitato a? a meno che non sia altrimenti indicato.
Con riferimento alle Figure 1a e 1b, ? descritto uno strumento di scrittura, una penna 1 a sfera nell'esempio considerato, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
La penna 1 comprende un involucro 10, un elemento scrivente 20 ? chiamato anche refill -, un sensore di forza 30, preferibilmente una cella di carico, un modulo elettronico 40, una batteria 50 e preferibilmente, un guscio 60 e un elemento di supporto 70.
Nella forma di realizzazione considerata, l'involucro 10 ? configurato per alloggiare gli altri elementi della penna 1. A tale scopo, l'involucro ? cavo e comprende un'apertura in corrispondenza di una prima estremit? 11 per permettere a una corrispondente estremit? di scrittura 21 dell'elemento scrivente 20 di sporgere dall'involucro 10 e permettere la scrittura, ossia il rilascio di una quantit? di inchiostro, nell'esempio considerato, su una superficie, per esempio un foglio di carta. Preferibilmente, l'involucro 10 ? conformato in modo che l'elemento scrivente 20 risulti sostanzialmente coassiale a un asse di simmetria dell'involucro 10 quando l'estremit? di scrittura sporge dall'involucro 10 attraverso la corrispondente apertura. Ancora pi? preferibilmente, l'elemento scrivente 20 accoppiato all'involucro 10 risulta sostanzialmente allineato e sovrapposto a una a una direzione principale P della penna 1.
Nell'esempio considerato, l'involucro comprende due porzioni 13 e 15 accoppiabili tra loro in modo rimovibile. La prima porzione 13 ? configurata per alloggiare l'elemento scrivente 20 e comprende la prima estremit? 11 al fine di permettere all'estremit? di scrittura di sporgere all'esterno dell'involucro 10. La seconda porzione 15 ? configurata per alloggiare i restanti elementi della penna 1, in particolare, il modulo elettronico 40, la batteria 50 e il sensore di forza 30.
Inoltre, ciascuna porzione 13 e 15 comprende una rispettiva apertura 17 e 18, rispettivamente. Ciascuna apertura, consente l'accesso a una cavit? definita dalla rispettiva porzione 13 e 15, ed ? dotata di elementi di accoppiamento corrispondenti (non illustrati nel disegno schematico di Figura 1b), per esempio una filettatura e una contro-filettatura, elementi di accoppiamento a baionetta o elementi di accoppiamento a scatto, ecc.
Nell'esempio considerato, il guscio 60 ? sostanzialmente un cilindro cavo di dimensioni adatte per infilare a misura la cavit? definita dalla seconda porzione 15 dell'involucro 10. Il guscio 60 ? configurato per ricevere al suo interno il modulo elettronico 40 e la batteria 50. Preferibilmente, il guscio 60 ? anche configurato per impegnarsi all'elemento di supporto 70 in corrispondenza dell'apertura 18 della seconda porzione 15 dell'involucro 10 quando il guscio 60 ? inserito in quest'ultima. Per esempio, una porzione del guscio 60 ? sagomata per ricevere una corrispondente porzione sagomata dell'elemento di supporto 70. In alternativa, il guscio 10 e l'elemento di supporto 70 comprendono elementi di accoppiamento di una delle tipologie sopra descritte in relazione agli elementi di accoppiamento delle aperture 17 e 18.
L'elemento si supporto 70 ? configurato per alloggiare il sensore di forza 30 in modo che il sensore di forza 30 rimanga a contatto con un'estremit? terminale 23 dell'elemento scrivente 20 ? opposta all'estremit? scrivente 21 dello stesso ? quando gli elementi della penna 1 sono assemblati. Inoltre, l'elemento di supporto 70 ? configurato per consentire un collegamento elettrico tra il sensore di forza 30 e il modulo elettronico 40. Infine, il sensore di forza 30 ? mantenuto in posizione dall'elemento di supporto 70 in modo da misurare forze sostanzialmente allineate alla direzione principale P della penna 1.
Con particolare riferimento allo schema a blocchi di Figura 2, ? ora descritta in maggiore dettaglio l'elettronica a bordo della penna 1. Nell'esempio considerato, il modulo elettronico 40 comprende un'unit? di controllo 41 ? per esempio, comprendente uno o pi? tra un microprocessore, un micro controllore, una ASIC, una FPGA, un DSP e/o un altro elemento in grado di elaborare dati ?, una memoria 42 ? preferibilmente, sia di tipo volatile sia non-volatile ?, un sensore di movimento, preferibilmente una IMU 43 (acronimo di Inertial Measurement Unit), un'unit? di comunicazione, preferibilmente un'unit? BLE 44 (acronimo di BlueTooth Low Energy). Per esempio, la IMU 43 comprendente almeno due accelerometri e un giroscopio verticale. Pi? preferibilmente, l?IMU 43 comprende un accelerometro tridimensionale e un giroscopio tridimensionale, ad esempio l'IMU 43 pu? essere implementata da un modulo della famiglia iNEMO di ST Microelectronics per esempio un modulo LSM6DSM.
Il modulo elettronico 40 comprende inoltre un'unit? di potenza 45 connesso alla batteria 50 e alle altre unit? del modulo elettronico per fornire energia elettrica agli stessi. Opzionalmente, il modulo elettronico 40 pu? comprendere un'interfaccia utente 46 ? per esempio da un semplice LED a un sistema complesso dotato di elementi di input/output ? e/o un connettore 47 per consentire la carica della batteria 50 e/o il trasferimento di dati da/verso l'unit? di controllo 41. Preferibilmente, il connettore 47 ? accessibile attraverso un'apertura (non illustrata nelle Figure) fornita nell'involucro 10, per esempio in corrispondenza dell'estremit? dell'involucro 10 opposta all'estremit? da cui fuoriesce l'estremit? scrivente 21 dell'elemento scrivente 20 della penna 1.
L'unit? di controllo 41 ? connessa al sensore di forza 30 e alla IMU 43, per ricevere misure di relative grandezze fisiche rilevati dagli stessi, alla memoria 42, per memorizzare dati e accedere a dati memorizzati nella stessa, e al BLE 44, per controllarne l'attivazione e la trasmissione di dati, ma pi? preferibilmente una ricetrasmissione dati, da parte dello stesso.
In particolare, la penna 1 appena descritta ? conformata in modo che la prima porzione 13 dell'involucro 10 contenga sostanzialmente solo l'elemento scrivente 20 della penna 1, mentre la seconda porzione 15 contenga il modulo elettronico 40, la batteria 50 e contenga o supporti meccanicamente il sensore di forza 30. Di conseguenza, quando la prima porzione 13 e la seconda porzione 15 dell'involucro 10 sono separate, ? possibile sostituire un elemento scrivente 20, per esempio un refill esaurito, in modo estremamente semplice senza la necessit? di alcuna competenza specifica.
Inoltre, il modulo elettronico 40 ? progettato in modo che la IMU 43 si trovi in una posizione prossimale a una seconda estremit? 19 dell'involucro 10 e distale dalla prima estremit? 11 dell'involucro 10, rispetto alla direzione principale P della penna 1, quando la penna 1 ? assemblata. In altre parole, il sensore di movimento della penna 1 si trova in corrispondenza della seconda estremit? 19 della penna 1.
La penna 1 pu? fare parte di un sistema di analisi della scrittura 100 illustrato schematicamente in Figura 3a. Il sistema 100 comprende la penna 1 e un dispositivo elaboratore 80. Il dispositivo elaboratore 80 ? configurato per ricevere dati dalla penna 1 ed elaborarli, come descritto in maggiore dettaglio nel seguito allo scopo di analizzare la scrittura di un individuo che utilizza la penna 1. A tale scopo, il dispositivo elaboratore 80 comprende un'unit? di comunicazione 81, configurata per ricevere, ma pi? preferibilmente scambiare, dati dal BLE 44 della penna 1, un'unit? di controllo 83, configurata per elaborare i dati ricevuti, una memoria 85 configurata per memorizzare dati ricevuti, dati di elaborazioni e istruzioni di elaborazione, e un'interfaccia utente 87 configurata per fornire informazioni e ricevere istruzioni da un utente. Come sar? evidente alla persona esperta il dispositivo elaboratore 80 pu? essere implementato attraverso un singolo dispositivo elettronico o una rete di dispositivi elettronici distribuita di tipo fisico e/o virtuale. Per esempio, il dispositivo elaboratore 80 pu? comprendere risorse di elaborazione e/o di memorizzazione fornite da uno o pi? data center e/o una o pi? tra risorse di cloud computing ed edge computing.
In una forma di realizzazione alternativa, illustrata schematicamente in Figura 3b, il sistema 101 prevede che la penna 1 si connetta e trasferisca dati a un dispositivo intermedio 90, per esempio uno smartphone, un modem, uno switch, una console, ecc. A sua volta, il dispositivo intermedio ? configurato per stabilire una connessione attraverso una rete di telecomunicazioni I (cablata e/o wireless e/o internet) e trasmette i dati forniti dalla penna 1 al dispositivo elaboratore 80.
In una forma di realizzazione, l'unit? di controllo 41 della penna 1 ? configurata per implementare una procedura 300 di acquisizione e trasmissione dei dati descritta di seguito in relazione al diagramma di flusso di Figura 4.
La procedura 300 prevede di monitorare le misure di movimento mM fornite dalla IMU 43 (blocco 301). Per esempio, le misure di movimento fornite dalla IMU 43 comprendono tre misure di accelerazione lineare lungo assi di riferimento x, y e z ? laddove l'asse z ?, preferibilmente, allineato alla direzione principale P della penna 1 e orientato verso la seconda estremit? 19 dell'involucro 10 ? e tre misure di velocit? angolare riferita ai medesimi assi di riferimento x, y e z. In altre parole, le misure di movimento mM fornite dalla IMU 43 corrispondono a un vettore comprendete tre valori di accelerazione lineare e tre valori di velocit? angolari in funzione del tempo.
Le misure di movimento mM sono analizzate per rilevare un istante di tempo iniziale t0 in cui le misure di movimento superano a un primo valore di soglia th1 (blocco decisionale 303). In particolare, il primo valore di soglia th1 ? indicativo di un passaggio da una condizione stazionaria della penna 1 a una condizione di movimento della stessa. Nella forma di realizzazione preferita, il primo valore di soglia th1 ? un vettore comprendete tre valori di accelerazione lineare e tre valori di velocit? angolari di soglia e il superamento di uno tra tali valori di accelerazione lineare e valori di velocit? angolari di soglia da parte di uno dei corrispondenti valori delle misure di movimento mM ? considerato un superamento del primo valore di soglia th1. Preferibilmente, il primo valore di soglia th1 ? considerato superato quando ? superato da una delle misure di movimento mM per un intervallo di tempo minimo. Per esempio, nel caso della IMU 43 sia implementata da un modulo LSM6DSM la verifica del superamento del primo valore di soglia th1 pu? essere eseguita tramite la funzione di wake-up di tale modulo.
Nel caso non siano rilevate misure di movimento mM maggiori del primo valore di soglia th1 (ramo di uscita N del blocco 303), ? previsto di proseguire il monitoraggio delle misure di movimento mM ? in altre parole, la procedura 300 ? reiterata dal passo descritto in relazione al blocco 301.
Diversamente, quando le misure di movimento mM rilevate sono maggiori del primo valore di soglia th1 (ramo di uscita Y del blocco 303), ? attivata l'unit? BLE 44 al fine di permettere di stabilire un canale di comunicazione con il dispositivo elaboratore 80 entro periodo di tempo di connessione TMax, ossia un intervallo di tempo compreso l'istante di tempo iniziale t0 e un'istante di tempo limite tMax (ossia, TMax = tMax - t0) ? diretto o attraverso il dispositivo aggiuntivo 90 e la rete di comunicazione I ? (blocco 305).
Le misure di movimento mM sono monitorate per conteggiare un numero di misure di movimento mM maggiori del primo valore di soglia th1 entro un intervallo di tempo di conteggio ?tC compreso tra un istante di tempo intermedio tI e l'istante di tempo limite tMax (ossia, ?tC = tMax ? tI, con tI > t0) (blocco 307).
Di seguito ? verificato se ? stato stabilito un canale di comunicazione tra l'unit? BLE e il dispositivo elaboratore 80 entro il periodo di tempo di connessione TMax (blocco decisionale 309).
Nel caso non sia stabilito un canale di comunicazione tra l'unit? BLE e il dispositivo elaboratore 80 entro il periodo di tempo di connessione TMax (ramo di uscita N del blocco 309), ? previsto di verificare se il numero di misure di mM maggiori del primo valore di soglia th1 conteggiate nell'intervallo di tempo di conteggio ?tC supera un secondo valore di soglia th2 ? ossia, un numero N di conteggi predeterminato (blocco decisionale 311). In particolare, il secondo valore di soglia th2 ? indicativo di un utilizzo della penna 1 da parte di un individuo (non illustrato) per scrivere su un supporto F (per esempio, un foglio di carta o un cartoncino).
Nel caso non sia rilevato un numero di misure di movimento mM maggiore del secondo valore di soglia th2 entro l'intervallo di tempo di conteggio ?tC (ramo di uscita N del blocco 311), ? previsto di disattivare l'unit? BLE 44 (blocco 313) al termine del periodo di tempo di connessione TMax e riprendere il monitoraggio delle misure di movimento mM ? in altre parole, la procedura 300 ? reiterata dal passo descritto in relazione al blocco 301.
Al contrario, se ? sia rilevato un numero di misure di movimento mM maggiore del secondo valore di soglia th2 entro l'intervallo di tempo di conteggio ?tC, ma non ? stato stabilito un canale di comunicazione tra l'unit? BLE e il dispositivo elaboratore 80 entro periodo di tempo di connessione TMax (ramo di uscita Y del blocco 309), ? previsto di disattivare l'unit? BLE 44 (blocco 315) e memorizzare le misure di movimento mM fornite dal sensore di movimento 43 e le misure di forza mP fornite dal sensore di forza 30 nella memoria 42 del modulo elettronico 40 (blocco 317). Per esempio nel caso si desiderino individuare tremori nella scrittura, le misure di movimento mM e pressione mP sono campionate con una frequenza uguale a, o maggiore di, 30 Hz preferibilmente uguale a, o maggiore di, 50 Hz, in modo che i dati acquisiti contengano informazioni utili riguardo il tremore ? in quanto, la frequenza pi? elevata associata al tremore ? sostanzialmente pari a 25 Hz. Preferibilmente, le misure di movimento mM e le misure di forza mP sono memorizzate assieme a un'indicazione dell'istante di tempo, per esempio una marca temporale o timestamp ? in cui tali misure sono acquisite.
Le misure di movimento mM fornite dal sensore di movimento 43 sono monitorate per individuare un annullamento di una o pi?, preferibilmente tutte, le misure di movimento mM fornite dal sensore di movimento 43 (blocco decisionale 319). In altre parole, ? verificato quando una o pi? delle misure di movimento mM sono pari a zero, evento indicativo del termine o interruzione di un'operazione di scrittura da parte dell'individuo esaminato.
In caso negativo (ramo di uscita N del blocco 319), ? previsto di proseguire la memorizzazione misure di movimento mM fornite dal sensore di movimento 43 e le misure di forza mP fornite dal sensore di forza 30 reiterando la procedura 300 dal precedente blocco 317.
In caso sia rilevato annullamento di una o pi?, preferibilmente tutte, le misure di movimento mM (ramo di uscita Y del blocco 319), ? previsto di interrompere la memorizzazione misure di movimento mM fornite dal sensore di movimento 43 e le misure di forza mP fornite dal sensore di forza 30 (blocco 321) e di riattivare l'unit? BLE 44 per un nuovo periodo di tempo di comunicazione TMax, al fine di rendere disponibili le misure di movimento mM e le misure di forza mP memorizzate nell'unit? di memoria 42 al dispositivo elaboratore 80 (blocco 323).
Di seguito, ? monitorata l'attivit? dell'unit? BLE 44 per verificare la presenza di un canale di comunicazione tra l'unit? BLE 44 e il dispositivo elaboratore 80 entro il periodo di tempo di comunicazione TMax (blocco decisionale 325).
Nel caso non sia stabilito un canale di comunicazione tra l'unit? BLE 44 e il dispositivo elaboratore 80 (ramo di uscita N del blocco 325), l'unit? BLE 44 ? spenta nuovamente per un periodo di attesa ? (blocco 327) prima che sia riattivata per permettere di stabilire un canale di comunicazione con il dispositivo elaboratore 80 reiterando la procedura 300 da quanto descritto in relazione al blocco 323.
Quando ? stabilito il canale di comunicazione tra l'unit? BLE 44 e il dispositivo elaboratore 80 (ramo di uscita Y del blocco 325) ? prevista la trasmissione delle misure di movimento mM e delle misure di forza mP memorizzate nell'unit? di memoria 42 al dispositivo elaboratore 80 (blocco 329). Al termine della trasmissione, ?, preferibilmente, previsto di eseguire una formattazione ? di alto livello o basso livello ? dell?unit? di memoria 42 (blocco 331). Successivamente, la procedura 300 prosegue come descritto sopra in relazione al blocco 313.
In caso il canale di comunicazione tra l'unit? BLE 44 e il dispositivo elaboratore 80 sia stabilito entro il periodo di tempo di connessione TMax (ramo di uscita Y del blocco 309), ? previsto di trasmettere direttamente al dispositivo remoto 80 le misure di movimento mM fornite dal sensore di movimento 43 e le misure di forza mP fornite dal sensore di forza 30 (blocco 333). In altre parole l'unit? BLE 44 rende disponibili le misure di movimento mM fornite dal sensore di movimento 43 e le misure di forza mP fornite dal sensore di forza 30 al dispositivo elaboratore 80, come uno streaming di dati. Anche in questo caso, preferibilmente, le misure di movimento mM e pressione mP sono campionate prima della trasmissione con una frequenza uguale a, o maggiore di, 30 Hz, ancor pi? preferibilmente uguale a, o maggiore di, 50 Hz, allo scopo di individuare tremori nella scrittura. Preferibilmente, le misure di movimento mM e le misure di forza mP sono rese disponibili assieme al timestamp, indicativo dell'istante di tempo in cui tali misure sono acquisite.
Successivamente, ? previsto di monitorare il canale di comunicazione per identificarne un'interruzione, in particolare, ad opera del dispositivo elaboratore 80 (blocco decisionale 335). Nel caso non sia rilevata un'interruzione del canale di comunicazione (ramo di uscita N del blocco 335), ? previsto di proseguire la trasmissione delle misure di movimento mM e delle misure di forza mP sostanzialmente in tempo reale come descritto in relazione al precedente blocco 333.
Diversamente, nel caso non sia rilevata un'interruzione del canale di comunicazione (ramo di uscita Y del blocco 335), ? previsto di disattivare l'unit? BLE 44 reiterando la procedura 300 a partire da quanto descritto in riferimento al blocco 313.
Grazie alla procedura 300 la penna 1 ? in grado di fornire una elevata quantit? di dati relativi alla scrittura dell'individuo esaminato al dispositivo elaboratore 80, sostanzialmente ogniqualvolta la penna 1 ? utilizzata dall'individuo in possesso della penna 1, senza che vi sia necessit? di supervisione da un operatore specializzato. Questo permette di acquisire dati relativi alla scrittura dell'individuo per periodi temporali lunghi, quindi permettendo un'analisi accurata della scrittura dell'individuo esaminato e/o identificare con maggiore precisioni variazioni nello stile di scrittura dell'individuo esaminato, per esempio indicative di una patologia neurodegenerativa.
Nelle forme di realizzazione della presente invenzione il dispositivo elaboratore 80 ? configurato per eseguire una pluralit? di procedure di elaborazione sui dati forniti dalla penna 1.
Una prima procedura 400 permette di distinguere singoli movimenti continui, indicati come stroke nel gergo, separati da interruzioni di movimento eseguiti dall'individuo esaminato durante la scrittura o il disegno. In particolare, uno stroke sk ? definito come un insieme di misure di movimento mM e pressione mP acquisite in un intervallo di tempo di stroke ?ts durante il quale la misura di forza mP non ? nulla preceduto e seguito da istanti di tempo in cui la misura di forza mP ? nulla o al di sotto di un valore limite inferiore ? in altre parole, l'intervallo di tempo di stroke ?ts ? un intervallo di tempo in cui ? esercitata una forza sull'elemento scrivente 20 della penna 1 avente almeno una componente allineata alla direzione principale P e diretta verso l'estremit? scrivente 21 dell'elemento scrivente 20.
La procedura 400 (di cui un diagramma di flusso ? illustrato in Figura 5) inizialmente prevede di determinare un disturbo statico, o offset, sulla misura di forza mP durante la scrittura (blocco 401). Per esempio, l'offset di disturbo ? definito come la moda del filtro mediano calcolato su un numero predeterminato di campioni della misura di forza mP, per esempio 50 campioni, di un insieme di misure di forza mP iniziale fornito dal sensore di forza 30 ? o analogamente, l'offset pu? essere valutato su un insieme di misure acquisite durante un periodo di tempo di offset.
Tale offset ? quindi sottratto dalle misure di forza mP fornite dal sensore di forza 30 (blocco 403). In particolare, ? possibile rimuovere l'offset dalle medesime misure di forza mP utilizzate per determinare l'offset.
Successivamente, le misure di forza mP fornite dal sensore di forza 30 sono elaborate per rimuovere variazioni lente, deviazioni dovute a errori di misura e rumore casuale, indicati nel loro complesso anche come baseline (blocco 405). Nell'esempio considerato, le misure di forza ricevute dalla penna 1 e private dell?offset sono fornite in ingresso a un algoritmo di stima e rimozione della baseline e del rumore che, preferibilmente, utilizza il concetto di sparsit?. Per esempio, il dispositivo elaboratore implementa una versione adattata dell'algoritmo BEADS di Matlab? descritto anche in Xiaoran Ning, Ivan W.
Selesnick, Laurent Duval: "Chromatogram baseline estimation and denoising using sparsity (BEADS)", Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, December 2014.
I valori delle misure di forza mP cos? trattate inferiori a un valore di soglia minimo ? per esempio, determinato in una fase di calibrazione dello strumento ? sono portati a zero (blocco 407).
Ogni insieme di misure di forza mP consecutive nel tempo non nulle ? identificata come un corrispondente stroke sk (come mostrato nell'esempio di Figura 6) eseguito dall'individuo esaminato (blocco 409).
Preferibilmente, ? previsto di associare tra loro le misure di forza e di movimento acquisite durante l'esecuzione di un medesimo stroke sk memorizzate nella memoria 85 del dispositivo elaboratore 80 (blocco 411). In altre parole, le misure acquisite dai sensori 30 e 43 fornite dalla penna 1 raggruppate in basse agli stroke sk identificati nella memoria 85 del dispositivo elaboratore 80.
Diversamente, una seconda procedura 500 permette di stimare un'inclinazione della penna 1 durante il suo utilizzo.
La seconda procedura 500 (come illustrato nel diagramma di flusso di Figura 7) prevede di verificare se la penna ? in una condizione di utilizzo statico o semistatico, oppure in una condizione di utilizzo dinamico (blocco decisionale 501). Per esempio, la condizione di utilizzo ? discriminata in base ai valori delle misure di movimento mM fornite dalla IMU 43, in particolare, la penna 1 ? considerata in una condizione di utilizzo statico o semi-statico quando uno o pi? valori delle misure di movimento mM variano con una frequenza inferiore a un valore di frequenza di soglia, diversamente la penna 1 ? considerata in una condizione di utilizzo dinamico quando uno o pi? valori delle misure di movimento mM variano con una frequenza superiore al valore di frequenza di soglia.
Nel caso sia identificata una condizione di utilizzo dinamica (ramo di uscita D del blocco 501), ? previsto di combinare le misure di accelerazione lineare e di velocit? angolare fornite dalla IMU 43 per identificare un tasso di variazione, ossia una velocit? angolare ?<?>, in funzione del tempo dell'angolo di inclinazione ? della penna 1 rispetto all'orizzontale o alla normale al supporto su cui ? eseguita la scrittura.
In particolare, la procedura 500 prevede di calcolare una prima velocit? angolare di inclinazione attraverso le misure della velocit? angolare contenute nelle misure di movimento mM fornite dalla IMU 43 (blocco 503) ? in particolare, per mezzo le misure della velocit? angolare rispetto agli assi x e y. Analogamente, ? previsto di calcolare una seconda velocit? angolare di inclinazione attraverso le misure di accelerazione lineare contenute nelle misure di movimento mM fornite dalla IMU 43 (blocco 505) e quindi determinare l'angolo di inclinazione
(blocco 507). Di conseguenza, ? calcolata una velocit? angolare di inclinazione corretto ?<? >della penna 1 secondo la formula:
(1)
dove k1 ? un parametro costante compreso tra 1,2 e 1,7, preferibilmente pari a 1,5, e k2 ? un parametro costante compreso tra 0,3 e 0,6, preferibilmente pari a 0,4 (blocco 509).
Opzionalmente, a partire dalla velocit? angolare di inclinazione complessiva ?<? >? calcolato il valore dell'angolo di inclinazione ? in funzione del tempo (blocco 511).
Infine, la velocit? angolare di inclinazione complessiva e i valori dell'angolo di inclinazione se calcolato ? ? memorizzata nella memoria 85 del dispositivo elaboratore 80 ed ? associata alle corrispondenti misure di movimento mM e di pressione mP fornite dalla IMU 43 della penna 1 (blocco 513).
Diversamente, se ? verificata una condizione di utilizzo statico o semi-statico (ramo di uscita S del blocco 501), ? previsto di utilizzare la misura dell'accelerometro allineato all'asse z compresa nelle misure di movimento mM per calcolare l'angolo di inclinazione della penna 1 attraverso la seguente formula:
(2)
dove az ? la misura fornita dall'accelerometro allineato all'asse z e g ? l'accelerazione di gravit? (blocco 515).
Opzionalmente, la formula (2) pu? essere sostituita dalla seguente un'approssimazione lineare per piccoli angoli:
(3) con k = 1.
Una terza procedura 600 eseguita dal dispositivo elaboratore 80 permette di identificare i simboli tracciati dall'individuo sotto esame.
In dettaglio, la procedura 600 prevede di implementare una rete neuronale addestrata a riconoscere uno o pi? simboli tracciati dall'individuo per mezzo della penna 1.
Inizialmente, la procedura 600 (come illustrato nel diagramma di flusso di Figura 8) prevede di raccogliere le misure fornite dal sensore di forza 30 e dalla IMU 43 della penna 1 in una pluralit? di serie temporali x(t) di misure da analizzare (blocco 601). Preferibilmente, ciascuna serie temporale ? definita come:
(2)
Dove f(t) rappresenta l'andamento in funzione del tempo della pressione ottenuta dalle misure di forza mP fornite dal sensore di forza 30 della penna 1 e ?<(>?<) >rappresenta l'andamento in funzione del tempo dell'angolo di inclinazione della penna 1 ottenuta dalle misure di movimento mM fornite dalla IMU 43.
Per esempio, ciascuna serie temporale x(t) corrisponde a uno stroke sk identificato tramite la procedura 400 sopra descritta.
Ciascuna serie temporale x(t) ? fornita in ingresso alla rete neuronale, preferibilmente di tipo ricorsivo, la quale la identifica sulla base di un confronto con una pluralit? di sequenze di addestramento precedentemente acquisite, un simbolo sy corrispondente a, o che comprende, lo stroke sk analizzato (blocco 603).
In una forma di realizzazione, l'addestramento prevede di acquisire una pluralit? di sequenze di addestramento xa(t) per ciascun simbolo da riconoscere, facendo tracciare tale simbolo da una pluralit? di soggetti campione. Preferibilmente, ciascuna sequenza di addestramento xa(t) ha una medesima durata, per esempio pari a 1,2 s ? ossia, comprende 60 campioni di misura con frequenza di campionamento a 50 Hz sopra menzionata, laddove ? previsto di applicare una strategia di zero-padding per raggiungere 60 campioni in caso di sequenze di addestramento con un numero di campioni inferiori. Per esempio, la rete neuronale implementata dal dispositivo remoto 80 ? basata su quanto descritto in K. Greff, R. K. Srivastava, J. Koutn?k, B. R. Steunebrink and J. Schmidhuber: "LSTM: A Search Space Odyssey", IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, vol. 28, no. 10, pp. 2222-2232, Oct. 2017 e addestrata in modo analogo a quanto descritto in Akhundov, Adnan & Trautmann, Dietrich & Groh, Georg: "Sequence Labeling: A Practical Approach", 2018, arXiv:1808.03926.
Infine, il risultato dell'analisi della rete neuronale, ossia un'indicazione relativa al simbolo sy identificato e, preferibilmente, un valore di confidenza di tale identificazione sono memorizzati nella memoria 85 associati al corrispondente stroke sk (blocco 605).
Come sar? evidente alla persona esperta da quanto sopra indicato, il dispositivo elaboratore 80 pu? essere configurato per memorizzare le misure fornite dalla penna 1 e i risultati dell'esecuzione delle procedure 400 ? 600 sopra descritte in modo organizzato. Vantaggiosamente, come illustrato schematicamente in Figura 9 i dati relativi alla scrittura ottenuti ? ossia misurati o elaborati ? in relazione a un medesimo periodo di tempo di scrittura sono identificati come parte di un medesimo flusso di scrittura Wm. Inoltre, le misure di movimento mM, le misure di forza mP, il timestamp associato alle misure, la velocit? angolare di inclinazione ?<? >? e l'angolo di inclinazione ?, se calcolato ?, il simbolo sy identificato ? e il relativo valore di confidenza se calcolato - relativi a un medesimo stroke s sono raggruppati in un insieme di dati di stroke S. Inoltre, almeno nel caso di un flusso di scrittura Wm acquisito attraverso una trasmissione diretta, il flusso di scrittura Wm comprende un insieme di dati "in-air" O ossia associati a un istante in cui l'individuo allontana la penna 1 da supporto F tra uno stroke s e il successivo. Anche l'insieme di dati in-air O comprende misure di movimento mM, mentre le misure di forza mP sono nulle essendo la penna 1 separata dal supporto F, il timestamp tp associato alle misure, la velocit? angolare di inclinazione ?<? >? e l'angolo di inclinazione ?, se calcolato ? relativi a un medesimo periodo di tempo tra stroke s consecutivi. Pertanto, la memoria comprender? una pluralit? di flussi di scrittura W1-M (con M intero naturale) indicativi di differenti operazioni di scrittura eseguite dall'individuo durante corrispondenti periodi di tempo. Ciascun, flusso di scrittura Wm (con m compreso tra 1 e M) comprende una pluralit? di insiemi di dati di stroke S1-N, dove con N ? un intero naturale corrispondente al numero di stroke s individuati durante il flusso di scrittura Wm intervallati da insiemi di dati in-air O1-L, dove con L ? un intero naturale corrispondente al numero di periodi di tempo in cui la misura di forza mP si annulla tra uno stroke e il consecutivo.
Inoltre, il dispositivo elaboratore 80 ? configurato per eseguire una procedura 700 di analisi della scrittura dell'individuo, al fine di individuare variazioni nella capacit? di scrittura dell'individuo esaminato, per esempio, una compromissione della capacit? di scrittura dovuta all'insorgere di una patologia neurodegenerativa.
La procedura 700 prevede di confrontare una o pi? dei dati memorizzati negli insiemi di dati di stroke Sn dei differenti flussi di scrittura Wm memorizzati dal dispositivo elaboratore 80 e fornire indicazioni su variazioni nell'esecuzione della scrittura da parte dell'individuo esaminato.
In una forma di realizzazione, la procedura 700 (come illustrato nel diagramma di flusso di Figura 10) prevede di identificare stroke sk simili appartenenti a una pluralit? di differenti flussi Wm di scrittura, acquisiti quindi in istanti temporali differenti (blocco 701). Per esempio, la procedura 700 prevede di identificare stroke sk appartenenti a flussi di scrittura Wm differenti, associati a un medesimo simbolo identificato tramite la procedura 600.
Successivamente, ? previsto di analizzare gli insiemi di dati di stroke Sn corrispondenti tale pluralit? di stroke sk identificati per identificare variazioni significative tra flussi di scrittura Wm successivi nel tempo (blocco 703). In altre parole, sono individuate variazioni nello stile di scrittura di un medesimo simbolo da parte dell'individuo esaminato al trascorrere del tempo. Per esempio, sono applicati algoritmi che prevedono di determinare correlazione, varianza e/o altre informazioni statistiche da confronto degli insiemi di dati di stroke Sn in grado di permettere di evidenziare una modifica della capacit? di scrittura dell'individuo. In aggiunta o in alternativa, ? prevista una rete neuronale addestrata a identificare variazioni progressive nella sequenza insiemi di dati di stroke Sn analizzati.
Infine, ? generato un report indicativo del tipo di variazione identificata, il quale ? fornito ad un utente del dispositivo elaboratore 80 attraverso l'interfaccia utente 87 (blocco 705).
? tuttavia chiaro che gli esempi sopra riportati non devono essere interpretati in senso limitativo e l?invenzione cos? concepita ? suscettibile di numerose modifiche e varianti.
Ad esempio, i sensori possono avere un posizionamento differente all'interno della penna. In particolare, sebbene il sensore di movimento ?, preferibilmente, alloggiato in una posizione avente una distanza minore dalla seconda estremit? dell'involucro rispetto a una distanza dalla prima estremit? dello stesso, nulla vieta che in altre forme di realizzazione il sensore di movimento sia situato in prossimit? dell'estremit? scrivente dell'elemento di scrittura, il refill nell'esempio sopra considerato.
Per esempio, sebbene la forma di realizzazione sopra descritta faccia riferimento a una penna a sfera ? evidente che in altre forme di realizzazione lo strumento di scrittura pu? essere differente, come una matita infinita, una matita di tipo 'popa-point', un pennarello, ecc.
Inoltre, forme di realizzazione alternative (non illustrate), possono prevedere un elemento di spinta ? per esempio una molla ? adatto a spingere l'elemento scrivente ? il refill o una mina di matita ? verso l'esterno lungo la direzione principale dello strumento di scrittura. In tale caso, l'unit? di controllo a bordo dello strumento di scrittura o il dispositivo elaboratore sono configurati per compensare la componente di forza impressa da tale elemento di spinta.
Nulla vieta di utilizzare un elemento differente da una IMU per determinare il movimento dello strumento di scrittura. Per esempio, il sensore di movimento, pu? comprendere per esempio, uno o pi? tra sensori di accelerazione lineare, sensori di velocit? angolare, giroscopi, un magnetometro, ecc., vantaggiosamente, disposti in prossimit? dell'estremit? dell'involucro opposta all'estremit? da cui sporge l'elemento scrivente. In generale, il sensore di movimento di uno strumento di scrittura secondo la presente invenzione fornisce un'indicazione relativa al movimento dello strumento di scrittura in uno spazio tridimensionale.
Allo stesso modo, la pressione applicata dall'individuo durante la scrittura pu? essere rilevata tramite un sensore di forza differente da una cella di carico, come sensore resistivo, un sensore capacitivo o un altro sensore analogo.
Ancora, nulla vieta che il sistema comprenda pi? strumenti di scrittura secondo la presente invenzione, configurati per connettersi e trasmettere dati al medesimo dispositivo elaboratore. A sua volta, il dispositivo elaboratore ? configurato elaborare separatamente i flussi di scrittura forniti da ciascuno strumento di scrittura.
In aggiunta o in alternativa, il dispositivo elaboratore pu? essere configurato per utilizzare le misure fornite dagli strumenti di scrittura associati per generare nuovi dataset di addestramento per le reti neuronali in uso.
Inoltre, nulla vieta che il dispositivo elaboratore implementi una o pi? procedure di aggiornamento o di correzione le quali prevedano di trasmettere istruzioni di configurazione allo strumento di scrittura per modificarne il funzionamento.
Come sar? evidente al tecnico del settore, uno o pi? passi della procedura 300 sopra descritta essere eseguiti in parallelo tra loro ? come i passi relativi ai blocchi 315-319, i passi relativi ai blocchi 321-327, cos? come i passi relativi ai blocchi 329 e 331 ? o con un ordine differente da quello sopra presentato. Analogamente, uno o pi? passi opzionali possono essere aggiunti o rimossi da uno o pi? delle procedure sopra descritte.
Inoltre, sar? evidente che l'attivazione del canale di trasmissione e/o la sua sospensione possono essere controllate dal dispositivo elaboratore e/o dall'unit? di controllo della penna.
Secondo una forma di realizzazione alternativa (non illustrata) l'unit? di controllo della penna ? configurata per implementare una procedura di acquisizione delle misure alternativa, la quale prevede di:
- monitorare le misure fornite dal sensore di movimento, e
- attivare l'unit? di comunicazione quando ? rilevata una misura superiore al primo valore di soglia di trasmissione;
- in serie o in parallelo, memorizzare le misure fornite dalla pluralit? di sensori, quando ? rilevato un numero maggiore del secondo valore di soglia di misure di movimento che superano il primo valore di soglia, e
in cui l'unit? di comunicazione ? configurata per:
- trasmettere almeno parte delle misure memorizzate quando ? stabilit? una connessione con il dispositivo remoto.
In un'altra forma di realizzazione, la penna non prevede un'unit? di memoria e, di conseguenza l'unit? di controllo ? configurata per:
l'unit? di controllo ? configurata per:
- monitorare le misure fornite dal sensore di movimento, e
- attivare l'unit? di comunicazione quando ? rilevata una misura di movimento superiore a un valore di soglia;
- conteggiare un numero di misure di movimento che superano detto primo valore di soglia entro un intervallo di tempo di conteggio, preferibilmente compreso tra un'istante di tempo in cui ? attivata l'unit? di comunicazione e un istante di tempo massimo, e
- quando ? stabilita una connessione al dispositivo remoto prima che il tempo di connessione raggiunga l'istante di tempo massimo, l'unit? di comunicazione ? configurata per trasmettere le misure fornite dalla pluralit? di sensori se il numero di misure di movimento conteggiate entro detto intervallo di tempo di conteggio supera un secondo valore di soglia.
In aggiunta o in alternativa, la trasmissione dei dati memorizzati nell'unit? di memoria pu? essere eseguita solo una volta identificato una predeterminata condizione.
Per esempio, in una forma di realizzazione, le misure memorizzate nell'unit? di memoria sono rese disponibili all'elaboratore remoto solo quando ? rilevato che la penna ? collegata a una sorgente di alimentazione per la ricarica della batteria. Ancora, nulla vieta che il dispositivo elaboratore sia configurato per trasmettere una richiesta di rendere disponibili eventuali dati memorizzati nell'unit? di memoria della penna quando ? stabilito un canale di comunicazione.
In aggiunta o in alternativa, nulla vieta ? in una procedura alternativa (non illustrata) ? di prevedere che la penna possa sospendere o interrompere il canale di comunicazione con il dispositivo elaboratore in risposta al rilevamento di un evento predeterminato. Per esempio, l'unit? di controllo della penna pu? essere configurata per disattivare l'unit? BLE quando ? rilevato un annullamento di una o pi?, preferibilmente tutte, le misure di movimento per un periodo di tempo di inattivit? predeterminato.
In forme di realizzazione alternative, l'algoritmo di eliminazione della baseline usato nella procedura 400 pu? essere definito adattando gli insegnamenti contenuti in Barkauskas, Donald A, and David M Rocke. ?A general-purpose baseline estimation algorithm for spectroscopic data? Analytica chimica acta, 2010, vol. 657,2 pagg. 191-7, in Vincent Mazet "Background correction" (https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/27429-background-correction), MATLAB Central File Exchange, Retrieved March 26, 2020, oppure in Zhang, Zhimin & Chen, Shan & Liang, Yi-Zeng; "Baseline correction using adaptive iteratively reweighted penalized least squares" The Analyst, 2010, Vol.135, pagg. 1138-46.
Ancora nulla vieta di configurare la procedura 600 per analizzare serie temporali costituite da un insieme di stroke consecutivi e, eventualmente, periodi on-air, anzich? un singolo stroke. In particolare, le serie temporali possono corrispondere a un simbolo o a un'intera parola.
Sar? evidente al tecnico del settore come una singola, o una combinazione di due o pi?, delle procedure 400 ? 700 sopra presentate formano un metodo per l'analisi della scrittura di un individuo esaminato. In aggiunta, uno o pi? passi della medesima procedura o di differenti procedure possono essere eseguite in parallelo tra loro o con un ordine differente da quello sopra presentato. Analogamente, uno o pi? passi opzionali possono essere aggiunti o rimossi da uno o pi? delle procedure sopra descritte.
Ancora, il sistema 1 pu? essere configurato per eseguire una procedura di analisi dei flussi di scrittura W in cui i dati memorizzati sono analizzati nel loro complesso per individuare un sintomo di una patologia neurodegenerativa a prescindere dallo specifico simbolo o stroke tracciato. Per esempio, la procedura di analisi ? configurata per estrarre indicatori di tremore ? per esempio frequenza, ampiezza, entropia, ecc. della scrittura ? e monitorarli nel tempo, permettendo di identificare l'insorgere di un tremore, anche a prescindere dall'identificazione di fenomeni di micrografia nei flussi di scrittura prodotti dall'individuo esaminato per mezzo dello strumento di scrittura.
Naturalmente, tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.
Ad esempio, sebbene nella descrizione sopra riportata si sia fatto sempre riferimento alla scrittura nulla vieta di utilizzare la penna e il sistema secondo le forme della presente invenzione per monitorare ed analizzare un'operazione di disegno eseguita dall'individuo per mezzo dello strumento di scrittura.
Inoltre, sebbene lo strumento di scrittura e il sistema secondo la presente invenzione siano particolarmente adatti per un monitoraggio e un'analisi della scrittura trasparente all'utente, nulla vieta un utilizzo degli stessi per l'esecuzione di test controllati.
In aggiunta, nulla vieta di utilizzare lo strumento di scrittura e/o l'intero sistema secondo le forme di realizzazione della presente invenzione come interfaccia utente per l'esecuzione di compiti interattivi non necessariamente collegati all'analisi della scrittura, come per esempio per lo svolgimento di cosiddetti exergames o serious game che prevedano compiti di scrittura e/o disegno.
In conclusione, i materiali impiegati, nonch? le forme e le dimensioni contingenti dei dispositivi, apparati e terminali sopra menzionati potranno essere qualsiasi secondo le specifiche esigenze implementative senza per questo uscire dall?ambito di protezione delle seguenti rivendicazioni. Per esempio, l'involucro dello strumento di scrittura pu? essere realizzato in metallo, in un materiale plastico o naturale.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Strumento (1) di scrittura comprendente: - un elemento scrivente (20); - una pluralit? di sensori comprendente almeno: - un sensore di forza (30) configurato per misurare una forza applicata a detto elemento scrivente (20), e - un sensore di movimento (43) configurato per misurare movimento dello strumento (1) in uno spazio tridimensionale; - un'unit? di comunicazione (44) configurata per trasmettere dette misure a un dispositivo remoto; - un'unit? di controllo (41) connessa alla pluralit? di sensori e all'unit? di comunicazione (44) e configurata per controllare detta pluralit? di sensori e detta unit? di comunicazione (44), e - un involucro (10) cavo, caratterizzato dal fatto che detto elemento scrivente comprende un'estremit? di scrittura (21) configurata per depositare materiale su un supporto, e dal fatto che detto involucro ? configurato per contenere: - parzialmente detto elemento scrivente (20), in modo da lasciare esposta l'estremit? di scrittura (21) dell'elemento scrivente (20) attraverso una prima estremit? (11) dell'involucro (10); - completamente detta pluralit? si sensori, l'unit? di controllo (41), l'unit? di memoria (42) e l'unit? di comunicazione (44).
- 2. Strumento (1) secondo la rivendicazione 1, in cui il sensore di movimento (43) ? alloggiato in una posizione avente una distanza minore da una seconda estremit? (19) di detto involucro (10) rispetto a una distanza dalla prima estremit? (11) dello stesso, detta seconda estremit? (19) dell'involucro (10) essendo opposta alla prima estremit? (11) dello stesso.
- 3. Strumento (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il sensore di movimento (43) comprende ameno uno tra: - un sensore di accelerazione lineare configurato per fornire una misura di un'accelerazione dello strumento (1) lungo una direzione predeterminata; - un sensore di velocit? angolare configurato per misurare una velocit? di rotazione dello strumento (1) in un piano predeterminato, e - un magnetometro.
- 4. Strumento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ulteriormente comprendente: - un'unit? di memoria (42) connessa all'unit? di controllo (41) e configurata per memorizzare una o pi? di dette misure, e in cui l'unit? di controllo (41) ? configurata per: - monitorare (301) le misure fornite dal sensore di movimento (43), e - attivare (305) l'unit? di comunicazione (44) quando ? rilevata una misura superiore a un primo valore di soglia; - conteggiare (307) un numero di misure di movimento che superano detto primo valore di soglia entro un intervallo di tempo di conteggio, e - quando ? stabilita una connessione al dispositivo remoto prima che il tempo di connessione raggiunga un tempo massimo, l'unit? di comunicazione (44) ? configurata trasmettere (333) le misure fornite dalla pluralit? di sensori, o - quando il tempo di connessione raggiunge un tempo massimo senza che sia stabilita una connessione al dispositivo remoto e il numero di misure di movimento conteggiate entro detto intervallo di tempo di conteggio supera un secondo valore di soglia, memorizzare (317) le misure fornite dalla pluralit? di sensori nell'unit? di memoria (42).
- 5. Strumento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti da 1 a 3, in cui l'unit? di controllo (41) ? configurata per: - monitorare le misure fornite dal sensore di movimento (43), e - attivare l'unit? di comunicazione (42) quando ? rilevata una misura di movimento superiore a un valore di soglia, e - quando ? stabilita una connessione al dispositivo remoto prima che il tempo di connessione raggiunga l'istante di tempo massimo, l'unit? di comunicazione (44) ? configurata per trasmettere le misure fornite dalla pluralit? di sensori (30, 43).
- 6. Strumento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'involucro (10) comprende una prima porzione (13) e una seconda porzione (15) separabili, la prima porzione (13) e la seconda porzione (15) comprendendo corrispondenti aperture di accoppiamento (17, 18) trasversali a una direzione principale dell'involucro (10), laddove la prima porzione (13) ? configurata per alloggiare detto elemento scrivente (20), mentre la seconda porzione (15) ? configurata per alloggiare la pluralit? di sensori, l'unit? di controllo (41), l'unit? di memoria (42) e l'unit? di comunicazione (44).
- 7. Strumento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elemento scrivente (20) ? selezionato tra: - un refill per penna a inchiostro; - un'anima di una matita infinita; - una mina di una matita 'pop-a-point', e - un bastoncino in materiale poroso imbevuto di inchiostro.
- 8. Sistema (100) di monitoraggio e analisi della scrittura comprendente uno strumento di scrittura (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e un dispositivo elaboratore (80), detto dispositivo elaboratore (80) comprendendo a sua volta: - un modulo di comunicazione (81) configurato per scambiare dati con l'unit? di comunicazione (44) dello strumento di scrittura (1), e - un modulo di elaborazione (83) configurato per elaborare i dati forniti dallo strumento di scrittura (1) e fornire un'indicazione relativa ad almeno un simbolo vergato con lo strumento di scrittura (1).
- 9. Metodo (400, 500, 600, 700) di analisi della scrittura, implementato dal sistema (100) secondo la rivendicazione 8, comprendente i passi di: - determinare (401) un disturbo statico nelle misure di forza fornite dal sensore di forza (30) della pluralit? di sensori dello strumento di scrittura (1); - sottrarre (403) detto disturbo statico dalle misure di forza fornite dal sensore di forza (30); - elaborare (405) le misure di forza fornite dal sensore di forza (30) per mezzo di un algoritmo di stima e rimozione della baseline; - convertire (407) in un valore nullo, ciascun valore di misura inferiore a un valore di soglia, e - identificare (409) una successione di misure di forza differenti da zero come un singolo movimento continuo di scrittura eseguito attraverso lo strumento di scrittura (1).
- 10. Metodo (400, 500, 600, 700) secondo la rivendicazione 9, ulteriormente comprendente i passi di: - determinare (501) una frequenza di variazione delle misure di movimento fornite dal sensore di movimento (43), e quando detta frequenza di variazione ? superiore a un valore di soglia: - calcolare (503) una velocit? angolare di inclinazione dello strumento di scrittura (1) sulla base di misure della velocit? angolare comprese nelle misure di movimento fornite dal sensore di movimento (43); - calcolare (505) una ulteriore velocit? angolare di inclinazione dello strumento di scrittura (1) sulla base di misure di accelerazione lineare comprese nelle misure di movimento fornite dal sensore di movimento (43), e - calcolare (509) una velocit? angolare di inclinazione corretta dello strumento di scrittura (1) come:dove ? la velocit? angolare di inclinazione determinata sulla base delle misure di velocit? angolari, ? l'angolo di inclinazione determinato sulla base dell'ulteriore velocit? angolare di inclinazione dello strumento di scrittura sulla base di misure di accelerazione lineare, k1 ? un parametro costante compreso tra 1,2 e 1,7, preferibilmente pari a 1,5, e k2 ? un parametro costante compreso tra 0,3 e 0,6, preferibilmente pari a 0,4, e quando detta frequenza di variazione ? inferiore a un valore di soglia: - calcolare l'angolo di inclinazione dello strumento di scrittura (1) come:dove az ? una misura di accelerazione misura allineata a una direzione principale dello strumento di scrittura (1) e g ? l'accelerazione di gravit?.
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