• materiali piezoresistivi flessibili
• elettropalatografo

L’elettropalatografia (EPG) è una tecnica di indagine che si basa sull’utilizzo di un palato artificiale ortodontico contenente una serie di elettrodi: quando si verifica il contatto tra la superficie della lingua e un qualsiasi elettrodo, segnali elettrici vengono inviati ad un elaboratore esterno. Ciò permette di ottenere un’immagine, il palatogramma, che fornisce una visualizzazione del contatto-non contatto della lingua su ogni elettrodo posto sul palato. Negli ultimi 50 anni l’elettropalatografia si è consolidata come tecnica di successo nella ricerca, nella terapia e nella riabilitazione di vari tipi di patologie: dai disturbi del linguaggio ai disturbi neurologici, dalla sindrome di Down alla palatoschisi, come pure i disturbi dell’udito, la glossectomia e la disfagia. Dal 1960 sono stati realizzati diversi sistemi EPG che si differenziano soprattutto per la realizzazione, la forma, il numero e la disposizione degli elettrodi. Il sistema maggiormente utilizzato oggi per l’attività clinica è il Reading System (Rose Medical Solutions Ldt, UK), composto da una mascherina acrilica, realizzata a partire dall’impronta presa sull’arcata superiore del paziente, su cui sono disposti 62 elettrodi in argento in corrispondenza di altrettanti landmarks anatomici. Il limite principale di questo sistema è il fatto di consentire solo l’ottenimento di un segnale on-off che registra il contatto-non contato della lingua su ogni elettrodo, senza quantificare la pressione del contatto stesso.
In ambito di ricerca sono stati realizzati diversi prototipi pressure-sensitive per l’EPG, i quali tuttavia presentano un numero ridotto di unità di sensing rispetto al Reading System e una valutazione della pressione non adeguata all’applicazione in esame (0-30KPa).
La quantificazione della pressione esercitata dalla lingua sul palato apporta un contributo notevole allo stato dell’arte dal punto di vista clinico, trattandosi di una funzionalità innovativa che avvalora lo studio, ma al contempo costituisce un’ottima sfida tecnologica dal punto di vista bio-ingegneristico, in quanto permette di sfruttare le più innovative tecnologie di sensing per la realizzazione di uno smart device capace di adattarsi al palato del paziente.
Su tali basi, in collaborazione con il Laboratorio di Linguistica della Scuola Normale Superiore, lo scopo del seguente lavoro di tesi è stato quello di progettare e realizzare un palato artificiale innovativo, compatibile con le tecniche elettropalatografiche attualmente in uso e con le seguenti caratteristiche:
- una struttura sottile e flessibile, tale da risultare confortevole per il paziente;
- dimensione e numero di unità sensibili compatibili con il Reading System ( 62 unità di sensing con diametro pari a 1.4 mm);
- una sensibilità tale da coprire il range di pressione indagato (0-30 KPa);
- una realizzazione con materiali e processi di produzione a basso costo;
- un sistema di acquisizione, elaborazione e visualizzazione dei dati dedicato (facquisizione≈100 Hz).
La fase preliminare del lavoro ha previsto lo studio delle tecnologie di soft sensing presenti in letteratura, al fine di identificare la scelta tecnologica più idonea rispetto all’idea di progetto. L’attenzione è stata focalizzata su una classe innovativa di materiali, gli smart fabrics, e in particolare su un tessuto piezoresistivo, l’EonTex (Eeonyx Corp., Pinole, CA, US), in grado di variare la propria resistenza trasversa se soggetto ad un carico (Rtrasversa varia da 100 MΩ senza carico a 10 KΩ in caso di applicazione di carichi elevati). Sfruttando tali materiali, è stata realizzata e studiata la singola unità sensibile composta da 3 strati:
- uno strato dielettrico centrale, sottile e flessibile, con un foro di dimensioni compatibili con la singola unità del Reading System (spessore=0.15mm con foro di diametro=1.4mm);
- due strati esterni di tessuto piezoresistivo di tipo EonTex (spessore=0.4mm).
Quando viene applicato un carico, i due strati di tessuto posti sopra e sotto il dielettrico entrano in contatto attraverso il foro e si ha una variazione della resistenza elettrica in relazione alla sollecitazione esercitata: ciò permette di quantificare l’entità del contatto. La singola unità sensibile è stata caratterizzata grazie ad opportune prove eseguite mediante uno specifico setup sperimentale, che ha previsto l’uso di un sistema di testing meccanico Inston (Instron 4464 Testing System, Instron, Illinois Tool Works Inc., Chicago, US), e utilizzando due diversi front-end analogici per l’acquisizione, basati rispettivamente su un circuito partitore e su un circuito invertente. Per entrambi i circuiti, sono state eseguite delle prove statiche sollecitando il sistema con carichi da 0 a 30 KPa con step di 5 KPa; sono state utilizzate due diverse resistenze di guadagno, ed è stato valutato il caso migliore rispetto alle esigenze progettuali. Utilizzando il circuito invertente e un’opportuna resistenza di guadagno da 120 KΩ, sono state poi eseguite delle prove quasi statiche mediante lo stesso setup sperimentale: sono stati eseguiti 10 cicli da 0 a 30 KPa, a 4 diverse velocità di sollecitazione (v=0.5 mm/s, v=1 mm/s, v=2 mm/s, v=3 mm/s) e sono stati valutati i cicli medi per una caratterizzazione completa delle performances della soluzione sensoristica scelta.
Dopo questa prima fase, è stato realizzato il sistema completo: sia la scelta del design che la progettazione del sistema di acquisizione sono stati mirati all’ottenimento di una lettura a scansione di tipo righe-colonne organizzata secondo una struttura di tipo matriciale. Per quanto riguarda il design, a partire dalla struttura di base del Reading System, il sistema è stato suddiviso in due zone: una zona anteriore, che comprende la zona alveolare (LA) e post-alveolare (LPA) del Reading System, e una zona posteriore, che comprende la zona palatale (LP) e velare (LV) del Reading System. Mediante il programma per disegno tecnico Solid Works e stampante laser (UNIVERSAL LASER SYSTEM, Pisa, IT), sono state realizzate le due parti di dielettrico con i 62 fori corrispondenti alle unità sensibili del sistema di partenza. Ancora usando la stampante laser, sono state tagliate delle strisce di tessuto piezoresistivo, le quali sono state cucite con del filo conduttivo verticalmente e orizzontalmente sui due lati del dielettrico in modo da ricreare una struttura di tipo matriciale. Il punto di contatto tra le sezioni di tessuto avviene quindi in corrispondenza di ogni singolo foro, ricreando la struttura di base della singola unità sensibile caratterizzata precedentemente. In particolare, sono stati creati 62 siti di misurazione, disposti in 8 righe e 8 colonne (due siti rimangono vacanti, in accordo con la distribuzione originaria). Le due parti sono state cucite insieme ed ogni filo conduttivo è stato collegato ad un filo di rame: i fili sono stati poi raccolti all’interno di due tubi flessibili, che fuoriescono dalla bocca una volta che il sistema viene indossato.
Il sistema di acquisizione si basa su una lettura matriciale a scansione righe-colonne. In particolare, è stato utilizzato un Arduino Mega per la gestione dell’alimentazione delle righe e della lettura delle colonne, per la comunicazione seriale con il pc, e dei MUX/DEMUX per rendere possibile il processo di scansione (ADG732 32:1, Analog Devices, USA). È stato realizzato, inoltre, un programma Matlab per la gestione, la registrazione e la visualizzazione dei dati (facquisizione =12 Hz).
Il sistema totale è stato caratterizzato mediante opportune prove di sollecitazione, in modo da valutare il comportamento complessivo, e come l’integrazione delle varie parti potesse influire sui parametri calcolati sulla singola unità sensibile. In particolare, le strisce di tessuto subiscono delle cadute di tensione a causa della loro resistenza superficiale; per tale ragione sono state eseguite mediante il già citato setup sperimentale delle prove statiche sulla parte anteriore e posteriore rispettivamente, sollecitando i siti disposti sulla diagonale con carichi da 0 a 30 KPa con step di 5 KPa. In tal modo, sono state ottenute due curve di calibrazione, una per la parte anteriore e una per la parte posteriore, che fittano il comportamento medio delle unità disposte nelle due zone.
Sono stati inoltre eseguiti dei test preliminari di visualizzazione sollecitando la parte anteriore e riscontrando come il sistema riesca a individuare molto bene le singole unità, a valutare i diversi valori di pressione all’interno del range indagato e mostrando una spiccata capacità di multi-touch detection.
Il sistema è stato poi rivestito da una cover in lattice, realizzata utilizzando un film sottile 0.35 mm in LATEX (PROCHIMA®): la cover è fondamentale per isolare le connessioni elettriche dalla saliva e per evitare il contatto della lingua con materiale non biocompatibile. Il sistema finale è stato poi fissato per mezzo di una pasta adesiva per dentiere ad un supporto acrilico, ottenuto a partire dall’impronta in gesso ricavata sull’arcata superiore di un soggetto adulto sano, ottenendo così il prototipo finale (spessore totale 2.7 cm). Questo è stato indossato e poi testato dal medesimo soggetto, permettendo così di valutare con test preliminari la capacità del sistema di rilevare, con idonea risoluzione spaziale, le pressioni esercitate dalla lingua sul palato.
Il prototipo sviluppato con il presente lavoro di tesi è dunque risultato un sistema innovativo e estremamente utile rispetto alle esigenze mediche per cui è stato progettato, che consente di quantificare la pressione esercitata dalla lingua sul palato all’interno del range indagato mediante un adeguato feedback visivo in real time. Il sistema, ottenuto con costi e tempi di realizzazione estremamente ridotti, si è dimostrato essere flessibile e facilmente indossabile e, mantenendo la risoluzione desiderata, permette di rilevare il corretto range di pressione durante l’articolazione della parola. Alla luce di questo, il medesimo sistema necessita di messe a punto per poter essere utilizzato nella pratica clinica: l’ottimizzazione dell’isolamento, la realizzazione di un sistema di comunicazione wireless che eviterebbe l’ingombro dei tubi flessibili che fuoriescono dalla bocca e l’incremento della frequenza di acquisizione, oltre che la realizzazione di un sistema non personalizzato ma adattabile a più classi di soggetti. Il perfezionamento degli studi fatti permetterebbe l’ottenimento di un sistema ad alto potenziale per indagini approfondite e innovative del parlato, sia da un punto di vista di ricerca che di terapia clinica.