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Tesi etd-08162010-203613
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Tipo di tesi Tesi di laurea specialistica
Autore SARTOR, AMBRA
URN etd-08162010-203613
Titolo Progettazione e realizzazione di un giocattolo sensorizzato per la misura delle azioni di presa nei neonati.
Settore scientifico disciplinare INGEGNERIA, FACOLTA'
Corso di studi INGEGNERIA BIOMEDICA
Commissione
Nome Commissario Qualifica
Prof.ssa Cecilia Laschi relatore
Prof. Paolo Dario relatore
Parole chiave
  • paralisi cerebrale infantile
  • emiplegia
  • silicone
  • sensore
  • amplificatore
  • neurosviluppo
  • giocattolo
  • neonato
  • pressione
  • mano
  • sviluppo
  • polimero
  • piezoresistivo
Data inizio appello 2010-09-28
Disponibilità mixed
Data di rilascio2050-09-28
Riassunto analitico
La bioingegneria del neurosviluppo è un’area di ricerca interdisciplinare che estende competenze e concetti propri della bioingegneria alle neuroscienze dell’età evolutiva. Essa infatti mira alla definizione di nuove metodologie ed allo sviluppo di strumenti innovativi per l’analisi quantitativa dello sviluppo motorio e cognitivo del bambino, per il monitoraggio e la modellazione dei suoi comportamenti durante l’età evolutiva nonchè per lo studio di eventuali disordini che possano presentarsi durante tale percorso di crescita.
Il presente lavoro di tesi si inserisce in tale area di ricerca e si pone come obiettivo la progettazione e la realizzazione di un giocattolo meccatronico wireless per la registrazione e la valutazione dei principali pattern di azione, in termini di pressione, durante compiti di grasping del neonato: in particolare, il dispositivo deve consentire di misurare contemporaneamente la pressione esercitata con la mano destra e sinistra in modo tale da confrontare la presa del neonato sui 2 lati. Lo studio si basa sull’ipotesi scientifica che, analizzando lo sviluppo tipico dei bambini, in condizioni di “ecologia” (ovvero in ambienti non strutturati ma familiari per il bambino, contrariamente ai laboratori di analisi tadizionali), sia possibile riconoscere delle “regolarità” che potrebbero essere impiegate per definire standard attraverso cui valutare eventuali condizioni di anormalità del neurosviluppo. Una possibile applicazione di questo paradigma di studio è identificabile nella rilevazione dello sviluppo atipico della funzione manuale per bambini con danno cerebrale precoce, come l’emiplegia. L’emiplegia è un disturbo motorio caratterizzato principalmente da paralisi di natura centrale “unilaterale” e spasticità, a cui spesso si associano disturbi visivi, della sensibilità ed epilessia: questa patologia porta ad un mancato utilizzo dell’arto colpito e, conseguentemente, ogni azione necessita di una compensazione del movimento con tutto il tronco e l’arto controlaterale, la mano resta chiusa a pugno e l’avambraccio è retroflesso. Il quadro clinico conclamato dell’emiplegia congenita non è evidente sin dalla nascita, la spasticità è raramente presente all’inizio, si parla infatti di un intervallo libero nel 90% dei casi fino al quarto-nono mese di vita, periodo in cui non è possibile fare diagnosi precoce della patologia anche se, tramite la valutazione dei General Movements (movimenti spontanei globali dei bambini rilevabili già nel feto da nove settimane in poi) è possibile individuare precocemente i soggetti a rischio. Recenti evidenze di miglioramento nei bambini grazie ad esercizi mirati confermano che il processo di riorganizzazione neurale è fortemente influenzato sin dalla nascita dall’interazione tra output motori residui e feedback somato-sensoriali, con meccanismi che sono in gran parte però sconosciuti. La presenza di un intervallo libero, la mancata possibilità di diagnosi precoce all’interno del primo anno di vita, la conferma che è possibile agire dall’esterno con una terapia mirata per modificare il processo di ri-organizzazione neurale, e la necessità di valutare quanto l’ambiente arricchito con feedback e stimoli sensoriali può aiutare la competitività fra i due lati e vincere l’impoverimento dell’emilato colpito hanno portato a riflettere sull’opportunità di un intervento precoce che possa essere efficace nel modificare la storia naturale della malattia verso un risultato funzionale migliore. Considerate le specifiche cliniche precedentemente indicate, questo lavoro di tesi si è articolato nella progettazione, realizzazione e validazione di un giocattolo sensorizzato wireless in condizioni di “ecologia” al fine di monitorare e valutare l’azione di presa nei neonati con età tra 4 e 9 mesi, nonchè di confrontare la pressione esercitata dai soggetti con la mano destra e sinistra.
In primo luogo, è stato analizzato il quadro clinico della Paralisi Cerebrale Infantile con particolare riferimento all’emiplegia, ed è stato approfondito lo studio dello sviluppo tipico ed atipico (in caso di emiplegia) della funzione dell’arto superiore, al fine di individuare quali parametri possano esprimere meglio le differenze tra le due condizioni, normale e patologico.
La fase centrale della tesi si è basata sulla progettazione meccatronica del dispositivo in relazione alle specifiche cliniche precedentemente definite: sono stati selezionati forma, dimensione, aspetto del gioco, tipi di materiali usati nel dispositivo, metodo di rilevazione dei segnali di Pressione e tipi di sensori integrati nella struttura finale. L’elemento chiave per la scelta della forma del dispositivo è stato la sua affordance: per affordance si intende l'aspetto fisico di un oggetto che permette all'utilizzatore di dedurne le funzionalità o i meccanismi di funzionamento; di conseguenza, una particolare forma del dispositivo guida il bambino ad eseguire alcuni movimenti piuttosto che altri; la configurazione a ferro di cavallo è stata selezionata per “suggerire” al soggetto una presa bilaterale e poter confrontare la pressione applicata contemporaneamente su ognuno dei 2 lati del gioco.
Le dimensioni del gioco sono state determinate tramite consultazione delle tavole antropometriche della dimensione delle mani del neonato e tramite confronto diretto con i giocattoli commerciali per bambini da 4 a 9 mesi.
Successivamente, è stata condotta la fase di realizzazione del dispositivo.
La struttura del gioco prevede:
· una parte cedevole (sensibile) composta da 2 cilindri aventi superfici esterne in silicone alimentare,
· una parte rigida di tipo emi-toroidale in resina epossidica per l’inserimento dei cilindri laterali, l’alloggiamento dei sensori e l’inserimento di una scheda PCB per il condizionamento e la trasmissione wireless dei segnali ottenuti in uscita dai sensori.
Come materiale cedevole, è stato scelto il silicone alimentare SILBIONE RTV 4428 A/B che, oltre al rispetto dei requisiti di biocompatibilità (connessa anche all’assoluta inerzia chimica), ha dimostrato un’elevata resistenza alla lacerazione ed alla trazione ed un basso ritiro lineare. Per quanto riguarda invece il tipo di sensore, sono stati impiegati 2 sensori di Pressione piezoresistivi 1451 DSPM Industria (uno per ciascun lato del gioco) con range 0-5 psi (corrispondente ai tipici valori delle pressioni di grasping esercitate dai soggetti indagati): la porta di Pressione di ciascun sensore è stata inserita nella camera d’aria del relativo cilindro in silicone alimentare e, attraverso la deformazione dell’elemento sensibile, il sensore rileva i cambiamenti della pressione interna alla camera. La parte cedevole del dispositivo combina una sufficiente resistenza meccanica (al fine di mantenere la forma, garantire la stabilità meccanica ed ostacolare la trazione del silicone) con un’adeguata elasticità (allo scopo di consentire la rilevazione del segnale di presa e l’immediato recupero della forma). Per ottenere ogni cilindro in silicone, è stato disegnato con il programma SolidWorks e poi realizzato in resina epossidica mediante prototipazione rapida uno stampo costituito da 4 blocchi esterni, all’interno del quale è stata ancorata un’anima cilindrica in resina che rimane in posizione durante tutto il processo di colata e di polimerizzazione: lo spessore del silicone alimentare ottenuto è continuo e preciso.Parallelamente alla definizione della struttura meccatronica del gioco, è stato scelto di implementare una comunicazione wireless per la raccolta dei segnali registrati dai sensori integrati nel dispositivo. In particolare, è stata definita una rete P2P composta da:
· un nodo master (stazione fissa), costituito da un PC collegato ad una PCB; la PCB integra un microcontrollore dotato di interfaccia SPI con un modulo di ricetrasmissione wireless,
· un nodo slave (stazione mobile), composto dal gioco sensorizzato (nel quale è prevista una PCB finalizzata al condizionamento, alla digitalizzazione ed alla trasmissione wireless dei segnali in uscita dai sensori).
In generale, tra i vantaggi derivanti da una comunicazione wireless, è possibile indicare una maggiore facilità di implementazione, una riduzione dei costi ma soprattutto la possibilità di eliminare il cablaggio ed ulteriori componenti hardware: nella presente applicazione, in più, la comunicazione wireless tra il gioco ed il pc del nodo master ha reso il dispositivo stesso portatile e più pratico da utilizzare e si è rilevata una maggiore libertà nell’interazione col gioco (il bambino, infatti, non è distratto dalla presenza dei cavi di collegamento).
Occorre precisare che, nel presente lavoro di tesi, è stato realizzato un prototipo wired del giocattolo, basato sullo sviluppo di bread-board (in futuro sostituite da PCB, che conterranno gli stessi elementi circuitali ma in versione SMD) e la rete P2P risulta data da:
· un nodo master, basato sull’interfacciamento tra PC e bread-board master,
· un nodo slave, dato dal collegamento tra bread-board slave e prototipo sensorizzato.
Gli schematici dei circuiti sono stati disegnati con il software Eagle.
È stato elaborato un software per la programmazione dei microcontrollori dei 2 nodi allo scopo di:
· stabilire la connessione P2P tra i 2 nodi della rete,
· rilevare (su richiesta dell’utente tramite pressione di uno switch sulla bread-board master) la Pressione applicata sul lato destro e sinistro della struttura a ferro di cavallo con una frequenza di campionamento di 10 Hz per un tempo di registrazione di 60 sec, digitalizzare i dati ed inviarli al master,
∙ interrompere (su richiesta dell’utente tramite pressione di un ulteriore switch sulla bread-board master), la procedura di raccolta dei segnali,
∙ visualizzare i pacchetti inviati da slave a master sulla finestra di Network Monitoring del software Zena (che è un analizzatore di reti wireless, impiegato in combinazione ad uno sniffer),
∙ visualizzare i segnali relativi al lato destro e sinistro del gioco (inviati dallo slave) sul programma Hyperterminal (HT, installato sul pc della stazione fissa).
In particolare, per le fasi di compilazione, debug e programmazione, sono stati impiegati l’ambiente di sviluppo MPLAB IDE, in combinazione con il debugger/hardware MPLAB ICD2 ed il compilatore C 30.
L’ultima parte del lavoro di tesi si è basata, in primo luogo, sulla validazione del software: · in prima istanza, il programma è stato testato con il simulatore MPLAB SIM;
· in seguito, è stato verificato il corretto funzionamento del software caricato sui microcontrollori integrati nelle bread-board: da tali prove, si attesta che il codice consente la creazione della connessione P2P tra i due nodi, la raccolta dei dati dei sensori ed il loro conseguente invio al nodo master con frequenza di 10 Hz per 60 sec, nonchè la successiva visualizzazione dei dati su HT; inoltre, si ottiene il monitoraggio continuo dei pacchetti trasferiti con Zena; sono state dunque confermate le specifiche iniziali relative alla programmazione.
Successivamente, grazie al programma validato, è stato possibile eseguire delle prove hardware sulle bread-board nelle quali:
- è stata verificata l’efficacia del tipo di alimentazione scelto per gli elementi della bread-board slave, dal punto di vista della stabilità dei segnali registrati dall’utente: l’alimentazione selezionata, basata su una batteria Duracell con tensione a 9 V, si è distinta per la limitata variabilità dei dati registrati rispetto ad altre configurazioni di alimentazione;
- è stato individuato, tra i 2 amplificatori da strumentazione che rispettano le specifiche di progetto iniziali, il più performante per la realizzazione dello stadio di amplificazione dal punto di vista della stabilità dei dati raccolti: la scelta è ricaduta sull’amplificatore da strumentazione AD627, che permette una minore dispersione dei dati;
- è stato valutato il massimo guadagno dello stadio di amplificazione della bread-board slave che evita il fenomeno di saturazione dell’amplificatore: considerati gli accoppiamenti elettro-meccanici del dispositivo finale, il massimo guadagno è pari a 330.
Occorre precisare che i dati raccolti su HT nelle prove hardware sono stati importati ed elaborati in Matlab, con calcolo di media e deviazione standard (come indice di dispersione dei dati).
Infine, sono stati condotti test di registrazione dei segnali forniti dai sensori, amplificati ed inviati alla stazione fissa, collegando il prototipo di gioco alla bread-board slave: i test hanno evidenziato che il sistema sviluppato segue bene la dinamica veloce del segnale di squeeze e permette di distinguere le prese mono e bi-manuale, in quanto viene rilevata la pressione esercitata dal neonato contemporaneamente con la mano destra e sinistra.
Il dispositivo studiato e sviluppato nel lavoro di tesi consente quindi di:
- misurare le azioni di presa dei neonati tra 4-9 mesi e rilevare contemporaneamente la pressione esercitata dai soggetti con la mano destra e sinistra, in accordo con le specifiche cliniche;
- stabilire una comunicazione wireless con una stazione fissa ed inviare al PC del medico i dati rilevati grazie ai sensori interni al giocattolo;
- eseguire test di registrazione in ambienti ecologici per il bambino (non strutturati) con un gioco dalle forme familiari, che risulta morbido e dunque più “piacevole” per il neonato;
- ottenere numerosi vantaggi tramite l’implementazione di una comunicazione wireless, tra i quali occorre sottolineare la maggiore portabilità e praticità del dispositivo (la struttura della palestrina, alla quale il gioco risulta appeso, può essere spostata nell’ambiente con facilità mentre il medico esegue la seduta) e la maggiore libertà di interazione del neonato con il giocattolo (il bambino non è distratto dai cavi di collegamento).
Per gli sviluppi futuri è possibile pensare all’uso del dispositivo per conferire feed-back di tipo visivo/sonoro al neonato durante la seduta con il medico.
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