Etapa III – 2016 Experimentare, optimizare şi calibrare a...

Tip proiect Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4

Contract nr. 227/2014

Titlul Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale (SPINE)

Web http://spine.unitbv.ro

Coordonator

Universitatea Transilvania din Braşov

Parteneri

Universitatea Tehnica din Cluj - Napoca

Universitatea de Medicina si Farmacie - Carol Davila Bucuresti

SC Electronic April Aparatura Electronica Speciala S.R.L. Cluj - Napoca

Etapa III – 2016 Experimentare, optimizare şi calibrare a echipamentului

Parteneriate PN‐II‐PT‐PCCA‐2013‐4, contract 227/2014

Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa III

Pag. 2

REZUMAT 2 1 PREZENTAREA ŞI DEMONSTRAREA FUNCŢIONALITĂŢII ŞI UTILITĂŢII MODELULUI 3

1.1 Modul software de bază pentru prescripții medicale și programarea dispozitivului terapeutic ............................... 3 1.2 Dezvoltare aplicaţiei software pentru reconstrucția modelului geometric 3D al coloanei vertebrale în funcție de măsurătorile efectuate .............................................................................................................................................................. 3

1.2.1 Scop, obiective .................................................................................................................................................. 3 1.2.2 Echipament necesar. Descriere aplicație........................................................................................................... 4

1.3 Instrument pentru baze de cunoștințe, inclusiv informații numerice corespunzătoare pozițiilor specifice normale şi afectate ale coloanei vertebrale ............................................................................................................................................ 4

1.3.1 Modelare matematică – var. 1 – arce de cerc ................................................................................................... 5 1.3.2 Modelare matematică – var.2 - curbe Bezier .................................................................................................... 6

2 PROIECTAREA SI ELABORAREA DOCUMENTATIEI TEHNICE DE ANALIZA TEHNICO - ECONOMICA ............................................................................................................................................................. 7

2.1 Caracteristici tehnice şi costuri .................................................................................................................................. 7 2.1.1 Cheltuieli materiale pentru sistemul interactiv de urmărirea posturii coloanei ............................................... 7 2.1.2 Cheltuieli şi venituri obţinute din exploatare .................................................................................................... 8

2.2 Sisteme concurente ..................................................................................................................................................... 8 3 PROIECTAREA SI REALIZAREA PROTOTIPULUI ................................................................... 10

3.1 Prototip I – senzori IMU .......................................................................................................................................... 10 3.2 Dezvoltarea aplicaţiei software pentru prototip I .................................................................................................... 11

3.2.1 Scop, obiective ................................................................................................................................................ 11 3.2.2 Echipament necesar. Descriere aplicație......................................................................................................... 11 3.2.3 Descriere module ............................................................................................................................................. 11 3.2.4 Concluzii .......................................................................................................................................................... 13

3.3 Prototip II – senzori cu efect Hall ............................................................................................................................ 13 3.4 Dezvoltarea aplicaţiei software şi interfaţa grafică pentru prototip II .................................................................... 13

4 VERIFICAREA SI EXPERIMENTAREA PROTOTIPULUI.......................................................... 14 4.1 Testarea prototipului pe stand .................................................................................................................................. 14 4.2 Evaluarea reacţiilor subiecţilor umani la stimuli mecanici externi vibratori .......................................................... 16 4.3 Testarea prototipului pe pacienţi .............................................................................................................................. 18

4.3.1 Scop şi obiective .............................................................................................................................................. 18 4.3.2 Echipament şi metodologie: ........................................................................................................................... 18 4.3.3 Concluzii privind testarea prototipului pe subiecţi umani .............................................................................. 19 4.3.4 Comunicarea între pacient și medic ................................................................................................................ 20

BIBLIOGRAFIE ....................................................................................................................................................... 20

REZUMAT

Etapa III Experimentare, optimizare si transfer tehnologic al proiectului Obiectivul general al proiectului

Dezvoltarea şi testarea unui sistem inovativ pentru diagnosticarea şi tratamentul afecţiunilor coloanei vertebrale. Se urmăreşte crearea unui dispozitiv mecatronic capabil să măsoare în timp real poziția instantanee a coloanei vertebrale umane, facilitând un diagnostic precis, precum și monitorizarea continuă în vederea prevenirii și/sau tratarea afecţiunilor acesteia.

Activităţile etapei III / Rezultate

Activitate III.1 Prezentarea si demonstrarea functionalitatii si utilitatii modelului. R.III.1 Model funcţional - realizat R.III.1.a Model experimental gata pentru testare - realizat R.III.1.b Tehnologie pentru parametrizarea modelului 3D al corpului uman - realizat R.III.1.c Soluţii pentru sistemul de comunicare între pacient și medic - realizat R.III.1.d Baze de cunoștințe cu modele geometrice 3D ale coloanei vertebrale - realizat Activitate III.2 Proiectarea si elaborarea documentatiei tehnice de analiza tehnico - economica R.III.2 Studiu de piata - realizat Activitate III.3 Proiectarea si realizarea prototipului R.III.3 Prototip - varianta preliminară - realizat Activitate III.4 Verificarea si experimentarea prototipului R.III.4 Buletin de incercari - realizat

Prezentul raport constituie o sinteză a Raportului tehnic realizat de echipa de implementare a proiectului.



Pag. 3

1 PREZENTAREA ŞI DEMONSTRAREA FUNCŢIONALITĂŢII ŞI UTILITĂŢII MODELULUI

1.1 Module software de bază pentru prescripții medicale și programarea dispozitivului terapeutic

Proiectul „SPINE” promovează inovarea de produs, urmărind dezvoltarea cu mijloace proprii a unor soluţii originale pentru diagnosticarea şi tratamentul afecţiunilor coloanei vertebrale.

Proiectul urmăreşte să ofere medicilor un echipament competitiv din punct de vedere al calităţii şi al preţului care să fie capabil să măsoare în timp real poziția instantanee a coloanei vertebrale umane, facilitând un diagnostic precis, precum și monitorizarea continuă în vederea prevenirii și/sau tratarea afecţiunilor acesteia. Vesta este echipată cu senzori de poziție, buzzere, controler şi un sistem portabil (smartphone, tabletă). Informațiile obținute de senzorii de pe vestă sunt procesate de o aplicație dedicată, având o dublă utilitate (Fig. 1):

Diagnosticare - măsurarea cât mai exactă a mobilității spinale şi reprezentarea grafică 3D a coloanei vertebrale, urmat de o comparație cu modelul de referinţă stocat în bază de cunoştinţe. Sistemul folosește o aplicație software instalată pe un calculator, având o interfață utilizator 3D precisă; se utilizează de către echipa medicală, atât pentru interpretarea rezultatelor cât și pentru simularea unor tratamente posibile.

Terapie – sistemul este condus de către o aplicație software de pe dispozitivul mobil, având funcții de monitorizare permanentă a poziției coloanei vertebrale şi de comparare cu referința prescrisă în tratament. Dacă postura prescrisă nu este respectată, pacientul primește un stimul delicat de avertizare aplicat local, în zona vizată, avertizându-l să-şi corecteze postura.

Echipamentul dezvoltat este compus din componente hardware şi software.

Fig. 1 Componente electronice (hardware) şi interfaţa de utilizare (software)

În etapa curentă şi cea anterioară s-au derulat activităţi ce au urmărit realizarea aplicaţiilor software pentru citirea datelor, transmiterea acestora către unitatea de calcul, procesarea lor precum şi pentru prescripţiile medicale şi programarea echipamentului.

Astfel, au fost realizate următoarele componente: modul de achiziţie date de la senzori; modul de testare controllere; modul de testare a activităţii de stocare locală a datelor; modul software de transmitere wireless a datelor; modul software de funcţionare local pe dispozitivul mobil (medicul nu intervine pentru diagnoză, ci doar utilizatorul este implicat, fiind informat ori de câte ori postura sa nu este corespunzătoare cu cea de referință, prescrisă în tratament).

1.2 Dezvoltare aplicaţiei software pentru reconstrucția modelului geometric 3D al coloanei vertebrale în funcție de măsurătorile efectuate

1.2.1 Scop, obiective

Scopul dezvoltării aplicație de scalare este de a adapta coloana 3D pentru diferite înălțimi ale subiecților. Interfața cu utilizatorul este necesară pentru a redimensiona componentele coloanei, prin modificarea raportului de scalare.



Pag. 4

Obiectivele care trebuie îndeplinite de către aplicația de scalare sunt următoarele:

Să permită scalarea vertebrelor coloanei ținând cont de lungimea ei;

Să permită scalarea coloanei păstrând distanța dintre vertebre proporțională cu factorul de scalare.

Să fie ușor accesibilă printr-o interfață în care se pot modifica lungimea coloanei şi factorul de scalare.

1.2.2 Echipament necesar. Descriere aplicație

Echipamentul necesar pentru aplicația de scalare a coloanei sunt laptop / calculator şi un software pentru modelare parametrizată CAD (CATIA).

Coloana vertebrală de referință are dimensiunea iniţială de 736 mm iar factorii de scalare au valoarea inițială 1. În Fig.2 este prezentată fereastra de dialog în care se pot modifica următoarele:

lungimea coloanei vertebrale – valoare inițială 736 mm,

factorul de scalare global – valoare inițială 1,

factorul de scalare pe axa y (lungimea coloanei vertebrale) - valoare inițială 1.

În interfaţa de lucru cu utilizatorul se poate vizualiza factorului de scalare real, calculat ca raportul dintre valoarea lungimii coloanei nouă și valoarea de referință iniţială. La modificarea factorului de scalare, sunt redimensionate în funcţie de valoarea acestuia, toate vertebrele şi toate spaţiile intervertebrale. După salvare se afișează factorul de scalare real (ex. 1,357014). Această informație permite aflarea valorii reale a factorului de scalare, dar permite folosirea oricărei valoare pentru scalare, în vederea alegerii unei valori rotunjite (ex. 1,35).

Reprezentarea 3D a coloanei vertebrale se modifică ținând cont de coordonatele punctelor p1, p2, p3, p4, p5 având coordonatele d1x, d1y, d2x ….d5x, d5y, razele curbelor R1, R2, R3, R4. Aceste valori sunt preluate din fișierul de tip txt (MathModel_results.txt) salvat în urma aplicării modelului matematic detaliat în cap. 1.3.1.

Aplicația realizează scalarea coloanei vertebrale ținând cont de lungimea coloanei. Modificările se realizează într-o fereastră de dialog. Curba spline se modifică ținând cont de coordonatele punctelor și razelor curbelor salvate într-un fișier txt obținute după aplicația modelului matematic.

1.3 Instrument pentru baze de cunoștințe. Informații corespunzătoare pozițiilor specifice normale şi afectate ale coloanei vertebrale

În literatura de specialitate s-au identificat 5 cazuri principale de posturi anormale [6] în planul sagital (Fig.3) şi încă 4 tipuri de lordoză, clasificate în funcţie de poziţia unui punct de inflexiune. În [7] s-a realizat un studiu pentru a clasifica curburile normale ale coloanei vertebrale din planul sagital pe baza unor modele 3D generate pe calculator, utilizand 160 de participanţi asimptomatici. S-au identificat 4 variaţii de curburi prin utilizarea unui punct de inflexiune, similar cu metoda Cobb care se foloseste pentru planul coronal: lordoza de tipul 1 (raport lungime curba toracica si curba lombară 80:20), tip 2 (60:40), tip 3 (50:50) şi tip 4 (20:80). Coloana vertebrală prezinta 4 curburi fiziologice: 2 lordoze - în regiunea cervicală si lombară - şi 2 cifoze- in regiunea toracala si sacrala.

Diagnosticarea lordozei:

- Pe baza istoricului si examenului fizic

- Evaluarea libertatii miscarilor: se calculează gradul în care un pacient poate efectua mişcări precum flexia, extensia, aplecarea laterală şi rotaţia spinală. Se observă asimetrii.

- Evaluarea neurologică include evidenţierea durerii, paresteziilor, tremorului, sensibilităţii şi funcţia motorie, spasmele musculare, slăbiciunea musculară şi disfuncţiile vexicale sau rectale.

Fig. 3 Cazuri de afecţiuni ale coloanei vertebrale [6]

Fig. 2 Interfaţă aplicaţie de scalare



Pag. 5

- Radiografia întregii coloane vertebrale în pozitie laterală şi sagitală evaluează flexibilitatea coloanei, deformările vizibile, lipsa de segmentare.

Denumire Caracteristici Valoare unghiuri Postura normală a coloanei

Pe planul sagital are o forma similara cu un “S”. p1 > 0, p2 ≥ 0, p3 < 0, p4 < 0, p5 > 0

Cifoza curbura accentuata a coloanei toracale sau sacrale p1 > 0, p2 ≥ 0, p3 < 0, p4 < 0, p5 < 0. Lordoza lombara curbura accentuata a coloanei cervicale sau lombare p1 > 0, p2 ≤ 0, p3 < 0, p4 < 0, p5 > 0 Flat Spine neuromuscular disorder p1, p2, p3, p4, p5 indica valori similare si

apropiate de valoarea 0 Lordoza toracica Muscular dystrophy p1 < 0, p2 < 0, p3 ≤ 0, p4 > 0, p5 > 0

Diagnosticarea cifozei:

- Radiografiile laterale ale coloanei demonstrează modificăarile în axa sagitală, poate detecta vertebrele fuzionate, neregularităţile suprafeţelor vertebrale, corpurile vertebrale neformate, lipsa segmentării, colabarea discului intervertebral, cifoza rigidă.

- Cifoza se masoară după tehnica Cobb actualizată pentru cifoză. Este măsurată în zona toracică între T1-T12.

1.3.1 Modelare matematică – var. 1 – arce de cerc

În vederea descrierii matematice a curburilor coloanei vertebrale folosind modelul cu arce de cerc, au fost identificate 14 cazuri diferite, pentru care au fost scrise ipotezele de calcul şi relaţiile matematice corespunzătoare (A1…A4, B1…B4, C1…C3, D1…D3). În tabelul de mai jos sunt descrise doar 4 dintre modelele dezvoltate. Pentru a testa modelul matematic pentru descrierea curbei coloanei vertebrale, ecuațiile prezentate mai jos au fost introduse în programul Maple [3], un software matematic și analitic. Modelele au fost simulate folosind unghiuri posibile care urmează criteriile de clasificare, precum şi distanța între senzori de 150 milimetri. Această valoare a fost aleasă deoarece lungimea medie a coloanei vertebrale umane de sex masculin este de aproximativ 710 mm, iar cei cinci senzori sunt echidistanţi.

Name Criteria ResultsA1 Max point between P2 and P3;

P1>P2, P2<P3,

P3<P4, P4<P5.

B1 Max point between P2 and P3;

P1>P2, P2<P3,

P3<P4, P4<P5.

C1 Max point between P1-P2 and P3-P4;

P1>P2, P2<P3,

P3>P4, P4<P5.

D1 Max point between P1-P2 and P3-P4;

P1>P2, P2<P3,

P3>P4, P4<P5.

Simulările au avut rezultate foarte bune și au demonstrat că modelele matematice pot fi folosite pentru a estima coordonatele senzorilor, ceea ce duce la o reconstrucție realistă a formei coloanei vertebrale cu ajutorul senzorilor inerțiali. Modelul matematic a fost testat folosind unghiuri de orientare reale din sistemul de monitorizare a coloanei vertebrale descris în capitolele anterioare. Repetabilitatea măsurării este o componentă esențială a preciziei în orice sistem de măsurare. Fiabilitatea test-retest a fost evaluată prin utilizarea a două scenarii, liniile coloanei în formă de "C" şi în formă de "S".

A fost prezentat un model matematic ce poate fi utilizat pentru a reproduce forma coloanei vertebrale cu date de la un sistem de monitorizare ușor de purtat. Scopul modelului este de a fi utilizat în sesiunile de reabilitare medicală și pentru a ajuta pacienții să evite poziții incorecte. Măsurările obiective cu datelele de la senzorii inerțiali



Pag. 6

obţinuţi pe tot parcursul zilei ajută, de asemenea, medicii pentru a oferi exerciții fizice personalizate. Bazat pe punctele de inflexiune ale coloanei vertebrale, au fost identificate și simulate 14 modele posibile.

Acest model matematic folosește doar o singură axă de măsurare ale senzorilor inerțiali, dar se intenționează să se extindă modelul, în scopul de a reconstitui mișcarea în toate planele. Acest model avansat va fi folosit pentru tulburări ale coloanei vertebrale, cum ar fi cifoză, lordoză și scolioză. Progresele tehnologice au un impact direct în aplicații medicale și, împreună cu inovațiile software, ar putea contribui la crearea unor soluții noi și mai bune pentru diverse boli umane.

1.3.2 Modelare matematică – var.2 - curbe Bezier

Dispozitivul de înregistrare a posturii, construit sub formă de bandă flexibilă, este atașat la articolul de îmbrăcăminte al subiectului și urmărește mișcările coloanei vertebrale în tot timpul utilizării. Reprezentarea coloanei vertebrale se face prin calcularea poziției dispozitivului de urmărire folosind valorile unghiurilor de înclinare măsurate de senzorii de orientare. Postura utilizatorului este identificată cu o curbă reconstruită a benzii, într-un sistem de referință atașat la utilizator. Această curbă, în punctele de inflexiune, trebuie să fie continuă și cu tangentele comune. Aproximarea curburii segmentului de bandă dintre doi senzori poate fi realizată cu diferite tipuri de curbe având reprezentări explicite, implicite și parametrice. Curbele parametrice sunt cele mai comune utilizate în inginerie și grafica pe calculator și, de asemenea, permite combinarea diferitelor segmente de curbe împreună, îndeplinind specificațiile de continuitate. Curbele Bézier, împreună cu alte tipuri parametrice, sunt folosite pentru a modela curbe line.

Curbele Bézier pătratice sunt definite printr-un punct de start, un punct final și un alt punct care controlează forma, cunoscut sub numele de punct de ancorare. În cazul unui segment de bandă aflat între doi senzori IMU ai dispozitivului de urmărire a posturii coloanei vertebrale, curba Bézier pătratică este definită de pozițiile celor doi senzori (S1 și S2) și punctul de ancorare M (Fig.4), care se află la intersecția dintre cele două tangente ale curbei, corespunzător punctelor de start şi cel final. Polinomul de ordinul doi poate fi scris ca:

22

12 )1(2)1()( StMttSttB (1)

în care t este un parametru ce ia valori în intervalul [0,1].

Pentru un segment al dispozitivului de urmărire, parametrii cunoscuţi sunt cele doua tangente și lungimea segmentului (distanța dintre doi senzori) iar necunoscutele sunt pozițiile senzorilor.

Lungimea curbei Bézier poate fi calculată prin metode iterative sau din coordonatele celor trei puncte de control:

dttBtBLt

yx 0

2'2' )()( (2)

Pornind de la primii doi senzori de la capătul de sus al dispozitivului, algoritmul de reprezentare a coloanei vertebrale se va baza pe următoarele considerente:

Primul senzor va fi la originea sistemului de referință al coloanei vertebrale, având axa z pe direcția verticală și x spre partea din față a pacientului,

Unghiurile absolute măsurate ale primilor doi senzori vor fi generate de tangentele unghiurilor primului segment Bézier,

Parametrul necunoscut din acest model va fi considerat lungimea segmentului tangent S1M, considerată ca fiind egală cu S2M (vezi Fig.4).

Lungimea curbei Bézier va fi calculată ca funcție de parametrul necunoscut menționat,

Lungimea corectă a tangentelor va fi aleasă, ca valoare care corespunde cu lungimea cunoscută a segmentului benzii dispozitivului de urmărire a posturii coloanei vertebrale,

Cele două unghiuri și lungimea tangentei vor fi utilizate pentru a calcula poziția celui de al doilea senzor în sistemul de referință menționat al coloanei vertebrale.

Fig. 4 Primul segment al benzii



Pag. 7

Procesul se repetă pentru perechea a doua de senzori (senzorii S2 şi S3) și toate perechile consecutive următoare. Curba rezultată este compusă din patru segmente Bezier, continuă în punctele de inflexiune.

În primul test s-a comparat postura normală a coloanei vertebrale (recomandată de către un medic specialist) cu două posturi improprii (de asemenea, identificate de către medic), care corespund pozițiilor anormale. Acest lucru a fost realizat prin poziţionarea benzii cu senzori de-a lungul a trei curbe (Fig.

5), definite de către specialist și, apoi, reconstruirea reprezentării coloanei vertebrale pe baza algoritmului propus mai sus. Fig. 6 prezintă postura coloanei vertebrale reconstruită în cele trei poziții: una normală și două posturi anormale. În faza următoare, un pacient sănătos clinic a fost solicitat să poarte aparatul. În acest caz, de asemenea, posturile normale şi anormale ale coloanei vertebrale au fost indicate de specialist, similare cu cele din faza de testare. Pacientul a trebuit să simuleze curburile coloanei vertebrale în pozițiile indicate. Cele cinci unghiuri pas măsurate de senzori sunt prezentate în Fig. 7.

Pozițiile normale și anormale ale coloanei vertebrale au fost identificate prin calcularea distanței medii absolute dintre postura actuală și postura normală de referință (măsurată între punctele corespunzătoare, distanța dintre punctele de pe poziția de referință au fost de 2 mm).

Algoritmul dezvoltat pe baza curbelor Bézier oferă o reprezentare în timp real a coloanei vertebrale umane. Cunoscând distanțele dintre senzorii de pe dispozitivul de urmărire, precum şi unghiurile de înclinare ale senzorilor (măsurate), aceste date pot fi folosite pentru a reconstitui corect curbura coloanei vertebrale.

2 PROIECTAREA SI ELABORAREA DOCUMENTATIEI TEHNICE DE ANALIZA TEHNICO - ECONOMICA

2.1 Caracteristici tehnice şi costuri

Analiza cost – beneficiu are scopul de a identifica impactul valorificării rezultatelor proiectului. În cadrul analizei se realizează o comparaţie între veniturile şi costuri. Diferenţa dintre cele două categorii indică dacă echipamentul planificat a se dezvolta este eficient.

Din punct de vedere constructiv, echipamentul proiectat conține elemente de tip hardware (unitatea de calcul şi sistemul de senzori montat pe vestă) şi de tip software (interfaţă de culegere date, aplicaţie de calcul a posturii, aplicaţie de urmărire a implementării tratamentului).

2.1.1 Cheltuieli materiale pentru sistemul interactiv de urmărirea posturii coloanei

S-a realizat o estimare a prețului sistemului interactiv dezvoltat. În calculul prețului au fost urmărite următoarele: cheltuieli materiale, manopera de asamblare a componentelor electronice și mentenanță software; regia (20%). Pentru a se face raportarea la dispozitive similare disponibile pe piața externă s-a convertit preţul în euro (la valoarea 1 Euro =4.52 lei) rezultând valoarea de 700 Euro.

Fig. 5 Posturile de referinţă

definite de specialist

Fig. 6 Posturile coloanei vertebrale reconstituite pe baza măsurătorilor unghiurilor

Fig. 7 Variaţia valorilor unghiulare ale senzorilor în timpul testării



Pag. 8

Compararea cu un dispozitiv similar este dificilă deoarece nu a fost găsit unul similar pe piaţă: majoritatea sunt dispozitive pasive, utilizate în principal pentru identificarea posturii coloanei cu scopul de a îmbunătăți performanța în sport și pentru a evita riscul accidentărilor. Identificarea posturii coloanei se face cu precizie redusă utilizând doar un senzor, informația este afișată local, nu permit corectarea online a posturii coloanei utilizând input medical dedicat pentru fiecare pacient.

Tabel 1 Costuri materiale Nr. Denumire componentă Buc. Preț /

bucatăValoare (lei)

1 Senzori inerțiali Bosch BNO055 5 219 1095 2 Placă de dezvoltare Teensy 3.1 1 140 140

3 Multiplexor I2C TCA9548A 1 46 46 4 Fire + conectori 1 50 50

5 Adaptor microSD 1 20 20 6 Adaptor GSM/GPRS a-gsm

v2.68 1 250 250

7 Adaptor Bluetooth Mate Silver 1 160 160

8 Tricou / vesta 1 30 30 9 Dispozitive vibratoare (buzzere) 12 7 84 10 Carcasa 1 20 20 11 Acumulator Li-Po 3.7V 1 65 65

TOTAL MATERIALE 1960



Pag. 9

ancheta europeană privind condiţiile de lucru indică faptul că 30% dintre angajaţii din Europa suferă de dureri la nivelul coloanei vertebrale, acestea găsindu-se în fruntea listei care cuprinde toate afecţiunile raportate, legate de profesie [8]. Ca atare, se poate afirma ca piaţa estimată pentru produsul preconizat este enormă, depinzând evident şi de costurile acestuia. În principal, ea este formată din:

I. persoanele diagnosticate de către medici specialişti având tulburari cinematice ale coloanei vertebrale şi care trebuie să urmeze un tratament prescris;

II. persoane nediagnosticate încă, cu deficienţe, dar care au nevoie de un tratament în situaţia unei afecţiuni acute ce poate conduce la complicaţii de acest gen;

III. persoane expuse unui risc ridicat de a dezvolta o afecţiune a coloanei vertebrale (grupe de meserii predispuse la acest gen de boli profesionale);

IV. persoane sănătoase, ce pot utiliza dispozitivul în scopul prevenirii afecţiunilor coloanei vertebrale.

În conformitate cu estimările Statelor membre, costurile de natura economică ale întregii game de boli profesionale sunt cuprinse între 2,6 şi 3,8% din produsul national brut. O extrapolare a acestor date poate conduce, printr-o estimare pesimistă a pieţei, la valori de aproximativ 2 milioane posibili utilizatori în România şi de 50 milioane în U.E. Pentru acest tip de produs nu există înca un competitor pe piaţa Uniunii Europene, iar din cercetările intreprinse nu s-a putut identifica un produs similar aflat în comercializare.

Pe piaţă au fost identificate unele produse ce au o anumită relevanță în raport cu echipamentul proiectat: Dispozitivul de masaj tip "Kosmodisk" (http://www.kosmodisk.md/), Dispozitiv pentru corecţia off-line a poziţiei coloanei vertebrale Vertebrate Orthosis (http://www.braceability.com/cybertech-postural-extension-kyphosis-brace), Vertetrac (http://meditrac.co.il/products/vertetrac/), Decompression Spinal Air Traction Belt (https://alphay.en.alibaba.com/), Natural Curve Deluxe Full Spine Tractor (http://www.backbenimble.com/posture-pump-4100-s.htm).

Toate dispozitivele prezentate mai sus vizează în principiu aplicarea unei forțe pentru corectarea curburii coloanei, care însă este totdeauna aceeași indiferent de afecțiune și pacient. Pe piaţă se regăsesc şi alte dispozitive, unele având funcții asemănătoare, altele fiind elemente pasive, unele fiind prezentate în ceea ce urmează.

TRUPOSTURE smart-shirt, www.truposture.com

TruPosture este un accesoriu de îmbrăcăminte inteligent proiectat pentru a îmbunătăți postura coloanei și pentru a reduce durerile de spate. Tehnologia multi-senzor urmărește alinierea întregii coloanei vertebrale si ajuta la menținerea unei posturi ideale prin intermediul feedback-ului vizual și a vibrațiilor. Dispozitivul încă nu este disponibil pe piață.

Alex http://alexposture.com/

ALEX Namu este un dispozitiv poziționat la nivelul gatului prin intermediul căruia se poate măsura poziția capului si gatului cu scopul estimării posturilor incorecte ale coloanei. Informațiile sunt trimise către smartphone prin Bluetooth care rulează o aplicație ce alertează utilizatorul când o postura incorecta este detectată. Utilizatorul are posibilitatea de personaliza modul de alertare (intensitate, frecventa alertelor).

Upright http://www.uprightpose.com/

Upright este un senzor poziționat la spate, care conține un algoritm inteligent de estimare a posturii coloanei vertebrale utilizat pentru a evita durerile de spate datorate posturilor incorecte la locul de munca.

Portuspine http://portuspine.com/

PortuspineWear este un alt dispozitiv de identificare a posturii coloanei purtat la gât. Dispozitivul estimează postura coloanei precum si deplasările utilizatorului prin intermediul senzorilor accelerometru, giroscop, magnetometru și trimite datele către telefonul mobil unde rulează o aplicație care permite vizualizarea rezultatelor și progreselor în conformitate cu o postura ideală specificata anterior.

Prana http://prana.co/

Prana ajută la îmbunătățirea posturii la locul de munca analizând frecventa respirației diafragmatică identificata prin intermediul unui senzor. Datele sunt transmise catre un smartphone care rulează o aplicație ce permite estimarea si corectarea posturii si frecventei respiratiei.

Lumo Lift http://www.lumobodytech.com/lumo-lift/

Lumo Lift este un mic dispozitiv care poate fi atașat unui accesoriu de îmbrăcăminte și care permite atenționarea utilizatorului prin vibrații de intensitate scăzuta în momentul în care nu este păstrată o postură corectă a coloanei ( postura dreaptă).



Pag. 10

3 PROIECTAREA SI REALIZAREA PROTOTIPULUI

3.1 Prototip I – senzori IMU

Sistemul de monitorizare a poziției coloanei vertebrale a fost dezvoltat pe baza unor specificații enunțate în [9], dintre care cele mai importante sunt:

• Să nu afecteze poziția coloanei: cea mai importantă cerință a sistemului este să nu modifice coloana vertebrală. Spre deosebire de alte dispozitive de corecție a poziției vertebrale care exercită forțe de apăsare, sistemul dezvoltat are rolul doar de a monitoriza poziția coloanei vertebrale.

• Să nu incomodeze pacientul: deoarece sistemul este menit să fie utilizat zilnic sau pe parcusul anumitor exerciții speciale de kinetoterapie, acesta trebuie să aibe o influență cât mai mică asupra pacientului. Dispozitivul dezvoltat nu îngreunează sarcinile pacientului.

• Să nu prezinte riscuri de electrocutare: dispozitivul nu trebuie sa prezinte risc de vătămare corporală a utilizatorului. În acest sens, toate legăturile dintre senzori si controller trebuie să fie izolate electric.

Fig. 8 Prototipul de monitorizare a poziției coloanei vertebrale

Fig. 9 Arhitectura sistemului de monitorizare a poziției coloanei

Prototipul dezvoltat (Fig.8) utilizează cinci senzori inerțiali care sunt plasați pe o bandă flexibilă la distanțe egale, o condiție necesară pentru a permite reconstruirea formei coloanei cu modelul matematic propus. Motivele care au stat la baza alegerii numărului de senzori sunt următoarele: cei cinci senzori sunt distribuiți în mod egal pe toată lungimea coloanei pentru a putea detecta curburile (mai puțini senzori vor avea ca rezultat un model cu precizie mai scăzută), post procesarea datelor nu este foarte complexă și sistemul are costuri relativ scăzute. Modelul matematic calculează și furnizează informații utile despre poziția coloanei vertebrale, care pot fi înțelese de către medici sau pacienți.

Pentru a se asigura funcționarea corectă a modelului matematic, sistemul de monitorizare a poziției coloanei trebuie să îndeplinească următoarele cerințe: poziția primului senzor inerțial să fie pe vertebra C7, aceasta fiind, în general, ușor de identificat prin palpare; distanța dintre senzori să fie egală și cunoscută, în funcție de lungimea coloanei. Banda flexibilă cu senzori trebuie să fie în contact cu pielea. În zona lombară a coloanei, unde curbura este mai pronunțată, se va folosi o curea elastică împreună cu un material ușor (tip burete) care să preseze banda flexibilă către coloană.

Arhitectura sistemului este prezentată în Fig.9. Datele care descriu mișcările coloanei sunt capturate de către senzorii inerțiali prin intermediul unei plăci de dezvoltare. Datele sunt stocate local pe un card microSD și pot fi trimise periodic către un dispozitiv mobil (smartphone sau tabletă) sau către serverul online pentru stocare și procesare. Interfața cu utilizatorul este bazată pe tehnologiile Web, având avantajul că poate fi accesată de la orice calculator conectat la Internet. Fluxul datelor din cadrul sistemului de monitorizare a poziției coloanei vertebrale este prezentat în Fig. 10.

Fig. 10 Fluxul datelor din cadrul sistemului de monitorizare a poziției coloanei vertebrale



Pag. 11

3.2 Dezvoltarea aplicaţiei software pentru prototip I

3.2.1 Scop, obiective

Scopul dezvoltării unei interfețe de culegere a datelor este de a permite stocarea datelor de orientare furnizate de către sistemul de monitorizare a mișcărilor coloanei. Obiectivele care trebuie îndeplinite de către aplicația de culegere a datelor sunt următoarele:

Să permită conectarea sistemului de monitorizare a mișcărilor coloanei la un calculator / laptop printr-un cablu USB;

Să ofere următoarele funcții: creare utilizator, salvarea datelor în fișiere, salvarea datelor de calibrare.

Să aplice modelul matematic dezvoltat și să salveze rezultatele într-un fișier.

3.2.2 Echipament necesar. Descriere aplicație

Echipamentul necesar pentru culegerea de date de la sistemul de monitorizare a coloanei sunt următoarele:

Laptop / calculator; cabluri de conexiune USB.

Sistemul de monitorizare a coloanei bazat pe senzori inerțiali.

Funcțiilor disponibile în aplicația de culegere a datelor de la sistemul de monitorizare a coloanei:

(1) Meniu principal (a. Creare utilizator nou. b.Utilizator existent. c.Ieșire) (2) Calibrare (a.Profil nou de calibrare. b. Salvare profil de calibrare. c.Încărcare profil de calibrare existent) (3) Monitorizare serial (a.Start. b.Stop. c.Configurare) (4) Aplicare model matematic pentru curbă simplă (5) Aplicare model matematic pentru curbă dublă

3.2.3 Descriere module

Menu: acesta reprezintă prima etapă în utilizarea aplicației de culegere a datelor. Include trei funcții pentru crearea de noi utilizatori, încărcare utilizator existent și închiderea programului.

În Fig. 11 este prezentată o captură de ecran a interfeței cu utilizatorul. Aplicația dezvoltată are rolul de a culege date de la sistemul de monitorizare a coloanei, de a salva datele în fișiere separate într-o locație predefinită și de a calcula diverși parametri prin intermediul modelului matematic.

a. Creare utilizator nou: b. Încărcare utilizator existent

Fig. 11 Panoul principal al interfeței de culegere a datelor

Fig. 12 Captură de ecran a ferestrei de adăugare pacient

Funcționalitatea de adăugare pacienți cuprinde următoarele etape ce necesită a fi parcurse pentru a crea cu succes un profil nou:

‐ Se accesează Menu, apoi New User; ‐ În fereastra New User (Fig. 12), se introduc următoarele informații: numele și prenumele pacientului, precum

și varsta. Acest informații vor fi introduse în fișierul care va fi creat în momentul în care se apasă pe butonul Create user. Opțional, se pot adăuga și alte câmpuri care să facă referință la situația medicală;

‐ Numele fișierului creat are următoarea structură "SpineMonitoring_" + name + ".txt"; ‐ Locația implicită este în directorul special MyDocuments.



Pag. 12

Fig. 13 Captură de ecran a ferestrei de încărcare pacient și eroarea

afișată în cazul în care pacientul nu există

Fig. 14 Captură de ecran – submeniul de salvare a

datelor

Pentru accesarea datelor unui pacient adăugat anterior, se utilizează funcția Open Existing User (Fig. 13). Fereastra deschisă necesită introducerea numelui pacientului pentru a încerca încărcarea datelor. În cazul în care nu se găsește numele introdus, aplicația furnizează un mesaj de eroare. În cazul în care s-a găsit utilizatorul, atunci din cadrul aplicației se poate aplica modelul matematic pentru a calcula sau doar afișa diverse informații salvate anterior.

1. Data: oferă posibilitatea de începe sau de a termina stocarea datelor primite de la sistemul fizic de monitorizare a mișcării (Fig. 14):

a. Start Data Capture: aplicația se conectează printr-un port COM la sistemul de monitorizare și salvează într-un fișier text toate datele primite;

b. Stop Data Capture: închide conexiunea cu sistemul de monitorizare. 2. Calibration: oferă posibilitatea de a crea un profil nou de calibrare, de a salva sau încărca un profil de

calibrare (Fig. 15): a. New Calibration Data b. Save Calibration Data c. Load Calibration Data

Fig. 15 Captură de ecran – submeniul de salvare a datelor de calibrare

Fig. 16 Captură de ecran – submeniul de utilizare a

monitorului de serială

3. Serial Monitor: este utilizat pentru conectarea la un port COM, ce poate fi setat manual în cazul în care sistemul de monitorizare se conectează la un port diferit de cel implicit (Fig. 16):

a. Start: pornire comunicație serială. Dacă s-a realizat cu succes, atunci acest lucru este afișat în colțul din dreapta (din OFF se trece pe ON);

b. Stop: oprire comunicație serială. După ce s-a închis, aplicația setează statusul OFF.

c. Config: setare manuală a portului COM. 4. Apply mathematical single curve model: această funcție se poate

folosi după ce aplicația a salvat date de orientare într-un fișier. Se aplică modelul matematic dezvoltat pentru curburi ce conțin un singur punct de maxim, și calculează diverși parametri, precum coordonatele senzorilor inerțiali, distanța între primul senzor și punctul de maxim, respectiv senzorul cinci. Rezultatele sunt afișate în secțiunea aflată în partea inferioară.

5. Apply mathematical double curve model: această funcție se poate folosi după ce aplicația a salvat date de orientare într-un fișier. Se aplică modelul matematic dezvoltat pentru curburi ce conțin două puncte de maxim, și calculează diverși parametri, precum coordonatele senzorilor

Fig. 17 Exemplu de fișier generat după aplicarea modelului matematic



Pag. 13

inerțiali, distanța între primul senzor și punctul de maxim, respectiv senzorul cinci. Rezultatele sunt afișate în secțiunea aflată în partea inferioară.

În urma aplicării modelului matematic, rezultatele obținute se vor salva într-un fișier (Fig. 17). Acest fișier este utilizat şi de aplicația de vizualizare a coloanei vertebrale parametrizabile.

3.2.4 Concluzii

Aplicația de culegere a datelor dezvoltată permite conectarea printr-un cablu USB a unui calculator / laptop cu sistemul de monitorizare a mișcărilor coloanei. După realizarea conexiunii, utilizatorul poate să creeze sau să încarce datele diferiţilor pacienți, să salveze datele de orientare sau să aplice modelul matematic care calculează diverși parametri. Informațiile obținute după aplicarea modelului matematic sunt salvate într-un fișier care va fi utilizat de către coloana vertebrală parametrizabilă.

3.3 Prototip II – senzori cu efect Hall

Pentru modelarea virtuală a dispozitivului pentru monitorizarea pozitiei coloanei vertebrale s-a folosit programul de modelare Siemens NX 10. S-au ales elemente cat mai simple care să îndeplinească toate caracteristicile tehnice de ordin mecanic elaborate mai sus. Pentru simularea articulaţiilor vertebrale s-au folosit senzori de tip joystick cu efect Hall. Realizarea unui sistem mecanic care să conțină toate vertebrele coloanei vertebrale materializate sub forma de senzori de tip joystick ar fi crescut semnificativ prețul dispozitivului, dar în urma unei analize mai amănunțită a caracteristicilor a rezultat un necesar de 5 senzori și șase elemente de legătură. Pentru definitivarea modelului s-a ales senzorul de tip joystick, cu efect Hall TRY 14 furnizat de firma Megatron (Fig. 18).

Caracteristicile acestui senzor, prezentate în fișa tehnică, denotă cea mai bună soluție pentru dispozitivul de monitorizare a coloanei vertebrale, atât prin proprietățile mecanice cât și cele tehnice. După alegerea senzorului următorul pas este constituit prin modelarea elementului de legătură dintre senzori. Pentru acesta s-a ales o structură geometrică simplă care să corespundă interfeței mecanice a senzorului si în același timp să acopere lungimea coloanei vertebrale (Fig. 19).

Fig. 18 Senzor TRY 14

(www.megatron.de)

Fig. 19 Element de

legătură

Fig. 20 Modelul virtual și real al dispozitivului

Prin alăturarea celor două componente a rezultat o structură simplă și modulară care poate fi usor adaptabilă diferitelor tipologii de coloană vertebrală (Fig. 20). Următorul pas a fost de realizare fizică a sistemului mecanic pentru monitorizarea poziției coloanei vertebrale. S-au realizat teste şi s-au testat controllerele, modulele de stocare locală a datelor, modulele de transmitere wireless a datelor.

3.4 Dezvoltarea aplicaţiei software şi interfaţa grafică pentru prototip II

Pentru a extrage datele de la senzorii de tip joystick s-a folosit o placă Arduino Mega 2560 cu o extensie de 10 ieșiri și portul de alimentare a senzorilor (5V). Fiecare senzor transmite câte două semnale reprezentând deplasări pe axa X și respectiv pe axa Y. Senzorii convertesc unghiul celor doua axe în tensiune continuă, astfel un sensor necesită două intrari analogice, corespunzator axelor x si y.

Pentru cinci puncte de masură a fost conceput un shield cu 10 intrari analogice si un program pentru Arduino Uno care preia semnalele in mod automat cu o perioadă de eşantionare prestabilită sau manual, când eşantionarea se face prin apasarea unui buton extern.

Valorile obţinute se transmit prin interfaţa serială spre un PC în format accesabil pentru Excel. Se citește valoarea fiecărui pin de ieșire al plăcii, pin la care este legată fiecare ieșire a senzorilor prezentați anterior. După citirea valorii, aceasta este convertită în voltaj și este memorată într-un fișier situat pe cardul de memorie al dispozitivului

Forma datelor înscrise pe cardul de memorie este următoarea, folosindu-se un separator pentru a putea partaja înregistrările pentru prelucrare: 1.69$1.45$1.40$1.25$1.19$1.10$1.14$1.09$1.00$1.09 1.26$1.18$1.26$1.17$1.22$1.28$1.46$1.61$1.76$2.08.



Pag. 14

Pasul următor constituie realizarea unei interfețe de legătură între datele de pe dispozitivul de monitorizare și utilizator. Interfața a fost realizată în Visual Studio Community 2015, la care a fost adăugat un add-on pentru citirea datelor de pe placa Arduino. Interfața grafică conține elemente de vizualizare directă a datelor de la dispozitivul de monitorizare a poziției coloanei vertebrale .

Interfața este de mare ajutor pentru începere procesului de monitorizare, pentru că permite calibrarea acestuia în funcție de poziția optimă a coloanei vertebrale , patrticularizată pentru fiecare pacient de către un cadru medical calificat. În partea din stânga a ferestrei interfeței sunt reprezentate citirile în timp real de la senzorii joystick, valoarea neutră a acestora (în poziție perfect verticală) este de 2.5 V cu o marjă de citire din cauza sunetelor discrete de 1,2 mV.

După cum se vede în Fig. 21, interfața afișează un mesaj în momentul în care dispozitivul nu este calibrat cu coloana vertebrală a pacientului. Pentru calibrarea acestuia , un cadru medical trebuie să specifice poziția corectă a pacientului iar acesta trebuie să mențină această poziție preț de zece secunde după apăsarea butonului de calibrare, pentru a putea face o medie a valorilor citite în acest interval și pentru a proiecta poziția corectă a coloanei vertebrale.

Fig. 21 Interfața grafică

Fig. 22 Reprezentarea poziției coloanei vertebrale

După apăsarea butonului de calibrare, dacă nu vor fi întâmpinate probleme în procesul de calibrare, se va afișa mesajul **The device is calibrated** și în același timp se va reprezenta poziția corectă a coloanei vertebrale în cele două plane (XOZ și YOZ) (Fig. 22).

Înaintea de calibrarea dispozitivului, cu ajutorul butonului ”Clear log” se vor șterge datele de pe fișierul aflat pe cardul de memori astfel încât prima linie din fișier după calibrare va reprezenta poziția de referință coloanei vertebrale.

În cele două zone grafice este reprezentată poziția coloanei sub forma unei polilinii care conține punctele date de către senzorii cu efect Hall; prin apăsarea butonului ”Show extreme” se vor reprezenta pe ecran pozițiile extreme ale coloanei vertebrale, memorate pe cardul de memorie al dispozitivului.

Butonul de ”Patient data” permite vizualizarea datelor referitoare la utilizatorul dispozitivului de monitorizare , în același timp permite folosirea dispozitivului de către mai multe persoane prin memorarea datelor colectate. Istoricul datelor colectete poate fi memorat pe cardul de memorie al dispozitivului, sau poate fi salvat pe un mediu electronic (PC, tabletă), de pe cardul de memorie fiind șters doar conținutul fișierului ”data.txt”, fișier care conține înregistrările dispozitivului până la apăsarea butonului de ștergere a datelor, conținutul fișierului va fi mutat în fișierul care va conține istoricul repartizat pe intervale de folosire a fiecărui utilizator.

Limbajul VRML nu este folosit doar ca un format de reprezentare a scenelor virtuale 3D deoarece permite extinderea cu modelul virtual 3D ale colonei obținute utilizând aplicația software dezvoltată.

4 VERIFICAREA SI EXPERIMENTAREA PROTOTIPULUI

4.1 Testarea prototipului pe stand

Standul de testare al prototipului bazat pe senzorii IMU este prezentat în Fig. 23. Măsurătorile sunt efectuate în poziții statice și au fost studiate și modelate mai multe cazuri. Calibrarea se repetă de fiecare dată când sistemul este deconectat de la sursa de alimentare, cu toate că datele de calibrare pot fi salvate și utilizate pentru măsurători viitoare. În Fig. 24 sunt prezentaţi paşii protocolului de măsurare. O formă de coloană vertebrală teoretică este desenată pe o masă de testare, iar apoi valorile de referință sunt recepţionate de la senzorii inerțiali. În cele din urmă sistemul de monitorizare a coloanei vertebrale este poziționat deasupra desenul.



Pag. 15

Fig. 23 Standul de testare (a) (b) (c) (d)

Fig. 24 Procedura de testare: (a) o formă de coloană vertebrală teoretică; (b) Obținerea poziției de referință; (c) Sistemul este poziţiont pentru a corespunde formei trase; (d) Senzorii inerțiali colectează date de orientare.

Datele de la senzori sunt salvate și sunt utilizate de modelul matematic pentru a calcula coordonatele senzorilor, folosind o aplicație Maple. Toate cazurile utilizate au fost testate folosind această metodă. Două tipuri de posturi au fost alese pentru teste suplimentare; A4 și C2 (Fig. 25). Zece măsurători au fost executate pentru fiecare postură (un total 20 de teste), pe baza algoritmului prezentat în capitolul 1.3.1. Astfel, sistemul de monitorizare a coloanei vertebrale a fost poziționat deasupra formei desenate pe o hârtie și datele de orientare au fost salvate. După citirea datelor de la cei cinci senzori, sistemul a fost îndepărtat și apoi repoziționat după verificarea stării de calibrare.

Repetabilitatea şi precizia măsurătorilor au fost luată în considerare. Datele salvate din posturile C2 și A4 au fost apoi prelucrate cu ajutorul programului XLSTAT [4]. Datele cantitative obţinute pentru postura de tip C2 sunt prezentate în Tabel 4 iar pentru cea de tip A4 în Tabel 5. În statistică dispersia se referă la gradul de imprăștiere a valorile unui set de date. Cei mai frecvent folosiți indicatori ai dispersiei sunt varianța, abaterea standard și amplitudinea interquartilică.

Tabel 4 Date statistice pentru postura C2 Statistic Z1 Z2 Z3 Z4 Z5

Nr. observaţii 10 10 10 10 10 Minim 23,460 6,470 -35,110 -0,980 25,140 Maxim 24,130 8,170 -33,090 0,340 31,440 Prima quartilă 23,620 7,253 -34,423 -0,878 28,123 Median 23,755 7,660 -34,285 -0,500 28,790 A treia quartilă 23,900 8,028 -33,865 -0,215 30,638 Media 23,762 7,550 -34,134 -0,477 28,962 Varianţa (n-1) 0,050 0,371 0,369 0,192 3,796 Deviaţia standard (n-1)

0,223 0,609 0,607 0,438 1,948

Tabel 5 Date statistice pentru postura A4 Statistic Z1 Z2 Z3 Z4 Z5

Nr. observaţii 10 10 10 10 10 Minim 23,460 6,470 -35,110 -0,980 25,140 Maxim 24,130 8,170 -33,090 0,340 31,440 Prima quartilă 23,620 7,253 -34,423 -0,878 28,123 Median 23,755 7,660 -34,285 -0,500 28,790 A treia quartilă 23,900 8,028 -33,865 -0,215 30,638 Media 23,762 7,550 -34,134 -0,477 28,962 Varianţa (n-1) 0,050 0,371 0,369 0,192 3,796 Deviaţia standard (n-1)

0,223 0,609 0,607 0,438 1,948

Reprezentarea grafică a rezultatelor măsurătorilor

Iniţial, a fost aleasă o metodă grafică pentru a vizualiza rezultatele măsurătorilor (Fig. 6). Astfel, au fost folosite cele 10 rezultate pentru fiecare curbă individuală dezvoltată pe baza sistemului de ecuaţii rezolvat cu aplicația Maple. Au fost reprezentate coordonatele punctelor în care au fost poziționaţi senzorii inerțiali, coordonatele centrelor cercurilor și razele corespunzătoare. Datele obţinute au fost apoi utilizate pentru a desena în AUTOCAD cele 10 curbe (de culoare neagră), care sunt comparate cu o postură (culoare magenta) obținută folosind valorile medii de la senzorii inerțiali. Formele rezultate au fost comparate cu curba inițială trasată pe hârtie (culoarea albastră).

Evaluarea erorilor

Pentru a evidenția erorile de măsurare ale sistemul de monitorizare a coloanei vertebrale, curbele spline care reprezintă postura originală (culoarea albastră) și postura măsurată (culoarea magenta) au fost împărțite într-un număr egal de segmente (în acest caz, 20), pe baza ipotezei că lungimile lor totale sunt egale. Fiecărui punct de pe cele două curbe i se atribuie un index. Prin conectarea punctelor cu același indice, s-au obţinut mai multe segmente de linie. Lungimea acestor segmente a fost calculată folosind coordonatele punctelor Pm

i și Poi.

(a) (b)

Fig. 25 Postura C2 (a) şi A4 (b) folosite la măsurători



Pag. 16

Acești parametri reprezintă eroarea de măsurare a unei curbe cu sistemul de monitorizare a coloanei vertebrale (Fig. 27). După mai multe teste folosind echipamentul prezentat, s-a ajuns la concluzia că există o eroare constantă. Deoarece modelul matematic cuprinde ecuaţii care se rezolvă în cascadă, eroarea se propagă de la prima ecuaţie până la ultima. Astfel, a fost folosită o corecţie de 3% la valorile unghiulare măsurate de senzori, care au compensat eroarea. Forma generată de programul de simulare cu modelul matematic dezvoltat urmează îndeaproape curburile desenate pe

hârtie (Fig. 28). Având în vedere că procentul maxim de eroare este mai mică de 3%, se poate concluziona că modelul

matematic dezvoltat

reproduce cu succes curburile coloanei vertebrale și este potrivit pentru utilizarea în aplicații de

reabilitare medicală sau

monitorizarea posturii.

4.2 Evaluarea reacţiilor subiecţilor umani la stimuli mecanici externi vibratori

Scopul acestui studiu este de a analiza reacțiile subiecţilor umani la stimuli mecanici externi, în vederea determinării corespondenţei dintre localizarea stimulului mecanic vibrator de pe suprafaţa corpului uman şi reflexul subiectului. Acest studiu constă în montarea de buzzere vibratorii pe suprafaţa unui element de îmbrăcăminte (un tricou foarte elastic, lipit de corp), declanșându-le prin luarea în considerare a unui anumit algoritm și apoi urmărirea reacției subiectului, prin utilizarea dispozitivelor de urmărire optice (de exemplu, Kinect) sau prin observare liberă. Doisprezece buzzere vibratoare au fost atașate pe tricou, urmărind zonele mai sensibile ale corpului uman. Prin activarea buzzerelor vibratoare și prin cunoașterea reacției oamenilor la fiecare stimul, se poate dezvolta în continuare un algoritm care să poată oferi sugestii în fabricarea şi localizarea acestor stimuli în vesta sistemului SPINE. Pentru reacția la stimuli mecanici, corpul uman folosește simțul tactil, în colaborare cu nervii periferici. Practic, receptorii din piele detectează o schimbare a presiunii și transmite aceste informații către creier, unde este procesat. Aici, sistemul nervos periferic acţionează brusc, deoarece este responsabil pentru reacția automată și inconștientă în corpul uman.

Sistemul dezvoltat este alcătuit dintr-un controller Arduino, o placă de testare, cabluri de conectare, douăsprezece buzzere vibratoare și o cămașă pe care sunt atașate aceste buzzere (Fig.29) [5]. Programul software controlează declanșarea fiecărui dintre cele douăsprezece buzzere la un moment dat, într-o ordine aleatorie. Standul experimental este prezentat în Fig. 30.

Fig. 26 Reprezentarea vizuală a măsurătorilor obținute

Fig. 27 Curba spline originală

şi cea măsurată

Fig. 28 Eroarea măsurată



Pag. 17

S-a pregătit un scenariu, care a constat dintr-un număr de porniri / opriri ale diferitelor buzzere, anterior stabilite. Rezultatele au fost colectate și stocate în timpul scenariului, au fost analizate și prezentate sub forma de grafice, adăugând comentarii și concluzii. În urma experimentelor, pe baza concluziilor, se pot identifica zonele în care diferiți senzori pot fi instalaţi fără a afecta comoditatea subiectului. Influența buzzerelor, ce reprezintă reacțiile subiectului uman, au fost urmărite prin utilizarea echipamentului Kinect SDK 2. Tricoul utilizat a fost dotat cu doisprezece buzzere, montate ca în imaginea din Fig. 31.

Fig. 30 Stand experimental

Aceste poziţii au fost alese în mod subiectiv, luând în considerare zonele sensibile ale pielii. Aceste buzzere au fost declanșate în serii de două sau trei, în scopul de a reproduce cât mai realist posibil toate tipurile de interacțiuni. Buzzerele au fost împărțite în mai multe categorii, după cum urmează: 1-2-3-4 (mână și umăr stâng - denumite în continuare LHS); 5 și 6 (corp stânga - LB); 8 și 9 (corp dreapta - RB) și 10-11-12-7 (mâna dreaptă și umărul - RHS).

Fig. 31. Tricou cu buzzere

Fig. 32 Testare activare mâna stângă şi umărul stâng, urmărire cu Kinect

În continuare sunt prezentate rezultatele a patru teste efectuate cu senzorul Kinect. Observațiile vizuale au fost efectuate pe patru subiecți, cu vârste cuprinse între 23 și 25 de ani (M-3, F-1). Testele au fost efectuate o singură dată. În aceste teste, subiecţii au stat pe scaun. Reprezentarea reacția lor este descrisă mai jos.

Cazul 1 - mâna stângă și umărul stâng (Fig. 32). Există o diferență clară între poziția inițială şi finală, după declanșarea buzzerelor. Coloana vertebrală și mâna stângă s-au înclinat spre partea dreapta. Deasemenea, mâna stângă este mai aproape de corp în poziția de încercare decât poziția inițială, ceea ce confirmă încă o dată faptul menționat mai sus.

Un alt tip de observație a fost, de asemenea, realizat prin observația vizuală, folosindu-se acelaşi algoritm de producere a vibraţiilor ca şi la sistemul cu Kinect. Pentru acest prim caz, două tipuri de reacții au fost observate, având în vedere amploarea reacției. Pentru doi dintre cei patru participanți la studiu, a existat doar o mișcare

Fig. 29 Schema de funcţionare a sistemului de testare [5]



Pag. 18

neglijabilă (pentru observator uman) mişcând mâna stângă către corp (Fig.33). Se observă că poate fi declanșată multitudine de reacții, fiecare persoană testată având reacții diferite față de alții. În al doilea caz, o amplitudine mare a reacţiei a fost înregistrată o reacție de amplitudine mare cu o mișcare începând de la umăr și terminând la încheietura mâinii. De asemenea, a fost observată o mică mișcare a umărului spre în sus și în partea din spate.

Fig. 33 Reacţii LHS 1 şi 2

Fig. 34 Studii de caz

După patru determinări practice (Fig.34), se observă o diferență între cele trei rezultate prezentate anterior. Primul, de la senzorul Kinect, relevă o mică mișcare a coloanei vertebrale. Acest lucru nu a putut fi observat în mod clar de către observatorul vizual. Concluzia este că există cel puțin un efect slab al stimulului vibrator generat de

buzzere iar direcția principală a reacției corpului uman este spre partea dreaptă.

În același mod, cercetarea s-a desfăşurat şi în celelalte trei cazuri, unde s-au efectuat măsurători și observații exact ca și în primul caz prezentat. Reacțiile participanților sunt prezentate în Tabel 6. După înregistrarea reacțiilor umane la diferiți stimuli se observă că acești stimuli vibratori pot fi folosiţi pentru viitor în atenţionarea pacienţilor. Studii

suplimentare trebuie efectuate pentru a furniza declarații clare privind reacțiile exacte în condiții reale de încercări, în scopul de a cuantifica reacția prin măsurarea mișcării corpului uman după stimulare.

4.3 Testarea prototipului pe pacienţi

4.3.1 Scop şi obiective

Scopul realizării unui raport de încercări pentru sistemul de monitorizare al mișcărilor coloanei vertebrale este de a demonstra funcționarea echipamentului hardware și de a evalua gradul de confort resimțit de către participanții la teste.

Obiectivele specifice care trebuie îndeplinite la finalizarea raportului de încercări sunt următoarele:

Validarea funcționării echipamentului hardware utilizat pentru monitorizarea mișcărilor coloanei vertebrale;

Testarea interfeței de culegere a datelor;

Testarea interfeței de vizualizare 3D a coloanei;

Evaluarea gradului de confort resimțit de către participanți;

Evaluarea gradului de dificultate resimțit de către participanți în timpul unor sarcini;

4.3.2 Echipament şi metodologie:

Din punct de vedere hardware, pentru efectuarea încercărilor s-au utilizat următoarele:

sistemul de monitorizare al mișcărilor coloanei vertebrale prezentat în Fig. , bazat pe senzori inerțiali;

costum elastic;

laptop; cabluri USB pentru conectarea sistemului cu laptopul.

Tabel 6 Reacţiile participanţilor Participanţi P1 P2 P3 P4

Reacţia la LHS √ √ √ √

Reacţia la LB √ 0 0 √

Reacţia la RHRS √ √ √ √

Reacţia la RB 0 √ 0 √

Fig. 35 Echipament de monitorizare a mișcărilor coloanei

vertebrale



Pag. 19

Din punct de vedere software, pentru efectuarea încercărilor s-au utilizat următoarele:

aplicația software pentru culegerea datelor de la sistemul de monitorizare al mișcărilor coloanei vertebrale, prezentată în Fig.11;

aplicația software pentru vizualizarea 3D a coloanei;

editor text pentru verificarea conținutului fișierelor create de către aplicația de culegere a datelor.

P2 a asigurat coordonatorului de proiect un lot de subiecti, pacienti cu tulburari de statica vertebrala-cifoze dorsale, scolioze, sau tulburari asociate- cifoscolioze, care au probat prototipul : vesta cu senzori. S-a realizat un raport de incercari pentru sistemul de monitorizare al mișcărilor coloanei vertebrale al carui scop a fost « de a demonstra funcționarea echipamentului hardware și de a evalua gradul de confort resimțit de către participanții la teste. Metodologia care a fost urmată pentru desfășurarea încercărilor este următoarea.

1. Participantul primește declarația de consimțământ pentru a o citi și completa, dacă este de acord să participe.

2. Participantul primește vesta flexibilă pentru a o îmbrăca. Banda flexibilă cu șirul de senzori este atent poziționat de către medic / persoana responsabilă.

3. Utilizând interfața de culegere a datelor, participantului i se creează un profil. Aplicația înregistrează datele trimise de către sistem într-un fișier text ce are o structură predefinită, care permite procesarea acestora.

4. Participantul este instruit să facă anumite sarcini simple, precum: să meargă, sa facă o genoflexiune, să facă mișcări de flexie și extensie. În timpul realizării acestora, participantul evaluează nivelul de dificultate resimțit folosind un formular tip.

5. În urma executării sarcinilor, participantul completează un chestionar de evaluare a gradului de confort. 6. Testul s-a încheiat după verificarea fișierelor cu date și vizualizarea 3D a coloanei.

Pe baza informațiilor obținute, se evaluează ergonomicitatea sistemului de monitorizare a mișcărilor coloanei. În urma finalizarii raportului de încercari, în vederea îmbunătăţirii funcţionării prototipului, s-au propus urmatoarele:

un sistem de aplicare a senzorilor cu un coeficient de eroare mai mic (veste de diferite mărimi, cu sistem de fixare eventual pe piele prin banda adeziva) ;

materialele utilizate sa fie mai flexibile pentru a nu deranja confortul pacientului;

aplicaţiile software să poate fi accesate de pe orice dispozitiv electronic cu păstrarea confidentialităţii pacientului şi acces doar pentru medicul examinator;

testarea pe un numar cât mai mare de subiecţi, atât la momentul iniţial cât si dupa un interval de timp (3-4 zile) de utilizare

În vederea obţinerii unui contact cât mai bun între senzori şi corpul uman, s-au încercat diverse metode de poziţionare a echipamentului (Fig. 36). Utilizarea unui costum elastic pe corp (body elastic) care are un buzunar special conceput pentru banda de senzori a prezentat cele mai bune rezultate la momentul actual. Acest costum se îmbracă ușor și nu obstrucționează libertatea de mișcare a participantului, conform feedbackului obținut.

4.3.3 Concluzii privind testarea prototipului pe subiecţi umani

Echipamentul hardware utilizat pentru monitorizarea mișcărilor coloanei vertebrale a fost testat cu succes pe mai mulți participanți. Ansamblul alcătuit din senzori inerțiali, placă de dezvoltare și multiplexor I2C a fost conectat la un laptop printr-un cablu USB. Prin intermediul aplicației software de culegere a datelor s-au salvat datele de orientare provenite de la senzorii inerțiali. De asemenea, o funcție importantă a aplicației este de a calcula diverși parametri prin aplicarea modelului matematic.

Fig. 36 Testarea sistemului de monitorizare a coloanei pe subiecți umani

Datele obținute după aplicarea modelului matematic sunt utilizate de către interfața de vizualizare 3D a coloanei.



Pag. 20

Prin analiza răspunsurilor oferite de participanți la chestionarul de evaluare a gradului de confort și pe baza nivelului de dificultate resimțit în realizarea anumitor sarcini vom perfecționa designul sistemului de monitorizare a mișcărilor coloanei.

4.3.4 Comunicarea între pacient și medic

Sistemul cel mai eficient de comunicare intre pacient si medic este cel direct, aplicabil doar in cazul consultului medical initial sau al controalelor efectuate pe parcursul monitorizarii.

• La vizita initiala, pacientii examinati in cadrul proiectului au fost evaluati clinic subiectiv si obiectiv prin anamneza si examen clinic al aparatului locomotor. Au fost evaluate acuzele pacientilor: durere, disfunctionalitate la nivel vertebral si prin examenul aparatului locomotor s-au depistat tulburarile de statica vertebrala ale fiecarui pacient testat: cifoza dorsala, hiperlordoza secundara cervicala sau /si lombara, sau dimpotriva atenuarea acestor curburi ale coloanei cervicodorsolombare in plan sagital. S-au evaluat deviatiile in plan frontal: scoliozele la un singur nivel al coloanei (cervical, dorsal, lombar) cu sau fara curburi secundare, sau asociate. Examenul clinic s-a efectuat atat static cat si in dinamica, apreciindu-se accentuarea curburilor (scoliozelor) la anteflexie, de ex: semnul Adams, limitarea anteflexiei trunchiului, extensiei, rotatiilor sau inflexiunilor laterale precum si sindromul musculoligamentar: contracturile musculare paravertebrale sau hipotoniile.

• In cazul dispozitivului propus in cadrul proiectului SPINE, s-a stabilit ca feedbackul pacientului să se facă prin intermediul internetului, printr-o modalitate de comunicare cât mai simplă, utilizabilă de catre pacienţii de toate vârstele, utilizatori ai calculatorului sau telefonului mobil cu reţea de internet. Accesul la datele medicale trebuie sa fie strict confidenţial, doar pentru medic si pacient. Medicul ar trebui să poata comunica cu pacientul de pe orice dispozitiv electronic (smartphone, laptop, PC).

Se pot trage nişte concluzii cu privire la testarea echipamentului, din punct de vedere medical:

• dezvoltarea unui sistem inovativ de diagnostic si tratament al afecţiunilor coloanei vertebrale prin crearea unui dispozitiv capabil să măsoare în timp real poziția instantanee a coloanei vertebrale umane este necesara datorita prevalentei tulburarilor de statica vertebrala in populatia tanara, activa profesional. Acestea pot avea consecinte socio-economice importante prin dezvoltarea unor patologii care pot genera disfuncţionalitate si creşterea numarului de zile de incapacitate temporara de munca. Totodata stilul sedentar de viata, posturile incorecte la calculator timp indelungat, apanaj al societatii moderne, favorizeaza aparitia sau agravarea afectiunilor coloanei vertebrale si de aceea orice interventie capabila să depisteze şi să corecteze astfel de factori este binevenită.

• dispozitivul propus se înscrie în randul tehnologiilor de ultima generaţie fiind capabil să depisteze tulburarile de statica vertebrală, posturile incorecte si constientizarea acestora cu autocorecţia lor de către pacienţi.

BIBLIOGRAFIE

[1] Corazza, S., Mundermann, L., Chaudhari, A.M., Demattio, T., Cobelli, C., Andriacchi, T.P.: ‘A markerless motion capture system to study musculoskeletal biomechanics: visual hull and simulated annealing approach’, Annals of biomedical engineering, 34(6), pp.1019-29 (2006)

[2] Lu, T.-W., and O’Connor, J.J. ‘Bone position estimation from skin marker coordinates using global optimisation with joint constraints’, Journal of Biomechanics, 32, pp. 129–134 (1999)

[3] Maplesoft Technical Computing Software. Available online: http://www.maplesoft.com/ (accessed on 18 June 2016)

[4] Statistical software for Excel. Available online: https://www.xlstat.com/en/ (accessed on 23 June 2016).

[5] Bogdan, A.: Study concerning the driver reaction under surface mechanical stimuli, Master thesis, Transilvania University of Brasov (2016)

[6] http://intranet.tdmu.edu.ua/data/kafedra/internal/pedsurge/classes_stud/en/med/ptn/Pediatric%20orthopedics/5/01.htm [7] Roussouly P, Gollogly S, Berthonnaud E, Dimnet J (2005) Classification of the normal variation in the sagittal alignment of the

human lumbar spine and pelvis in the standing position. Spine 30(3):346–353 [8] Boos, N., The impact of economic evaluation on quality management în spine surgery, Eur Spine J (2009) 18 (Suppl 3):S338–

347,DOI 10.1007/s00586-009-0939-3 [9] Voinea, G. D., Postelnicu, C., Butnariu, S., Challenges Involved in the Design of an e-Health Application for a Wearable Scoliosis

Monitoring System, Volume 618 of the Springer Communications in Computer and Information Science series, 2016, DOI: 10.1007/978-3-319-40542-1_56

Date post:	19-Oct-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	2 times