Implementazione e validazione di un sistema indossabile per la valutazione funzionale del rachide cervicale e delle patologie correlate

Wearable system have been paying particular attention in recent years, due to the great development of Information Technology (IT) and the continuous spread of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) technology, which facilitated the process of miniaturization of the so-called “smart sensor”. This evolution, which is part of the much wider context known as Internet of Things, has led to the definition of the current technological era as the wearable age: the purpose is to bridge the existing gap between the physical and physiological human world and the electronics virtual world, relying on the potential of the wireless communication and the control technology. In the biomedical context, wearable systems are thought to be the technology able to continuously monitor the patient’s health condition and provide relevant information to the user and medical staff because they can work far from the conventional healthcare environment: home, workplace, everywhere in the daily life. Nowadays, validation and medical certification are the main problems for using the wearable systems as preventative, diagnostic and therapeutic tools. The aim of the present work is to validate the Notch wearable system (Notch Interface Inc, New York, USA) while performing the functional evaluation of the cervical spine: the purpose is to provide a simple clinical tool for the assessment of the Whiplash Associated Disorders (WAD). Notch is a wearable system able to record, analyse and represent kinematic data, designed to improve the movement technique and performance and to reduce the injury risk. The optoelectronic system was used to validate the wearable technology while performing the three tests of the experimental protocol: • validation on a set of movements for the functional assessment of the head-trunk joint, i.e. flexion-extension and lateral bending movements; • validation on the same movements with the use of a metronome, set to a frequency of 1 Hz; • validation on functional evaluation protocols of the head-trunk coordination, while performing the common stepping test of the 3D digital CranioCorpoGraphy (3D dCCG). The results of the validation procedure are the following: (i) good accuracy in the kinematic reconstruction of the flexion-extension movement; (ii) medium accuracy in the reconstruction of the lateral bending motion; (iii) the reconstruction of the axial rotation of the head has not been evaluated because the Notch sensors doesn’t return that kinematic data. Due to this limitation, the validation of the wearable system on the protocol of the head-trunk coordination, was performed just on the axial rotation of the chest: the difference between the angular decomposition performed by the optoelectronic system and that one of the inertial sensors was significant in most cases. This error is due to the drift in the kinematic reconstruction of the axial rotation made by the Notch wearable system.

I sistemi indossabili hanno guadagnato particolare attenzione negli ultimi anni, soprattutto grazie al grande sviluppo dell’Information Technology (IT) e alla diffusione della tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) che ha facilitato il processo di miniaturizzazione dei cosiddetti “smart sensors”. Questa evoluzione, che si inserisce all’interno di un contesto ben più ampio e noto come Internet of Things, ha portato a definire l’attuale era tecnologica come l’era del wearable: la finalità applicativa è quella di colmare il gap esistente tra il mondo fisico e fisiologico dell’uomo e quello virtuale dell’elettronica, sfruttando le potenzialità della comunicazione wireless e la tecnologia del controllo. All’interno del contesto biomedico, i dispositivi indossabili sono considerati la tecnologia in grado di effettuare un monitoraggio su base continua delle condizioni di salute del paziente, fornire informazioni rilevanti all’utente e al personale medico, svolgendo la loro attività in contesti che si discostano dalla concezione convenzionale di assistenza sanitaria: domicilio, luogo di lavoro, la quotidianità in generale. La validazione e la certificazione medica rappresentano, allo stato attuale, gli ostacoli principali all’affermazione dei dispositivi indossabili quali strumento sanitario a fini preventivi, diagnostici e terapeutici. Scopo di questo lavoro è la validazione dell’accuratezza e dell’affidabilità dei sensori indossabili Notch (Notch Interface Inc, New York, USA) durante la valutazione funzionale del rachide cervicale: l’obiettivo è fornire uno strumento clinico dalla semplice applicazione in grado di indagare le eventuali limitazioni funzionali conseguenti a episodi da colpo di frusta. Notch è un sistema wearable che permette di registrare, analizzare e visualizzare dati cinematici, concepito per migliorare la tecnica di movimento, le performance e ridurre il rischio di infortuni. Il sistema optoelettronico, considerato in questo lavoro come il riferimento gold standard, ha permesso la validazione della tecnologia indossabile sulla base delle tre prove che hanno caratterizzato il protocollo sperimentale: • validazione su movimenti di analisi dell’articolarità testa-tronco, ovvero movimenti di flesso-estensione e di bending laterale; • validazione sugli stessi movimenti visti al punto precedente con l’utilizzo, questa volta, di un metronomo, impostato ad una frequenza di 1 Hz, a dettare la velocità d’esecuzione dei movimenti; • validazione su protocolli di valutazione funzionale della coordinazione testa-tronco, ovvero valutazione della rotazione relativa di testa e tronco durante l’esecuzione di uno stepping test sulla base di quanto previsto dall’esame della CranioCorpoGrafia digitale 3D. Al termine della procedura di validazione è stato possibile constatare le seguenti evidenze: (i) buona accuratezza nella ricostruzione, dei dispositivi inerziali, del movimento di flesso-estensione; (ii) media accuratezza nella ricostruzione del movimento di bending laterale; (iii) non è stata valutata la ricostruzione del movimento di rotazione assiale della testa data la mancanza dello specifico dato cinematico, non restituito dai sensori Notch. Considerando questa grande limitazione, la validazione dei dispositivi indossabili sui movimenti per la valutazione della coordinazione testa-tronco è stata condotta prendendo in esame la rotazione del solo torace: la differenza tra la decomposizione angolare praticata dal sistema optoelettronico e quella relativa ai sensori inerziali è risultata significativa nella maggior parte dei casi analizzati. La natura dell’errore è da attribuire al drift che caratterizza la ricostruzione cinematica della rotazione praticata dai sensori indossabili.