Vibroarthrographic wearable device for non-invasive knee joint condition monitoring

The aim of the project is to develop a new wearable system in the field of e-health able to give information about the status of the knee articulation, evaluating Vibroarthrographic (VAG) signals. According to literature, only in the USA 26% of the population suffer from knee related problems. Subjects at risk are the elderly, sports people (both professional and non-professional) and sedentary people because of the weakening of the muscles that stabilize the articulation of the knee. Current diagnostic tools for the monitoring of the knee joint status include physical examinations, imaging studies (both X-ray and MRI imaging) and invasive tests such as arthroscopy. However, routine physical exams performed by the medical doctor are based on patient pain feedback and are thus subjective. Moreover, imaging procedures are costly and time-consuming for both patient and National Sanitary System. Also, it is known from literature that one-third of patients still suffer from pain after total or partial knee arthroplasty. In the case of prosthetic patients, however, due to the metal components of the prostheses, diagnosis through imaging techniques cannot be performed as they produce artifacts on CT images and make impossible an MRI scan. The developed technology is based on the use of differential pressure sensors attached to an amplifier bell. These sensors are opportunely placed on precise sites of the knee anatomy. The whole sensing system is then contained in a kneepad that guarantees simplicity to fit the device on every patient. Signal recording is carried out while the patient performs simple flexion/extension movements of the knee joint in a paced and active manner. VAG signals are then sampled by a microcontroller and sent to PC through WiFi, where a sonification algorithm is implemented to be able to reproduce the resulting crepitus sounds in real time. In order to comply with clinical data storage standards, input is saved in EDF format, which comprise both physiological data as well as patient information. Obtained data is processed to extract useful information that allows to clarify the condition of the subject, such as frequency components and statistical features of the signal. Scientific literature reflects that healthy and unhealthy patients have different VAG characteristics. Use of acoustical emissions as a means of quantifying the health of structures is common in other domains such as civil and aerospace engineering. VAG signals offer potentially valuable clinical information, although their use it is still not included in a clinical pipeline. In literature it is demonstrated that it has the potentiality to become a very useful tool for clinicians, like ECG, EEG or EMG. Here, we propose a preliminary but promising technological solution to solve the above-mentioned problematics with a non-invasive low-cost approach.

Lo scopo di questo progetto è sviluppare un nuovo sistema indossabile nel campo dell'e-health che sia in grado di fornire informazioni sullo stato dell'articolazione del ginocchio, valutando i segnali Vibroartrografici (VAG). Secondo la letteratura, solo negli Stati Uniti il 26% della popolazione soffre di problemi al ginocchio. I soggetti a rischio sono gli anziani, gli sportivi (sia professionisti che non professionisti) e le persone sedentarie; solitamente la causa si ritrova nell'indebolimento dei muscoli che stabilizzano l'articolazione del ginocchio. Gli attuali strumenti diagnostici per il monitoraggio dello stato dell'articolazione del ginocchio comprendono esami fisici, metodi di imaging (sia a raggi X che a risonanza magnetica) e test invasivi come l'artroscopia. Tuttavia, gli esami fisici di routine eseguiti dal medico si basano sul feedback del dolore del paziente e sono quindi soggettivi, mentre le procedure di imaging sono onerose per il Sistema Sanitario Nazionale e richiedono maggior tempo per essere effettuate ed esaminate; inoltre, dalla letteratura è noto che un terzo dei pazienti soffre ancora di dolore dopo artroplastica totale o parziale del ginocchio. Nel caso di pazienti protesizzati invece, a causa dei componenti metallici delle protesi, la diagnosi tramite tecniche di imaging non può essere eseguita poichè questi producono artefatti su immagini CT e rendono totalmente impossibile una scansione MRI. La tecnologia sviluppata si basa sull'uso di sensori di pressione differenziale collegati a un amplificatore a campana. Questi sensori sono opportunamente posizionati su siti precisi dell'anatomia del ginocchio. L'intero sistema di rilevamento è quindi contenuto in una ginocchiera che garantisce semplicità di adattamento del dispositivo ad ogni tipo di paziente. La registrazione del segnale viene eseguita mentre il paziente esegue semplici movimenti attivi di flesso/estensione dell'articolazione del ginocchio. I segnali VAG sono quindi campionati da un microcontrollore e inviati al PC tramite WiFi, dove viene implementato un algoritmo di sonificazione per poter riprodurre i suoni risultanti in tempo reale. Al fine di rispettare gli standard di conservazione dei dati clinici, l'input viene salvato in formato EDF, che unisce sia la raccolta dei dati fisiologici che le informazioni anagrafiche del soggetto. I dati ottenuti vengono elaborati per estrarre informazioni utili che consentono di chiarire le condizioni del soggetto, come le componenti di frequenza e le caratteristiche statistiche del segnale. La letteratura scientifica indica che soggetti sani e patologici hanno caratteristiche diverse di segnale VAG. L'uso delle emissioni acustiche come mezzo per quantificare la salute delle strutture è comune in altri settori come l'ingegneria civile e aerospaziale. I segnali VAG offrono informazioni cliniche potenzialmente preziose, sebbene il loro uso non sia ancora incluso in una pipeline clinica. In letteratura è dimostrato che ha la potenzialità di diventare uno strumento molto utile per i medici, come ECG, EEG o EMG. Con questo lavoro, proponiamo una soluzione tecnologica preliminare ma promettente per risolvere le problematiche sopra menzionate con un approccio a basso costo e non invasivo.