Etapa II 2015 - spine.unitbv.rospine.unitbv.ro/pdf/Raport_SPINE_2_2015...

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 II – 2015

Realizarea modelului digital şi al celui experimental pentru controlul

sistemului mecatronic de terapie

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

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

Pag. 2

Contents REZUMAT 2

1 SINTEZA CARACTERISTICILOR FUNCTIONALE ALE COLOANEI VERTEBRALE3

1.1 Specificații bio-mecatronice și de proiectare a dispozitivului ................................................................. 3

1.2 Cercetări antropometrice și dezvoltarea de standarde de proiectare ....................................................... 3

2 ELABORAREA MODELULUI DIGITAL ........................................................................ 5

2.1 Arhitectura aplicaţiei de diagnoză ........................................................................................................... 5

2.2 Sistem de monitorizare al scoliozei prin utilizarea de senzori inerțiali ................................................... 6

2.3 Proiectarea modelului geometric ............................................................................................................. 8

2.4 Determinarea erorilor de măsurare a posturii coloanei vertebrale utilizând senzori de poziţie (markeri)

9

2.5 Definirea arhitecturii aplicaţiei pe smartphone ..................................................................................... 11

3 REALIZAREA MODELULUI DIGITAL ......................................................................... 11

3.1 Modulul de achiziție a datelor de la senzori .......................................................................................... 11

3.1.1 Testarea senzorilor ........................................................................................................................ 11

3.1.2 Testarea controllerelor .................................................................................................................. 12

3.1.3 Testarea modulului de stocare locală a datelor ............................................................................. 13

3.1.4 Testarea modului de transmitere fără fir a datelor ........................................................................ 13

3.2 Dezvoltarea aplicaţiei software ............................................................................................................. 14

3.3 Module de ajustare a datelor antropometrice ........................................................................................ 15

3.3.1 Modulul VRML ............................................................................................................................ 15

3.3.2 Modulul MATLAB ....................................................................................................................... 16

4 PROIECTAREA SI REALIZAREA PROTOTIPULUI ................................................... 18

4.1 Prototip 1 ............................................................................................................................................... 18

4.2 Prototip 2 ............................................................................................................................................... 20

5 BIBLIOGRAFIE ................................................................................................................ 20

REZUMAT

Etapa II Realizarea modelului digital si al celui experimental pentru controlul

sistemului mecatronic de terapie

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 II

Activitate II.1 Sinteza caracteristicilor functionale ale coloanei vertebrale in modelarile

anterioare.

Activitate II.2 Elaborarea modelului digital

Activitate II.3 Realizarea modelului digital

Activitate II.4 Proiectarea si realizarea prototipului (Partial)

Rezultate R.II.1 Raport de analiză a stadiului actual SoA în vederea identificării soluțiilor specifice legate

de arhitectura, metodologiile și strategiile de control – realizat.

R.II.2.a Raport despre specificaţiile detaliate ale echipamentului: hardware și software –

realizat.

R.II.2.b Model funcţional – realizat.

R.II.3.a Raport despre componentele hardware ale dispozitivului medical – realizat.

R.II.3.b Tehnologie pentru parametrizarea modelului 3D al corpului uman – realizat.

R.II.3.c Tehnologie inteligentă pentru diagnosticare şi prescripţie medicală – realizat.

R.III.1 Prototip şi specificaţiile tehnice (partial) – realizat parţial.

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



Pag. 3

1 SINTEZA CARACTERISTICILOR FUNCTIONALE ALE COLOANEI

VERTEBRALE

1.1 Specificații bio-mecanice și de proiectare a dispozitivului

Studiul biomecanicii coloanei vertebrale impune două aspecte: statica şi dinamica. Armonia celor două

componente ale dinamicii coloanei vertebrale asigură coloanei premizele îndeplinirii principalelor funcţii: (i)

funcţia de susţinere - pentru a realiza şi menţine poziţia ortostatică; (ii) funcţia de protecţie – pentru protecția

structurilor neurale si vasculare, atât în stare de repaus cât şi în stare de mobilizare a coloanei vertebrale; (iii)

funcţia dinamică - pentru mobilizarea întregului corp în mediul înconjurător.

Statica si dinamica coloanei vertebrale sunt intercondiţionate atât pentru coloana vertebrală normală cât şi în cazul

celei afectate de diverse procese patologice. Coloana vertebrală leagă toate celelalte segmente, care alcătuiesc

trunchiul (toracele si bazinul) si tot de ea se articulează membrele superioare si membrele inferioare conferind

simetria corpului, direcţia de mişcare, dar şi mobilitatea şi stabilitatea corpului. Principalele mişcări executate la

nivelul coloanei sunt:

Mişcarea de flexie – în care porţiunea anterioară a discurilor intervertebrale este comprimată, în timp ce

ligamentul vertebral comun posterior, ligamentele galbene, ligamentele interspinoase, ligamentul supraspinos şi

muşchii spatelui sunt puşi sub tensiune. Muşchii care iniţiază mişcarea sunt cei ai peretelui abdominal in special

dreptul abdominal si cei doi oblici, psoasul iliac şi muşchii subhioidieni şi sternocleidomastoidienii.

Mişcarea de extensie– în care porţiunile posterioare ale discurilor intervertebrale sunt comprimate, în timp ce

ligamentul vertebral comun anterior este pus sub tensiune. Muşchii şanţurilor vertebrale, deci muşchii extensori,

sunt cei care iniţiază mişcarea, care apoi este controlată de grupul anterior. Mai intervin în extensie şi: spleniusul

capului, muşchii posteriori ai gâtului, interspinoşii şi muşchii sacrospinali.

Mişcarea de înclinare laterală – are maximum de amplitudine în segmentul dorsal. Muşchii în înclinare sunt:

pătratul lombelor, psoasul, intertransversalii şi dreptul lateral al capului. Mai pot interveni şi muşchii şanţurilor

vertebrale şi în special sistemul transverso-spinos, sternocleidomastoidianul (STM), scalenii, muşchii cefei,

trapezul, marele şi micul oblic abdominal.

Mişcarea de rotaţie -este maximă în regiunea cervicală. Coloana dorsală se rotează puţin şi numai dacă se înclină

şi lateral. Coloana lombară se răsuceşte când este în extensie. Muşchii care execută mişcarea sunt: oblicii

abdominali, intercostalii, sistemul spino-transvers al muşchilor şanţurilor vertebrale. Răsucirea de aceeaşi parte

se face prin: marele dorsal, spleniusul, lungul gâtului şi micul oblic abdominal. Răsucirea de partea opusă se face

prin: spino-transvers şi marele oblic abdominal.

Ca date de intrare pentru proiectare se consideră postura coloanei vertebrale corectă (fiziologică):

în plan frontal: linia forţei de gravitaţie, evaluată cu ajutorul firului cu plumb, trece de la rădăcina nasului,

prin mijlocul mentonului, mijlocul sternului, ombilic, prin simfiza pubiană, echidistant faţă de condilii

femurali la nivelul genunchilor şi între maleolele interne. Văzută din spate această linie trece de la

protuberanţa occipitală externă, prin şirul apofizelor spinoase, prin şanţul interfesier şi cade între maleolele

interne;

în plan sagital: verticala ideală pleacă de la tragus, apoi tangent la faţa anterioară a umărului, coboară puţin

anterior marelui trohanter, prin genunchi şi cade puţin anterior marginii anterioare a maleolei externe;

în plan orizontal: liniile biacromio-claviculară şi bicretală (la nivelul bazinului) trebuie să fie orizontale şi

paralele.

Uneori, abaterile de la statica vertebrală standard reprezintă forme de adaptare la diverse solicitări, uneori

excesive, viscero-rahidiene. Nu trebuie omise nici influenţele pe care le exercită asupra coloanei: greutatea

capului, a trunchiului, a membrelor superioare, dar mai ales răsunetul asupra coloanei a existenţei unei inegalităţi

(congenitale sau câştigate) în lungimea membrelor inferioare; uneori, aceste inegalitaţi nu sunt sesizate, dar

modifică statica bazinului şi, implicit, determină schimbarea poziţiei orizontale a platoului sacrat în plan frontal.

Consecinţele ce decurg de aici sunt: apariţia unei scolioze lombare inferioare, care va fi redresată în etajele

superioare ale coloanei, perturbând ortostatismul coloanei.

1.2 Cercetări antropometrice și dezvoltarea de standarde de proiectare

Având în vedere evoluțiile semnificative în domeniul științei calculatoarelor din ultimii 20-30 de ani, în special

în tehnologii hardware și software, s-a trecut în cele din urmă la un nou nivel de testare pe modele virtuale într-o

mulțime de domenii, care foloseau până în prezent metode de cercetare tradiționale și analogice pentru a determina



Pag. 4

modul în care funcționează organismul uman și care sunt caracteristicile sale. În acest fel, costurile de cercetare

și durata testelor au fost reduse și, în același timp, versatilitatea de testare a crescut, ducând la economii financiare

semnificative.

În ultimii ani au fost dezvoltate modele de analiză și instrumente software pentru diverse activități umane, cum ar

fi reconstrucția de accidente, biomecanica corpului uman, aplicații în ergonomie, medicină, sport și arte. Cu toate

acestea, testarea diverselor aplicații pe modele virtuale implică a muncă elaborată pentru dezvoltarea de modele

și validarea lor.

Crearea modelelor utilizate pentru testarea organismului uman se bazează pe diferite principii: modele multipunct

(formate din corpuri rigide cu mase conectate prin arcuri și amortizoare - 1D sau 2D), modelele multicorp (MBS,

elemente legate de diferite tipuri de articulații, prin care numărul de grade de libertate între elemente poate fi

constrâns, 2D sau 3D) și modelele cu elemente finite (în care corpul este divizat într-o serie de volume finite, 3D).

Notă: modelul multipunct poate fi considerat un caz particular al modelului multicorp.

Nr.

crt

Caracteristică tehnică Descriere

1 Sa nu afecteze poziția coloanei Sistemul/dispozitivul dezvoltat nu trebuie să conțină elemente care, prin geometria lor, să modifice poziția naturală a coloanei vertebrale.

2 Sa nu incomodeze pacientul Sistemul/dispozitivul dezvoltat nu trebuie să conțină elemente care, prin geometria lor, să incomodeze

subiectul în dezvoltarea activităților zilnice.

3 Sa nu prezinte riscuri de

electrocutare

În proiectarea dispozitivului de recoltare a datelor nu trebuie să existe elemente electronice care

înmagazinează curenți puternici și care prin descărcarea lor pot prezenta riscul de electrocutare. Dacă aceste elemente sunt absolut necesare sistemului acestea trebuie integrate în zona standard de protecție.

4 Sa nu conțină materiale care pot

dauna pacientului

Dispozitivul nu trebuie să conțină materiale care, prin structura lor sau prin variabilitatea structurii lor, să

dăuneze pacientului (componente din substanțe toxice, asimilabile de către corpul uman sau materiale care

degajă o cantitate mare de căldură atunci când se află în funcțiune).

5 Sa fie modular Componentele dispozitivului trebuie să fie astfel proiectate încât să asigure o portabilitate ușoară a acestuia și o asamblare facilă.

6 Ușor de echipat Dispozitivul trebuie să fie astfel proiectat încât să fie ușor de integrat într-un obiect de îmbrăcăminte, care

să fie ușor de îmbrăcat de către subiect.

7 Ușor de întreținut Dispozitivul nu trebuie să conțină elemente care necesită un timp îndelungat de mentenanță sau care să

necesite intervenția unei persoane cu un grad mare de specializare.

8 Capabil sa funcționeze pentru cel puțin 24 h continuu

Dat fiind că recoltarea datelor geometrice se va desfășura pe parcursul unei întregi zile de lucru, dispozitivul trebuie să prezinte o autonomie de cel puțin 24 de ore.

9 Sa poată comunica cu un

P.C./tabletă

La finalul zilei toate datele culese de către dispozitiv trebuie descărcate într-o bază de date, această

descărcare se va face wireless sau prin cablu de date spre un calculator sau alt dispozitiv electronic de

interfațare.

10 Sa conțină un mecanism de atenționare in cazul unei poziții

extreme

În cazul în care subiectul uman execută sarcini care necesită exercitarea de forțe mari asupra coloanei vertebrale(ridicări de greutăți mari, adaptarea de poziții spre limitele de flexare și flectare a coloanei

vertebrale), dispozitivul trebuie să fie capabil să semnalizeze aceste poziții cel mai probabil printr-un

semnal sonor.

11 Sa fie adaptabila oricărei coloane vertebrale

Această caracteristică poate fi atinsă și prin modularitatea sistemului și trebuie luată în considerare pentru a putea folosi dispozitivul indiferent de sexul, greutatea sau vârsta subiectului.

12 Sa fie proiectata in funcție de

diferite tipologii ale corpului

uman

Această caracteristică poate fi atinsă și prin modularitatea sistemului și trebuie luată în considerare pentru

a putea folosi dispozitivul indiferent de sexul, greutatea sau vârsta subiectului.

13 Sa fie ușor de manipulat Transportarea și depozitarea dispozitivului de colectare a datelor nu trebuie să ridice probleme.

14 Sa furnizeze date esențiale in timp util

Colectarea datelor din dispozitivul de stocare a dispozitivului trebuie să fie rapidă permițând în același timp acces mai rapid la metodele de diagnosticare a subiectului.

15 Sa comunice printr-o interfața

prietenoasa

Comunicarea între dispozitivul de colectare a datelor și utilizator trebuie să fie făcută prin intermediul

unei interfețe facile , ușor de înțeles și ușor de folosit de către orice operator.

16 Sa fie ușor de controlat Controlul dispozitivului de colectare a datelor nu trebuie să ridice probleme semnificative subiectului

uman care se folosește de acesta sau operatorului care descarcă și interpretează datele.

17 Să nu facă zgomot Nivelul de zgomot produs de către elementele discrete ale dispozitivului sau de alte dispozitive aflate în mișcare (ventilatoare, mijloace de stocare) nu trebuie să interfereze cu activitatea zilnică a subiectului.

18 Să fie stabil în funcționare Funcționarea dispozitivului nu trebuie să prezinte erori, nu trebuie să fie împiedicată de factori externi

naturali (modurile de defectare ale dispozitivului pot fi deasemenea prevenite prin folosirea tehnicilor

proiectării competitive-analiza FEMA)

19 Să aibă o baterie durabilă Dispozitivul trebuie prevăzut cu o baterie care să reziste la încărcări multiple și să aibă o descărcare cât mai mică în timp.

20 Să nu creeze alergii Dispozitivul nu trebuie să conțină materiale care în contact cu pielea pacientului sau în proximitatea

acesteia să degaje elemente care pot provoca disconfort.

21 Să semnalizeze descărcarea bateriei

Programarea dispozitivului trebuie astfel făcută încât să enunțe autonomia din punct de vedere electric a dispozitivului reducând riscul de a purta dispozitivul fără a recolta date.

22 Să detecteze erorile în

funcționare

Dispozitivul poate fii conceput astfel încât să monitorizeze starea componentelor electronice și mecanice

din care este alcătuit și să prevină ieșirea acestora din termenul de utilizare.

23 Să nu genereze radiații Dispozitivul trebuie să fie astfel conceput încât componentele acestuia să nu emită radiații (cel mai

probabil radiații termice) care să creeze disconfort subiectului uman.

Tabelul 1 Caracteristicile tehnice ale dispozitivului



Pag. 5

Modelul multi-corp este o metodă foarte eficientă pentru conexiuni cinematice complexe, cum sunt cele din corpul

uman. Metoda elementului finit poate descrie deformările structurale locale și distribuția forțelor, dar nu este

foarte atractivă pentru studii de optimizare ce

implică mulți parametri de proiectare. Cu toate

acestea, o opțiune care combină cele două metode

este considerată optimă.

Există mai multe abordări pentru modelarea

corpului uman în literatura de specialitate. Astfel,

există diferite modele identificabile ale corpului

uman sau ale anumitor părți ale acestuia.

S-a definit un set de caracteristici tehnice pe care

dispozitivul proiectat trebuie să le respecte,

urmând ca, mai apoi, să fie făcută o ierarhizare a

acestora în vederea stabilirii unei clasificări ale

priorităților de proiectare a dispozitivului. Pentru

a prioritiza caracteristicile tehnice ale

dispozitivului a fost utilizată metoda ingineriei

competitive - AHP (Analytic Hierarchy Process).

Elementele de ierarhizare pot fi alese în funcție

de orice aspect al factorului de decizie al

problemei (tangibil sau nu, măsurat cu atenție sau

aproximat, înțeles pe deplina sau neînțeles). În

momentul în care s-a definit ierarhia, s-a evaluat

sistematic diferitele elemente prin compararea

acestora două câte două, având în vedere

impactul lor asupra elementului situat deasupra

lui în ierarhie. În constituirea factorului de

comparație se pot utiliza date concrete despre

acestea, dar în același timp este implicată judecata factorului de decizie în ceea ce privește importanța şi

semnificația relativă a elementului.

În Fig. 1 este reprezentată o sortare a setului de caracteristici tehnice în funcție de importanța fiecărei caracteristici.

În urma ierarhizării a rezultat că cea mai importantă caracteristică a dispozitivului este de a nu afecta poziția

coloanei vertebrale, în timp ce cea mai puțin importantă caracteristică este aceea de a nu produce zgomot. După

cum se poate observa, pe locurile cele mai de sus ale ierarhizării, se află caracteristicile care definesc siguranța și

securitatea subiectului uman, set de caracteristici care este normal să constituie o prioritate în proiectarea

dispozitivului.

2 ELABORAREA MODELULUI DIGITAL

2.1 Arhitectura aplicaţiei de diagnoză

În Fig. 2 este prezentată schema generală a sistemului de diagnosticare a afecțiunilor coloanei vertebrale. Acest

sistem are la bază un element vestimentar (vestă), care este dotat cu senzori. Datele sunt achiziționate prin

intermediul unui controller, iar apoi sunt trimise mai departe pe un dispozitiv mobil (smartphone sau tabletă). De

aici, datele sunt trimise prin intermediul rețelei de telefonie mobilă către un server, de unde sunt preluate de medici

pentru stabilirea unui diagnostic. Deasemenea, informațiile recepționate de la senzori sunt folosite și de

dispozitivul mobil pentru a calcula poziția geometrică a coloanei vertebrale și pentru a-l avertiza pe utilizator în

cazul în care acesta are o postură necorespunzătoare.

Sistemul poate fi împărțit în două componente principale: partea utilizatorului și partea de investigație, diagnoză,

adică partea în care intervine medicul specialist. Aceste două componente vor fi explicate în detaliu în cele ce

urmează. În ceea ce privește utilizatorul sau pacientul, elementele principale ale sistemului sunt: vesta cu senzori,

unitatea de achiziție și control și dispozitivul mobil. Vesta este dotată cu diferite tipuri de senzori, care efectuează

măsurători necesare pentru reproducerea structurii cinematice a coloanei precum şi cu o serie de elemente capabile

sa genereze semnal haptic (Mini Vibrating Disk Motor).

Fig. 1 Sortarea caracteristicilor tehnice



Pag. 6

Unitatea de achiziție și control realizează

următoarele funcții: culege datele, le

stochează și trimite pachete de date prin

tehnologia Bluetooth către dispozitivul

mobil. Datele sunt stocate pe carduri de

memorie MicroSD, sub formă de fișiere cu

extensia .txt sau .csv. Pentru stabilirea

unității de control s-au testat următoarele:

Arduino Due, Teensy 3.1 și Intel Edison.

După achiziția datelor, sunt formate

pachete și transmise prin intermediul

rețelei 3G de telefonie către un server. În

cazul în care dispozitivul este conectat la

internet, datele sunt trimise prin rețeaua

WiFi.

Utilizatorul va primi și feedback în cazul

în care postura sa nu este corespunzătoare,

prin vibrații ușoare la nivelul vestei,

realizate prin mici actuatoare comandate de către controller. Există, deasemenea, o aplicație instalată pe

dispozitivul mobil, care este utilizată de către pacient pentru a primi informații și feedback vizual. Această

aplicație îndeplinește și funcția de stocare și transmitere a datelor primite de la senzori.

De cealaltă parte, terapeutul sau medicul utilizează datele primite de la pacient pentru a investiga starea coloanei

vertebrale a acestuia. Medicul dispune de o interfață cu utilizatorul, în care este afișat modelul 3D al coloanei

pacientului și informațiile de la senzori. Interfața are și rolul de a prelua datele de la server, iar autentificarea se

face pe bază de user și parolă. Deasemenea, aplicația permite transmiterea de diverse mesaje sau informații

pacientului, în funcție de constatarea făcută de medic.

Imaginile și informațiile grafice sunt oferite utilizatorului prin intermediul bibliotecii X3DOM, ce oferă un cadru

pentru integrarea și manipularea scenelor sau modelelor 3D ca elemente HTML, care sunt furnizate prin WebGL.

2.2 Sistem de monitorizare al scoliozei prin utilizarea de senzori inerțiali

Monitorizarea mișcărilor coloanei vertebrale reprezintă un aspect foarte important în procesul de recuperare

medicală al pacienților cu deviații ale coloanei. O deviație larg răspândită este reprezentată de scolioza, care constă

într-o curbură laterală de peste 10 grade Cobb a coloanei vertebrale.

Metoda standard pentru diagnosticarea scoliozei este prin intermediul radiografiilor 2D ale întregii coloane. În

cazul pacienților cu un unghi Cobb mai mic de 25 de grade (scolioza medie) se recomandă terapie fizică și vizite

periodice la medic pentru monitorizarea

progresului sau al regresului. Unghiul roll

corespunzător mișcării coloanei

vertebrale este prezentat în Fig. 4.

Pentru obținerea unui dispozitiv mobil

capabil să monitorizeze postura coloanei

vertebrale s-au folosit senzori inerțiali

montați pe un suport flexibil cu o formă

anatomică. Sistemele care au capabilități

de monitorizare și transmitere continuă a

datelor permit o mai mare varietate a

patologiilor ce pot fi urmărite de structurile de monitorizare la domiciliu, unde nu este suficientă o monitorizare

intermitentă. Furnizorii de servicii medicale ar putea asigura pacienților un nivel mai ridicat al calității vieții.

Soluția propusă este compusă din două componente: calibrarea sistemului și implementarea procesului de

recuperare. Aplicația pentru dispozitivul mobil are și rolul de a transmite periodic date către un server cloud, de

unde pot fi accesate de către terapeut.

Principalele aspecte care au fost luate în considerare în procesul de proiectare al unui sistem de monitorizare al

scoliozei sunt următoarele: calibrarea dispozitivului, metode de detectare și eliminare ale erorilor, eficiența

energetică, siguranța în utilizare, poziția senzorilor și reproductibilitatea rezultatelor. Arhitectura hardware (Fig.

Fig. 3 Arhitectura hardware

Fig. 2 Arhitectura hardware a sistemului de diagnosticare a afecțiunilor

coloanei vertebrale



Pag. 7

3) constă în unitățile senzoriale și unitatea centrală. Unitățile senzoriale sunt echipate cu un senzor inerțial cu 9

grade de libertate (DOF, Degree-Of-Freedom) LSM9DS0, un microcontroler eficient energetic MSP430F5x și un

adaptor ZigBee Pro.

Fig. 4 Reprezentarea unghiului roll al coloanei

vertebrale

Fig. 5 Sistemul de referință penru senzorii inerțiali (a) și

polilinia corespunzătoare (b)

Senzorul inerțial LSM9DS0 detectează o accelerație liniară cu un domeniu de măsurare selectabil între

±2g/±4g/±6g/±8g/±16g, dispune de un magnetometru cu o scala completă de măsurare de ±2/±4/±8/±12 gauss și

un senzor unghiular cu domeniul de măsurare cuprins între ±245/±500/±2000 dps (degrees per second – grade pe

secundă). Comunicarea se poate face prin intermediul protocolului I2C (Inter-Integrated Circuit) care suportă

modul standard sau rapid (100 KHz sau 400 KHz) sau cu ajutorul interfeței SPI (Serial Peripheral Interface). Alte

caracteristici includ o funcție de testare automată încorporată, un senzor de temperatură, posibilitatea activării sau

dezactivării accelerometrului și giroscopului sau trecerea în modul de funcționare de putere scăzută (power-down)

cu scopul obținerii unui management inteligent al puterii. Senzorul LSM9DS0 este un modul inerțial foarte

compact de tipul SiP (System-in-Package) cu dimensiunea de 4x4x1.0 mm.

Sistemul propus va utiliza patru unități senzoriale

care dispun de un filtru Kalman încorporat.

Giroscopul măsoară viteza unghiulară, care indică

cât de repede și pe ce axă se rotește dispozitivul.

Viteza unghiulară se măsoară în grade pe secundă

(dps) sau °/s. Accelerometrul indică cât de repede

se schimbă viteza dispozitivului și se măsoară în

general în metri pe secundă la pătrat (m/s2) sau în

raport cu accelerația gravitațională, în g-uri

(gravities, aproximativ 9.8 m/s2). Magnetometrul

poate măsura puterea și direcția câmpurilor

magnetice, iar unitatea de măsură utilizată este gauss (Gs). Scala de măsurare poate fi selectată între ± 2, 4, 8, or

12 Gs.

În ceea ce privește comunicarea cu senzorul inerțial, LSM9DS0, se poate opta pentru SPI sau I2C. SPI este de

obicei mai ușor de implementat, dar necesită mai multe fire, mai exact patru fire față de două, în cazul interfeței

I2C. În Fig. 6 sunt evidențiate elementele necesare pentru testarea unui senzor IMU, mai exact un senzor integrat

pe o placă ce permite conectarea la semnalele de comunicare și alimentare (breakout board) și o placă de achiziții,

care este conectată la un calculator.

Pentru a se detecta curbura laterală a coloanei vertebrale sunt luate în considerare doar datele corespunzătoare

axelor Y și Z. Următoarea ipoteză s-a folosit pentru calculul curburii: coloana se poate înclina doar pe plan frontal,

segmentele L1, L2 and L3 rămân constante, iar punctul P1 are o poziție cunoscută care nu se schimbă (P1 și P’1 au

aceleași coordonate). Pașii sunt următorii: (i) se citesc datele de la unitățile senzoriale, mai exact unghiurile α1,

α2, α3, α4; (ii) se calculează poziția punctelor P’2, P’3, P’4; (iii) se desenează o curbă de tip spline folosindu-se

Fig. 6 Senzor IMU conectat la o placă de achiziții de tip Arduino



Pag. 8

coordonatele calculate ale punctelor (Fig. 7). Pe baza poziției punctului P1 [y1, z1] și măsurând unghiurile

rotaționale în planul coronal ce corespund punctelor P’2 ... P’4, se poate calcula iterativ poziția următorului punct.

Coordonatele pentru punctul P’2 sunt date de relația următoare:

𝑦′2 = 𝑦1 + 𝐿1 ∙ 𝑠𝑖𝑛 ∝1 şi 𝑧′2 = 𝑧1 + 𝐿1 ∙ 𝑐𝑜𝑠 ∝1 (1)

iar pentru orice punct i:

[𝑦′𝑖𝑧′𝑖

] = [𝑦′𝑖−1𝑧′𝑖−1

] + 𝐿𝑖−1 ∙ [𝑠𝑖𝑛 ∝𝑖−1

𝑐𝑜𝑠 ∝𝑖−1], (2)

deoarece algoritmul este iterativ.

Există mai multe tehnici pentru fuziunea datelor, precum filtrele

complementare: un filtru trece-jos este aplicat semnalului provenit de la

perechea de senzori accelerometru-magnetometru și un filtru trece-sus

pentru semnalele de la giroscop; altă abordare include utilizarea

tehnicilor de estimare cu un singur cadru deterministic. Motivul pentru

care a fost ales filtrul Kalman este pentru că reprezintă o metodă validată

și bine documentată. Algoritmul calculează o estimare a orientării într-

un ciclu continuu de etape de predicție și corecție. Dezavantajul

măsurătorile realizate cu senzori inerțiali este dat de erorile care se

acumulează continuu fiind nevoie ca periodic să se refacă referința pentru

reducerea acestora. O etapă extrem de importantă este calibrarea

senzorior. Accelerometrul poate furniza măsurători lipsite de erori prin

detectarea vectorului de gravitate. Prin utilizarea senzorilor magnetici se

pot obține estimări ale poziției lipsite de drift. O metodă simplă de

calibrare a giroscoapelor presupune caracterizarea traductorilor în

condiții cunoscute, în acest mod obținându-se datele necesare pentru

formulele de corecție. O abordare de compensare liniară, care

gestionează deviațiile de prim ordin și erorile de scală, este suficientă pentru a atinge o eroare compusă sub 1%.

Magnetometrul nu poate fi calibrat de către producător pentru că liniile magnetice ale Pământului diferă în funcție

de zona geografică și se pot schimba în fiecare an. Datele de la magnetometru sunt influențate de către materialele

feromagnetice din apropiere, de către interferențele dintre câmpul magnetic și structura unui vehicul, materiale

magnetizate permanent și de către limitările tehnologice ale senzorului.

Un aspect important este găsirea de metode pentru ca sistemul să fie eficient energetic, astfel evitându-se

încărcarea bateriilor foarte des. Următoarele soluții au fost identificate:

utilizarea unui microcontroler cu funcții de management al puterii;

utilizarea inteligentă a senzorilor; se detectează mișcarea prin intermediul accelerometrului, după care

sistemul este inițializat;

minimizarea datelor transmise de către unitățile senzoriale prin funcții de extragere a caracteristicilor.

Datele în format brut sunt stocate local pe un card microSD și pot fi transferate printr-un cablu USB sau

fără fir atunci când unitățile senzoriale sunt încărcate;

unitățile senzoriale pot fi conectate prin fire la unitatea de achiziție, care dispune de o interfață fără fir

pentru a comunica cu un dispozitiv mobil sau laptop.

2.3 Proiectarea modelului geometric

A fost dezvoltat un model matematic pentru obţinerea formei coloanei pe baza unghiurilor citite de senzorii aflaţi

pe dispozitivul de tip vestă. În vederea calculării formei coloanei, au fost definite unele ipoteze de lucru:

tronsoanele deformate se aproximează cu arce de cerc, marcate cu roşu (Fig. 8); curba obţinută este tangentă la

axa OX la partea de început (superioară) şi la cea de sfârşit (inferioară).

Datele de intrare ale algoritmului de calcul sunt: p1, p2, p3 [rad] valorile unghiurilor măsurate de senzori obţinute

în urma procesării datelor de măsurare; l1, l2, l3, l4 [mm] - distanţele dintre senzori egale cu lungimile arcelor

între senzori. Rezultatele ce trebuie obţinute vor fi: (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3) şi (x4, 0) [mm] - coordonatele

punctelor de poziţionare a senzorilor (S1, S2, S3) şi, respectiv, a punctului final; curba asociată formei; valorile

indicatorilor specifici.

Fig. 7 Unghiurile măsurabile pentru

aproximarea curburii coloanei

vertebrale



Pag. 9

Pentru aflarea coordonatelor punctelor în care sunt

fixaţi senzorii se scrie un sistem de ecuaţii compus

din 13 ecuaţii cu 13 necunoscute: R1, R2, R3, R4,

R5, d1x, d1y, d2x, d2y, d3x, d3y, d4x, d4y. Soluţiile

acestui sistem se obţin în urma rezolvării cu

software-ul MAPLE. Cunoscând valorile

determinate cu relaţiile de mai sus se determină

coordonatele punctelor în care se poziţionează

senzorii, astfel construindu-se o curbă de tip spline

ce sugerează forma coloanei vertebrale la un

moment dat (Fig. 9).

2.4 Determinarea erorilor de măsurare a

posturii coloanei vertebrale utilizând

senzori de poziţie (markeri)

Poziția coloanei vertebrale poate fi estimată prin

urmărirea posturii corpului uman. Acest lucru se

poate realiza prin urmărirea cu sisteme optice,

utilizând markeri reflectorizanți fixați pe suprafața

corpului uman, astfel încât datele obținute pot fi

utilizate pentru a configura o postură a acestuia (Fig.

10). În studiile noastre, se pune întrebarea dacă la un

moment dat în procesul de mișcare a subiectului

poziția unui punct de pe suprafața corpului (urmărită

prin intermediul marker-ului) corespunde cu poziția ei inițială măsurată într-un sistem de referință fix atașat unui

punct de pe coloana vertebrală (de pe o vertebră a coloanei vertebrale).

Mai exact, se consideră că în timpul deplasării normale a corpului, datorită proprietăților elastice ale pielii, pentru

un punct situat pe suprafața corpului uman, caracterizat printr-o poziție inițială într-un sistem de referință fix,

poziția sa se va schimba în funcție de diferiți factori. Presupunem că acești factori sunt controlați de caracteristicile

intrinseci ale țesutului, dar și de amplitudinea mișcării corpului.

Întrebarea este dacă valorile de deformare ale țesutului exterior pot fi folosite pentru a estima flexia și extensia

coloanei vertebrale. Dacă acest lucru este posibil, atunci putem calcula un factor de corecție care să fie luat în

considerare atunci când va fi reconstruită postura coloanei vertebrale în funcție de urmărirea corpului uman.

Fig. 10 Postura umană măsurată folosind markeri

reflectorizanți

Fig. 11 Rotația relativă a vertebrelor

a.

b.

Fig. 12 Modelul țesutului exterior aflat în

contact cu coloanei vertebrale (a) și detaliu al

modelului multi-punct (b)

Fig. 8 Model geometric al coloanei vertebrale

Fig. 9 Curbă spline - forma coloanei vertebrale



Pag. 10

Deoarece markerii sunt lipiți direct pe piele și luând în considerare deformarea pielii în timpul mișcării, nu putem

considera o abordare rigidă pentru organele și suprafețe implicate. Pielea are o mișcare relativă la nivelul oaselor,

care se numește skin artifacts [1],[3],[6]. Această proprietate este principala sursă de erori în analiza mișcării

corpului uman folosind markeri reflectorizanți.

În ceea ce privește glisarea pielii la nivelul coloanei vertebrale, există două probleme principale care ar trebui

luate în considerare: skin artifacts și mișcarea relativă a articulațiilor coloanei vertebrale. În prezentul studiu s-a

optat pentru analiza unui segment foarte mic al coloanei de pe suprafața dorsală a corpului uman, în regiunea

vertebrelor toracice T1 ... T4. Totodată, s-a încercat simplificarea modelului de analiză, eliminând un număr de

posibile mișcări ale vertebrelor, una față de alta. Astfel, s-a considerat pentru acest studiu o singură rotație între

două vertebre adiacente (Fig. 11), în plan sagital (planul XZ, vezi Fig. 10). S-a analizat numai rotația în sensul

acelor de ceasornic între vertebre (Fig. 11, b), care provoacă întinderea pielii.Spre deosebire de alte aplicații, unde

alunecarea pielii poate lua valori extrem de mari (cum ar fi zona genunchiului) [2],[3] în studiul coloanei

vertebrale se consideră un model liniar. Proprietățile pielii vor fi modelate cu ajutorul unui sistem multi-punct de

arcuri și amortizoare, care va fi pus în mișcare datorită conexiunilor între vertebre.

Fig. 13 Poziția inițială (a) și finală (b) a sistemului multi-punct

Fig. 14 Deplasarea relative a

marker-ului, pe direcția x și z

În acest studiu s-a urmărit stabilirea unei metodologii de corectare a deplasării măsurate, obținute prin intermediul

sistemul de urmărire al coloanei vertebrale. Pentru aceasta, se consideră o porțiune a coloanei care constă din

primele patru vertebre toracice (Fig. 12, a). Țesuturile exterioare (pielea) au fost modelate cu ajutorul unui sistem

multi-punct, folosind două straturi de puncte.

În Fig. 12 este prezentată o poziție inițială a sistemului multi-punct. Pe suprafața exterioară a pielii considerăm

un marker M3 (vezi Fig. 1, marker-ul reflexiv atașată la nivelul pielii). Punctele P1, P2, P3 și P4 corespund

vertebrelor toracice T1, T2, T3 și T4. În timpul simulării, se consideră că aceste puncte rămân în contact cu

vertebrelor și mișcările acestor puncte sunt cunoscute datorită flexiei coloanei vertebrale cu unghiul (unghiul de

rotație relativ la axa Z, în planul XZ).

Simularea a fost efectuată presupunând că segmentul P1P5 rămâne fix; puncte P'1 și P'5 din Fig. 13, b (poziția finală

a sistemului multi-punct) sunt aceleași cu P1 și P5 din Fig. 13, a. Se presupune că în timpul flexiei coloanei

vertebrale, poziția relativă a punctului M3 față de P1 ... P4 se modifică.

Pentru a determina poziția punctului M'3 în timpul simulării, a fost măsurat lungimea segmentului P'4M'3 și unghiul

dintre segmentul P'4M'3 și axa x. Rezultatele obținute conduc la următoarele considerente: în timpul flexiei

coloanei se poate observa că există o deformare a țesutului, ceea ce determină o nouă poziție a marker-ului M3 în

sistemul de referință al vertebrei considerate.

Variația deformării țesutului are o tendință liniară, care se explică prin folosirea unui factor constant k. Pentru

aceste analize, valoarea factorului de amortizare c nu are nici o influență asupra rezultatelor.

Cunoscând coordonatele unui punct de pe suprafața pielii și știind că aceasta este o poziție aflată în relație cu

vertebra, coroborat cu valoarea de corecție a deplasării relative a punctului, se poate spune că este posibil să se

estimeze pozițiile vertebrelor în raport cu markerii externi.

0 2 4 6 8 10 1211.5

12

12.5

13

x [

mm

]

Rotation [deg]

0 2 4 6 8 10 126.6

6.8

7

7.2

7.4

7.6

7.8

8

8.2

8.4

z [

mm

]

Rotation [deg]



Pag. 11

2.5 Definirea arhitecturii aplicaţiei pe smartphone

Există și un alt mod de funcționare a sistemului și anume un mod de funcționare local, în care nu mai intervine

medicul 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. Dacă postura nu este respectată, pacientul primește un

stimul delicat de avertizare aplicat local, în zona vizată, avertizându-l să-şi corecteze postura. În plus, aplicația

instalată pe smartphone va putea adapta posturile prescrise, în funcție de răspunsul afecțiunii pe durata

tratamentului.

În acest caz, controllerul colectează și trimite prin Bluetooth doar niște unghiuri, măsurate de către senzori, iar

aplicația care rulează pe smartphone simulează mișcarea coloanei, afișându-o în interfața grafică. Modul de

funcționare este ilustrat în Fig. 15.

Fig. 15 Modul de funcționare local

Fig. 16 Arhitectura aplicației care rulează pe

smartphone

În Fig. 16 este prezentată schema bloc a aplicației de pe dispozitivul mobil. După deschiderea aplicației,

utilizatorul trebuie să se autentifice pe bază de user și parolă, urmând ca apoi interfața grafică să îi ofere informații

cu privire la corecția posturii. Autentificarea se va face o singură dată, la începutul utilizării. Este afișată o imagine

3D a coloanei vertebrale, cu indicații vizuale care sugerează zona în care coloana poate fi afectată din cauza

posturii necorespunzătoare. De asemenea, este oferit și feedback audio, prin semnale sonore de alertare pe

dispozitivul mobil în cazul în care pacientul nu își corectează postura. Feedback-ul audio este oferit numai când

ecranul dispozitivului mobil este închis, adică atunci când utilizatorul nu are posibilitatea să observe faptul că se

află într-o poziție necorespunzătoare. Informațiile vizuale și auditive sunt oferite după o anumită perioadă de timp

în care utilizatorul persistă în a avea o postură incorectă. Aplicația oferă și funcția de comunicare cu un server

aflat la distanță. Sunt trimise date la o anumită perioadă de timp prestabilită, și se primesc date de la server atunci

când sunt disponibile. De asemenea, indicațiile medicului completează informațiile grafice.

3 REALIZAREA MODELULUI DIGITAL

3.1 Modulul de achiziție a datelor de la senzori

S-au realizat teste şi s-au întocmit rapoartele de testare corespunzătoare pentru următoarele echipamentelor

hardware: senzorilor inerţiali; controllerelor; module de stocare locală a datelor; module de transmitere fără fir a

datelor.

3.1.1 Testarea senzorilor

Pentru testarea senzorilor inerțiali s-a realizat un dispozitiv ce permite poziționarea individuală a senzorilor

inerțiali la un anumit unghi prestabilit.



Pag. 12

Fig. 17 Suport de testare al senzorilor inerțiali

Fig. 18 Sistem pentru testarea senzorilor inerțiali

În Fig. 17 este prezentat echipamentul de testare, având senzorul inerțial Bosch BNO055 montat. Plăcile de

achiziție utilizate sunt Arduino Due, Teensy 3.1 și Intel Edison. Pentru testarea simultană a unui număr mai mare

de senzori inerțiali este necesară o placă de prototipare și un comutator / multiplexor I2C. În Fig. 18 este prezentat

ansamblul hardware utilizat pentru testarea a cinci senzori.

Caracteristică Bosch BNO055 MPU 9150 Flora LSM9DS0 AltIMU 10 v.4 MinIMU 9 V3

Accelerometru ±2g/±4g/±8g/±16g ±2g, ±4g,

±8g and ±16g

±2/±4/±6/±8/±16 g ±2, ±4, ±6, ±8, or ±16 g ±2, ±4, ±6, ±8,

or ±16 g

Giroscop ±125°/s to ±2000°/s

±250, ±500,

±1000, and

±2000dps

±245/±500/±2000 ±245, ±500, or

±2000°/s

±245, ±500, or

±2000°/s

Magnetometru ±1300μT (x-, y-axis);

±2500μT (z-axis)

±1200µT ±2/±4/±8/±12

gauss

±2, ±4, ±8, or ±12

gauss

±2, ±4, ±8, or

±12 gauss

Senzor de

temperatură

Da Da Da Nu, include un

barometru pe 24 biți

Nu

Dimensiune

[mm]

20 x 27 x 4 15.5 x 29 x 4 Diametru de

16mm,

Grosime 0.8mm

25.4 x 12.7 x 2.54 20 × 13 × 3

Comunicație HID-I2C / I2C /

UART

I2C SPI / I2C I2C I2C

Tensiune de

alimentare

2.4 V până la 3.6 V 2.4 V până la

3.46 V

2.4 V până la 3.6

V

2.5 V până la 5.5 V 2.5 V până la 5.5

V

Funcție de

economisire energie

Da, cu trei moduri de

funcționare

Nu Da Nu Nu

Cost [lei] 210 200 115 125 105

Tabelul 2 Comparație senzori inerțiali

Senzorul inerțial Bosch BNO055 dispune de o caracteristică unică, și anume funcția de auto-calibrare. Este un

senzor de orientare absolută care poate oferi date stabile ce nu suferă de erorile senzorilor inerțiali datorită

algoritmului integrat. Din punct de vedere al tensiunii de alimentare și al interfețelor de comunicare, senzorii au

caracteristici foarte similare.

3.1.2 Testarea controllerelor

S-au realizat teste preliminare cu toate cele trei plăci, în special cu Arduino Due și Teensy 3.1. Avantajul plăcii

Intel Edison este faptul că are Bluetooth integrat, deci nu necesită un modul separat. Din punct de vedere al

dimensiunii fizice, Teensy este cel mai mic, urmat de Arduino și apoi Edison.

Caracteristică Arduino Due Teensy 3.1 Intel Edison

CPU, Frecvență Atmel SAM3X8E ARM

Cortex-M3 CPU

MK20DX256VLH,

Cortex-M4

Dual-core, dual - threaded

Intel® Atom™ CPU

Frecvență 84 MHz 72 MHz 500MHz

Tensiune de alimentare 7-12V 4.5V to 5.5V 3.3V – 4.5V

Memorie flash 512KB 256 KB 4 GB

Memorie RAM 96KB 64 KB 1 GB

EEPROM Nu 2 KB Nu

DMA (Direct Memory Access) Da Da, pe 16 canale Nu



Pag. 13

Număr pini digitali Intrare / Ieșire,

Tensiune de alimentare

54 34 20

Număr pini analogici 12 21 6

Convertor digital-analog Da, rezoluție Rezoluție de 12 biți Nu

Interfață de comunicare USB; UART, I2C, SPI,

JTAG, CAN

USB, SPI, I2C, CAN,

I2S, UART

USB, I2C, SPI, UART + WiFi,

Bluetooth

Tabelul 3 Comparație plăci de achiziție și control

3.1.3 Testarea modulului de stocare locală a datelor

Datorită memoriei limitate de care dispun plăcile de achiziție, se folosesc carduri de memorie pentru extinderea

funcționalității acestora. Cea mai comună metodă constă în utilizarea unui adaptor de card micro SD (Secure

Digital) datorită dimensiunii reduse și posibilitatea comunicării folosind interfața SPI (Serial Peripheral Interface).

La momentul actual, capacitatea cardurilor de memorie poate varia de la zeci de megabytes (MB) la sute de

gigabytes (GB), iar alegerea unui card depinde exclusiv de necesitățile aplicației.

Schema de conectare adaptată aplicației de stocare locală a datelor este prezentată în Fig. 19. Placa de achiziție

Arduino are rol de master și adaptorul pentru microSD este slave, acesta din urmă având rolul doar de a salva

datele trimise prin linia de date MOSI (sau DI – Data In). În cazul în care masterul vrea să interogheze slave-ul,

de exemplu pentru a afla capacitatea sau conținutul cardului microSD, dispozitivul slave poate utiliza linia de date

MISO (sau DO – Data Out) pentru a transmite informațiile cerute.

Fig. 19 Schema de conectare a adaptorului la placa de

achiziție, de tip Arduino

Fig. 20 Ansamblul hardware utilizat

Pentru testarea și verificarea funcționalității modulului de stocare locală a datelor s-au folosit: placa de achiziție,

Arduino Due; adaptorul de card microSD Sparkfun microSD Transflash Breakout; un laptop care este conectat

la placa de achiziție printr-un cablu USB.

Astfel, componenta care a fost testată este modulul pentru preluarea datelor în aplicația locală cu toate

funcționalitățile aferente. S-au verificat următoarele: conectarea corectă a adaptorului de card microSD; afișarea

conținutului cardului; înregistrarea în timp real a datelor provenite de la un senzor inerțial.

În Fig. 20 este prezentat ansamblul hardware utilizat pentru testarea funcționalității. În varianta cea mai simplă,

senzorii unghiulari furnizează semnale analogice, respectiv tensiuni continue proporționale cu unghiurile de

rotație. Modelul propus achiziționează de zece ori pe secundă aceste semnale și stochează pe un SD card de mare

capacitate, astfel toate mișcările din cursul unei zile pot fi măsurate și stocate,după care se pot descarca și prelucra

în forma dorită.

3.1.4 Testarea modului de transmitere fără fir a datelor

Tehnicile de comunicație ce pot fi utilizate pentru transmiterea datelor în cadrul unui sistem portabil de

monitorizare a scoliozei sunt restrânse datorită tehnologiilor cu rază de acțiune limitată, acestea fiind reprezentate

de către standardele wireless (fără fir), infraroșu sau radio. Transmisia fără fir a datelor se poate implementa prin

diferite tehnologii, precum Bluetooth, ZigBee sau Wi Fi. ZigBee este un protocol bazat pe standardul wireless

802.15.4 ce are funcționalitate de rețea. Este utilizat în aplicații de managementul energiei, automatizări de

procese, rețele de senzori, clădiri inteligente. Tehnologia Bluetooth este una din cele mai răspândite tehnologii

de comunicație fără fir fiind prezentă în majoritatea dispozitivelor mobile (smartphone) care au apărut în ultimii

ani. Caracteristicile principale includ puterea mare de transfer a datelor, un consum scăzut de energie și o rază de

acțiune cuprinsă între 1m și 100m. Rețelele bazate pe Wi-Fi oferă cele mai mari rate de transfer pe distanțe mici,

fiind și una dintre cele mai rapide rețele fără fir, dar care oferă o mobilitate scăzută. Un alt dezavantaj pentru



Pag. 14

utilizarea tehnologiei Wi-Fi în aplicații mobile este consumul energetic ridicat. O scurtă comparație între Wi-Fi,

Bluetooth și ZigBee este prezentată în Tabelul 4.

Caracteristici ZigBee Wi-Fi Bluetooth

Durata bateriei (zile) 100 - 1000 0,5 - 5 1 - 7

Spectrul de frecvență (MHz) 868/ 915/ 2400 2400/ 5000 2400

Rată de transfer (kbps) 20-250 11000 – 54000 7200 - 1000

Consum energetic Mic Mediu Mic

Costuri Mici Medii Mici

Securitate 128 bit AES SSID 64 bit, 128 bit

Aplicații Monitorizare și control Web, Email, Video Înlocuirea cablajului

Tabelul 4 Comparație tehnologii fără fir

Transmiterea fără fir a datelor către

aplicația mobilă se va face prin intermediul

dispozitivului SparkFun Bluetooth Mate

Silver (Fig. 21); s-a demonstrat

capabilitatea de comunicare bidirecțională

între un smartphone și un laptop prin

intermediul unei plăci de achiziții de date

(Fig. 22).

3.2 Dezvoltarea aplicaţiei

software

Crearea unei aplicații software care va

avea ca date de intrare doar anumiți

parametri măsurabili ai coloanei

vertebrale. Acesta va conține un model 3D

parametrizat. Sistem integrat pentru

evaluarea inițială în deviațiile patologice ale coloanei vertebrale. implementare și simulare

Pentru a testa sistemul de evaluare a posturii coloanei vertebrale [9] în cazul deviațiilor patologice ale coloanei s-

a realizat diagnosticarea unor pacienți.

Prin palpare au fost descoperite cele 5 vertebre lombare, 12 vertebre toracale, vertebrele cervicale C7 și C6 și

reperele anatomice acromionul omoplatului stâng și omoplatului drept, unghiul superior al omoplatului stâng și

drept, spina iliacă posterioară superioară iar markerii au fost plasati pe aceste elemente. Se realizează 2 poze cu

pacientul în poziție ortostatică: o poză cu vedere posterioară, în plan coronal și o poză din profil stânga, în plan

sagital. Fotografiile se încarcă în programul imageJ, se calibrează și se adaugă elementele de interes după cum

urmează: (i) în plan coronal,

începând de la jumătatea distanței

dintre markerii ce delimitează spina

iliacă postero superioară, a fost

trasată o linie perfect verticală care

reprezită normala față de care se vor

calcula distanțele la care se află

markerii (Fig. 24); (ii) cu ajutorul

tool-ului Multi-Point, se adaugă

punctele de interes, în perechi: unul

pe normala trasată mai devreme și

unul pe markerii aferenți vertebrelor,

38 puncte în total; (iii) în plan sagital,

începând de la markerul asociat

vertebrei lombare L5, a fost trasată o

linie verticală care reprezintă

normala față de care se vor calcula distanțele la care se află markerii (Fig. 25).

Fig. 23 Schema bloc pentru întreg procesul de evaluare, de la plasarea

markerilor până la stabilirea diagnosticului

Fig. 21 Ansamblu hardware

utilizat pentru testarea

comunicației fără fir

Fig. 22 Captură ecran aplicație

UconnectHex cu scanarea de

dispozitive



Pag. 15

Fig. 24 Pacient – culegere date în plan coronal

Fig. 25 Pacient – culegere date în plan sagital

Fig. 26 Panoul secundar - documentație și afișarea

descrierii

Fig. 27 Forma coloanei vertebrale reconstruită a

pacientului

Cu ajutorul coordonatelor ce se extrag din imaginile realizate se obțin coordonatele punctelor asociate markerilor

în funcţie de normala trasată, ce vor fi folosite de aplicaţia dezvoltată (Fig. 26) pentru reconstrucţia coloanei

vertebrale (Fig. 27).

3.3 Module de ajustare a datelor antropometrice

3.3.1 Modulul VRML

Limbajul VRML nu este folosit doar ca un format de reprezentare a scenelor virtuale 3D deoarece permite

extinderea funcționalităților prin interemdiul unei interfețe software externe numită External Authoring Interface

(EAI). Pentru generarea automată a modelului virtual al coloanei a fost implementată o componentă software

externă programului Instant Player care permite conectarea la scena virtuală afișată și modificarea dimensiunilor

modelului virtual al coloanei în funcție de parametrii introduși pentru pacient. Parametrii utilizați pentru obținerea

modelului virtual 3D al colonei (înălțimea si vârsta pacientului) se introduc prin intermediul unei interfețe grafice

cu utilizatorul (GUI) compusă dintr-o fereastra de dialog ce conține controale text si butoane (Fig. 28). Utilizatorul

va introduce datele de intrare pentru fiecare pacient, se va conecta la mediul virtual prin intermediul interfeti EAI

apăsând butonul Conectare si apoi va apăsa butonul Generare pentru a obține in mod automat modelul virtual.

Arhitectura software a aplicației dezvoltate pentru generarea in mod automat a modelului virtual 3D al coloanei

este prezentată în Fig. 29. Platforma software prin intermediul căreia s-a dezvoltat componenta software de

obținere a modelului virtual al coloanei pacientului a fost .NET Framework. Avantajul acestui mediu avansat de

programare îl reprezintă posibilitatea de a dezvolta componente software, utilizând programarea orientată pe

obiecte precum şi utilizarea de standarde Extensible Markup Language (XML), Simple Object Access Protocol

(SOAP), Common Language Infrastructure (CLI). Mediul de dezvoltare ales a fost Visual C++ Express Edition

(http://www.microsoft.com/visualstudio/en-us/products/2010-editions/visual-cpp-express).



Pag. 16

Fig. 28 Interfaţa GUI a aplicaţiei dezvoltate pentru

generarea in mod automat a modelului virtual 3D al

coloanei

Fig. 29 Arhitectura software a aplicației dezvoltate

pentru generarea in mod automat a modelului virtual

3D al coloanei

Calculul noii dimensiuni al modelului

virtual al coloanei, fiecare vertex 𝑣 =(𝑣𝑥 , 𝑣𝑦, 𝑣𝑧) se va scala cu unvector de

scalare 𝑠 = (𝑠𝑥, 𝑠𝑦, 𝑠𝑧) pentru a obtine

noile coordonate a 𝑣′ :

[

𝑣𝑥′

𝑣𝑦′

𝑣𝑧′

]=[

𝑠𝑥 0 00 𝑠𝑦 0

0 0 𝑠𝑧

] [

𝑣𝑥𝑣𝑦𝑣𝑧] (4)

unde vectorul de scalare este obținut în

funcţie de parametrii pacientului

(înălțime, vârsta) comparativ cu o

valoare de referința. În Fig. 30 este

prezentat modelul virtual 3D ale

colonei obținute utilizând aplicația

software dezvoltată.

3.3.2 Modulul MATLAB

Pentru a putea reprezenta grafic coloana vertebrală trebuie definiţi parametrii sistemului. Primul pas în

determinarea parametrilor geometrici ai coloanei vertebrale este de a defini un sistem de referință față de care vor

fi raportați acești parametri. Punctul de referință al sistemului de coordonate a fost considerat apexul coccisului

iar parametrii vertebrelor sunt nominalizați începând de la coccis, ultima vertebră sacrală (S5) și terminând cu

prima vertebră cervicală (C1). Fiecare vertebră a fost definită ca având un punct central pentru a înlesni

reprezentarea coloanei vertebrale pentru că vertebra va fi reprezentată folosindu-se acest punct. Pentru fiecare

vertebră a fost definit un set de 8 parametri dimensionali:

Cp =[R[dx dy dz ] h α β γ d]. (3)

După ce au fost definiți aceşti parametri, s-a procedat la crearea unei aplicații software de detecție a defectelor

coloanei vertebrale folosind mediul de programare MATLAB (Fig. 31). Fereastra principală a aplicației este

constituită din îmbinarea a două modele a coloanei vertebrale. În partea stângă a ferestrei sunt reprezentați

parametrii ideali ai unei coloane vertebrale umane. Acești parametri sunt furnizați de către personalul medical pe

baza caracteristicilor pacientului (înălțime, greutate,sex și aspecte ale stilului de viață ale acestuia care ar putea

cere o anumită configurație a modelului ideal al coloanei vertebrale).

Toți parametrii sunt reprezentați sub forma unui tabel. Fiecare linie a tabelului reprezintă o vertebră, pentru

coloana cervicală vertebrele sunt reprezentate folosind denumirea C1 până la C7, pentru coloana toracică T1 până

la T12, pentru coloana lombară L1 până la L5 , pentru coloana sacrală S1 până la S5 iar ultimii parametri sunt

coordonatele coccisului, unde este situat sistemul de referință al aplicației.

Fig. 30 Model virtual 3D



Pag. 17

În partea dreaptă a ferestrei principale a aplicației este

plasat un tabel care conține parametrii coloanei vertebrale

reale personalizați după pacientul care se află în

investigații. Tabelul este populat cu date provenind de

dispozitivul special de monitorizare conceput pentru a

colecta date de la pacientul analizat. Sistemul de

monitorizare colectează date de la subiect pe o perioadă

de 24 de ore, cu ajutorul acestor date pozițiile greșite ale

coloanei vertebrale pot fi identificate și prin folosirea

protocolului medical pot fi sugerate poziții de corectare a

coloanei vertebrale. În mijlocul ferestrei principale este o

aplicație grafică reprezentând coloana vertebrală ideală

folosind parametrii din tabelul din stânga. Parametrii reali

ai coloanei vertebrale aflată sub investigație sunt

încărcați în tabelul din dreapta și are loc reprezentarea

coloanei vertebrale reale folosind același sistem grafic de reprezentare pentru a scoate în evidență diferențele

fizice între cele două reprezentări. Aplicația

prezintă, de asemenea, posibilitatea de a

modifica parametrii geometrici ai unei sau mai

multor vertebre pentru a observa modul în care

se schimbă curbatura coloanei vertebrale doar

prin modificarea unei valori axiale sau

angulare.

O altă caracteristică a aplicației este

posibilitatea de a roti sistemul grafic de

reprezentare în jurul axei verticale, pentru o mai

bună vizualizare a curbaturii coloanei

vertebrale.

Aplicația are, de asemenea, posibilitatea de a

crea o bază de date cu pacienții monitorizați.

După cum se poate observa în Fig. 33, pacientul

trebuie să furnizeze datele personale și câteva

informații adiționale furnizate de către doctor

pentru a ajuta la îmbunătățirea poziției coloanei vertebrale.

Scopul principal al aplicației este de a ajuta în diagnosticarea defectelor coloanei vertebrale. Pentru aceasta a fost

implementată o unealtă de diagnosticare (Fig. 34).

Fig. 33 Fereastra date pacient

Fig. 34 Unealta de diagnosticare

Această unealtă combină toate datele introduse de către medic cu datele furnizate de către sistemul de

monitorizare și datele pacientului. Obiectivul final al acestei unelte este de a analiza datele obținute și de ale

Fig. 31 Simulator coloană

Fig. 32 Modelul vertebrei



Pag. 18

compara cu o serie de parametri geometrici personalizați pe anumite defecte ale coloanei vertebrale (discopatii,

spondiloze, sindromul mușchilor scalieni, Lumbago, hernie de disc,scolioza, cifoza, etc.), această bază de date

poate fi populată cu alte deficiențe ale coloanei vertebrale. Aplicația îi permite utilizatorului să investigheze una

sau mai multe deficiențe în funcție de selecția pe care o face.

După ce a fost selectată deficiența care se vrea a fi analizată , operatorul apasă butonul de „Start Analyze” și

mecanismul aplicației va începe să compare datele ideale cu cele reale obținute de la sistemul de monitorizare. În

cazul în care unii dintre parametri sunt eronați, aplicația permite oprirea analizei și revenirea la fereastra principală

pentru corectarea acestor parametri, după care poate fi reluată analiza. Dacă operatorul nu este mulțumit de

rezultatele obținute (din cauza unor erori apărute) acesta poate repeta procesul de diagnosticare și poate șterge sau

salva rezultatele obținute. Dacă operatorul are nevoie să vizualizeze date provenind de la un alt pacient acesta

poate schimba pacientul și toate datele se vor modifica în funcție de pacientul selectat fără a fi nevoit să reintroducă

toate datele pacientului.

4 PROIECTAREA SI REALIZAREA PROTOTIPULUI

Principalele componente electronice necesare pentru realizarea sistemului de monitorizare a scoliozei pot fi

clasificate în două categorii: placă de achiziție și control (în Tabelul 3 este prezentată o scurtă comparație a

echipamentului disponibil); senzori inerțiali (în Tabelul 2 este prezentată o comparație a echipamentului

disponibil). Au fost realizate două sisteme – prototip de urmărire a corpului pacientului în vederea calculării

poziţiei coloanei vertebrale.

4.1 Prototip 1

Sistemul de monitorizare al scoliozei are următoarele componente: trei senzori inerțiali (MPU-9150), o placă de

achiziții de tip Arduino Due, un suport flexibil Kosmodisk, o placă de prototipare și diverse alte elemente necesare

pentru interconectare (Fig. 35).

Senzorul inerțial Sparkfun 9 DOF MPU-9150 este printre primele dispozitive de tip MEMS

(Microelectromechanical Systems) capabile să urmărească mișcarea, cu 9 grade de libertate. A fost proiectat să

fie eficient energetic, să aibă un cost redus

și să ofere performanțe ridicate. Este un

sistem în pachet (SiP – System in Package)

care combină două circuite: unitatea MPU-

6050 (care conține un giroscop pe 3 axe și

un accelerometru pe 3 axe) și un

magnetometru pe 3 axe, AK8975.

Unitatea inerțială MPU-9150 dispune de trei

convertoare analog-digitale (ADC-uri) pe

16 biți pentru digitizarea datelor

giroscopului, trei ADC-uri pe 16 biți pentru

datele accelerometrului și trei ADC-uri pe

13 biți pentru ieșirile magnetometrului. Pentru o urmărire mai precisă a mișcărilor rapide sau lente, dispozitivul

poate configurat astfel: giroscopul are o scală de măsurare de ±250, ±500, ±1000, și ±2000°/sec (grade pe

secunde); accelerometrul are o scală de măsurare de ±2g, ±4g, ±8g, și ±16g; magnetometrul poate detecta

±1200μT (micro-Tesla). Unitatea inerțială are o toleranță la șocuri de 10.000 g, filtre programabile de tip trece-

jos (low-pass) pentru giroscop, accelerometru, magnetometru și dispune și de un senzor de temperatură integrat.

Comunicarea dintre unitatea inerțială și placa de achiziții, Arduino Due, se face prin intermediul interfeței I2C.

MPU-9150 are două adrese selectabile, 0x68 sau 0x69, iar pentru conectarea a mai mult de doi senzori este necesar

un multiplexor / switch I2C. Totuși, Arduino Due are două interfețe I2C ceea ce înseamnă că se pot conecta direct

patru senzori.

Suportul Kosmodisk a fost ales datorită formei ergonomice și datorită efectului de stimulare al mușchilor cu efect

de reducere a tensiunii musculare. Unitățile inerțiale au fost atașate direct pe Kosmodisk, la o distanță de 20 cm

unul de celălalt. Sistemul este conectat printr-un cablu USB de un laptop, prin urmare poate fi utilizat doar într-

un cadru de lucru limitat. Greutatea sistemului de monitorizare este de 400 de grame și durează doar câteva minute

pentru acomodare.

Fig. 35 Sistemul de monitorizare a scoliozei



Pag. 19

Senzor Puncte slabe Compensare

Accelerometru - Măsoară accelerația totală (inclusiv

gravitația)

- Poate detecta forța gravitațională doar în

modul de repaus

- Giroscopul este utilizat pentru a separa accelerația dinamică de cea

statică

Giroscop - Efect de drift datorită erorilor la integrare

- Detectează doar schimbările relative

- Utilizează accelerometrul pentru a detecta poziția de repaus

- Utilizează datele de la magnetometru pentru a stabili poziția de

referință

Magnetometru - Sensibil la distorsiunile magnetice

- Incapabil să detecteze orientarea într-un

spațiu 3D

- Utilizarea giroscopului pentru a detecta distorsiunile magnetice, ceea

ce oferă o referință robustă

- Accelerometrul este utilizat pentru a compensa înclinarea în spațiul

3D

Tabelul 5 Caracteristicile unităților inerțiale

Fuziunea datelor este o tehnică care permite combinarea datelor de la diverși senzori pentru a oferi informații mai

precise și mai corecte. În cazul unităților senzoriale, fuziunea datelor are rolul de a combina datele de la

accelerometru, giroscop și magnetometru pentru a furniza unghiuri de orientare stabile și de încredere [7].

Fig. 36 Testarea statică a sistemului de monitorizare a

scoliozei

Fig. 37 Metodă utilizată pentru determinarea acurateței

statice

Motivele principale pentru care s-a ales algoritmul Madgwick sunt: nu necesită o putere computațională ridicată,

este eficient la o rată de eșantionare scăzută și conține parametri ajustabili [8]. Prima etapă a constat în testarea

sistemului într-o poziție statică, astfel determinându-se acuratețea statică a sistemului. Acuratețea statică

reprezintă deviația orientării măsurate comparativ cu orientarea reală a dispozitivului, în situația în care acesta are

o poziție stabilă. Au fost realizate măsurători pentru înregistrarea unghiurilor de orientare când senzorul era

poziționat pe o masă la diferite unghiuri. Acuratețea statică este influențată în principal de magnetometru și de

giroscop. Pentru a determina acuratețea statică a unghiului de orientare, sistemul a fost poziționat la un unghi α0

cu următoarele valori: : 0° ,5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30° and 35°. P0 este punctul de referință și rămâne static, în

timp ce Kosmodisk-ul cu senzorii inerțiali (reprezentați de punctele P1, P2 și P3) este poziționat la unghiurile

enunțate anterior.

În cadrul celei de-a doua etape, sistemul de monitorizare al scoliozei a fost testat pe un participant cu vârsta de 25

de ani. Datele înregistrate de la senzori au o deviație standard de 7.386, 7.423 și 7.415 pentru cei trei senzori. Deși

aceste date sunt consistente, este necesară o filtrare mai bună a semnalelor. O altă observație este că placa de

achiziție Arduino Due nu este recomandată pentru că nu dispune de o memorie EEPROM integrată necesară

pentru salvarea datelor de calibrare, ceea ce înseamnă că procesul de calibrare trebuie repetat la fiecare repornire

a sistemului.

Graficul din Fig. 39 a fost obținut prin aplicarea unui algoritm de mediere (Eq. 5) cu un factor de mediere α =0.1.

𝑠𝑡 = 𝛼 ∗ 𝑥𝑡 + (1 − 𝛼) ∗ 𝑠𝑡−1, 𝑡 > 0 (5)

unde: st – rezultatul aplicării algoritmului; 𝑥𝑡 – datele în format brut; α – factor de mediere, 0 < α < 1.

Participantul a executat o înclinare laterală, la stânga și la dreapta, cu o mici pauze între, pentru a evidenția unghiul

de orientare roll (vezi Fig. 4 ). Unghiul roll este reprezentat grafic în Fig. 39, unde se poate observa și calibrarea

inițială a magnetometrului (creșterea bruscă de la începutul seriei).



Pag. 20

Fig. 38 Sistemul de monitorizare a scoliozei montat pe

participant

Fig. 39 Unghiul de orientare roll după mediere

4.2 Prototip 2

Pentru simularea unui scenariu dinamic de

utilizare al senzorilor, aceștia au fost atașați pe

o vestă special concepută pentru sistemul de

monitorizare al scoliozei. Această vestă a fost

montată pe un schelet uman flexibil, care își

poate păstra poziția în care este înclinat.

În Fig. 40 este prezentat un prototip ce utilizează

senzorii inerțiali BNO055 (imaginea din stânga)

și senzorii inerțiali MPU-9150 (imaginea din

dreapta). Între senzori s-a lăsat o distanță de 10

cm, iar senzorii au fost atașați cu o bandă

adezivă cu scai. Dimensiunea și greutatea

senzorilor este neglijabilă în comparație cu

restul ansamblului hardware, care se află în

buzunarul lateral al vestei (special conceput

pentru acest scop).

5 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] Moltedo, M., and Sophie Sakka, S.: ‘Improving skin artifacts compensation for knee flexion/extension and knee internal/external rotation’, Proceedings of 2014 IEEE International Conference on Robotics & Automation (ICRA), Hong Kong, China, doi: 10.1109/ICRA.2014.6907565,

pp. 4825 - 4830 (2014)

[4] Sanders, J.E., Goldstein, B.S., and Leotta, D.F.: ‘Skin response to mechanical stress: Adaptation rather than breakdown—A review of the literature’, Journal of Rehabilitation Research and Development, 32, (3), pp. 13 (1995)

[5] Sholukha, V., Bonnechere, B., Salvia, P., Moiseev, F., Rooze, M., and Van Sint Jan, S.: ‘Model-based approach for human kinematics

reconstruction from markerless and marker-based motion analysis systems’, Journal of biomechanics, 46, (14), pp. 2363-2371 (2013)

[6] Wang, Y., Rahmatalla, S.: ‘Human head-neck models in whole-body vibration: effect of posture’, Journal of biomechanics, 46, (4), pp. 702-710

(2013)

[7] Nicholson, K., A. K. Jagadish, in: Sensor fusion enhances device performance, EDN Europe, www.edn-europe.com, Edition May (2015). [8] Bergamini, E., Ligorio, G., Summa, A., G. Vannozzi, A. Cappozzo, A.M. Sabatini, in: Estimating Orientation Using Magnetic and Inertial Sensors

and Different Sensor Fusion Approaches: Accuracy Assessment in Manual and Locomotion Tasks, Sensors (2014), 14, 18625-18649.

[9] Aldea, D., Sistem integrat pentru evaluarea inițială în deviațiile patologice ale coloanei vertebrale, Lucrare de disertaţie, Universitatea transilvania din Braşov, 2015

-10

0

10

20

30

40

1

33

65

97

12

9

16

1

19

3

22

5

25

7

28

9

32

1

35

3

38

5

41

7

44

9

48

1

Ro

ll [d

egre

es]

Number of samples

alpha=0.1

Fig. 40 Senzori inerțiali montați pe vestă, Bosch BNO055 (stânga) și

MPU-9150(dreapta)

Etapa II 2015 - spine.unitbv.rospine.unitbv.ro/pdf/Raport_SPINE_2_2015...

Documents

Transcript of Etapa II 2015 - spine.unitbv.rospine.unitbv.ro/pdf/Raport_SPINE_2_2015...