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.
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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]
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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.
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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).
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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).
Parteneriate PN-II-PT-PCCA-2013-4, contract 227/2014
Sistem de diagnosticare şi terapie a afecţiunilor coloanei vertebrale Raport tehnic Etapa II
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)