Il progetto DAPHNE si propone di sviluppare un sistema di dispositivi indossabili per analizzare e misurare le performance motorie di arti superiori ed inferiori.
Il dispositivo di misura della mano risulterà composto da moduli wireless a forma di anello che, indossati su una delle falangi delle dita, saranno in grado di misurare postura e movimento della stessa attraverso l’utilizzo di sensori inerziali triassiali quali accelerometro, giroscopio e magnetometro. La presenza del sistema completo a 9 assi consentirà infatti la mappatura del movimento nello spazio tridimensionale con una risoluzione in grado di percepire quello che l’occhio umano, e in particolare del medico, non è capace di rilevare. La gestione dei dati provenienti dai sensori sarà affidata a un microcontrollore dedicato ad alte prestazioni che permetterà di campionare il movimento ad elevate frequenze di lavoro. Ogni anello inerziale sarà provvisto di un modulo radio basato su protocollo di comunicazione Bluetooth, ZigBee o Wi-fi che consentirà la formazione di una rete locale senza cavi coordinata e sincronizzata. Ad ogni acquisizione i dati ,opportunamente trattati attraverso le tecniche base di filtraggio del rumore, verranno inviati verso una stazione di controllo (PC, tablet, smartphone) per una analisi in real-time delle performance motorie. La meticolosa progettazione elettronica e circuitale permetterà di conferire alla strumentazione le proprietà fisiche e funzionali tipiche di un sistema indossabile e quindi di garantire l’accettabilità dello stesso da parte degli utenti finali; un livello elevato di integrazione circuitale risulterà necessario attraverso l’utilizzo di componenti elettronici miniaturizzati e a basso consumo energetico, l’attenta progettazione e layout PCB con stampa su circuiti flessibili o rigido -flessibili, la dotazione di una batteria di peso e dimensioni appropriate nonché di un sistema di ricarica delle stesse integrato nell’anello sensorizzato. La progettazione elettronica dipenderà dalle scelte di design per ottenere un risultato ottimale sia da un punto di vista estetico che funzionale in termini di dimensioni, forma e materiali tenendo presente le indicazioni derivanti dagli studi di accettabilità e fattibilità.
Rappresentazione del dispositivo indossabile SensHand V2 e primo CAD degli anelli SensRing
Ogni unità inerziale sarà dotata di un firmware opportuno che verrà sviluppato per impedire la perdita di dati nonché per implementare tecniche di risparmio energetico necessarie per garantire un tempo di lavoro della strumentazione idoneo al suo utilizzo.
La presenza di ulteriori sensori per il rilevamento della temperatura, per la misura della distanza (sensori di prossimità) e della forza potranno essere integrati negli anelli per conferire agli stessi modalità funzionali disparate nonché la possibilità di avvicinare lo strumentazione alla simulazione reale
Il dispositivo che verrà sviluppato per misurare i parametri motori della camminata sarà costituito da un modulo unico indossato sul collo del piede attraverso una fascia o ancorato ai lacci delle scarpe e risulterà composto da una unità wireless alimentata a batteria e dotata di una sistema completo a 9 gradi di libertà e microcontrollore dedicato. La presenza congiunta della strumentazione su entrambi i piedi consentirà la formazione di una rete senza fili locale in grado di mappare completamente le performance motorie e ricostruire le capacità di deambulazione degli arti inferiori durante gli esercizi biomeccanici cui i malati di Parkinson sono sottoposti attualmente nei centri specializzati per la diagnosi e trattamento della malattia.
Rappresentazione del dispositivo indossabile SensFoot V2 e del dispositivo di misura della postura SensPosture
Analoghe considerazioni, relative a studi di design estetico e circuitale per garantire la piena indossabilità della strumentazione, verranno condotte congiuntamente agli studi di accettabilità e fattibilità tenendo presente le minori restrizioni progettuali del dispositivo grazie alla maggiore superficie su cui andrà collocato.
Un semplice dispositivo indossabile a forma di spilla sarà progettato per monitorare la postura dei malati di Parkinson durante le attività di vita giornaliere. Risulterà composto da un modulo inerziale a 9 assi e microcontrollore dedicato con la presenza di un feedback vibrazionale o sonoro per richiamare il malato a una postura corretta in caso di necessità. Alimentato a batteria, sarà prevista la presenza di un sistema di ricarica integrato e di un modulo radio per la trasmissione e ricezione di informazioni verso una stazione di controllo generica per la tracciabilità del comportamento del paziente.
Applicazioni per la rete mobile
In DAPHNE applicazioni web e per la rete mobile (mHealth) verranno sviluppate sull’analisi dei bisogni degli utenti finali (pazienti, staff clinico, caregiver formali o informali) coinvolti nei servizi di cura e assistenza. Differenti profili di utenza verranno previsti per consentire lo sviluppo di un sistema di telemedicina affidabile e personalizzato. Procedure di sicurezza e di riconoscimento tramite log-in saranno implementati per l’accesso alle funzionalità delle applicazioni che saranno gestibili attraverso interfacce di comunicazione differenziate in base al tipo di utente, ruoli e diritti di amministrazione. Uno studio di design verrà condotto nel rispetto dei criteri di accettabilità ed usabilità delle tecnologie per ottenere delle interfacce utente accattivanti e di effetto, ma al contempo affidabili e di semplice uso. Le applicazioni mobili o basate sui servizi web oltre a creare un collegamento diretto tra staff clinico e pazienti per la visualizzazione di dati prettamente clinici (ad esempio il risultato dei test biomeccanci eseguiti da remoto) rappresenteranno un canale di interazione sociale per la diffusione di informazioni utili ed eventi legati alla salute pubblica attraverso opportuni tool mediatici. I protocolli di comunicazione saranno una fusione tra Xtensible Messaging e Presence Protocol (XMPP), particolarmente adatto per la diffusione di messaggi istantanei, e Google Hangouts utilizzando l’approccio open source.
L’applicazione destinata al paziente proporrà inoltre l’utilizzo di un diario personale accessibile allo staff clinico in cui poter annotare le sensazioni personali, lo stato di salute psico-fisico e sarà suddivisa in cartelle (tipicamente Andorid APP widget) attraverso le quali poter accedere ai conigli utili del neurologo o dal personale medico riguardanti stili di vita sani, diete alimentari e feedback relativi all’esecuzione dei test biomeccanici. In particolare, sarà presente un calendario con le registrazioni di orari e date di esecuzione dei test già eseguiti o in programmazione con opportuni sistemi di controllo e remainder relativi all’assunzione dei farmaci e al corretto adempimento delle prescrizioni mediche.
Il linguaggio Web Ontology Language (OWL) potrà essere la soluzione ottimale, in quanto permette di rappresentare esplicitamente significato e semantica di termini e relazioni tra gli stessi ma anche di dedurre nuove informazioni o conoscenze per mezzo di processi di reasoning, ad esempio il pellet Reasoner che, scritto in Java ed open source, fornisce servizi standard e all’avanguardia per ontologie OWL.
DAPHNE con le applicazioni mobili potrà aiutare lo staff clinico nel monitoraggio dei pazienti negli stadi più gravi o durante particolari trattamenti farmacologici con maggiore assiduità e tempismo; il personale ospedaliero o i caregiver potranno inoltre essere allertati in condizioni di emergenza legate ai valori dei parametri fisiologici, al risultato dei test o alla mancata assunzione dei farmaci garantendo ai pazienti assistenza e una maggiore sicurezza.
Piattaforma Cloud
Il progetto DAPHNE prevede la diffusione di servizi attraverso applicazioni web e una piattaforma Cloud strutturata in tre livelli fondamentali ognuno dei quali dedicato a svolgere una macro funzione. In particolare, verranno definiti, progettati e implementati un Data-Layer, un Core-Layer e un Presentation-Layer. Il livello dei dati (Data-Layer) consentirà l’ implementazione di un archivio (database) per la collezione e persistenza dei dati definendo le modalità di salvataggio, accesso e gestione delle informazioni. Approcci open source per la gestione del database tipo MySQL e di accesso ai dati , ad esempio JDBC, verranno presi in esame. Il Data-Layer consentirà a pazienti e staff clinico di accedere a dati relativi ai test biomeccanici eseguiti consentendo la valutazione dell’efficacia del trattamento terapeutico e il tracciamento del decorso della malattia per ogni soggetto.
Il livello principale (Core-Layer) permetterà di processare i dati attraverso l’implementazione di algoritmi intelligenti (reasoning) che siano in grado di aggregare i dati e restituire una misurare della malattia di Parkinson. I dati da processare saranno resi disponibili dall’integrazione delle tecnologie indossabili per mezzo di applicazioni dedicate all’interfacciamento (API) con i dispositivi esterni all’architettura. Il Core-Layer si baserà sull’utilizzo di una applicazione server, cioè di una piattaforma software che consenta l’esecuzione di applicazioni web come, ad esempio, Apache Tomcat.
Il livello di presentazione (Presentation-Layer) definirà le modalità di visualizzazione con cui le informazioni verranno rese disponibili agli utenti mediante un approccio di tipo lato-server (ad esempio Java Server Pages) e l’implementazione di un sito web.
