OGGETTO DEL CORSO. Fornire ai partecipanti le nozioni di base sui principi di funzionamento dei sistemi di acquisizione dati in ambito motorio.

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1 1 LA GESTIONE E LA SCELTA DELLE NUOVE TECNOLOGIE OGGETTO DEL CORSO Fornire ai partecipanti le nozioni di base sui principi di funzionamento dei sistemi di acquisizione dati in ambito motorio.

2 Sistemi di acquisizione :: Generalità 2 Principio generale di funzionamento di un sistema di acquisizione ed elaborazione dati.

3 Sistemi di acquisizione :: Introduzione 3 I sistemi di acquisizione ed elaborazione dati vanno sempre considerati come degli strumenti di ausilio all'allenamento o alla ricerca scientifica e mai come elementi sostitutivi dell'operato dell'allenatore o del ricercatore. La validità dei dati ottenuti con questi sistemi è strettamente legata alla validità del test in senso scientifico. I test dovranno quindi soddisfare i criteri di affidabilità ed attinenza.

4 Sistemi di acquisizione :: Introduzione 4 Affidabilità fa riferimento alla riproducibilità del metodo nel tempo e nello spazio; il test deve essere standardizzabile; il test deve essere sensibile e specifico. La sensibilità e la specificità sono due misure che vengono rispettivamente impiegate per valutare la capacità di individuare, fra gli individui di una popolazione, quelli provvisti del «carattere» ricercato e quelli che invece ne sono privi. Attinenza fa riferimento alla significatività ed utilità del metodo per lo scopo che ci si è prefissati.

5 Acquisizione 5 Il primo elemento della catena di acquisizione dati è il sensore o trasduttore. Il trasduttore è un dispositivo in grado di rilevare una grandezza fisica di tipo qualsiasi (termico, luminoso, magnetico, meccanico, chimico,...) e di trasformarla (trasdurla) in una grandezza di altro tipo, generalmente elettrica (tensione o corrente). Il sensore differisce dal trasduttore per la presenza di uno stadio di elaborazione del segnale in grado di fornire in uscita un segnale elettrico normalizzato, direttamente proporzionale alla grandezza misurata ed il più possibile esente da errori.

6 Acquisizione > Trasduttori 6 Attraverso la trasformazione delle grandezze fisiche compiuta dai trasduttori, possiamo archiviare, elaborare e trasmettere a distanza le informazioni relative alla grandezza fisica originale rilevata. I trasduttori vengono solitamente classificati secondo tre diversi aspetti: attivi - passivi analogici - digitali primari - secondari

7 Acquisizione > Trasduttori > Classificazione 7 Attivi Dispositivi di trasduzione che derivano tutta "l'energia" in uscita, se ne emettono, dal fenomeno fisico di ingresso. Passivi Dispositivi di trasduzione che derivano tutta "l'energia" in uscita da una fonte di alimentazione esterna.

8 Acquisizione > Trasduttori > Classificazione 8 Analogici Dispositivi che presentano un segnale di uscita che può assumere più di due valori (livelli). Digitali Dispositivi che presentano un segnale di uscita che può assumere solo due valori (livelli).

9 Acquisizione > Trasduttori > Classificazione 9 Primari La grandezza di ingresso viene trasformata direttamente nella grandezza di uscita. [trasduttori di temperatura, trasduttori fotoelettrici, estensimetri, sensori di campo magnetico, potenziometri, sensori elettrochimici] Secondari La grandezza di uscita si ottiene dalla grandezza di ingresso in modo indiretto, ovvero la grandezza di ingresso viene convertita in una grandezza intermedia e quest'ultima viene poi convertita nella grandezza di uscita. [i sensori di forza, accelerazione e pressione (basati sugli estensimetri), sensori di posizione (basati sui sensori fotoelettrici e sui sensori di campo magnetico), i sensori di velocità, basati sui sensori di posizione]

10 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 10 I trasduttori o sensori sono caratterizzati da numerosi parametri: caratteristica di trasferimento linearità (linearity) portata (range) FSI (Full Scale Input) FSO (Full Scale Output) sensibilità (sensitivity) costante di tempo (response) isteresi (hysteresis) risoluzione (resolution) precisione (accuracy) zero deriva dello zero (zero drift) calibrazione (calibration)

11 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 11 Caratteristica di trasferimento È la relazione fra l'uscita e l'ingresso del trasduttore e può essere di tipo lineare, esponenziale, logaritmico, etc. Un buon trasduttore dovrebbe avere una caratteristica di trasferimento lineare. Linearità (linearity) È il parametro che evidenzia l'errore fra la retta che meglio approssima la caratteristica del trasduttore e la caratteristica stessa. Non vi è un metodo standard per tracciare la retta che fornisce la migliore approssimazione: alcuni considerano la retta che congiunge gli estremi della caratteristica nel range di lavoro, altri quella ricavata col metodo dei minimi quadrati.

12 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 12

13 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 13 Portata (range) È il campo dei valori della variabile di ingresso entro il quale sono garantiti la linearità e l'integrità del trasduttore. FSI (Full Scale Input) Rappresenta il massimo valore di ingresso che può essere applicato al sensore mantenendo un livello di precisione accettabile FSO (Full Scale Output) differenza algebrica tra i segnali di uscita misurati rispettivamente con i segnali di ingresso massimo e minimo.

14 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 14 Sensibilità (sensitivity) È il rapporto fra la variazione dell'uscita e la variazione dell'ingresso che la produce, cioè: S = U / I Un buon trasduttore deve avere una grande sensibilità (a piccole variazioni dell'ingresso devono corrispondere grandi variazioni dell'uscita) Se la caratteristica è lineare la sensibilità è la stessa in tutto il range di funzionamento, altrimenti cambia in funzione del punto di lavoro.

15 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 15 Costante di tempo (response) La costante di tempo T è il tempo necessario affinché l'uscita si porti entro il 63% del valore finale, nel caso in cui l'ingresso subisca una variazione brusca (segnale a gradino). La costante di tempo influenza la capacità del trasduttore a rispondere a sollecitazioni rapidamente variabili nel tempo. In particolare la massima frequenza sinusoidale applicabile al trasduttore senza che si abbia attenuazione apprezzabile è data dalla relazione: f max = 0.35 / T

16 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 16 Isteresi (hysteresis) Alcuni trasduttori presentano una caratteristica diversa a seconda se l'ingresso passi dal valore minimo al massimo o viceversa. Un buon trasduttore dovrebbe essere privo di isteresi.

17 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 17

18 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 18 Risoluzione (resolution) La risoluzione è il minimo valore del segnale di ingresso rilevabile dal trasduttore, riferito alla portata del trasduttore. Un buon trasduttore presenta una BASSA risoluzione (cioè può apprezzare segnali di piccolo valore riferiti alla portata del dispositivo). Precisione (accuracy) Misura in realtà l'imprecisione espressa come rapporto tra la massima deviazione tra il valore misurato dal sensore ed il valore reale.

19 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 19 Zero Si riferisce al punto di riposo del trasduttore, ovvero il valore dal quale iniziamo la rilevazione. È spesso conveniente regolare il valore di uscita al valore zero nella posizione di riposo del trasduttore. Deriva dello zero (zero drift) Durante l'uso, la posizione dello zero del trasduttore può variare di una quantità che è generalmente nota. Questa variazione può essere causata da diversi fattori quali: usura, temperatura, tolleranze della componentistica elettronica,...

20 Acquisizione > Trasduttori > Caratteristiche 20 Calibrazione (calibration) Prima dell'impiego pratico è sempre opportuno calibrare il sensore controllando la sua risposta ad un segnale di ingresso standard (segnale campione noto con certezza).

21 Acquisizione > Sensori per i test motori 21 Esistono numerosi sensori per test motori che si differenziano oltre che per la tipologia della grandezza fisica da misurare (distanza, accelerazione, angolo,...) anche per la tipologia costruttiva (ottici, resistivi, induttivi, capacitivi, magnetici,...).

22 Acquisizione > Sensori per i test motori 22 Oltre ai parametri descritti precedentemente, concorrono alla scelta del sensore le seguenti caratteristiche: minima interferenza con l'atleta ed con il suo gesto motorio; semplicità di utilizzo; affidabilità nelle più diverse situazioni ambientali. Sarebbe inoltre auspicabile che il dispositivo scelto fosse intercambiabile con altri prodotti da aziende diverse (questo implica la conoscenza delle caratteristiche tecniche);

23 Acquisizione > Esempi di sensori 23 Pedane o tappeti a conduttanza Rilevano il contatto a terra (trasduttore digitale). Vengono utilizzate prevalentemente nei salti verticali. Sono essenzialmente costituite da due conduttori elettrici separati da un distanziatore. Sotto il peso dell atleta, i conduttori entrano in contatto chiudendo un circuito elettrico.

24 24 Acquisizione > Esempi di sensori Pedane o tappeti ottici Rilevano il contatto a terra ed in alcuni casi anche la posizione del contatto in senso longitudinale. Vengono utilizzate prevalentemente nei salti in estensione. Sono essenzialmente costituite da un insieme di fotoemettitori che producono dei fasci di luce infrarossa a cui corrispondono dei fotoricevitori. L interruzione dei fasci luminosi chiude (o apre) dei circuiti elettrici. Foto OptoJump di Microgate

25 Acquisizione > Esempi di sensori 25 Encoder Rilevano la distanza o la posizione. Vengono utilizzati nei test che prevedono lo spostamento di carichi inerziali. Si dividono in: lineari, rotativi, a filo. Internamente possono essere realizzati come: ottici, resistivi o magnetici... Possono fornire al sistema di rilevazione un numero di impulsi proporzionale allo spostamento, oppure una rappresentazione numerica della posizione raggiunta (utili come elettrogoniometri).

26 Acquisizione > Esempi di sensori 26 Velocimetri Laser Rilevano la velocità del soggetto inquadrato. Vengono ad esempio utilizzati per rilevare la velocità delle palline da tennis.

27 Acquisizione > Esempi di sensori 27 Fotocellule Rilevano la presenza (o passaggio). Vengono utilizzate prevalentemente nei test di corsa. Sono essenzialmente costituite da un fotoemettitore che produce un fascio di luce infrarossa ed un fotoricevitore. L interruzione del fascio luminoso chiude (o apre) un circuito elettrico.

28 Acquisizione > Esempi di sensori 28 Accelerometri Sono sensori la cui grandezza d uscita varia proporzionalmente all ampiezza dell accelerazione del moto a cui sono soggetti. I tipi più comuni sono: piezoelettrici piezoresistivi a variazione capacitiva o effetto tunnel

29 Acquisizione > Esempi di sensori 29 Cardiofrequenzimetri Sono sensori in grado di rilevare la frequenza cardiaca in tempo reale. Il sensore vero e proprio è generalmente costituito da una fascia senza fili alimentata a batteria da indossare a contatto con la pelle intorno al torace. Questo sensore comunica generalmente con un apposito orologio da polso che quasi sempre incorpora altre funzioni tipiche di un orologio per lo sport.

30 Acquisizione > Esempi di sensori 30 Estensimetri Sono sensori in grado di rilevare piccole variazioni di lunghezza. Vengono comunemente impiegati per rilevare il movimento toracico o addominale dovuto alla respirazione.

31 Acquisizione > Esempi di sensori 31 Sensori per Gas Sono sensori in grado di rilevare la concentrazione di un determinato gas. In ambito sportivo si utilizzano prevalentemente sensori per ossigeno (O 2 ) ed anidride carbonica (CO 2 ). Esistono dispositivi portatili per l analisi del respiro che integrano diversi sensori.

32 Acquisizione > Esempi di sensori 32 Elettrodi per SEMG SEMG è l acronimo di Surface Electromiography, ovvero Elettromiografia di Superficie). Sono essenzialmente costituiti da conduttori elettrici in grado di rilevare il debole segnale elettrico emesso dai muscoli durante la loro attività e possono includere un preamplificatore di segnale. Gli elettrodi di superficie rendono possibile l'effettuazione di registrazioni in condizioni di sforzo sia statico che dinamico

33 Acquisizione > Esempi di sensori > SEMG NOTE SEMG E' generalmente consigliabile posizionare l'elettrodo (o gli elettrodi) in corrispondenza del ventre muscolare, ovvero dove si ottiene il segnale d'ampiezza più elevata a parità di livello di contrazione. Le UM (Unità Motorie) di cui è possibile registrare l'attività sono quelle situate entro un raggio massimo di 15 mm dagli elettrodi, in quanto il segnale registrato un'ampiezza inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente. La quantità di tessuto interposto tra la sorgente e gli elettrodi può attenuare le componenti ad alta frequenza del segnale, solitamente in modo proporzionale alla "profondità" dell'um. Nel caso di registrazioni effettuate su muscoli di piccole dimensioni o nel caso di errato posizionamento degli elettrodi, è possibile il sommarsi di contributi indesiderati generati da fibre attive di muscoli prossimi a quello in esame (fenomeno del cross-talk). Gianluca Spinatonda, L'elettromiografia di superficie, Scienza Riabilitativa,

34 Acquisizione > Esempi di sensori > SEMG 34 NOTE SEMG Nell'effettuazione di registrazioni in condizioni dinamiche (esercizi, test ergometrici, ecc.) vanno considerati gli effetti che il movimento può produrre sul segnale, quali le variazioni indesiderate di ampiezza dovute al movimento delle masse muscolari e alle variazioni della impedenza di contatto degli elettrodi, con conseguenti alterazioni del segnale EMG originale. Per ottenere segnali di buona qualità è sicuramente necessaria una considerevole pratica e un atlante specialistico che fornisca le necessarie indicazioni per il corretto posizionamento degli elettrodi. Gianluca Spinatonda, L'elettromiografia di superficie, Scienza Riabilitativa,

35 Acquisizione > Esempi di sensori > SEMG 35 SEMG :: Tecniche di registrazione Per il SEMG è possibile scegliere tra due diverse tecniche di registrazione: registrazione monopolare un elettrodo attivo in corrispondenza del muscolo da esaminare ed uno di riferimento su un punto neutro registrazione bipolare due elettrodi attivi posti ambedue sul muscolo esaminato. Questa tecnica offre una migliore immunità ai disturbi, benché nel caso di muscoli di piccole dimensioni sia di difficile impiego essendo meno selettiva di quella monopolare e richiedendo un'area per il posizionamento degli elettrodi maggiore. Gianluca Spinatonda, L'elettromiografia di superficie, Scienza Riabilitativa,

36 Acquisizione > Esempi di sensori > SEMG 36 SEMG :: Analisi del segnale Tra i diversi parametri calcolabili, quelli maggiormente impiegati sono: Ampiezza e valore quadratico medio o RIEMG: Sono parametri di ampiezza del segnale e sono utili per la loro stretta correlazione con la forza sviluppata; inoltre sono i più immediati indici di attività muscolare e possono essere impiegati per la stima del numero delle UM attive e per descrivere le modalità del loro reclutamento. Frequenza media e frequenza mediana: Sono parametri spettrali definiti come i descrittori statistici della distribuzione in frequenza delle componenti del segnale e vengono impiegati principalmente nello studio della fatica muscolare Velocità di conduzione delle fibre muscolari: E la velocità media alla quale il PUM (Potenziale di Unità Motoria) si sposta lungo la fibra muscolare e deve essere misurato con un'apposita strumentazione ed in condizioni di contrazione muscolare indotta elettricamente. Viene usato insieme ai parametri spettrali per la quantificazione dei fenomeni di fatica muscolare. Gianluca Spinatonda, L'elettromiografia di superficie, Scienza Riabilitativa,

37 Acquisizione > Timer 37 Durante l'acquisizione, le informazioni provenienti dal singolo sensore sono spesso prive di significato, è quindi necessario aggregarle a precisi riferimenti temporali (timestamp) provenienti da un timer (un orologio/cronometro contenuto nel dispositivo di acquisizione). Un comune cronometro sportivo costituisce da solo un sistema di acquisizione.

38 Acquisizione > Feedback 38 Il feedback (o retroazione) è la capacità del dispositivo di acquisizione dati di fornire informazioni all atleta durante l esecuzione del test. Il feedback può avvenire attraverso la generazione di segnali di vario genere (acustici, visivi, tattili, ). Il sistema del feedback può anche essere utilizzato per inviare all atleta dei segnali di sincronizzazione per test ritmici.

39 Acquisizione > Indagini Multifattoriali 39 Alcuni dispositivi* offrono la possibilità di aggregare diversi sensori così da poter effettuare indagini multifattoriali attraverso il rilievo simultaneo e l'elaborazione integrata di grandezze di varia natura (cinematica, dinamica, SEMG,...). * A titolo esemplificativo, il Muscle Lab 4000E di Boscosystem S.r.l. supporta l utilizzo contemporaneo dei seguenti sensori: un encoder per misurare la velocità di spostamento; un sensore di forza; un elettrogoniometro, per misurare le variazioni angolari e la velocità angolare; otto canali di EMG con preamplificatori; un accelerometro; un tappeto a conduttanza.

40 Acquisizione > Indagini Multifattoriali 40 Nei sistemi come il Musce Lab, I dati provenienti dai sensori sono gestiti da un apposita unità di acquisizione interfacciata tramite cavo seriale o USB con un personal computer (PC). La possibilità di alimentare questi sistemi a batteria li rende portatili se utilizzati con un PC notebook. Buona parte dell efficienza del sistema di acquisizione dipende dalla qualità e dalle caratteristiche del software di gestione. Il Muscle Lab, ad esempio, permette di misurare: Forza, velocità e potenza durante il lavoro muscolare dinamico; Resistenza muscolare e fatica; Forza Isometrica; EMG sincronizzata con il lavoro muscolare realizzato; Prestazione di salto (test di Bosco); Analisi biomeccanica delle prestazioni di sprint; Analisi biomeccanica della corsa in pista e sul tappeto scorrevole.

41 Elaborazione 41 I dati provenienti dai sensori (dati grezzi - raw data) confluiscono in un dispositivo che può procedere alla loro elaborazione automatica secondo modalità e tempi diversi: elaborazione in tempo reale (real-time) elaborazione a posteriori elaborazione promiscua L'elaborazione dovrà comunque avvenire in tempi contenuti ed i risultati dovranno essere di facile interpretazione (tabelle, grafici,...).

42 Elaborazione > Classificazione temporale 42 Elaborazione in tempo reale (real-time) I dati grezzi provenienti dai sensori vengono elaborati in tempo reale, dando così la possibilità al sistema di offrire un feedback durante l'esecuzione del test. La presenza del feedback consente all'atleta, l'allenatore o il ricercatore, di prendere dei provvedimenti durante l'esecuzione del test. Il feedback può essere di varia natura a seconda delle necessità: acustico, visivo, tattile,...;

43 Elaborazione > Classificazione temporale 43 Elaborazione a posteriori I dati grezzi provenienti dai sensori vengono registrati durante la fase di acquisizione e vengono elaborati solo in un secondo tempo. Elaborazione promiscua Una qualsiasi combinazione dei due metodi precedenti. È ad esempio possibile elaborare in tempo reale solo i dati necessari al feedback ed elaborare i dati rimanenti in un secondo tempo.

44 Elaborazione > Dati 44 Al fine di poter confrontare i nostri dati con quelli presenti nella letteratura internazionale, è indispensabile che i dati siano espressi secondo le unità di misura del Sistema Internazionale (SI - Système International d'unités).

45 Elaborazione > Dati > SI 45 Alcune unità di base dell SI lunghezza metro [m] Il metro è la distanza percorsa dalla luce nel vuoto durante un intervallo di 1/ di secondo. massa kilogrammo [kg] Il kilogrammo è l unità di massa pari alla massa del prototipo internazionale del kilogrammo conservato a Pavillon de Breteuil (Sèvres Parigi). tempo secondo [s] Il secondo è la durata di periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell atomo di cesio 133.

46 Elaborazione > Dati > SI 46 Alcune unità SI derivate angolo piano radiante [rad] (m m -1 =1) frequenza hertz [Hz] (s -1 ) forza newton [N] (m kg s -2 ) pressione pascal [Pa] (N/m 2 ) (m -1 kg s -2 ) energia, lavoro joule [J] (N m) (m 2 kg s -2 ) potenza watt [W] (J/s) (m 2 kg s -3 ) temperatura Celsius gradi Celsius [ C] (K)

47 Elaborazione > Dati 47 Se non esistono particolari limitazioni, è sempre auspicabile archiviare i dati grezzi provenienti dai sensori così da poter essere rielaborati in futuro a seguito di nuove scoperte o altri impieghi in campo scientifico.

48 Elaborazione > Grandezze derivate 48 Partendo dai parametri del test (es: peso atleta, entità del carico, angolo spostamento,...), dai dati grezzi provenienti dai sensori e dai relativi riferimenti temporali, è generalmente possibile calcolare un gran numero di grandezze derivate utilizzando le formule messe a disposizione dalla meccanica e non solo.

49 Elaborazione > Grandezze derivate 49 Pedana a conduttanza tempo di contatto [s] tempo di volo [s] altezza [m] energia [J] energia specifica [J/Kg] potenza [W] potenza specifica [W/Kg] elasticità [] tempo di reazione [s]

50 Elaborazione > Grandezze derivate 50 Encoder ottici posizione [m] distanza [m] tempo [s] velocità [m/s] velocità massima [m/s] forza [N] lavoro [J] potenza [W] potenza specifica [W/Kg] potenza massima [W] potenza massima specifica [W/Kg] tempo potenza massima [s]

51 Elaborazione > Base di Dati (database) 51 I dati di impostazione del test, quelli rilevati e quelli elaborati, unitamente con le informazioni che ne descrivono la natura (etichette), dovrebbero costituire una base di dati indipendente dal sistema che l'ha generata, così da poter essere trasmessa e riutilizzata in contesti diversi. Una base di dati costituisce spesso una risorsa strategica perchè più stabile nel tempo di altre componenti (processi, tecnologie, ruoli umani).

52 Elaborazione > Base di Dati (database) 52 Esiste quindi la necessità di organizzare i dati in una forma standard in modo che la gestione possa risultare: affidabile: garanzia di gestione e conservazione dei dati; efficiente: capacità di rendere produttive le attività dei suoi utilizzatori; efficace: utilizzo di risorse (tempo e spazio) accettabili per gli utilizzatori.

53 Elaborazione > Base di Dati (database) 53 I requisiti di affidabilità, efficienza ed efficacia possono essere facilmente soddisfatti attraverso l'adozione di uno dei tanti DBMS (Database Management System - Sistemi di Gestione delle Basi di Dati) esistenti, siano essi di tipo commerciale (DB2, Oracle, Informix, Sybase,...) o Open Source (MySQL, PostgreSQL,...). Purtroppo non sempre i produttori dei dispositivi di acquisizione/elaborazione dati sono sensibili a questa problematica, rendendo così più difficile il compito soprattutto a chi utilizza questi strumenti nell ambito della ricerca scientifica.

54 Elaborazione > Interscambio Dati 54 I formati di interscambio consentono di importare ed esportare dati da e verso una qualsiasi applicazione attraverso il passaggio per un formato comune ad entrambe gli applicativi. Alcuni sistemi commerciali consentono l esportazione dei dati in vari formati standard (CSV, Tab-Delimited Text, ). Questo è particolarmente utile se abbiamo la necessità di rielaborare i dati con strumenti software diversi da quello del sistema di acquisizione. Sarebbe comunque fortemente auspicabile l'introduzione di un formato standard di interscambio per dati provenienti da test motori basato su XML (Extensible Markup Language).

55 Elaborazione > Analisi 55 Per dare maggiore significato ai dati abbiamo spesso la necessità di metterli in relazione tra loro elaborando indici, statistiche e grafici. Sopratutto negli impieghi di supporto all'allenamento, è importante che il dispositivo di acquisizione offra un set minimo di strumenti di analisi (statistiche, grafici,...) che permettano un'immediata lettura del test.

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