12 e 13 Aprile 2022, BolognaFiere

Creare strumenti per misurare l’impatto

Ispirato alla Wearable Design Challenge “Sudden Impact” di element14, questo è il secondo di una serie di post, in esclusiva italiana per Fortronic/A&v Elettronica, che esplorano le sfide insite nel creare dispositivi medici indossabili.

La sfida “Sudden Impact” è in pieno svolgimento e i nostri partecipanti sono impegnati a studiare una miriade di diversi sport attraverso svariati dispositivi dal design innovativo. Le lesioni alla testa e i traumi interni sono ancora due degli argomenti più trattati dai ricercatori e dal personale medico, ma come possono i progettisti misurare il vero “impatto” di queste lesioni? Come possiamo definire il concetto stesso di impatto e stabilirne i limiti? Queste sono solo alcune delle domande a cui i nostri partecipanti sono chiamati a rispondere prima di poter iniziare a trasformare le loro idee di design in realtà.

I finalisti del contest provengono dai quattro angoli del pianeta e per questo uno dei compiti che sono stati loro assegnati consiste nel garantire che i loro progetti rispettino gli standard dei rispettivi Paesi nella definizione e nella misura delle lesioni. I concorrenti si sono resi conto fin da subito del fatto che prima di dare vita alle proprie idee, è necessario che i loro progetti rispettino tutte le normative mediche e scientifiche, per garantire l’accuratezza e l’invariabilità di tutte le diagnosi riportate. L’aspetto dell‘invariabilità è particolarmente importante per allenatori e atleti, che faranno grande affidamento sui dati provenienti da questi dispositivi fatti a mano.

Per farla breve, i nostri ingegneri progettisti devono fare sì che le loro soluzioni non forniscano agli utenti informazioni errate sulle lesioni, poiché tali informazioni potrebbero avere conseguenze gravi, specie se una lesione esistente non viene rilevata correttamente.

Criterio di lesione alla testa: giocatori di football e sciatori
Il progetto del tedesco Hendrik Lipka si rivolge a sciatori e giocatori di football e comporta due funzioni chiave: monitorare il battito cardiaco di un atleta durante l’allentamento ed agire come rilevatore d’impatto installato sul casco durante gli incontri. Nella sua ricerca, Hendrik si è concentrato sulle scienze biologiche e mediche, grazie alle quali ha scoperto il “Criterio di lesione alla testa“, meglio noto come HIC.

L’HIC serve a rilevare l’effetto e la durata di accelerazione e decelerazione nel momento dell’impatto con la testa ed è diventato un metodo particolarmente apprezzato per testare la tenuta e la sicurezza di attrezzature sportive e dispositivi di sicurezza. Attraverso una curva d’accelerazione, la formula HIC calcola l’accelerazione media in un periodo di tempo preciso, generalmente 15 min, che a volte possono diventare 3 o addirittura 36. Viene poi calcolato un valore massimo usando l’arco temporale totale in modo da determinare l’impatto della forza d’accelerazione sulla testa. È interessante notare che diverse variabili possono essere sostituite all’interno della formula per renderla applicabile anche ad altre parti del corpo. Uno degli esempi di utilizzo della formula HIC consiste nel rilevare il drastico calo nell’accelerazione nel momento in cui un giocatore di football si scontra con un compagno di squadra sul campo.

Tuttavia, nonostante la formula HIC sembri una soluzione perfetta per il design, Hendrik ammette di aver riscontrato alcuni problemi con questa teoria. Gli accelerometri della gamma ADXL di Analog Devices infatti registrano solo 800 o 1600 misurazioni per secondo, e per questo Hendrik fatica a raggiungere le sue preferenze di accuratezza. L’ideale sarebbe registrare queste misurazioni ogni millisecondo in modo da calcolare meglio il totale delle somme in un arco di tempo specifico, attraverso semplici operazioni di moltiplicazione e divisione.

Di conseguenza, la sfida principale per Hendrik consiste nel programmare il casco in modo da calcolare l’accelerazione in modo abbastanza rapido ed efficiente, senza compromessi sulla durata della batteria.

Commozioni cerebrali multiple e sport di contatto
Il canadese Kas Lewis, un altro dei finalisti di “Sudden Impact” element14, ha proposto l’idea di un casco multi-sport in grado di monitorare colpi di calore, infarti e commozioni cerebrali. Molti sono stati i caschi proposti all’interno della gara, ma quello di Kas si distingue dagli altri per la sua capacità di misurare lesioni ripetute alla testa, o commozioni cerebrali multiple.

Malgrado sia opinione comune che le lesioni da singolo impatto abbiano un effetto più duraturo sul cervello, esiste un consenso generale sul fatto che le commozioni cerebrali multiple sono molto più pericolose poiché non lasciano abbastanza tempo al cervello di riprendersi da un impatto prima di subire il successivo. Ecco perché il casco progettato da Kas è perfetto per gli sport da contatto come il football, in cui le lesioni sono diffuse e possono avere conseguenze significative a lungo termine per il giocatore. Il progetto di Kas contiene un sensore che rileva temperature anomale nel corpo, nonché due accelerometri separati per monitorare la gravità delle singole commozioni cerebrali con un elevato grado di sicurezza. Il dispositivo sarà inoltre dotato di funzioni complete di monitoraggio e riferimento che sfruttano CC3100 e MSP430F5529 per raccogliere e caricare informazioni in tempo reale verso un sistema in cloud come Plot.ly.

Tuttavia, proprio come Hendrik, anche Kas deve affrontare una serie di problemi poiché non è ancora del tutto chiaro in che modo deve essere misurato l’impatto delle commozioni cerebrali multiple. I professionisti del settore medico si rendono conto che la ricerca sta ancora lavorando per capire in che modo diagnosticare e monitorare questo tipo di traumi. Nel trattare le commozioni cerebrali tradizionali siamo consapevoli dei numerosi sintomi, come perdita di memoria o mal di testa e siamo dotati di strumenti in grado di aiutarci con la diagnosi, come la risonanza magnetica e i raggi X. Ma a oggi non è ancora stato possibile determinare una serie precisa di caratteristiche riconducibili alle commozioni cerebrali multiple, e per questo Kas ha il gravoso compito di decidere se sia sufficiente monitorare soltanto la lesione.

Occorrono design flessibili
Progettare tecnologie in grado di soddisfare i criteri sanitari e medici nell’ambito di impatti e lesioni è un argomento ormai da anni al centro delle discussioni tra i professionisti del settore. Le sfide che Hendrik e Kas devono affrontare sono esempi reali di come devono avvenire tali discussioni se vogliamo consentire agli ingegneri di risolvere i problemi della vita reale con soluzioni nuove e innovative.

E comunque, fintanto che non si arriverà a un consenso medico universale su una condizione, i progetti degli ingegneri dovranno essere flessibili e malleabili e in grado di prevenire eventuali cambiamenti non ancora confermati negli standard medici. Questo è solo uno dei difficili ostacoli che i finalisti della nostra competizione “Sudden Impact” devono superare e nel prossimo capitolo del blog esploreremo appunto l’effetto che questo compromesso ha sui loro dispositivi.

Chi è l’autore
Christian DeFeo_webChristian DeFeo
è l’e-supplier e innovation manager presso Farnell element14. Recentemente ha curato il concorso Beyond the Phone in cui i membri di element14 hanno sviluppato dispositivi medici wireless. Egli è attualmente responsabile del concorso di progettazione Sudden Impact.

 

Laura Baronchelli
Laura Baronchelli