Progettazione e sviluppo di una piattaforma di Teleriabilitazione basata sulla stima della posa umana, attraverso una singola telecamera RGB

Abstract

Questo lavoro si concentra principalmente sullo sviluppo e sulla progettazione di una piattaforma di teleriabilitazione che utilizza una singola telecamera RGB. L’uso di tale telecamera consente di fornire un’applicazione a basso costo, in quanto non richiede l’uso di dispositivi aggiuntivi. Il sistema è stato progettato in modo tale da poter essere utilizzato sia dal paziente che dal medico, infatti è stata realizzata un’interfaccia grafica lato paziente e un’interfaccia lato medico. Attraverso la prima, il paziente, attraverso il login, può eseguire gli esercizi di suo interesse, e la scelta può ricadere su cinque esercizi differenti.  Attraverso la seconda interfaccia, il medico, inserendo il codice fiscale del paziente di interesse, può visualizzare automaticamente i PDF relativi a quel paziente. I PDF presentano i dati anagrafici del paziente, le informazioni sull’esercizio eseguito, i dati statistici e diversi grafici, permettendo così al medico di poter verificare l’eventuale recupero motorio del soggetto in esame. Sono state utilizzate tecniche di intelligenza artificiale per stimare la posa umana. La Human Pose Estimation (HPE) è una tecnologia di intelligenza artificiale che utilizza la computer vision per identificare e tracciare le caratteristiche chiave del corpo umano da semplici video. In questo lavoro, per identificare tali punti chiave, è stata utilizzata la libreria MediaPipe, che ha permesso di identificare 33 punti chiave sullo scheletro umano. Dopo aver effettuato il login e aver scelto l’esercizio da eseguire, la cattura del video viene avviata accendendo la webcam. Oltre al paziente e allo scheletro, sovrapposti al corpo del paziente ed evidenziati dai punti chiave, appariranno sulla scena dei bersagli che il soggetto dovrà cercare di colpire. L’incorporazione di un elemento di intrattenimento può stimolare il paziente a svolgere le attività durante il gioco. Uno degli obiettivi fissati nello sviluppo e progettazione della piattaforma era quello di poter creare un’applicazione che potesse essere utilizzata da soggetti con patologie diverse. Pertanto, si è voluto creare un sistema che non fosse mirato a una patologia specifica, ma che potesse invece coprire una gamma molto più ampia di patologie. Per questo motivo, sono stati analizzati diversi esercizi di riabilitazione che potevano poi essere incorporati nella piattaforma. Questo ha permesso di definire cinque diversi esercizi, e in particolare ogni singolo esercizio è mirato a una parte specifica del corpo e si riferisce a diverse disfunzioni. Durante una sessione di riabilitazione, il tracciamento dello scheletro con i rispettivi punti chiave viene visualizzato sul corpo del paziente, in modo che il sistema possa prevedere un confronto automatico dei movimenti angolari dei pazienti in giorni diversi. Vengono infatti calcolati otto angoli che definiscono l’ampiezza di diverse parti del corpo, ottenuti durante l’esercizio e calcolati per ogni fotogramma. Ognuno di questi valori viene importato automaticamente nel database MySQL e successivamente esportato per effettuare diversi calcoli statistici. In particolare, viene definito il range di movimento (ROM), che si riferisce all’ampiezza del movimento che un’articolazione o una combinazione di articolazioni può raggiungere. Ogni parametro statistico calcolato viene inserito nel pdf per essere analizzato dal medico ai fini di un eventuale recupero motorio del soggetto. Diversi utenti hanno aderito volontariamente agli esercizi progettati. Questo ha permesso un’analisi statistica e una valutazione delle prestazioni attraverso la quale sono stati determinati i valori di ROM che ciascun utente ha ottenuto nelle sessioni eseguite. La valutazione dei diversi parametri di ROM, sia quelli riferiti alla sessione in corso sia quelli riferiti al rapporto tra le sessioni, ha permesso di analizzare i movimenti scheletrici degli utenti e le loro prestazioni motorie durante le sessioni. I 17 utenti, prima di svolgere gli esercizi, hanno compilato una tabella Excel in cui hanno riportato i dati richiesti. Ciò ha permesso di individuare cinque diverse categorie sulle quali è stata effettuata un’analisi statistica. È stata evidenziata una differenza statisticamente significativa, tramite valutazione del p-value, per la categoria di soggetti sportivi e non sportivi che hanno eseguito i vari esercizi. In particolare, questa differenza è stata evidenziata per gli esercizi che prevedevano l’uso di bersagli nella scena. Di conseguenza, è stato possibile affermare come i giocatori sportivi abbiano un tempo di reazione elevato e quindi una maggiore attenzione nel colpire i bersagli rispetto ai non sportivi. Questo risultato è importante in quanto uno degli obiettivi nell’aggiunta dei bersagli è quello di far aumentare la concentrazione e l’attenzione dei soggetti.

Obiettivo

Progettazione e sviluppo di una piattaforma di Teleriabilitazione basata sulla stima della posa umana, attraverso una singola telecamera RGB. Generazione di una piattaforma che permetta il confronto automatico dei movimenti angolari eseguiti in giorni diversi.

Metodologia di ricerca

Ricerca Bibliogarfica e attività sperimentale

Conclusioni

Questo studio ha dimostrato come l’uso di una piattaforma di Teleriabilitazione sia efficace nel determinare e identificare il recupero motorio di vari soggetti durante le sessioni di riabilitazione. Ci ha quindi permesso di dimostrare come i pazienti che non possono recarsi costantemente in strutture specializzate possono tranquillamente svolgere tali sessioni da casa e allo stesso tempo possono essere seguiti dal medico curante. Allo stesso tempo, questo lavoro ci ha permesso di dimostrare come sia possibile realizzare un sistema performante anche attraverso l’uso di una sola telecamera e per mezzo di tecniche di intelligenza artificiale. Inoltre, tale piattaforma ha permesso un confronto automatico dei movimenti angolari eseguiti dai soggetti in giorni diversi e la possibilità di visualizzazione dei risultati e dei calcoli statistici, permettendo la valutazione delle prestazioni dei pazienti.

Sviluppi futuri

Progettazione e sviluppo di una calibrazione dinamica e di bersagli dinamici sulla scena. Descrizione iniziale degli esercizi affichè possano essere eseguiti correttamente e stimatore della qualità. L’uso, al posto del 2D, della stima della posa in 3D. Un numero maggiore di volontari e un numero maggiore di sessioni eseguite.