Tesi di laurea

1. UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TRIESTE
Dipartimento di Ingegneria e Architettura
Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica e Informatica
Extended Summary of
SMART-TEXTILES IN AMBITO BIOMEDICALE
Laureanda Relatore
Alice BENEDETTI Prof. Agostino ACCARDO
Anno Accademico 2020/2021

2. 2
INDICE
INTRODUZIONE .................................................................................................................... pag. 3
TESSUTO INTELLIGENTE BASATO SU SENSORI FBG PER IL MONITORAGGIO
DELL’ATTIVITÀ RESPIRATORIA ...................................................................................... pag. 4
TESSUTO INTELLIGENTE BASATO SU ELETTRODI TESSILI PER IL MONITORAGGIO
DELL’ATTIVITÀ CARDIACA .............................................................................................. pag. 5
TESSUTO INTELLIGENTE PER IL MONITORAGGIO DELLA PRESSIONE ESERCITATA
SU UN PIEDE DIABETICO CON ULCERA (DFU) ............................................................. pag. 6
TESSUTO INTELLIGENTE PER IL MONITORAGGIO DEL MOVIMENTO DELLA SPALLA
SU SOGGETTI AFFETTI DA “SUBACROMIAL PAIN SYNDROME” ............................. pag. 7
TESSUTO INTELLIGENTE PER LA RIABILITAZIONE DELLE FUNZIONI DELLE MANI
(POST-ICTUS) ......................................................................................................................... pag. 8
CONCLUSIONI ....................................................................................................................... pag. 8
BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................................... pag. 10

3. 3
INTRODUZIONE
Una delle nuove frontiere della ricerca, specialmente in campo biomedico, è quella che si concentra sullo studio dei
cosiddetti tessuti intelligenti o smart-textiles.
Il continuo progresso della scienza e della tecnologia denota in modo sempre più evidente la necessità per l’uomo di
creare una nuova generazione di tessuti ricchi di funzionalità che vadano oltre l’estetica e la comodità. Alcuni di questi
nuovi tessuti, infatti, vengono concepiti per contenere dei dispositivi di rilevazione dati che possano anche consentire
l’analisi e il monitoraggio di specifici segnali prodotti dal corpo umano.
Il monitoraggio di alcuni parametri biofisici, come la frequenza respiratoria e l’attività cardiaca, è di primaria importanza
per l’osservazione e la diagnosi di diverse malattie e disturbi.
Pertanto, la ricerca per implementare e migliorare la produzione dei tessuti intelligenti sta diventando sempre più intensa.
Nella prima parte di questo elaborato vengono presentate due diverse tipologie di tessuti intelligenti con l’obiettivo di
verificarne la validità come sistemi di monitoraggio alternativi a quelli già in uso.
Una proposta molto interessante, presentata nel primo capitolo, riguarda l’utilizzo di tessuti intelligenti basati su sensori
a fibra ottica per il monitoraggio dell’attività respiratoria. Nel caso preso in esame si discute il funzionamento dei sensori
a fibra ottica a reticolo di Bragg (FBG), i quali sono in grado di monitorare l’attività respiratoria sfruttando il principio di
funzionamento delle fibre ottiche di cui si compongono.
Questi sensori captano i movimenti fisici generati dall’atto respiratorio permettendo al dispositivo di rilevazione di
acquisire i dati utili a rappresentare la respirazione tramite un grafico.
L’idea di utilizzare le fibre ottiche come elemento fondamentale del tessuto intelligente è da ricondurre alle loro
caratteristiche; esse presentano un alto grado di sensibilità, inerzia chimica e biologica e sono di piccole dimensioni.
Inoltre, vengono considerate a prova di fuoco e immuni alle radiazioni elettromagnetiche.
Un’altra proposta interessante è quella discussa nel secondo capitolo che riguarda i tessuti intelligenti basati su elettrodi
tessili, detti anche “elettrodi asciutti”, per il monitoraggio dell’attività cardiaca.
Il nome di questi elettrodi dipende dal fatto che essi non richiedono l’utilizzo di gel per essere messi a contatto con la
pelle; si distinguono perciò dagli elettrodi tradizionali con cui si è soliti svolgere un’elettrocardiografia.
L’utilizzo degli elettrodi tessili annulla gli svantaggi derivati dall’applicazione degli elettrodi tradizionali: l’irritazione
prodotta in seguito ad un contatto prolungato con la pelle e la necessità di controllare ripetutamente che la quantità di gel
utilizzata per garantire la corretta aderenza dell’elettrodo sia sufficiente.
Inoltre, gli elettrodi tradizionali rappresentano un sistema di rilevazione ingombrante e ben visibile, mentre gli elettrodi
tessili sono pensati per essere inseriti in una comune maglietta.
Questi ultimi possono facilmente svolgere il loro compito di monitoraggio giornaliero grazie ad alcune caratteristiche
peculiari: sono flessibili, e quindi adatti a seguire la conformazione del corpo in tutti i suoi movimenti, lavabili e
riutilizzabili.
Il tessuto intelligente in questione mira a rilevare e monitorare l’attività cardiaca, in particolare per rintracciare quelle
variazioni riconducibili ad eventuali malattie.
Altre tipologie di tessuti intelligenti, invece, possono essere utilizzate per la riabilitazione e il monitoraggio di determinate
patologie croniche. Nella seconda parte di questo elaborato vengono presentati tre esempi di tali tessuti, il cui compito è
quello di aiutare dei pazienti nei rispettivi processi di riabilitazione o monitoraggio della propria patologia, con l’obiettivo
di verificarne la validità.
Il primo tessuto presentato svolge il compito di controllare il valore della pressione esercitata sulla parte del piede affetta
da ulcera. Il sistema di monitoraggio si compone di un sensore tessile, applicato all’interno di una fascia, un hardware
che serve per la collezione dei dati e un display che mostra quest’ultimi.
Quando il sensore rileva una pressione troppo alta, il sistema è in grado di inviare dei feedback al paziente per far sì che
esso regoli la pressione esercitata sulla parte di piede malata. In questo modo esso consente il mantenimento di una
pressione bassa nella zona interessata e riduce il rischio di complicazioni o, nel caso peggiore, di amputazione.
Il secondo tessuto descritto rappresenta un sistema di monitoraggio dei movimenti della spalla. Esso viene utilizzato per
il processo riabilitativo dei pazienti affetti da sindrome del dolore subacromiale (SAPS). Il sistema di rilevazione dati si
compone di una maglietta su cui vengono cuciti due sensori tessili volti a collezionare i valori delle resistenze assunti
durante lo svolgimento di esercizi riabilitativi. Essi sono quindi in grado di far cogliere al paziente, mediante illustrazione
dei risultati, se sta svolgendo correttamente o meno gli esercizi.
Il terzo ed ultimo tessuto preso in esame rappresenta un metodo riabilitativo per i pazienti affetti da paralisi o spasticità
alle mani a causa di un ictus. Il sistema si compone di un guanto riabilitativo al cui interno sono presenti diversi elettrodi
creati con il metodo della deposizione fisica da vapore.
Grazie a questa tecnica è possibile ottenere una struttura ad alte conduttività e flessibilità, il che fa sì che questo sistema
possa essere utilizzato da pazienti con qualsiasi grado di inabilità alle mani.

4. 4
I. TESSUTO INTELLIGENTE BASATO SU SENSORI FBG PER IL MONITORAGGIO
DELL’ATTIVITÀ RESPIRATORIA
Il seguente testo ha lo scopo di presentare un valido meccanismo di monitoraggio della frequenza respiratoria che si
ottiene tramite l’utilizzo di un tessuto intelligente basato su
sensori a fibra ottica a reticolo di Bragg (FBG). Il tessuto si
compone di due cinture, ciascuna delle quali è formata da una
porzione di tessuto anelastico (il tessuto marrone) e una porzione
di tessuto elastico (il tessuto nero), come rappresentato in Fig. 1.
Tali cinture, posizionate nelle regioni del torace e dell’addome,
vengono incorporate in una maglietta. Su ogni cintura viene
posizionato un array di 5 sensori FBG, ottenuto con una torre di
trafilatura che inscrive ciascun sensore in una fibra standard (SMF-28). Tale fibra viene quindi fissata in 4 punti differenti
facendo attenzione a collocare i sensori sulla parte elastica. In tal modo quest’ultimi possono muoversi liberamente e sono
così in grado di seguire gli spostamenti del tessuto causati dall’atto respiratorio. La scelta di utilizzare dei sensori FBG è
dettata dal meccanismo di funzionamento delle stesse fibre ottiche. Quando uno spettro di luce si propaga attraverso esse,
una specifica lunghezza d’onda, chiamata appunto “lunghezza d’onda di Bragg”, viene riflessa, mentre la restante parte
della luce viene trasmessa. Inoltre, se viene indotta una deformazione o si verifica una variazione della temperatura, le
fibre reagiscono causando uno spostamento proporzionale della lunghezza d’onda di Bragg.
Nota l’equazione che definisce tale lunghezza d’onda:
𝜆! = 2𝑛"##Λ
(Λ = periodicità dei reticoli, 𝑛"## = indice di rifrazione effettivo del modo fondamentale) e conoscendo, per via
sperimentale, i valori dei coefficienti di sensibilità per la temperatura (𝑘$ = 10,2 𝑝𝑚/°𝐶) e la deformazione (𝑘∈ =
1,03 𝑝𝑚/𝜇𝑔) dei sensori FBG, è possibile esprimere lo spostamento della lunghezza d’onda secondo la seguente
equazione:
∆λ& = λ&' + 𝑘∈∆∈ + 𝑘$ΔT
dove λ&' corrisponde alla lunghezza d’onda di Bragg di una fibra ottica in posizione di riferimento, mentre ∆∈ e ΔT
rappresentano rispettivamente la variazione di deformazione e la variazione di temperatura.
Mediante l’utilizzo dell’interrogatore I-MON 512 USB è possibile stimolare l’attività dei 10 sensori contenuti nelle due
cinture e, allo stesso tempo, registrare la lunghezza d’onda nel tempo di ciascuno di essi, ottenendo così in output lo
spettro della lunghezza d’onda.
L’interrogatore I-MON 512 USB è composto da un LED superluminescente, una scheda di controllo stabilizzatrice della
corrente di guida e della temperatura operativa, un alimentatore, uno spettrometro e un accoppiatore 50/50 che fornisce
la luce ai sensori.
Servendosi infine di un apposito algoritmo è possibile convertire il modello della lunghezza d’onda nel tempo nel
corrispondente modello della variazione di deformazione, utilizzando l’equazione sopra citata. Sapendo che nella
situazione descritta ΔT = 0, si ricava che:
Δ𝜖 =
(Δ𝜆! − 𝜆!')
𝐾(
La variazione di deformazione è il risultato non solo della respirazione, ma anche di tutti gli altri movimenti fisiologici
localizzati nel torace e nell’addome, come ad esempio il battito cardiaco.
Per ottenere le componenti responsabili solo della respirazione, dunque, è necessario convertire il modello di
deformazione nel dominio della frequenza tramite la trasformata veloce di Fourier.
Essendo la normale frequenza respiratoria di circa 20 respiri al minuto (0,33 Hz), tutto ciò che è superiore a questa
frequenza viene filtrato.
Il segnale ricavato dalla conversione viene poi riconvertito nel dominio del tempo in modo tale da ottenere i modelli di
deformazione riferiti unicamente alla respirazione.
I compiti successivi dell’algoritmo sono: riflettere le deformazioni che risultano opposte (la correttezza del picco si ottiene
se esso, sia con valore positivo che negativo, viene rilevato da almeno 6 FBG su 10 nello stesso istante e quindi, se il
modello di deformazione fornisce un picco contrario ma corretto, esso viene moltiplicato per -1) e trascurare i modelli
discrepanti (gli FBG che presentano una quantità corretta di picchi rilevati inferiore al 30% non vengono considerati
Figura 1. Esempio di cintura composta da un array di 5 FBGs

5. 5
poiché si moltiplica la loro variazione di deformazione per 0). L’ultima operazione dell’algoritmo consiste nel calcolare
la media di tutti i valori rilevati dai 10 sensori FBG e ottenere il modello di respirazione corretto.
Il tessuto intelligente si è dimostrato un valido metodo
di monitoraggio; ad esemplificazione di ciò sono stati
resi noti i risultati che il tessuto stesso ha fornito durante
il monitoraggio della frequenza respiratoria effettuato su
due soggetti sani.
Lo studio complessivo ha preso in considerazione 4
differenti posizioni in ognuno dei due soggetti osservati:
posizione eretta, posizione seduta, posizione supina e
attività di corsa. In Fig. 2 si riportano i dati rilevati
durante la posizione eretta relativi al primo volontario; i
due grafici mostrano i modelli di deformazione dei dieci
sensori FBG. È possibile osservare che 9 su 10 sensori
totali hanno identificato cinque picchi quasi allo stesso
tempo e che l’unico sensore che non ha effettuato le
stesse rilevazioni degli altri è il numero 8; la sua curva,
dunque, verrà eliminata dall’algoritmo. Dalla media dei
valori dei 9 sensori si ottiene come risultato il modello
di respirazione mostrato nella figura 3 a, il quale è in
perfetto accordo con il grafico di output del sensore di
riferimento (applicazione VibSensor), rappresentato in
Fig. 3 b. Allo stesso modo i risultati ottenuti dal
monitoraggio della respirazione rilevati dai sensori FBG
nelle posizioni seduta e supina mostrano completa
concordanza con i rilevamenti del sensore di riferimento. Anche i risultati relativi al monitoraggio durante l’attività di
corsa si sono dimostrati corretti, nonostante non sia stato possibile confrontarli con i dati forniti dal sensore di riferimento;
quest’ultimo, infatti, a causa dei movimenti del soggetto durante la corsa, non ha potuto effettuare rilevazioni.
II. TESSUTO INTELLIGENTE BASATO SU ELETTRODI TESSILI PER IL MONITORAGGIO
DELL’ATTIVITÀ CARDIACA
Il seguente testo ha lo scopo di illustrare una metodologia di monitoraggio alternativa all’elettrocardiogramma
tradizionale; la novità consiste nella sostituzione dei classici elettrodi a gel con un innovativo tessuto intelligente basato
su elettrodi tessili. Questo particolare tipo di elettrodi si ottiene
dalla cucitura parzialmente sovrapposta e a zig-zag di una serie
di fili conduttori su di un tessuto inestensibile, mediante
l’utilizzo di una macchina da cucire. I fili conduttori così
intrecciati vanno a formare un’area conduttiva e di rilevazione
di forma quadrata e di area pari a 9 cm)
, come mostrato in Fig.
4. Ogni filo conduttore, in realtà, rappresenta l’unione di due
distinti filamenti di nylon rivestiti da nano-particelle di argento.
Sul retro di ogni elettrodo così formato viene aggiunto un
bottone conduttivo che funge da punto di connessione tra l'area
di rilevamento cucita e le clip del connettore del sistema BIOPAC MP160, modulo di acquisizione dei dati. Il fatto che i
fili conduttori che formano gli elettrodi siano cuciti a zig-zag e siano parzialmente sovrapposti fa sì che si migliorino i
percorsi conduttivi all’interno degli stessi e che la resistenza totale diminuisca, facilitando così la rilevazione delle piccole
tensioni prodotte dal battito cardiaco.
Questo nuovo tipo di elettrodi è stato sottoposto a diversi test di comparazione per valutarne la validità ed efficacia rispetto
agli elettrodi tradizionali utilizzati finora, i quali sono composti da un disco di argento o cloruro di argento posti su un
cerotto adesivo con gel conduttivo sottostante a contatto con la pelle. Il tessuto intelligente creato è stato testato sia dal
punto di vista dell’affidabilità di rilevazione del comportamento cardiaco, sia dal punto di vista della durata del tessuto
conseguentemente a diversi cicli di lavaggio, piegatura e allungamento. Questi test, utilizzati per valutare l’affidabilità
della rilevazione del comportamento cardiaco, sono stati effettuati su 8 soggetti sani e hanno preso in considerazione una
frequenza di campionamento di 2000 Hz per una durata complessiva di due minuti.
Figura 2. Grafico delle rilevazioni ottenute dai sensori in posizione eretta
Figura 3 a. Grafico rappresentante la media
delle rilevazioni operate dai sensori FBG
Figura 3 b. Grafico
ottenuto da VibSensor
Figura 4. Esempio di elettrodo tessile, fronte e retro.

6. 6
Le prove svolte hanno considerato sia l’utilizzo di elettrodi tessili sia,
successivamente, quello di elettrodi tradizionali. In entrambi i casi essi sono stati
posizionati secondo una configurazione a tre derivazioni: 2 elettrodi posizionati sul
petto, sotto ogni clavicola, e 1 elettrodo posizionato nella parte inferiore sinistra
della gabbia toracica, come mostrato in Fig. 5.
Gli elettrodi tradizionali sono stati applicati mediante un supporto adesivo, mentre
quelli tessili utilizzando quattro pezzi di nastro biadesivo. La rilevazione ottenuta da
entrambe le tipologie di elettrodi ha dato come risultato il grafico dell’attività
cardiaca, mostrando correttamente dei picchi più elevati che comprendono il
complesso QRS. Da tali grafici è stato possibile dunque rilevare l’intervallo R-R,
che corrisponde al tempo tra ogni picco R (il più grande picco positivo dell’intero
segnale), e la frequenza cardiaca, ossia il numero di battiti al minuto. Il grafico in
Fig. 6 b mostra la media delle rilevazioni ottenute con gli elettrodi cuciti; esso si presenta pulito e molto simile a quello
in Fig. 6 a, che rappresenta le rilevazioni ottenute dagli elettrodi tradizionali, i quali sappiamo già essere affidabili.
Tuttavia, la tensione del segnale dell'elettrodo tradizionale è superiore a quella del segnale dell'elettrodo cucito,
probabilmente a causa degli effetti capacitivi di quest’ultimi. Ciò nonostante, le caratteristiche chiave di un corretto ECG
sono rilevabili anche con l’utilizzo degli elettrodi tessili; a dimostrazione di ciò possiamo osservare chiaramente una
buona rilevazione del complesso QRS.
Successivamente vengono effettuati dei test di allungamento, piegatura e lavaggio poiché i tessuti intelligenti hanno un
duplice obiettivo: poter essere applicati ad un comune indumento e mantenersi idonei ad un corretto monitoraggio
giornaliero dell’attività cardiaca.
Le prove di allungamento e piegatura testano la capacità di rilevazione degli elettrodi tessili nel caso in cui questi siano
inseriti in un capo d’abbigliamento e vengano dunque sottoposti ai comuni movimenti del corpo umano. Lo scopo è quello
di verificare, in relazione ai movimenti, quale sia il cambiamento nella resistenza di ogni singolo elettrodo, poiché è da
essa che dipende la qualità del segnale raccolto.
Gli allungamenti dello 0%, del 12,5% e del 25% di ciascun elettrodo tessile nelle quattro differenti direzioni (verticale,
orizzontale, diagonale destra e sinistra) non hanno causato cambiamenti importanti nella loro resistenza. Lo stesso
risultato è stato osservato in seguito a piegature in senso parallelo o perpendicolare rispetto alle cuciture pari a 180°, 135°,
90°. Le prove di lavaggio, invece, vengono effettuate perché un indumento indossato ripetutamente raccoglie sudore e
sporcizie provenienti dall’ambiente esterno, che potrebbero deteriorarlo. Pertanto, è opportuno testare che gli elettrodi
tessili siano in grado di mantenere la loro ottimale funzionalità di rilevazione anche in seguito a vari cicli di lavaggio.
Dopo un set di 8 cicli di lavaggio e asciugatura si è dimostrato che il valore della resistenza degli elettrodi tessili è
leggermente aumentato. Esso, tuttavia, risulta comunque inferiore al valore di resistenza pari a 3 Ω che caratterizza gli
elettrodi adesivi.
III. TESSUTO INTELLIGENTE PER IL MONITORAGGIO DELLA PRESSIONE ESERCITATA SU
UN PIEDE DIABETICO CON ULCERA (DFU)
Il seguente testo ha lo scopo di illustrare un meccanismo di monitoraggio della pressione esercitata sulla pianta del piede
di un paziente affetto da ulcera del piede diabetico (DFU). Tramite l’utilizzo di questo tessuto intelligente, infatti, è
possibile fornire dei feedback in tempo reale al paziente, aiutandolo nel processo di guarigione.
Il tessuto intelligente in questione è rappresentato da un piccolo sensore tessile di pressione, fabbricato da Sensoria Inc.
Il comportamento di questo sensore è paragonabile a quello di un resistore variabile o piezoelettrico, i cui valori di
resistenza risultano essere inversamente proporzionali ai valori della pressione misurata. Come mostrato in Fig. 7, il
tessuto intelligente viene cucito all’interno di una fascia elastica per poter essere in seguito posizionato sull’area del piede
Figura 5. Posizionamento degli elettrodi
nella configurazione a tre derivazioni
Figura 6 a. Grafico dell’attività cardiaca rilevata da elettrodi tradizionali Figura 6 b. Grafico dell’attività cardiaca rilevata da elettrodi cuciti

7. 7
affetta da ulcera. All’interno della fascia sono anche cuciti due cavi conduttivi a
forma d’onda. Ciascuno di essi è connesso da un lato al sensore, mentre sull’altro
vengono posizionati dei bottoni metallici utilizzati per connettere il sensore con il
dispositivo (Sensoria Core) che si occupa della collezione dei dati operata dallo
stesso. Questo dispositivo, di forma ridotta, è in grado di inviare dei feedback al
paziente in tempo reale attraverso suoni, vibrazioni o notifiche. In tal modo permette
al soggetto malato di esercitare una corretta pressione di carico sulla zona ulcerosa,
cercando di mantenerla al valore più
basso possibile. Il sistema di rilevazione è stato testato applicando pesi di
valore noto unicamente al di sopra della superficie del sensore tessile. ln
figura 8 viene mostrato il grafico con i valori delle pressioni misurate; esso
rappresenta un andamento d’isteresi, dovuto al tessuto su cui è posizionato
il sensore. Le sue proprietà meccaniche risultano diverse a seconda che
esso venga compresso o rilasciato e ciò ha degli effetti sulla lettura della
resistenza da parte del sensore. Dopo aver ripetuto l’esperimento 15 volte
i valori delle resistenze vengono misurati con un errore del 22,93%.
Tuttavia, i dati ottenuti rimangono comunque accurati per il nostro scopo
ovvero verificare la presenza o meno di pressione di carico.
IV. TESSUTO INTELLIGENTE PER IL MONITORAGGIO DEL MOVIMENTO DELLA SPALLA
SU SOGGETTI AFFETTI DA “SUBACROMIAL PAIN SYNDROME”
Il seguente testo ha lo scopo di illustrare un meccanismo di monitoraggio dei movimenti della spalla tramite l’utilizzo del
sistema DAid (Double Aid smart shirt).
Tale sistema infatti è in grado di determinare la correttezza o meno dello svolgimento di determinati esercizi facenti parte
dell’attività riabilitativa dei pazienti affetti da sindrome del dolore subacromiale (SAPS). Esso, inviando dei feedback in
tempo reale, permette al paziente di prestare più
attenzione ai movimenti effettuati, regolandoli se
necessario. Come mostrato in Fig. 9, il sistema DAid si
compone di una maglia aderente su cui vengono attaccati
due sensori tessili di deformazione e di un’unità di
rilevazione dati. Il tessuto intelligente che si occupa della
raccolta dei dati è rappresentato dai sensori, ottenuti
incorporando del filo conduttivo ricoperto d’argento su
una base di cotone ed elastomeri. Essi vengono
posizionati in corrispondenza dei due cingoli scapolari, a
metà tra la spina scapulae e l’angulus inferior scapulae. I
sensori manifestano un comportano tipico dei materiali piezo-resistivi, il cui valore di resistenza aumenta in modo
proporzionale al valore di allungamento del sensore stesso. Il movimento delle spalle genera la deformazione o il
rilassamento del tessuto della maglia nella stessa direzione, causando di conseguenza anche un movimento dei sensori.
Ciascun sensore è connesso tramite dei fili elettroconduttivi, cuciti manualmente e caratterizzati da un basso valore di
resistività, all’unità di raccolta dati. Quest’ultima raccoglie i valori della resistenza misurata dai sensori ad una frequenza
di campionamento pari a 175 Hz e li trasferisce ad un computer. Esso, a
sua volta, li rende visualizzabili in tempo reale al paziente. Lo scopo del
sistema, quindi, è quello di mostrare l’andamento dei valori delle resistenze
durante lo svolgimento di un esercizio riabilitativo; un esercizio svolto
nella maniera corretta richiede il mantenimento di una posizione
stazionaria della spalla. Il display dovrebbe quindi mostrare un andamento
costante dei valori delle resistenze, come mostrato in Fig. 10 a. Nel caso di
svolgimento errato dell’esercizio si otterrà un grafico simile a quello in Fig.
10 b. Il sistema di monitoraggio è stato reputato valido in seguito alla
visualizzazione dei risultati ottenuti da un gruppo di soggetti affetti da
SAPS dopo 8 settimane di attività di riabilitazione operata con lo stesso.
Tali soggetti sono stati sottoposti prima e dopo l’attività di riabilitazione a 3
tipologie di test: DASH TEST (un questionario per la misura della disabilità
Figura 7. Prototipo di sistema intelligente
Figura 8. Grafico dei valori di pressione misurati
Figura 9. Sistema DAid: elettrodi (a) e unità di rilevazione dati (b)
Figura 10. Grafici rappresentanti il possibile
andamento dei valori delle resistenze durante lo
svolgimento di un esercizio corretto (a) o errato (b)

8. 8
e dei sintomi dei disordini muscoloscheletrici degli arti superiori), CKCUES TEST (per valutare il numero di volte in cui
un paziente riesce a svolgere un determinato esercizio in una finestra temporale di 15 secondi) ed un test per la
determinazione del rapporto tra la forza esercitata dai muscoli di rotazione interni e quelli esterni. I risultati ottenuti sono
stati in seguito confrontati con quelli realizzati nei medesimi test da un gruppo di persone affette da SAPS che hanno
seguito la stessa attività di riabilitazione, ma senza il sistema DAid.
Il miglioramento più significativo nei test effettuati è stato raggiunto dai pazienti che hanno utilizzato il sistema
intelligente.
V. TESSUTO INTELLIGENTE PER LA RIABILITAZIONE DELLE FUNZIONI DELLE MANI
(POST-ICTUS)
Il seguente testo tratta di un tessuto intelligente utilizzato per la riabilitazione delle funzioni delle mani nei soggetti colpiti
da un ictus. Esso, infatti, può causarne la paralisi o un alto grado di spasticità.
Tramite l’utilizzo di questo tessuto è possibile stimolare elettricamente le punte delle
dita al fine di ripristinare piccoli e grandi movimenti e riprendere la sensibilità delle
mani.
La stimolazione avviene mediante l’utilizzo di elettrodi, posti all’interno di un guanto
(TipStim© glove), ai quali giungono due diverse correnti intervallate nella scarica
degli impulsi.
Il guanto è equipaggiato di due circuiti elettrici: uno che stimola il nervo mediano e
uno che stimola il nervo ulnare. Per garantire una corretta stimolazione alcuni
elettrodi saranno posizionati sulle falangi distali e medie delle prime 3 dita, mentre
gli altri andranno applicati sul quarto e quinto dito, come mostrato in Fig. 11.
La realizzazione dell’elettrodo prevede l’utilizzo della fascia Optisana©, un tessuto
non tessuto formato da uno scarso intreccio di fili di poliuretano. Al di sopra di questo
substrato viene creato uno strato elettroconduttivo mediante la tecnica della
deposizione fisica da vapore (PVD). Per la creazione dello strato elettroconduttivo viene utilizzata la camera a vuoto
Classic 250 e il materiale depositato è l’argento ad alti valori di conduttività e purezza. Il processo è reso possibile
dall’utilizzo di una sorgente di resistenza di tungsteno, con temperatura di fusione più alta dell’argento.
Prima del processo le fibre del substrato vengono preparate e mantenute a una temperatura ambiente con il 55% di umidità.
Gli elettrodi vengono raggiunti dalle scariche di corrente tramite dei cavi attaccati con una colla a bassa resistività
(ELPOX AX 15S).
Nonostante la presenza di una scarsa organizzazione e di un intreccio povero tra i fili del substrato scelto, grazie alla
tecnica della deposizione fisica da vapore, è stato possibile creare uno strato metallico sottile e di resistenza bassa.
Utilizzando questa procedura si è quindi in grado di creare un elettrodo con uno strato metallico adatto alla conduzione
elettrica pur mantenendo la flessibilità desiderata.
Il sistema descritto è stato testato su una paziente colpita da un ictus ischemico. A tale paziente, oltre
all’elettrostimolazione alle dita attraverso il TipStim© Glove, è stato consigliato anche un processo riabilitativo che
utilizzasse il metodo PNF (Proprioceptive Neuromuscolar Facilitation).
Dopo aver utilizzato il TipStim© Glove per 4 settimane (una volta al giorno per 60 minuti) si sono potuti osservare
importanti miglioramenti nei movimenti delle mani.
CONCLUSIONI
I dati presentati e discussi nell’elaborato dimostrano la validità di tutti i tessuti intelligenti presi in esame.
Dopo aver appurato la capacità dei primi due tessuti considerati di rilevare e monitorare diversi parametri biofisici, lo
studio di questa tecnologia si pone dei nuovi obiettivi, volti a migliorare altri aspetti degli stessi tessuti. L’intento
principale, quindi, diventa quello di renderli più facilmente fruibili e indossabili pur mantenendo sempre alto il livello di
funzionalità, precisione e attendibilità di rilevazione dei dati. Nel sistema di rilevazione del tessuto intelligente basato su
sensori FBG, una miglioria necessaria riguarda l’interrogatore I-MON 512 USB. Questo dispositivo presenta un volume
molto esteso, pari a 37 cm × 24 cm × 19 cm. La riduzione delle sue dimensioni ne faciliterebbe sicuramente la portabilità.
Inoltre, sapendo che la disposizione attuale dei sensori FBG lungo le cinture può causare rilevazioni nulle da parte di
alcuni di essi, un secondo obiettivo potrebbe essere quello di implementare il loro numero al fine di accumulare dati
sufficienti e ottenere una maggiore accuratezza nei risultati finali. Gli stessi obiettivi potrebbero essere raggiunti ideando
Figura 11. Disposizione degli elettrodi
(per la stimolazione elettrica) sulla
mano paralizzata o affetta da spasticità

9. 9
una disposizione dei sensori più adatta a rilevare solo segnali validi, stringendo il diametro della cintura per garantire una
migliore aderenza al corpo oppure diminuendo la parte inelastica della cintura.
Tutte queste ipotesi potrebbero contribuire ad un miglior monitoraggio dell’attività respiratoria, parametro fondamentale
per valutare la salute del paziente e per indagare problematiche come l’apnea notturna, l’asma o la sindrome della morte
improvvisa dell’infante, ma anche malattie cardiache e psicologiche, quali l’infarto e gli attacchi di panico causati dallo
stress. Allo stesso modo, anche nel sistema di rilevazione del tessuto intelligente basato su elettrodi tessili sono stati
identificati alcuni miglioramenti da attuare in futuro.
Uno di questi riguarda la compatibilità del sistema di monitoraggio con le diverse posture che può assumere il corpo
umano nell’arco della giornata. Infatti, fino ad ora, la funzionalità degli elettrodi tessili è stata testata solamente in
posizione seduta, come dimostrato dallo studio discusso in questo elaborato. Dai dati ottenuti dagli elettrodi tessili,
applicati attraverso del nastro biadesivo, non è stato riscontrato alcun problema di rilevazione. La rilevazione, infatti,
dipende da un’opportuna pressione esercitata sulla pelle dagli elettrodi, i quali presentano delle creste di filo conduttivo
prodotte dalle cuciture sovrapposte e a zig-zag. Queste creste fanno sì che si mantenga nel tempo il contatto dell’elettrodo
con la pelle, impedendone lo spostamento.
Tutte queste osservazioni in merito alle condizioni di funzionamento ottimale degli elettrodi tessili hanno condotto
all’ipotesi di integrare il tessuto intelligente in una maglietta, che garantirebbe un contatto ancora più sicuro e permanente
tra elettrodi e pelle. Questa maglietta, caratterizzata da un alto livello di aderenza al corpo e comodità, potrebbe assicurare
la validità del tessuto come sistema di monitoraggio durante tutti i movimenti quotidiani. Il fatto di dover indossare il
capo per un periodo prolungato di tempo causa necessariamente la raccolta di sudore da parte del tessuto intelligente.
Questo potrebbe portare a rilevazioni non corrette del segnale a causa dell’eccessivo grado di umidità nella parte
conduttiva dell’elettrodo; il tessuto di base dovrà quindi essere in grado di assorbire il sudore e di garantire la qualità del
segnale rilevato. Un altro elemento soggetto a nuovi studi e ipotesi migliorative è il voltaggio che si riscontra nei grafici
prodotti dalle rilevazioni degli elettrodi tessili. Come precedentemente reso noto, infatti, i grafici ottenuti attraverso gli
elettrodi tessili presentano tensioni più basse di quelle osservabili nei grafici ottenuti da elettrodi tradizionali. Questa
situazione potrebbe essere dovuta agli effetti capacitivi prodotti dagli elettrodi tessili; se così fosse, la causa si potrebbe
individuare nell’aria intrappolata all’interno dell’elettrodo la quale determinerebbe un comportamento sia resistivo sia
capacitivo di quest’ultimo. Questa rappresenta solo un’ipotesi e una possibile soluzione non è ancora stata trovata.
Anche per quanto riguarda i tessuti utilizzati a scopi riabilitativi e di monitoraggio di patologie croniche ci si pone come
obiettivo futuro il raggiungimento di una più corretta funzionalità unita ad una buona fruibilità di essi da parte dei pazienti.
Il primo tessuto citato rappresenta un metodo di monitoraggio costante della pressione sulla parte di piede affetta da
ulcera, rendendolo quindi ottimo per verificare in modo costante se il processo di guarigione stia procedendo
correttamente. Il sensore che si occupa della rilevazione dei dati è di piccole dimensioni e il materiale tessile di cui si
compone è estensibile, pieghevole e lavabile. Inoltre, i cavi utilizzati per connettere il sensore al dispositivo di
memorizzazione dei dati, grazie alla loro forma ad onda, sono pieghevoli ma non soggetti a facili rotture. Questi sensori,
tuttavia, presentano dei limiti: è necessario calibrarli prima dell’uso e, se utilizzati per un lungo periodo di tempo, i sensori
possono essere sottoposti ad usura. Nel modello descritto, infatti, essi sono pensati per essere sostituiti settimanalmente.
Questa tipologia di tessuto, inoltre, presenta buoni risultati di rilevazione nei test effettuati applicando pesi noti
unicamente sull’area corrispondente al sensore, ma non è ancora mai stato testato su un paziente; questo è un obiettivo
futuro. Il secondo tessuto citato prevede il monitoraggio dei movimenti della spalla durante gli esercizi riabilitativi su
soggetti affetti da SAPS; i movimenti della scapola devono infatti essere limitati al fine di garantire un corretto e
funzionale svolgimento dell’esercizio. La lunghezza e la posizione scelte per i sensori prediligono la rilevazione dei
movimenti di elevazione della spalla rispetto a quelli del braccio. Tuttavia, questa configurazione non è definitiva e può
essere soggetta a cambiamenti per migliorare le rilevazioni. I limiti presentati dal sistema DAid riguardano l’utilizzo di
un’unica taglia della maglietta (le rilevazioni sarebbero migliori se ciascun paziente avesse un sistema della propria taglia)
e la diminuzione della sensibilità di rilevazione da parte dei sensori in presenza di umidità. Questa, infatti, può facilmente
prodursi durante l’attività riabilitativa che porta i pazienti ad un’alta sudorazione. Un miglioramento da effettuare in futuro
è quello di personalizzare, ossia rendere della taglia corretta, il sistema DAid per ciascun paziente.
Il tessuto utilizzato per la riabilitazione delle funzioni delle mani in seguito a paralisi o spasticità provocata da un ictus
rappresenta un ottimo sistema di pronto intervento poiché gli elettrodi su cui si basa sono creati con la tecnica della
deposizione fisica da vapore e presentano uno strato conduttivo sottile e funzionale. Questo li rende molto flessibili e
perciò utilizzabili da pazienti con qualsiasi grado di invalidità della mano. Il limite principale di questo tessuto, però, è
rappresentato dal fatto che gli elettrodi devono essere personalizzati, poiché solo se delle dimensioni giuste sono in grado
di svolgere correttamente la loro funzione. Proprio per questo si è pensato di creare delle matrici di elettrodi e di modellarli
nella forma desiderata utilizzando la tecnica dell’ablazione laser o la tecnica “masking”.
Si può quindi concludere che, allo stato attuale degli studi sui tessuti intelligenti, gli obiettivi fondamentali sono stati
raggiunti, ma che sono ancora molti i possibili elementi da indagare e migliorare.

10. 10
BIBLIOGRAFIA
• Zidan Gong, Ziyang Xiang, Xia OuYang, Jun Zhang, Newman Lau, Jie Zhou, Chi Chiu Chan, Wearable Fiber
Optic Technology Based on Smart Textile: A Review, Materials 2019, 12, 3311; doi:10.3390/ma12203311. [Pub
Med];
• Aizhan Issatayeva, Aidana Beisenova, Daniele Tosi, Carlo Molardi, Fiber-Optic Based Smart Textiles for Real-
Time Monitoring of Breathing Rate, Sensors 2020, 20, 3408; doi:10.3390/s20123408. [Pub Med];
• Katya Arquilla, Andrea K. Webb, Allison P. Anderson, Textile Electrocardiogram (ECG) Electrodes for
Wearable Health Monitoring, Sensors 2020, 20, 1013; doi:10.3390/s20041013. [Pub Med];
• Andrea Raviglione, Roberto Reif, Maurizio Macagno, Davide Vigano, Justin Schram, David Armstrong, Real-
Time Smart Textile-Based System to Monitor Pressure Offloading of Diabetic Foot Ulcers, Journal of Diabetes
Science and Technology 2017, Vol. 11 (5) 894-898, doi:10.1177/1932296817695339. [Pub Med];
• Guna Semjonova, Janis Vetra, Vinita Cauce, Alexander Oks, Alexei Katashev, Peteris Eizentals, Improving the
Recovery of Patients with Subacromial Pain Syndrome with the DAid Smart Textile Shirt, Sensors 2020, 20,
5277; doi:10.3390/s20185277. [Pub Med];
• Ewa Korzeniewska, Andrzej Krawczyk, Józef Mróz, Elżbieta Wyszyńska, Rafal Zawiślak, Applications of Smart
Textiles in Post-Stroke Rehabilitation, Sensors 2020, 20, 2370; doi:10.3390/s20082370. [Pub Med].