Wearable measurement systems for cardiorespiratory and biomechanical monitoring

Negli ultimi dieci anni, le tecnologie indossabili sono diventate uno strumento fondamentale per il monitoraggio continuo delle funzioni fisiologiche e biomeccaniche umane. La loro crescente diffusione in ambito sanitario e sportivo riflette la necessità di sistemi non invasivi e discreti, in grado di fornire dati affidabili al di fuori di ambienti di laboratorio controllati. Parametri cardiorespiratori quali la frequenza cardiaca (HR) e la frequenza respiratoria (BR) riflettono l’attività integrata dei sistemi cardiovascolare e respiratorio e i meccanismi autonomici che ne regolano l’adattamento alle richieste fisiologiche. I dispositivi wearable capaci di acquisire segnali elettrocardiografici (ECG) e respiratori consentono un monitoraggio continuo e in tempo reale nella vita quotidiana, supportando l’identificazione precoce di alterazioni fisiologiche e il follow-up a lungo termine. Allo stesso modo, le unità di misura inerziali (IMU) rivestono un ruolo sempre più rilevante nell’analisi biomeccanica in ambito sportivo e quotidiano. La loro capacità di acquisire il movimento in condizioni reali permette di valutare le prestazioni, la qualità del movimento, l’affaticamento e il rischio di infortunio con elevata validità ecologica. L’obiettivo di questa tesi è contribuire al progresso del monitoraggio wearable in due ambiti: fisiologia cardiorespiratoria e biomeccanica applicata allo sport. Il primo filone di ricerca riguarda il monitoraggio fisiologico. Un dispositivo ECG wireless (WECG) è stato valutato in condizioni di riposo e dinamiche per caratterizzarne le prestazioni metrologiche e la capacità di estrarre HR e caratteristiche morfologiche clinicamente rilevanti. Successivamente, è stato progettato, realizzato e caratterizzato un sensore respiratorio basato su un composito stampato in 3D di poliuretano termoplastico e carbon black (CB-TPU), in grado di rilevare i movimenti toracici durante la respirazione. Sebbene studiati separatamente, questi dispositivi rappresentano passi fondamentali verso un sistema wearable integrato per la valutazione cardiopolmonare. Il secondo filone di ricerca affronta il monitoraggio biomeccanico attraverso la caratterizzazione metrologica di un sistema wearable basato su IMU, integrato in un gilet sportivo e posizionato nella regione dorsale superiore (T1–T3). Due studi sperimentali hanno valutato la durata del passo e l’altezza del salto. Inoltre, sono stati sviluppati modelli di machine learning per classificare i livelli di attività e rilevare azioni specifiche dello sport, potenziando le capacità del sistema per il monitoraggio in campo.