Strumenti per l'analisi comportamentale in contesti di Ambient Assisted Living

Abstract

In questo lavoro di ricerca sono stati sviluppati strumenti di monitoraggio indiretto del comportamento che si basano sull’uso di sensori non invasivi (ambientali) che non danno informazioni direttamente correlabili allo stato di salute di una persona, ma possono fornire informazioni comportamentali non meno significative di quelle fornite da sensori medicali, seppure differenti. Oggi esistono tecnologie di monitoraggio diretto, anche molto sofisticate, che si basano sull’impiego di sensori medicali che rilevano informazioni direttamente correlate con salute di una persona. Tuttavia, a causa sia dei costi, sia dell’invasività degli stessi (sono generalmente sensori indossabili) tali approcci sono impiegati solo in contesti in cui le necessità non permettono l’impiego di altre soluzioni o in contesti specifici (sportivi). Nonostante l’efficacia di questi strumenti di monitoraggio, tali approcci non sono sufficienti a fornire un quadro completo della situazione di una persona. Sapere che, ad esempio, la frequenza cardiaca è troppo alta può essere critico se la persona monitorata è a letto, ma potrebbe non destare preoccupazioni se sta svolgendo attività fisica (per esempio cyclette). Ciò evidenzia quanto sia necessario affiancare agli strumenti di monitoraggio diretto tecniche indirette di analisi del comportamento (non invasive e poco costose) che, negli ultimi tempi, stanno riscuotendo sempre maggiore interesse. I due approcci sono complementari: per sapere se si sta facendo cyclette o se si è a letto è utile l’analisi comportamentale, mentre per conoscere la frequenza cardiaca servono strumenti medicali. L’università degli studi di Parma ha sviluppato un sistema di “domotica assistiva”, denominato CARDEA, pensato per supportare in modo particolare le persone anziane e fragili a vivere autonomamente e più a lungo possibile all’interno della propria casa e, per questi motivi, fortemente affidabile, aperto e predisposto ad adattamenti e personalizzazioni in funzione delle dinamiche necessità tipiche dell’utenza a cui si rivolge. Il sistema CARDEA è, inoltre, capace di tenere traccia di tutti gli eventi (rilevati dai sensori installati) che si verificano all’interno dell’ambiente monitorato, memorizzandoli in un database web introdotto per questo scopo. E’ proprio sui dati reali registrati dal sistema che sono stati effettuati tutti gli esperimenti descritti in questo lavoro, che hanno permesso di individuare la correlazione tra i dati “grezzi” rilevati dai sensori ed i comportamenti delle persone. Sono stati estratti i dati registrati dal sistema CARDEA attualmente installato in diverse strutture protette dislocate nella provincia di Parma ed è stato fissato un sottoinsieme di sensori da osservare (ad esempio, sensori di movimento, da letto, o qualsiasi altro dispositivo controllato da CARDEA). I risultati di questa ricerca, ottenuti anche tramite l’impiego di tecniche di filtraggio per ridurre il rumore intrinseco nei dati ambientali analizzati, mostrano chiaramente le potenzialità del "monitoraggio indiretto": gli strumenti di analisi comportamentale (indiretti e non invasivi) sviluppati, a partire dai dati che i sensori ambientali rilevano nel tempo, sono capaci di estrapolare schemi di comportamento ed indicatori riguardanti il benessere delle persone e relative variazioni nel tempo particolarmente utili perché, senza l’introduzione di ulteriori costi ed invasività, permettono di individuare trend e variazioni che, spesso, si verificano gradualmente e nel lungo periodo e, per questo, non sono note a chi si prende cura delle persone.

In this research work have been developed tools for indirect monitoring of people behavior, based on non-invasive (environmental) sensors. These sensors do not not give information directly related to the health condition of a person, but can provide behavioral information no less significant of those provided by medical sensors, although different. Today technologies for very sophisticated direct monitoring are available. These are based on the use of medical sensors, capable of detecting information directly related to a person's health. However, due to both their cost and invasiveness (they are generally wearable sensors), such approaches are used only in contexts where the needs do not allow the use of other solutions, or in specific contexts (sports). Despite the effectiveness of these monitoring tools, such approaches are not sufficient to provide a complete picture of the situation of a person. Knowing, for example, that a person’s heart rate is too high can be critical if the monitored subject is in bed, but it might be of no concern if he/she is doing physical activity (e.g., cycling). This highlights the need to use together direct monitoring tools and indirect behavioral analysis techniques (non-invasive and inexpensive) that, in recent times, are receiving increasing interest. The two approaches are complementary: to know if a person is cycling or if he/she is in the bed, behavioral analysis is needed, while in order to know the heart rate, medical instruments are needed. The university of Parma has developed an "assistive home automation" system, called CARDEA, designed to especially support frail and elderly people to live independently, as long as possible, at their own homes. For these reasons, the system devised is highly reliable, open and apt to adaptation and customization, according to the dynamic needs typical of its targets. CARDEA system is also capable of keeping track of all events (detected by the installed sensors) that occur within the monitored environment, storing them in a database web-connected, used for this purpose. It is on those real data, recorded by the system, that all the experiments described in this work have been carried out. These experiences have led to the identification the a correlation between the "raw" data coming from the sensors and the people’s behavior. The data recorded by the CARDEA system currently installed in several sheltered structures located in the Parma region have been extracted. A subset of these sensors has been selected (e.g., motion sensors, bed presence sensors, or any other device controlled by CARDEA) in order to make specific observations. The results of this research, also obtained using filtering techniques to reduce the intrinsic noise in the analyzed environmental data, clearly show the potential of the "indirect monitoring": the behavioral analysis tools (indirect and non-invasive) developed, starting from the data detected by environmental sensors over the time, are able to extrapolate behavioral patterns and indicators related to the people wellness and its changes over time. These observations are very useful because, without introducing additional costs and invasiveness, they allow to identify trends and changes that, often, occur gradually and in the long term and, therefore, can go unnoticed by caregivers.