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Gragnaniello M, Borghese A, Marrazzo VR, Maresca L, Breglio G, Irace A, Riccio M. Real-Time Myocardial Infarction Detection Approaches with a Microcontroller-Based Edge-AI Device. Sensors (Basel) 2024; 24:828. [PMID: 38339545 PMCID: PMC10856938 DOI: 10.3390/s24030828] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/31/2023] [Revised: 01/21/2024] [Accepted: 01/24/2024] [Indexed: 02/12/2024]
Abstract
Myocardial Infarction (MI), commonly known as heart attack, is a cardiac condition characterized by damage to a portion of the heart, specifically the myocardium, due to the disruption of blood flow. Given its recurring and often asymptomatic nature, there is the need for continuous monitoring using wearable devices. This paper proposes a single-microcontroller-based system designed for the automatic detection of MI based on the Edge Computing paradigm. Two solutions for MI detection are evaluated, based on Machine Learning (ML) and Deep Learning (DL) techniques. The developed algorithms are based on two different approaches currently available in the literature, and they are optimized for deployment on low-resource hardware. A feasibility assessment of their implementation on a single 32-bit microcontroller with an ARM Cortex-M4 core was examined, and a comparison in terms of accuracy, inference time, and memory usage was detailed. For ML techniques, significant data processing for feature extraction, coupled with a simpler Neural Network (NN) is involved. On the other hand, the second method, based on DL, employs a Spectrogram Analysis for feature extraction and a Convolutional Neural Network (CNN) with a longer inference time and higher memory utilization. Both methods employ the same low power hardware reaching an accuracy of 89.40% and 94.76%, respectively. The final prototype is an energy-efficient system capable of real-time detection of MI without the need to connect to remote servers or the cloud. All processing is performed at the edge, enabling NN inference on the same microcontroller.
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Affiliation(s)
| | | | | | | | | | | | - Michele Riccio
- Department of Electrical Engineering and Information Technology (DIETI), University of Naples Federico II, 80125 Naples, Italy; (M.G.); (A.B.); (V.R.M.); (L.M.); (G.B.); (A.I.)
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Breglio G, Bernini R, Berruti GM, Bruno FA, Buontempo S, Campopiano S, Catalano E, Consales M, Coscetta A, Cutolo A, Cutolo MA, Di Palma P, Esposito F, Fienga F, Giordano M, Iele A, Iadicicco A, Irace A, Janneh M, Laudati A, Leone M, Maresca L, Marrazzo VR, Minardo A, Pisco M, Quero G, Riccio M, Srivastava A, Vaiano P, Zeni L, Cusano A. Innovative Photonic Sensors for Safety and Security, Part III: Environment, Agriculture and Soil Monitoring. Sensors (Basel) 2023; 23:3187. [PMID: 36991894 PMCID: PMC10053851 DOI: 10.3390/s23063187] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 02/14/2023] [Revised: 03/05/2023] [Accepted: 03/10/2023] [Indexed: 06/19/2023]
Abstract
In order to complete this set of three companion papers, in this last, we focus our attention on environmental monitoring by taking advantage of photonic technologies. After reporting on some configurations useful for high precision agriculture, we explore the problems connected with soil water content measurement and landslide early warning. Then, we concentrate on a new generation of seismic sensors useful in both terrestrial and under water contests. Finally, we discuss a number of optical fiber sensors for use in radiation environments.
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Affiliation(s)
- Giovanni Breglio
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
- European Organization for Nuclear Research (CERN), 1211 Geneva, Switzerland
| | - Romeo Bernini
- Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Via Diocleziano 328, 81024 Napoli, Italy
| | - Gaia Maria Berruti
- Gruppo di Optoelettronica e Fotonica, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, 82100 Benevento, Italy
| | - Francesco Antonio Bruno
- Gruppo di Optoelettronica e Fotonica, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, 82100 Benevento, Italy
| | - Salvatore Buontempo
- European Organization for Nuclear Research (CERN), 1211 Geneva, Switzerland
- National Institute for Nuclear Physics (INFN), 80125 Napoli, Italy
| | - Stefania Campopiano
- Dipartimento di Ingegneria, Università Degli Studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Ester Catalano
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
- Optosensing Ltd., Via Carlo de Marco 69, 80137 Napoli, Italy
| | - Marco Consales
- Gruppo di Optoelettronica e Fotonica, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, 82100 Benevento, Italy
| | - Agnese Coscetta
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
| | - Antonello Cutolo
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Maria Alessandra Cutolo
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Pasquale Di Palma
- Dipartimento di Ingegneria, Università Degli Studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Flavio Esposito
- Dipartimento di Ingegneria, Università Degli Studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Francesco Fienga
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
- European Organization for Nuclear Research (CERN), 1211 Geneva, Switzerland
| | - Michele Giordano
- Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali Consiglio Nazionale delle Ricerche, Via Enrico Fermi 1, 80055 Portici, Italy
| | - Antonio Iele
- CERICT SCARL, CNOS Center, Viale Traiano, Palazzo ex Poste, 82100 Benevento, Italy
| | - Agostino Iadicicco
- Dipartimento di Ingegneria, Università Degli Studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Andrea Irace
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Mohammed Janneh
- CERICT SCARL, CNOS Center, Viale Traiano, Palazzo ex Poste, 82100 Benevento, Italy
| | | | - Marco Leone
- Gruppo di Optoelettronica e Fotonica, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, 82100 Benevento, Italy
| | - Luca Maresca
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Vincenzo Romano Marrazzo
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
- European Organization for Nuclear Research (CERN), 1211 Geneva, Switzerland
| | - Aldo Minardo
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
| | - Marco Pisco
- Gruppo di Optoelettronica e Fotonica, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, 82100 Benevento, Italy
| | - Giuseppe Quero
- Gruppo di Optoelettronica e Fotonica, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, 82100 Benevento, Italy
| | - Michele Riccio
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Anubhav Srivastava
- Dipartimento di Ingegneria, Università Degli Studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Patrizio Vaiano
- Gruppo di Optoelettronica e Fotonica, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, 82100 Benevento, Italy
| | - Luigi Zeni
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
- Optosensing Ltd., Via Carlo de Marco 69, 80137 Napoli, Italy
| | - Andrea Cusano
- Gruppo di Optoelettronica e Fotonica, Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, 82100 Benevento, Italy
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Minardo A, Bernini R, Berruti GM, Breglio G, Bruno FA, Buontempo S, Campopiano S, Catalano E, Consales M, Coscetta A, Cusano A, Cutolo MA, Di Palma P, Esposito F, Fienga F, Giordano M, Iele A, Iadicicco A, Irace A, Janneh M, Laudati A, Leone M, Maresca L, Marrazzo VR, Pisco M, Quero G, Riccio M, Srivastava A, Vaiano P, Zeni L, Cutolo A. Innovative Photonic Sensors for Safety and Security, Part I: Fundamentals, Infrastructural and Ground Transportations. Sensors (Basel) 2023; 23:2558. [PMID: 36904762 PMCID: PMC10007142 DOI: 10.3390/s23052558] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 1.0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 01/10/2023] [Revised: 02/14/2023] [Accepted: 02/21/2023] [Indexed: 06/18/2023]
Abstract
Our group, involving researchers from different universities in Campania, Italy, has been working for the last twenty years in the field of photonic sensors for safety and security in healthcare, industrial and environment applications. This is the first in a series of three companion papers. In this paper, we introduce the main concepts of the technologies employed for the realization of our photonic sensors. Then, we review our main results concerning the innovative applications for infrastructural and transportation monitoring.
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Affiliation(s)
- Aldo Minardo
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
| | - Romeo Bernini
- Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Via Diocleziano 328, 81024 Napoli, Italy
| | - Gaia Maria Berruti
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Giovanni Breglio
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Francesco Antonio Bruno
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Salvatore Buontempo
- National Institute for Nuclear Physics (INFN), 80125 Napoli, Italy
- European Organization for Nuclear Research (CERN), CH-1211 Geneva, Switzerland
| | - Stefania Campopiano
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Ester Catalano
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
- Optosensing Ltd., Via Carlo de Marco 69, 80137 Napoli, Italy
| | - Marco Consales
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Agnese Coscetta
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
| | - Andrea Cusano
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Maria Alessandra Cutolo
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Pasquale Di Palma
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Flavio Esposito
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Francesco Fienga
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Michele Giordano
- Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali Consiglio Nazionale delle Ricerche via Enrico Fermi 1, 80055 Portici, Italy
| | - Antonio Iele
- CERICT SCARL, CNOS Center, Viale Traiano, Palazzo ex Poste, 82100 Benevento, Italy
| | - Agostino Iadicicco
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Andrea Irace
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Mohammed Janneh
- CERICT SCARL, CNOS Center, Viale Traiano, Palazzo ex Poste, 82100 Benevento, Italy
| | | | - Marco Leone
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Luca Maresca
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Vincenzo Romano Marrazzo
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Marco Pisco
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Giuseppe Quero
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Michele Riccio
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Anubhav Srivastava
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Patrizio Vaiano
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi 107, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Luigi Zeni
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
- Optosensing Ltd., Via Carlo de Marco 69, 80137 Napoli, Italy
| | - Antonello Cutolo
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli Studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
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Cutolo A, Bernini R, Berruti GM, Breglio G, Bruno FA, Buontempo S, Catalano E, Consales M, Coscetta A, Cusano A, Cutolo MA, Di Palma P, Esposito F, Fienga F, Giordano M, Iele A, Iadicicco A, Irace A, Janneh M, Laudati A, Leone M, Maresca L, Marrazzo VR, Minardo A, Pisco M, Quero G, Riccio M, Srivastava A, Vaiano P, Zeni L, Campopiano S. Innovative Photonic Sensors for Safety and Security, Part II: Aerospace and Submarine Applications. Sensors (Basel) 2023; 23:2417. [PMID: 36904622 PMCID: PMC10007474 DOI: 10.3390/s23052417] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Figures] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 01/13/2023] [Revised: 02/08/2023] [Accepted: 02/15/2023] [Indexed: 06/18/2023]
Abstract
The employability of photonics technology in the modern era's highly demanding and sophisticated domain of aerospace and submarines has been an appealing challenge for the scientific communities. In this paper, we review our main results achieved so far on the use of optical fiber sensors for safety and security in innovative aerospace and submarine applications. In particular, recent results of in-field applications of optical fiber sensors in aircraft monitoring, from a weight and balance analysis to vehicle Structural Health Monitoring (SHM) and Landing Gear (LG) monitoring, are presented and discussed. Moreover, underwater fiber-optic hydrophones are presented from the design to marine application.
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Affiliation(s)
- Antonello Cutolo
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Romeo Bernini
- Istituto per il Rilevamento Elettromagnetico dell’Ambiente, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Via Diocleziano 328, 81024 Napoli, Italy
| | - Gaia Maria Berruti
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Giovanni Breglio
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
- European Organization for Nuclear Research (CERN), CH-1211 Geneva, Switzerland
| | - Francesco Antonio Bruno
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Salvatore Buontempo
- European Organization for Nuclear Research (CERN), CH-1211 Geneva, Switzerland
- National Institute for Nuclear Physics (INFN), 80125 Napoli, Italy
| | - Ester Catalano
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
- Optosensing Ltd., Via Carlo de Marco 69, 80137 Napoli, Italy
| | - Marco Consales
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Agnese Coscetta
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
| | - Andrea Cusano
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Maria Alessandra Cutolo
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Pasquale Di Palma
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Flavio Esposito
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Francesco Fienga
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
- European Organization for Nuclear Research (CERN), CH-1211 Geneva, Switzerland
| | - Michele Giordano
- Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali Consiglio Nazionale delle Ricerche Via Enrico Fermi 1, 80055 Portici, Italy
| | - Antonio Iele
- CERICT SCARL, CNOS Center, Viale Traiano, Palazzo ex Poste, 82100 Benevento, Italy
| | - Agostino Iadicicco
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Andrea Irace
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Mohammed Janneh
- CERICT SCARL, CNOS Center, Viale Traiano, Palazzo ex Poste, 82100 Benevento, Italy
| | | | - Marco Leone
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Luca Maresca
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Vincenzo Romano Marrazzo
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
- European Organization for Nuclear Research (CERN), CH-1211 Geneva, Switzerland
| | - Aldo Minardo
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
| | - Marco Pisco
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Giuseppe Quero
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Michele Riccio
- Dipartimento di Ingegneria Elettrica e delle Tecnologie dell’Informazione, Università degli studi di Napoli Federico II, Via Claudio 21, 80125 Napoli, Italy
| | - Anubhav Srivastava
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
| | - Patrizio Vaiano
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi del Sannio, Corso Garibaldi, Palazzo Bosco Lucarelli, 82100 Benevento, Italy
| | - Luigi Zeni
- Dipartimento di Ingegneria, Università della Campania Luigi Vanvitelli, Via Roma 29, 81031 Aversa, Italy
- Optosensing Ltd., Via Carlo de Marco 69, 80137 Napoli, Italy
| | - Stefania Campopiano
- Dipartimento di Ingegneria, Università degli studi di Napoli Parthenope, Centro Direzionale Isola C4, 80143 Napoli, Italy
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Selvaggio M, Fontanelli GA, Marrazzo VR, Bracale U, Irace A, Breglio G, Villani L, Siciliano B, Ficuciello F. The MUSHA underactuated hand for robot-aided minimally invasive surgery. Int J Med Robot 2018; 15:e1981. [PMID: 30588772 DOI: 10.1002/rcs.1981] [Citation(s) in RCA: 9] [Impact Index Per Article: 1.5] [Reference Citation Analysis] [What about the content of this article? (0)] [Affiliation(s)] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/09/2018] [Revised: 12/13/2018] [Accepted: 12/13/2018] [Indexed: 01/08/2023]
Abstract
BACKGROUND Keyhole surgery is characterized by loss of dexterity of surgeon's movements because of the limited workspace, nonintuitive motor skills of the surgical systems, and loss of tactile sensation that may lead to tissue damage and bad execution of the tasks. METHODS In this paper, a three-fingered underactuated miniature tool for robot-aided laparoscopic surgery is presented. The design is conceived to realize a closed-hand configuration allowing the insertion of the tool into the abdominal cavity through the trocar in one step and to reach different grasping as well as pushing/holding configurations once in the cavity. RESULTS Aiming to replicate human hand dexterity and versatility, different solutions for the kinematic structure of the hand are analyzed using quality indices to evaluate the manipulability and stability of the grasp. Furthermore, a first prototype of fingertip force sensor based on fiber Bragg grating (FBG) technology has been realized and tested. The design choices of the prototype are described and discussed with the aid of experiments. CONCLUSIONS The whole concept and the need for such anthropomorphic tool are discussed with surgeons to highlight constraints and potentials in surgical tasks. The feedback by expert surgeons is used to provide specifications and improvements to the kinematics and mechanical design. The investigations of different designs allow identifying the optimal solution to improve grasping and manipulation capabilities. The tests on FBG sensors led to the conclusion that this technology guarantees good performance and can be a good solution for applications in surgical robotics.
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Affiliation(s)
- Mario Selvaggio
- Department of Information Technology and Electrical Engineering, University of Naples Federico II, Naples, Italy
| | - Giuseppe Andrea Fontanelli
- Department of Information Technology and Electrical Engineering, University of Naples Federico II, Naples, Italy
| | - Vincenzo Romano Marrazzo
- Department of Information Technology and Electrical Engineering, University of Naples Federico II, Naples, Italy
| | - Umberto Bracale
- Department of Public Health, University of Naples Federico II, Naples, Italy
| | - Andrea Irace
- Department of Information Technology and Electrical Engineering, University of Naples Federico II, Naples, Italy
| | - Giovanni Breglio
- Department of Information Technology and Electrical Engineering, University of Naples Federico II, Naples, Italy
| | - Luigi Villani
- Department of Information Technology and Electrical Engineering, University of Naples Federico II, Naples, Italy
| | - Bruno Siciliano
- Department of Information Technology and Electrical Engineering, University of Naples Federico II, Naples, Italy
| | - Fanny Ficuciello
- Department of Information Technology and Electrical Engineering, University of Naples Federico II, Naples, Italy
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