Bioingegneria

PEDANA DI FORZA

Posta su pavimento del laboratorio nascosta per non influenzare il passo una

volta passato su di essa. Misura le forze scambiate dall'appoggio con il terreno su

3 assi (verticali,antero-posteriore, medio-laterali). Rileva forza concentrata su un

punto e non quella distribuita , prende in esame il CENTRO DI PRESSIONE (COP).

Due tipi di pedane:

-con sensori Piezoelettrici adatta a movimenti rapidi e dinamici, no statici.

-adatta a movimenti meno dinamici, analisi dell'equilibrio e della posturain

quanto estensimetrica offre la misura della polarizzazione elettrica per effetto

della deformazione meccanica.

A seconda del movimento analizzato,se il segnale è molto rapido (frequenza di

campionamento ALTA), se la variazione di segnale è lenta (frequenza di camp.

BASSA).

Equilibrio(50-100 HZ), atterraggio(500-5000 Hz), cammino,cosa( 250-500 Hz).

Utilizzo di sensori sensibili all'azione meccanica, i quali trasducono in segnali

elttrici l'azione meccanica a cui la pedana stessa è sottoposta per effetto del

carico applicato. Nei quattro angoli della pedana è presente una CULLA DI

CARICO che misura il carico verticale, le forze di taglio orizzontali nelle direz.

antero-posteriori e medio-laterali e i momenti torcenti relativi ai 3 assi.

Normalizzare i dati al peso(TARARE LO STRUMENTO a seconda dello studio da

fare) corporeo(variabile) dividendo il valore ottenuto al peso corporeo e

moltiplicandolo per 100. Inoltre in base a ciò che vogliamo studire poniamo lo 0

della membrana ad un livello X.

Affinchè i dati appresi dall'analisi del movimento siano accettabili occorre che

-la pedana sia ISOLATA dal resto del pavimento e che inoltre il soggetto

mantenga normale andatura di corsa a contatto con la pedana;

- tutto il piede sia entro la superficie della pedana.

La prova perde di validità se:

-overstriting (allungamento del passo) -understriting (accorciamento del passo)

-piede parzialmente fuori da pedana

La velocità e la calzatura influenzano la FORZA DI REAZIONE del suolo.

STABILOMETRIA(misura l'oscillazione del COP in un arco di tempo): altro valore

misurabile è il COP e la sua variazione in un arco di tempo rispetto alla posizione

media. Viene fuori un gomitolo, quanto più esso è piccolo e confinato, tanto

minori saranno gli spostamenti quindi il soggetto gode di buona stabilità.

MOMENTO DELLA FORZA RISULTANTE PIEDE-SUOLO associando i dati elaborati

con la pedana dinamometrica ad una contemporanea analisi

stereofotogrammetrica si calcolano i momenti alle diverse articolazioni (anca-

velocità

ginocchio-caviglia), ricavando anche la potenza articolare data dalla

angolare momento articolare.

X

SINTESI la pedana misura: -forza risultante piede-suolo(dinamica del passo)

-COP(analisi stabilometrica di stabilità) -momento di una forza -potenza

articolare(p.dinamometrica + stereofot.)

la stereofotogrammetria studia la cinetica del movimento, la pedana

dinamometrica analizza la dinamica del movimento.

PROTOCOLLO ACQUISIZIONE CAMMINO: azzeramento pedana, premo "monitori",

far salire e scendere soggetto, prove di cammino finchè la camminata non

diventa naturale quindi ACQUISISCO.

PROTOCOLLO ACQUISIZIONE CAMMINATA + STEREOFOTOGRAMMETRIA:

calibrazione, posizione terna nel centro dell'area daanalizzare, acquisire,

posiziono 2 assi perpendicolari all'angolo della pedana per farla identificare dal

sistema, new stick con marcker nel sistema, posiziono marker su soggetto e

faccio camminare( prima provo), aquisisco.

STEREOFOTOGRAMMETRIA

Sistema di Motion Capture Marked-based mira a ricostruire la cinematica dei

segmenti ossei attraverso l'individuazione della traiettoria 3D dei marker

applicati sulla superficie corporea. Sistema composto: -Strutture di acquisizione

(telecamere dotate di dispositivi per la rilevazione del segnale luminoso e la

trasduzione in segnale elettrico, come i sensori CCD e CMOD, telecamere ad

infrarossi); illuminatori, schede di acquisizione, softwer di elaborazione dei dati.

Dato un punto in movimento nello spazio tridimensionale del

laboratorio(marker), la stereof. fornisce in ciascun istante di tempo il vettore

posizione (coordinate X,Y,Z) cosi da ricostruire la posizione e l'orientamento

relativo di ciascun sistema di riferimento anatomico associabile alla componente

ossea sottostante (movimento dello scheletro ad ogni frame).

Funzionamento basato su PRINCIPIO DI TRIANGOLAZIONE (quando almeno due

telecamere riprendono contemporaneamente un punto dello spazio 3D(marker),

allora è possibile partire dalle immagini formatesi sui piani principali delle

telecamere x ricostruire la posizione di quel punto. Il sistema si basa sul fatto che

i marker riflettono i raggi infrarossi dalle telecamere e li trasmettono sui piani

princ. delle telecamere passano per i punti nodali. In fase di riconoscimento, le

coordinae del punto P sono ricostruite a partire dalle proiezioni P1 e P2 sui

p.princ. delle telec. passando da N1 e N2. Le tele devono essere disposte in

modo tale che la retta che dal punto P1 passa per N1 vada adintersecarsi nel

punto P acquisito con la retta P2 N2. Per ricostruire P con la triangolazione è

necessario definire un sist. di rif. globale fissando i parametri dell'intero sistema.

-Parametri esterni:posiz. ed orientamento dei piani ptincipali delle telecamere

-Parametri interni:lunghezza focale, coordi. N, coeff. di distorsione.

CALIBRAZIONE

Determinazione parametri est-int: CALIBRAZ. STATICA-oggetto con valori noti;

CALIBRAZ. DINAMICA-oggetto nello spazio(def. volume di acquisizione)

Terna cartesiana: sist. di riferimento tecnico solidale con l'osso(cluster di marker).

Ricostruzione delle coordi. dei punti di repere anatomici rispetto al sist. di rif.

Ricostruzione della posizione e dell'orientamento di ciascun sist. di rifer.

anatomico rispetto al labor. frame to frame. Calcolo per ogni artic. la posiz e

orient dei sist. di riferimento tecnico dei 2 segmenti corporei adiacenti. Individuo

errori

POSIZ. MARKER:

1 Protocollo tecnico: cluster di marker in posizioni non corrispondenti ai punti

anatomici, ogni cluster individua un sist. di rif. solidare con seg corporeo ma

indipendente da quello osseo(calibraz aggiuntiva)

2 Protocollo anatomico: posiz dei marker su punti di repere che informano la

posiz dell'osso, centri articolari calcolati con algoritmi basati sui parametri

antropometrici del sogg.

Protocollo SAFLO: (cammino,salir le scale,postura eretta), marker su punti di

reere anatomici, patologie analizzate (scoliosi,spina bifida, distrofia musc).

Utilizzo di marker estesi(con segmenti che si allontanano dal corpo) vantagg. x

intra-extra rotazioni rispetto l'asse, svantagg. durante particolari movimenti per

oscillazioni o staccarsi.

vant: pochi marker-utile x bambini

limiti: telec. posteriori, marker pelvi troppo vicine, numerose misure

Protocollo VCM: (cammino,scale,postura eretta), patologie

analizzate( emiplegia,scoliosi,spina bif,distr.musc) posizionamento marker in

seguito a considerazioni geometriche(stima dei singoli segmenti corporei)

vant: pochi marker, utile a bambini

limiti: almeno 4 telec, marker estesi, cinem. articolare in 3 gradi di libertà

Protocollo CAST: (cammino,scale,sedia,pedalata,corsa) patologie

analizzate( artrosi, piede paitto, tremore,sla) utilizza marker tecnici si calibrano in

base ai punti di repere anat. e gli assi anatomici.

vant:flessibilità su numero marker e telecamere

limiti: molti marker, necessità acquisizioni aggiuntive.

Confronto tra protocolli: in base ai piani analizzati, le variazioni tra i risultati di

protocolli differenti possono variare o restare simili: flesso-est:risultati non si

discostano, ad.abduzione: leggera variabilità, intra-extra rot:notevole variabilità

differenze dovute a posizionamento dei marker, dato che rilevano angoli di

movimento nei diversi assi.

ERRORI

1-Errori strumentali(intrinseci al sist. di rilevamento); 2-Errori nella determinaz di

coordinate locali dei p.repere anatomici (dislocazione di p. di repere a. e si

propagano al calcolo della posa dei sistemi di riferimento a. e quindi agli angoli

articolari; 3-Errori derivati da artefatti di tessuti molli. E. strumentali sono più

facili da identificare e facilmente eliminabili e compensabili, gli altri sono casuali

e molto più difficili da quantificare. 1-intrinseci al sistema di misura

stereofotogram. Tali x cui anche in condizioni di rilevazione in statica, le

coordinate ricostruite dal sistema variano. Tale errore si riflette nel calcolo della

posa del sistema tecnico e quindi della cinematica articolare. Si distinguono

ulteriormente in E. SISTEMATICI (errata calibrazione dello strumento, disposizione

errata delle camere che limitano la validità della misurazione. Piu grande è il

campo da analizzare e più grande sarà l’errore. Evitare tali errori modificando i

pixel) ed E. CASUALI (attribuibili al caso, al processo di digitalizzazione

dell’immagine, frequenti e prodotti dal rumore elettronico, sono riducibili col

filtraggio). I dati rilevati nell’analisi del movimento si svolgono entro uno spettro

di frequenza limitato, a cui si sommano le frequenze-rumori (derivanti

dall’esterno), per cui possono essere filtrati i rumori eliminando o confinando la

sensibilità della telecamera entro certi range di frequenza. Esempio la

camminata ha un range di freq.. pari a 1 HZ perciò si elimina la variazione rapida

sopra i 3 HZ, eliminando la frequenza di segnale alto.(nel caso contrario il

filtraggio non è possibile in quanto si apre il range di frequenza fino a 3 per i

movimenti veloci, non potendo cosi eliminare la variazione lenta). Prima di ogni

rilevazione lo sperimentatore deve stimare gli errori sperimentali residui tramite

SPOT-CHECKS(dispositivi guidati manualmente dall’operatore per la misura della

distanza tra marker o tramite dispositivo motorizzato per la misura dello

spostamento dei marker), il quale comprende:

-misura distanza tra marcatori

-misura spostamento marcatori

Pendulum test(distanza tra due marcatori posti su un pendolo rigido a distanza

nota che oscilla su due assi di movimento); Full Volum Test (asta rigida, allineato

al sistema di rif, mossa a vel. Costante); Walking Test (asta rigida, la tiene con

diverse orientazioni); Mal Test (monitora la variazione dei marker durante una

rotazione)

Altro errore strumentale è la posa del cluster, il cui numero ottimale è 4, il raggio

medio del cluster deve essere almeno 10 volte la deviazione standard stimata

dall’errore strumentale, l’asse princ. Del cluster deve essere disposto verso il

punto di repere anat. di maggior interesse, in fine il cluster deve essere lontano

dalla condizione di allineamento dei marcatori.

2-mislocazione dei punti di repere anatomico che ha effetto sia sull&rsq