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Tale campionamento dipende dal tipo di movimento che sto considerando. Quando parliamo di movimenti

dell’uomo 50/100 immagini al secondo sono sufficienti ad effettuare una corretta analisi cinematica.

Se dovessi valutare un salto verticale usare una frequenza di 50/100 Hz non sarebbe sufficiente.

Da una valutazione ottica con una determinata frequenza di campionamento come faccio ad identificare la

cinematica dei segmenti? Vi è la necessità di effettuare delle lavorazioni delle immagini al fine di andare a

seguire il singolo segmento nel tempo. Andare a caratterizzare la posizione di un punto specifico di

un’immagine rispetto ad un riferimento vuol dire fare una calibrazione dell’immagine. La calibrazione nei

sistemi ottici è quel processo che fa si che vado a rapportare la posizione di punti specifici rispetto ad una

terna di riferimento assoluta. Dobbiamo usare un sistema ottico che abbia una frequenza di

campionamento proporzionale al tipo di movimenti che sto considerando, devo poi considerare dei punti

sull’immagine in modo da caratterizzare l’evoluzione nel tempo di quei determinati punti, cioè andare a

vedere l’andamento delle coordinate x,y,z in funzione del tempo.

La valutazione mediante sistemi ottici sono quelle fatte tramite le telecamere. Queste possono essere di

alta o altissima velocità. A seconda della telecamera che vado ad utilizzare e quindi a seconda del numero

di frame al secondo riusciremo a vedere un determinato movimento piuttosto che un altro.

Andare ad identificare i segmenti vuol dire andare ad identificare in modo manuale la posizione di dati

segmenti per andare poi a determinare l’evoluzione di determinati punti corporei. Questo può avvenire in

modo semiautomatico o automatico, in quello semiautomatico vado ad identificare in modo manuale il

punto e quindi poi vengo ad avere la ricostruzione 3D del punto considerato oppure ci sono dei sistemi

automatici per cui vado a posizionare dei sensori che sono in grado di restituirmi la coordinata dei punti sui

quali ho posizionato il sensore stesso, questi sono sensori ottico automatici, cioè opto-elettronici, che

sfruttano le caratteristiche geometriche (punti ,linee e aree) di parti del copro localizzate da marcatori e ne

vanno a riconoscere la posizione (sistemi optoelettronici).

I sistemi optoelettronici sono sistemi a marcatori. Abbiamo una sorgente di luce nel vicino infrarosso che

parte da un led e va ad illuminare ad intervalli regolari dei marcatori, il riflesso che proviene da questi

marcatori è catturato dalla telecamera coassiale alla luce infrarossa. Il riconoscimento del baricentro del

marcatore mi restituirà le coordinate x, y, z di quel punto. I sistemi optoelettronici mi restituiscono la

posizione di un punto nel quale ho posizionato il marcatore. Determinate le coordinate, ho la possibilità di

determinare tutta la cinematica che ne consegue.

Abbiamo due tipi di marcatori, quelli passivi, cioè delle sfere o emisfere illuminati da una sorgente. Sono

illuminate ad intervalli regolari perché è quel famoso frequenza di campionamento che mi serve a

monitorare il movimento. Una frequenza di campionamento di 100 Hz (intervallo di illuminazione) sarà

idonea a valutare movimenti tipici come il cammino, l’alzata dalla sedia, ecc, ma se devo fare un salto

verticale dovrò avere una frequenza di campionamento più alta. Quelli attivi sono quelli che sono già dotati

di luce, cioè sono loro stessi sorgenti di luce e si illuminano ad intervalli regolari. La loro luce emessa viene

ripresa dai sensori che determinano la posizione di questi maker. Nel caso di marker attivi ho la necessità

di avere un alimentatore.

LEZIONE 10 – 05/03/2017

ESERCITAZIONE 3

Wearable systems – elettromiografia (EMG)

Possiamo classificare le tecnologie indossabili in base alla loro posizione e alla loro funzione. Tra quelli

riguardanti la zona della testa abbiamo il NeuroSky per registrare le onde cerebrali per fare delle operazioni

semplici. Abbiamo poi dei sistemi sempre indossabili in questo caso in combinazione con degli occhialini

per valutare alcuni parametri fisiologici. Nella zona del tronco possiamo allocare alcuni esempi di tessuti

sensorializzati. Possiamo avere dei top con dei sensori integrati in grado di valutare alcuni parametri

fisiologici come ad esempio l’attività respiratoria del soggetto. Possiamo, inoltre, avere dei guanti

sensorizzati. Per quanto riguarda i polsi possiamo considerare braccialetti in grado di rilevare il numero di

passi, le calorie e il percorso. Per quanto riguarda la zona dei piedi abbiamo un calzino con dei sensori di

pressione inglobati che ci permettono di analizzare la distribuzione di pressione nel piede.

Quindi andando dalla testa ai piedi possiamo trovare diversi dispositivi in grado di rilevare parametri più

disparati. Questi sistemi vengono impiegati per il monitoraggio quotidiano dei parametri biomedici, il

recupero della funzione motoria, monitoraggio nelle prestazioni degli sportivi, esiti da malattie del sistema

cardiovascolare, evoluzione di malattie nel sistema motorio, analisi dell’allenamento e delle performance e

prevenzione delle cadute negli anziani.

I fattori che hanno portato alla diffusione di sistemi indossabili sono:

 MEMS: sono sistemi miniaturizzati che integrano dispositivi di varia natura con la funzione di

rilevazione, elaborazione o attuazione del segnale.

 Bluetooth

 Energy Harvesting: tecniche utilizzate per ricavare energia dall’ambiente o da batterie.

La scala dei MEMS è molto piccola e anche il costo è molto basso. Abbiamo tre categorie di MEMS, cioè

accelerometri, giroscopi e magnetometri. L’integrazione di questi tre sistemi è importante perché

l’accelerometro permette di definire la progressione del soggetto, il magnetometro permette di definire la

direzione nello spazio ed infine il giroscopio permette di valutare la variazione angolare.

Gli accelerometri permettono di misurare l’accelerazione. Possono essere di tipo estensimetrico,

piezoelettrico e induttivo. Negli IMU abbiamo accelerometri di tipo capacitivo, cioè la massa che si sposta

per azione della forza modifica la struttura del MEMS e in modo indiretto la capacità integrata all’interno

del MEMS e possiamo associare la variazione di questa capacità con l’accelerazione. In questi accelerometri

abbiamo una variazione del dielettrico causato dal movimento della massa.

I giroscopi sono in grado di misurare la velocità di rotazione di un corpo. Anche qua abbiamo una variazione

di distanza delle masse da una condizione di riposo a cui si associa la generazione di una forza per

l’accelerazione di Coriolis dalla quale si ricava una velocità angolare.

Il magnetometro ci dà l’orientamento nello spazio. Questo strumento ci permette di sapere se un soggetto

sta andando lungo una direzione o un’altra.

Il sistema che vediamo nelle slide è un sistema molto compatto che ha integrato un IMU costituito da un

accelerometro, magnetometro e giroscopio a 3 assi. Trasmette tramite bluetooth. I segnali acquisiti

vengono elaborati e gestiti da un database e messi a disposizione per fare una reportistica dettagliata.

Il cammino è la progressione nello spazio del soggetto. Si tratta di una successioni di movimenti degli arti

superiori e inferiori oltre che del bacino e del tronco che determina uno spostamento in avanti del centro

di gravità, quindi la progressione. Abbiamo tre piani di riferimento: frontale, sagittale e trasversale.

Il ciclo del passo comprende diversi movimenti che avvengono tra l’appoggio del tallone e il successivo

appoggio del tallone dello stesso piede. All’interno di questo lasso temporale abbiamo più passaggi:

passiamo da una posizione bipodalica ad una monopodalica per tornare ad una bipodalica.

Possiamo dividere il ciclo del passo in due fasi, la fase di appoggio e quella di swing (oscillazione).

Abbiamo una prima fase di contatto iniziale, poi abbiamo una fase di accettazione del carico per cui il carico

si distribuisce dal tallone a tutta la pianta, poi abbiamo una fase di swing, un altro contatto del tallone, una

nuova accettazione di carico, il piede si stacca da terra e c’è una fase di volo. Ci sono gruppi muscolari che

durante la fase del passo vengono attivati o meno in base anche a quale arto stiamo utilizzando.

Possiamo definire alcuni parametri:

 cadence

 step length: spazio che intercorre tra l’appoggio del tallone del piede e l’appoggio del tallone del

piede controlaterale

 stide lenght : spazio che intercorre tra l’appoggio del piede e il successive appoggio del piede

stesso

 step time

 stride time

 velocità

Questi parametri sono importanti per rilevare alcune patologie, infatti alcune di queste si ripercuotono

sulla cadence, come ad esempio in pazienti che hanno stroke (ictus). Ci sono altri sistemi che rilevano la

distanza tra un passo e l’altro e nel caso di pazienti obesi quello che si osserva è che questi tendono ad

allargare la base di appoggio.

Nel caso dell’algoritmo workflow abbiamo due parametri, cioè il contatto iniziale (heel-strike) e quello

finale (Toe-off), ovvero il primo appoggio del tallone e lo stacco della punta e l’altro parametro è lo step-

length, cioè la lunghezza del passo. Dobbiamo ricordarci che partiamo da un sistema che ci dà

un’indicazione puntuale di accelerazione di un punto che è rappresentativo del centro di massa. Nella slide

successiva abbiamo un diagramma esploso rispetto a quello precedente. Il profilo dell’accelerazione

misurata in prossimità del centro di massa sarà frastagliato poiché al contatto del piede con il terreno

corrisponde un sobbalzo. Questo profilo è quello che si utilizza per valutare gli istanti temporali in cui c’è il

contatto iniziale e di stacco nel piede e si analizza la traccia di accelerazione andando a vedere quali sono i

massimi e i minimi di questi frastagliamenti. Ci sono in mezzo delle operazioni di filtraggio e altre operazioni

atte a migliorare il profilo.

Nell’ultima slide andiamo a riportare un grafico impiegato per analizzare la lunghezza del passo. In questo

caso andiamo a pensare ad uno spostamento relativo rispetto ad una condizione iniziale in cui il soggetto è

fermo. Lo spostamento relativo è quello del sistema IMU posto nel centro di massa. Possiamo calcolare la

lunghezza del passo partendo da un modello matematico. Immaginiamo che la progressione del soggetto

sia calcolata utilizzando la modellizzazione del pendolo inverso. Per andare a valutare questa lunghezza,

utilizziamo un modello che ha necessità di avere come dato di ingresso un’altezza h che è l’altezza calcolata

a partire dal dato di accelerazione. Il soggetto all’inizio sta fermo e l’accelerazione è nulla e la posizione è a

0. Nel momento il cui il soggetto cammina ha una variazione di accelerazione (per semplicità uno

spostamento) e la differenza tra il massimo spostamento e la condizione iniziale è pari ad h.

ELETTROMIOGRAFIA

È una tecnica diagnostica di tipo funzionale. Abbiamo molti campi di utilizzo, ricerca medica, riabilitazione

sport, biomeccanica, analisi del movimento e ergonomia.

L’unità motoria è formata dal motoneurone, dal suo assone fino ad arrivare alle fibre muscolari.

Quando il motoneurone raggiunge il muscolo, abbiamo un’innervazione tramite le placche motorie, dove

ogni fibra ha la sua placca motoria e considerando lo stimolo nervoso si innescano tutta una serie di

fenomeni che danno il via al potenziale di azione. Il potenziale di azione è quello che viene misurato

attraverso l’elettromiografia. Lo spike che diparte dalla placca motoria va in due direzioni lungo la fibra.

Questo spike genera delle tensioni lungo tutto il tessuto vicino alla fibra muscolare. Il potenziale di azione è

la somma di tutti i contributi di ogni fibra muscolare. A causa delle differenze del punto di innervazione,

della velocità delle fibre, ecc, tutti gli spike associati alla singola fibra muscolare non sono allineati né nello

spazio e né nel tempo per questo il segnale elettromiografico non è altro che la somma di tutti questi

contributi di ogni singola fibra muscolare che andiamo a misurare in punto esterno che normalmente è la

superficie della pelle. Ci sono contributi sincroni e asincroni.

Nella slide abbiamo due fibre muscolari attivate con tempi diversi (asincroni) e quindi gli spike associati alle

due fibre sono sfasati nel tempo. L’attivazione del motoneurone avviene contestualmente, l’unità motoria

risponde in maniera diversa e il segnale somma i singoli contributi ed otteniamo un segnale che sulla pelle

ha un valore molto basso. Se i contributi sono sincroni, la somma del contributo delle singole unità motorie

dà origine ad un segnale molto più importante e rilevante. Dobbiamo quindi cercare di misurare l’attività

muscolare nel punto più favorevole, cioè dove ci sono i contributi sincroni. Quando si parla di

elettromiografia dobbiamo fare attenzione a dove andare a valutare questa attività muscolare perché in

alcuni punti questa attività muscolare non sarà ben visibile.

L’EMG classica prevede l’uso di aghi sottocutanei che vengono posti direttamente sul muscolo di interesse

ed è quindi una tecnica abbastanza invasiva. Le EMG di superficie (sEMG) prevedono di prelevare il segnale

sulla cute. Sarà una EMG che avrà delle limitazioni perché non andremo a misurare l’attività non di un

singolo muscolo ma di un gruppo di muscoli. I sEMG presentano il fenomeno del crosstalk cioè quel

fenomeno per il quale attività più basse con muscoli più vicini all’elettrodo si confondono con attività più

alte di muscoli più lontani dall’elettrodo.

Le tecniche di prelievo del segnale sEMG sono monopolare e bipolare. Tendenzialmente il monopolare non

viene utilizzato. Il caso bipolare prevede l’acquisizione del segnale da due distretti. Il posizionamento degli

elettrodi è importante per andare a capire cosa andiamo a misurare. Nella prima slide abbiamo due punti di

acquisizione che si trovano a cavallo della pacca. In questo caso avendo gli spike la stessa entità quello che

andremo a misurare sarà un segnale molto basso e questo è ciò che non vogliamo. Quello che dobbiamo

fare è posizionare gli elettrodi in una parte precisa per cui si prende solo lo spike. Se mettiamo gli elettrodi

perpendicolarmente alla fibra muscolare non riusciamo a registrare nulla.

Ci sono delle linee guida molto dettagliate che ci dicono dove andare a posizionare questi elettrodi. Ci sono

delle tabelle che danno informazioni su alcuni punti di repere. Tuttavia, mettendo le sonde nel punto

indicato non siamo sicuri di rilevare l’attività di un dato muscolo. Per questo ci sono delle linee guida molto

più precise che ci danno delle indicazioni sul tipo di muscolo che andiamo a caratterizzare, ci dicono

l’origine di estrazione del muscolo, ci dice come andare ad individuare queste linee nelle quali andremo a

mettere le sonde e ci danno delle indicazioni come creare la massima contrazione.

La preparazione del soggetto è molto importante, poiché dobbiamo eliminare il grasso superficiale della

cute e assicurare un buon fissaggio poiché altrimenti avremo del rumore che si confonderà con il rumore

del segnale.

Il segnale deve essere trattato nel dominio del tempo e della frequenza. Si vanno a determinare parametri

per caratterizzare il muscolo sotto alcuni aspetti come quelli morfologici, l’attività o altre caratteristiche

specifiche.

Soggetti differenti hanno un’attività muscolare differente per questo è necessario fare una normalizzazione

rispetto ad una massima contrazione, cioè andiamo a fare una normalizzazione rispetto alla massima

capacità del soggetto di sviluppare forza muscolare. Si chiede al soggetto di fare dei movimenti alla

massima contrazione che siano specifici del muscolo che vogliamo analizzare.

LEZIONE 11 – 11/04/2017

La teoria dell’optoelettronica è basata sulla localizzazione di alcuni marcatori che sono realizzati in materiali

catarifrangenti o dotati di luce. Il sistema optoelettronico identifica il marcatore, definisce le coordinate del

centro e da qui si va a caratterizzare la cinematica del movimento. Se andiamo ad identificare sul corpo del

soggetto determinati punti posizionando questi marcatori, il sistema va ad identificare le coordinate x, y, z

del segmento che è stato opportunamente marchetizzato. Quando parliamo di misura della cinematica del

segmento ci riferiamo a segmenti corporei ma possiamo pensare di applicare questi marcatori anche a

strutture meccaniche piuttosto che su oggetti di qualunque natura, andando a determinare la cinematica di

quel corpo. Nel momento in cui abbiamo le coordinate x, y, z dei vari punti, la proiezione di queste

coordinate su determinati piani mi dà luogo alle traiettorie sui vari pani: nel piano sagittale, in quello

frontale e in quello orizzontale. Le coordinate hanno una variazione nel tempo e quindi abbiamo la

possibilità di effettuare una derivata prima per determinare una velocità e una derivata seconda per

determinare quindi un accelerazione. Abbiamo, quindi, la possibilità di definire la cinematica.

Le coordinate dei punti posizionate sul corpo del soggetto si riferiscono ad una terna assoluta definita come

terna di laboratorio. Al fine di determinare la posizione relativa di una terna rispetto all’altra si va a

considerare la posizione della terna rispetto al sistema di riferimento globale e con delle matrici di

rototraslazione si va ad identificare il movimento relativo di una terna rispetto all’altra. Se abbiamo ad

esempio una terna riferita al segmento coscia e una riferita al segmento tibia, per determinare la

cinematica articolare quindi il movimento relativo tra tibia e femore, andrò a riferirmi al sistema di

rifermento in laboratorio e farò le opportune trasformazioni per determinare la cinematica articolare.

Quindi partendo dalle coordinate di determinati punti di repere, quello che poi ritrovo sono degli angoli

relativi per esempio tra femore e tibia che mi rappresentano la cinematica articolare. Ancora una volta il

sistema opto-elettronico mi viene in aiuto per determinare la cinematica dell’articolazione e lo fa in modo

tridimensionale attraverso l’uso di marcatori rispetto a quello che fanno gli elettrogoniometri.

I marcatori attivi si illuminano ad intervalli regolari grazie ad un illuminazione propria rilevata dalla

telecamera. I marcatori passivi sono degli elementi che riflettono una luce che arriva dalla sorgente nel

vicino infrarosso. Il marcatore è ricoperto da materiale catarifrangente e il riflesso è catturato dalla

telecamera coassiale alla sorgente. Nel caso in cui ho marcatori attivi ho bisogno di alimentazione mentre

questo non avviene nel caso di quelli passivi. Esistono diverse misure di marcatori passivi che vanno da

qualche mm fino ad arrivare a dimensioni molto piccole di pochi mm. Il fatto di avere diverse dimensioni

nei marcatori passivi ci dà la possibilità di andare a marchetizzare diverse parti del corpo. Se voglio

marchetizzare le parti del soggetto utilizzerò dei marcatori sferici, ma nel momento in cui dovessi valutare

l’espressione del volto, come la cinematica della bocca o degli occhi, andrò ad utilizzare marcatori molto

piccoli. Per applicazioni di questo tipo usare dei sistemi a marker attivi non è una soluzione adeguata

poiché avremo tanti fili che andranno ad alimentare questi led e quindi l’uso dei marcatori passivi

nell’ambito della valutazione del movimento può avere un certo vantaggio. Le condizioni per cui diventa

importante valutare la mimica facciale potrebbe essere in seguito ad un ictus che può portare ad una

emiparesi. Il fatto di avere la possibilità di valutare la modifica dell’espressione ci permette di valutare

quanto è limitato un movimento specifico al fine di mettere in atto una riabilitazione per valutare poi

sempre attraverso meccanismi di valutazione il grado di recupero.

Possiamo elencare i vantaggi e i svantaggi rispettivamente di quelli attivi e di quelli passivi.

Tra i vantaggi dei marcatori attivi abbiamo:

 etichettatura automatica del marker, cioè andare a definire la posizione del marcatore secondo

un determinato modello. Immaginiamo di avere il sistema che acquisisce le coordinate del

marcatore che sono dei punti sullo schermo della nostra immagine. Abbiamo una serie di

coordinate di questi marcatori ma non abbiamo il corrispettivo posizionamento del marcatore

rispetto al sistema corporeo che stiamo considerando. Questa operazione prende il nome di

tracking o operazione di etichettatura. La marcature consiste nell’identificare le coordinate dei

vari punti come appartenenti ad una determinata parte del corpo. Andare a fare il passaggio da

una matrice di coordinate a dei punti anatomici specifici è quello che prende il nome di tracking o

etichettatura. Nel caso dei sistemi a marcatori passivi l’etichettatura deve essere fatta utilizzando

un determinato processo che è quello del tracking mentre nel caso di quelli attivi viene fatto in

modo automatico e quindi in modo automatico so come sono posizionati i marcatori nelle varie

parti del corpo. Questo è reso possibile perche l’illuminazione avviene in modo sequenziale e

quindi in modo automatico avrò l’identificazione delle coordinate del primo marcatore x, y e z al

tempo t0 che saranno quelle del marcatore posizionato in una determinata parte del corpo. Dopo

un certo ∆t si illumina il secondo marcatore ed in modo automatico ho il riconoscimento della

posizione del marcatore rispetto al segmento corporeo che sto considerando. Questo è presente

nel marcatore attivo perché il marcatore si attiva con una sequenza temporale che è diversa, cioè

non faccio illuminare tutti i marcatori insieme ma faccio illuminare prima uno e poi l’altro.

 tracciamento in tempo reale del movimento del segmento marchetizzato poiché ho

immediatamente un segnale che so appartenere ad un determinato segmento e quindi ho

l’opportunità di effettuare il tracciamento in tempi reali del movimento. Questo non è presente nei

marker passivi poiché il processo del dato deve avvenire attraverso un processo di tracking che può

essere fatto in modo automatico ma non in tempo reale.

 i marcatori attivi sono meno sensibili al rumore proprio perché non abbiamo degli artefatti che

possono derivare da riflessi che arrivano da altri elementi non necessariamente marcatori.

I vantaggi di quelli passivi:

 Non hanno cavi ma sono vincolati con materiale biadesivo e questo permette al soggetto una

libertà di movimento

 Non abbiamo la presenza del calore poiché appunto passivi

 Ho la possibilità di andare a caratterizzare tutte le parti del corpo di qualunque dimensioni e

movimenti molto fini perché dispongo di marcatori con dimensioni diverse senza avere un sistema

di cavi elevato: numero di marker illimitato

 Sono indipendenti dal numero di marker utilizzati e possono lavorare allo stesso modo con numeri

diversi di marcatori

 Posso acquisire in modo globale in tutto il corpo

Gli svantaggi di quelli attivi:

 Ingombro, limitazione dei movimenti

 Tempo per il posizionamento perché mentre quello passivo possiamo mettere il biadesivo ed

appiccicarlo nel caso di quelli attivi dobbiamo posizionare anche la scatoletta e tutti i cavi

 Calore

 Sincronizzazione

 Frequenza di campionamento limitata perché abbiamo un’ illuminazione che avviene all’interno

del led stesso.

Gli svantaggi di quelli passivi:

 Necessità di avere illuminatori coassiali alla telecamera

 Etichettatura non automatica

 Costi elevati

 Non possiamo fare queste valutazioni all’aperto poiché il riflesso generato sarebbe un riflesso che

arriverebbe dall’illuminazione del sole e quindi l’applicazione deve avvenire in un ambito

controllato in termini di illuminazione

 Ho bisogno di conoscere il volume di calibrazione perché per come sono definite le coordinate del

marcatore la presenza degli illuminatori coassiali investe il marcatore e questo viene ad essere

rilevato.

Nel caso della valutazione funzionale i vantaggi dei marcatori passivi sono ampiamente superati rispetto

agli svantaggi.

Come si identifica la coordinata del marcatore? Andiamo ad identificare il marcatore il cui riflesso è visto

dai pixel rossi (slide), il sistema va a identificare la coordinata x,y e z del baricentro dell’insieme di marcatori

e questo viene fatto attraverso un metodo di riconoscimento basato sulla sogliatura cioè andiamo a

definire la soglia per cui viene identificato come marcatore quell’insieme di pixel che superano una

determinata soglia in termini di intensità luminosa. Quindi si vanno a considerare come pixel quegli

elementi che appartengono ad una colorazione diversa rispetto allo sfondo considerato. Identificata la

soglia con dei metodi di filtraggio, si va ad identificare questo insieme di pixel che costituirà il marcatore e il

cui baricentro caratterizza un determinato punto corporeo su cui il marcatore è applicato. Si fa poi la blob

analisi (identificazione delle macchie cromatiche) cioè si vanno ad identificare quelle zone cromatiche

omogenee in termini di colorazione, si va ad identificare la dimensione di questa zona ad uniformità di

colore e si va a fare una stima di figura geometrica che compone l’insieme di pixel che caratterizza il

marker. Il processo di cross-correlazione va ad identificare con un processo specifico utilizzando delle

maschere bidimensionali il baricentro del marcatore.

Riassumendo io ho il riflesso che arriva da dei marcatori con una determinata forma rappresentato come

dei pixel con una determinata colorazione. Identifico come pixel quelli che superano una determinata soglia

con processi di elaborazioni di immagini, vado ad identificare la forma che contiene questi pixel e il

baricentro di questa forma mi determinerà la coordinata di questo marcatore che rappresenta la posizione

x, y, z del punto in cui è stato applicato il marcatore.

Dal punto di vista del tracking, questa è l’operazione che viene ad essere identificata come identificazione

del marcatore che è meno agevole o non in real time nei marcatori passivi rispetto a quelli attivi. Nella slide

abbiamo diversi pixel che vengono identificati come marcatori. Il passaggio del tracking è quello che va ad

associare una zona identificata da diversi posizione del marker con posizioni specifiche del corpo, quindi il

trecking consiste nell’andare ad “appiccicare” un modello fatto di segmenti e cerniere (marcatori) ad un

modello del corpo che stiamo considerando. Questa operazione la si fa in un determinato frame, va da se

che poi inseguendo la posizione dei marcatori abbiamo la ricostruzione del movimento del soggetto che

stiamo considerando.

I marcatori per poter essere correttamente valutati devono essere all’interno del volume di calibrazione in

cui abbiamo la massima accuratezza del sistema. Questo volume di calibrazione viene ad essere effettuato

utilizzando delle barre su cui sono posizionati in punti noti al sistema i marcatori. L’operazione di

calibrazione si svolge in due fasi. Per identificare quale è la terna di laboratorio posiziono all’interno del

volume di calibrazione una terna sulla quale sono posizionati dei marcatori. Andando a determinare le

coordinate x, y e z di questi marcatori, definisco un SdR di laboratorio. Dopodiché si muove una barra

all’interno del volume di calibrazione e questa mi determinerà l’entità della zona all’interno del quale

abbiamo l’accuratezza massima del sistema.

In conclusione:

 Riconoscimento nell’ambiente della presenza di uno o più oggetti con una forma predefinita

(denominati marker)

 Calcolo da parte di ciascun sensore delle coordinate x e y del baricentro del marker

 Classificazione dei marker, che consiste nell’attribuire ciascun marker al relativo punto dell’oggetto

di cui si vuole studiare il movimento

 Compimento delle operazioni necessarie per ricostruire le traiettorie dei punti

In termini clinici usando dei marcatori passivi che lavorano con questa tecnologia ci possono essere degli

elementi che possono interferire con la nostra misura. Un esempio è se il sistema o l’individuo indossa

qualcosa che riflette. Tale riflesso verrebbe ad essere identificato come marcatore ed è quindi importante

identificare come marcatore solo quelli che hanno una determinata geometria per escludere tutti gli altri.

Perché osservare il paziente che si muove non è sufficiente? La ripresa video ci dà l’opportunità di

caratterizzare il soggetto solo qualitativamente e non quantitativamente cosa che invece, nel caso del

sistema opto-elettronico, possiamo fare andando a quantificare la cinematica del movimento. Inoltre la

video analisi ci restituisce un’immagine 2D. Utilizzando sistemi opto-elettronici possiamo ricostruire una

rappresentazione 3D e avere quindi la possibilità di vedere cosa succede sul piano sagittale, frontale e

orizzontale. Il clinico richiede un grafico in cui in funzione della fascia di normalità venga rappresentato il

comportamento ad esempio dell’arto sx o dx del soggetto che stiamo analizzando. Il grafico ci dice quanto è

il comportamento rispetto ad una normativa di riferimento. Nel piano orizzontale possiamo andare a

vedere quanto la rotazione del piede interna-esterna si distanzia dalla curva di normalità. Facendo un

processo riabilitativo posso valutare se il paziente ha un atteggiamento che si avvicina al grado di normalità.

Abbiamo anche applicazioni che non riguardano la clinica ma il mondo dell’intrattenimento,

cinematografico e nell’ambito del motion capture. Abbiamo anche altre valutazioni cliniche come la

valutazione dell’attività respiratoria in cui i marker sono posizionati sull’addome.

Per caratterizzare il movimento umano andiamo a considerare gli angoli articolari quindi andiamo a

considerare delle terne che portano ad avere delle grandezze di cinematica articolari (angoli di abduzione-

adduzione, intra-extra rotazione e flesso-estensione).

Il clinico va ad utilizzare i grafici da noi prodotti per intervenire. È nostro dovere quindi conoscere quali

sono le misure che possono essere affette da errore nel momento in cui faccio una valutazione quantitativa

poiché andrei a produrre difetti non coerenti e quindi applicazioni di terapie sbagliate. Devo quindi

conoscere la variabilità. Quando uso strumenti opto-elettronici gli errori sono di tre tipi:

 Errori strumentali: In condizioni statiche le coordinate ricostruite dai marcatori non sono tempo-

invarianti ma sono variabili dovute ad un errore insito nello strumento. Considerando i pixel rossi e

analizzando questi pixel nel tempo osserviamo come questi cambiano di numerosità poiché

andiamo ad illuminare ad intervalli regolari il riflesso che può essere una volta composta da 3, 4 ecc

pixel. Questa variazione è dovuta all’errore che è inserito nella strumentazione dovuto a due

tipologie di errore: sistematici e casuali.

 Gli errori sistematici dipendono da quanto è accurata la calibrazione, quindi se facciamo una

cattiva calibrazione mi porto un errore sistematico che mi andrà a condizionare la misura che

sto effettuando. Inoltre devo tenere in considerazione anche il modello utilizzato. Per ridurre

l’entità di questi errore devo ottimizzare il processo di calibrazione, perché questo errore

dipende dalla posizione del marcatore all’interno del volume di calibrazione.

 Gli errori casuali sono legati a delle caratteristiche insite nella strumentazione stessa e sono

errori che dipendono da un rumore elettronico e nel processo di digitalizzazione dell’immagine.

Su questi errori casuali non possiamo agire poiché insiti nella strumentazione, però esistono dei

metodi di elaborazione, cioè di filtraggio che riducono l’errore casuale. L’accuratezza del

sistema opto-elettronico è in funzione del diametro del volume calibrato, quindi c’è un legame

tra accuratezza e volume calibrato per cui maggiore è la distanza che definisce la misura del

volume calibrato e maggiore sarà l’accuratezza.

Gli altri due errori dipendono dal fatto che sto utilizzando questi sistemi sul corpo umano.

 Errori dovuti alla determinazione delle coordinate dei punti di repere anatomici: devo andare a

definire i punti di repere anatomici che purtroppo a volte possono essere sottocutanei o interni.

Se ho punti sottocutanei è difficile andare ad identificare il punto dove posizionare il marcatore

perché i repere anatomici (RA) non sono molto spesso dei punti specifici, potrebbero infatti essere

delle e diventa difficile posizionare il marker. Inoltre i punti di repere sono sempre ricoperti da

tessuti molli, perché non ho mai un punto di repere che non ha un interfaccia come la pelle o

grasso superficiale. L’altro elemento è che l’identificazione del repere anatomico dipende dalla

procedura di palpazione. Questi errori di localizzazione dipendono moltissimo dall’operatore

poiché rispetto ad un operatore esterno, un operatore esperto risolve l’errore di localizzazione con

una precisione del modus operandi che porta ad una riduzione dell’errore.

 Errori da artefatti da tessuto molle: Sono dovuti al fatto che il soggetto ha il marcatore posizionato

su delle parti che a delle volte sono messe in movimento dal tessuto molle. Se voglio caratterizzare

ad esempio l’articolazione del ginocchio non potrò posizionare il marcatore davanti poiché, nel

momento in cui fletto, il movimento della rotula sposta il marker. A delle volte c’è la necessità di

andare ad utilizzare dei cluster, cioè delle placche sulle quali andiamo a posizionare il marcatore al

fine di rendere solidali la terna di riferimento con il nostro segmento.

Abbiamo degli errori legati al tipo di sistema che stiamo utilizzando, cioè gli errori strumentali e altre due

tipologie di errori che sono dovuti da un lato da come è fatta la configurazione del corpo e dall’altro dal

modo di operare dell’operatore.

LEZIONE 12 – 12-04-17

ESERCITAZIONE / SEMINARIO

Il movimento nasce dall’interazione tra l’individuo, il task che compio e l’ambiente in cui sono. Abbiamo

due tipi di valutazione quella eseguita in un ambiente controllato (importante per garantire la ripetibilità) e

quella eseguita in ambito non controllato (ad esempio un ambiente ecologico che è altrettanto

importante). Abbiamo inoltre l’esigenza di avere molti dati. La medicina basata sull’evidenza sottolinea

l’importanza di avere dati quantitativi derivati da strumentazione clinica per effettuare analisi e ottimizzare

il percorso terapeutico. Queste esigenze vengono soddisfatte dai wereable device.

I wearable device ci permettono da un lato di fare delle valutazioni in ambienti non controllati e dall’altro di

effettuare tanti tipi di misure anche in modo abbastanza veloce. Questi sistemi permettono di seguire

l’evoluzione della patologia nel paziente. La semplicità di utilizzo garantisce il fatto che l’esame possa

essere esteso a personale non altamente qualificato. Le varie strumentazioni sono wireless e quindi

lasciano il paziente libero di muoversi.

Sensore inerziale: contiene al suo interno un IMU contenente 4 piattaforme accelerometriche, 4 giroscopi

e 4 magnetometri che funzionano contemporaneamente attraverso un algoritmo avanzato di sensor fusion.

In uscita avremo quindi accelerazioni e velocità angolari. Dai dati grezzi attraverso l’implementazione di

algoritmi riusciamo a quantificare diversi test. Nel sensore in dettaglio abbiamo implementati 6 test. Tra

questi abbiamo il:

 test di cammino che ci permette di andare a valutare i parametri spazio-temporali, velocità,

cadenza, lunghezza del passo, le varie fasi del passo (volo, appoggio, doppio supporto, singolo

appoggio), valutiamo la simmetria, la propulsione intesa come capacità di far accelerare il centro di

massa e gli angoli del bacino. Andiamo a valutare il cammino poiché funzione essenziale e in alcune

patologie occorre recuperare questa funzione.

Gli altri test implementati sono impiegati nella pratica clinica.

 test di time up and go, test nel quale viene chiesto al paziente inizialmente in posizione seduta di

alzarsi dalla sedia, percorrere 3 metri, girare intorno ad un birillo e tornare nella posizione iniziale

di seduta. Il test del time up and go risulta complesso da eseguire in determinate patologie e se lo

spacchettiamo nelle sue diverse fasi va ad identificare i diversi gesti comunemente eseguiti nella

vita quotidiani.

 Il test dei 6 minuti è un test utilizzato in riabilitazione cardiaca-respiratoria per valutare la capacità

funzionale del soggetto. È un test di cammino in 6 minuti che viene eseguito fra due birilli posti a

distanza fissa.

 La corsa

 Il salto

 Test in cui viene chiesto al paziente di camminare in direzione rettilinea, ruotare e tornare nella

posizione iniziale.

Test del cammino. Il sistema è posizionato attraverso una cinta a livello S1-S2 e quindi va a stimare quella

che è la posizione del cento di massa. I picchi positivi dell’accelerazione antero-posteriore sono associati ai

segnali si strike (HS), mentre quelli negativi sono associati al toe-off (TO). Quindi il primo passo è quello di

identificare gli HS e i TO. Tuttavia a questo punto non sappiamo quali HS e TO corrispondono a quelli dx e a

quelli sx. Utilizzo quindi il giroscopio, che ci dà delle info sulla velocità angolare, saremo in grado di valutare

le variazioni di velocità angolare nei due sensi che ci permetteranno di distinguere il passo dx da quello sx.

Tuttavia, questa è un’assunzione che spesso viene a cadere sui patologici. Questo sensore presenta

all’interno un algoritmo molto complesso, per cui attraverso dei filtraggi che vengono fatti sui segnali di

accelerazione e su quello del giroscopio, siamo in grado di ricavare la rotazione della terna relativa rispetto

a quella fissa definita durante la fase di stabilizzazione. Avendo gli angoli andiamo a fare un doppio check

sia sulla velocità angolare che sull’angolo. A questo punto siamo in grado di ricavarci le fasi del ciclo del

passo. Tuttavia, la grande sfida è quello di far funzionare bene questi sistemi su soggetti che non hanno un

pattern di cammino fisiologico. Andiamo ad identificare il pattern di gait per capire come il soggetto

cammina e andare a stimare la periodicità del pattern. Fatta questa stima i due blocchi vanno ad

identificare gli HS e i TO.

Ora che abbiamo stimato le varie fasi del passo, dobbiamo stimare la velocità. A partire da un segnale di

accelerazione possiamo stimare la velocità integrando, tuttavia questo risulta complesso. Implementando

un adeguato filtraggio riusciamo a stimare la velocità ma su cammini senza rotazione poiché la rotazione

introduce una grossa perturbazione della velocità che rende questa stima ancora più problematica.

Nel caso di rotazione la velocità viene calcolata attraverso l’algoritmo del pendolo inverso. In questo caso la

gamba viene modellizzata come un pendolo inverso, dove l è la lunghezza tra il grande trocantere e il

sensore a terra e h è il displacement verticale del sensore stesso.

Elettromiografia di superficie: valuta l’attività del numero di fibre muscolari, ne deriva che il pattern non è

quello del potenziale di azione che siamo abituati a vedere ma è un pattern differente poiché deriva dalla

somma di tanti potenziali di azione. L’elettromiografia di superficie risponde alle seguenti domande:

1. È attivo il muscolo?

2. Quanto è attivo il muscolo?

3. Quando è attivo il muscolo?

Durante il ciclo del passo sono attivati i muscoli e la sequenza di attivazione dei muscoli in un soggetto sano

è simile. Ci sono alcune situazioni in cui possiamo avere una contemporanea contrazione dei muscoli

agonisti e antagonisti che denota una non coordinata contrazione muscolare che provoca dei problemi di

deambulazione. Non è facile valutare quanto è attivo un muscolo attraverso un confronti di attività

elettromiografiche poiché il posizionamento dell’elettrodo così come gli artefatti vanno ad influenzare

notevolmente queste valutazioni. Per questo il dato in ampiezza viene normalizzato sulla massima

contrazione volontaria. Andiamo ad eseguire 2 test, uno in massima contrazione volontaria sul muscolo che

stiamo valutando ed eseguo un altro test in condizioni normali. Andando a normalizzare l’uno sull’altro

rimuovo la componente dovuta agli errori di posizionamento.

Il protocollo di flex-relaxation è utilizzato per valutare la componente muscolare legata alla lombalgia.

Le cause della lombalgia sono differenti, una di queste può essere una causa muscolare. Al paziente è

chiesto di rimanere 5 secondi fermo, di eseguire una flessione per poi tornare nella condizione ortostatica

eretta. La fascia muscolare è attiva nei primi secondi del movimento nel controllo della flessione, durante la

fase di flessione massima raggiunta gli erettori si devono spegnere e se sono attivi significa che abbiamo un

attività di target muscolare quando non dovrebbe essere presente, per poi tornare in posizione eretta e in

questa fase di estensione i muscoli flessori sono attivi contro la forza di gravità, per questo vedremo una

attivazione maggiore.

Possiamo usare sensori in combinazione con l’elettromiografia anche per effettuare delle analisi di

cammino. In questo caso i sensori possono essere posti sul gastrocnemio o sul tibiale anteriore per valutare

il timing di attivazione. Il sensore in questo caso calcola tutti i parametri del ciclo del passo. Sulla parte

elettromiografia abbiamo l’attività muscolare, cioè quando il muscolo non è attivo e quando è attivo.

Il sensore distinguendo quello che è il ciclo del passo è in grado di andare a collocare il segnale

elettromiografico all’interno di questi grafici. Lavorando con questi due sistemi in maniera sincrona

abbiamo un dispositivo che ci permette di ottenere in modo veloce analisi sia su segnali spazio-temporali

che sull’attività muscolare.

Nel test del cammino all’inizio è importante rimanere fermi perché il sensore possa creare la sua terna di

riferimento. Il test del time up and go è utilizzato su soggetti anziani e neurologici. La durata della prova è

un dato fondamentale poiché è uno degli indici di rischio caduta, in particolare da letteratura ci sono delle

soglie per cui se la durata della prova è superiore ad una determinata soglia (definita per ogni tipo di

paziente) siamo a rischio caduta. Valutare i tempi delle varie sottofasi ci permette anche di capire se c’è

stato un miglioramento e dove c’è stato in seguito ad un’attività riabilitativa.

SECONDA PARTE

LEZIONE 13 9/05/2017

Analisi delle variabili dinamiche

Quando andiamo a parlare di misura del movimento ci riferiamo alla determinazione di grandezze

cinematiche. Gli strumenti più adeguati per la misura della cinematica sono i sistemi optoelettronici che

consentono una misura multi assiale del movimento perché consentono di determinare le coordinate dei

marcatori posti sul soggetto in prossimità dei punti di repere.

Quando ci riferiamo all’analisi dinamica e in particolare alla valutazione delle variabili dinamiche vuol dire

concentrarci sulla misura delle forze e in genere i sistemi che misurano le forze sono chiamati dinamometri

e sulla valutazione delle pressioni di interfaccia ed in questo caso parleremo di matrici di sensori di forza.

Gli ergometri sono strumenti che permettono al soggetto di eseguire un’ azione motoria controllando o

imponendo la quantità di energia meccanica prodotta. Con il termine ergometro ci riferiamo a tutte quelle

condizioni in cui andiamo ad imporre un’energia meccanica e si va a valutare quanto il soggetto è in grado

di far fronte a questa situazione meccanica. Un ergometro come un cicloergometro è un tipo di bicicletta.

Alla pedivella è imposta una coppia, che è una resistenza contro la quale il soggetto deve imporre un

movimento.

Parlando di variabili dinamiche dovremo riferirci a dei sensori che siano dei trasduttori di forza, cioè che

siano in grado di reperire la forza e trasdurla in un segnale elettrico. Il trasduttore di forza funziona tenendo

conto che un qualsiasi sistema di forze che agisce sul corpo rigido è equivalente sempre ad una forza e ad

una coppia. Possiamo rappresentare un sistema di forze con una forza e una coppia.

Anche qui vale il concetto di sforzo-deformazione. Andando ad applicare un carico assiale questo produrrà

una variazione di lunghezza del provino che stiamo considerando. La variazione del carico assiale è una

riduzione di lunghezza. Di fatto andiamo a produrre una deformazione che è data dalla variazione di

lunghezza rispetto alla lunghezza di partenza. Lo sforzo che è andato a creare questa deformazione è legato

alla deformazione stessa mediante il modulo di elasticità E. Mediante questa legge siamo in grado di

misurare la deformazione attraverso un sensore, risalendo quindi al carico che lo ha determinato. Questo

vale per il carico assiale ma anche per le coppie. Applicando la coppia ottengo rispettivamente un

allungamento di una parte rispetto ad un accorciamento dell’altra. Quindi una parte del provino andrà in

sovra elongazione mentre l’altra subirà un accorciamento e anche in questo caso saremo in grado di

ricavare il carico che ha determinato la deformazione.

La misura di questi concetti può essere facilmente applicato nei confronti di ausili funzionali, come la

stampella. Con dei sensori possiamo valutare la deformazione e quindi le forze che la hanno prodotta.

Siamo nello spazio e quindi avremo tre componenti della forza (Fx, Fy e Fz) e del momento (Mx, My e Mz).

È importante essere nel range lineare per fare questa valutazione e quindi i nostri sensori funzioneranno

bene solo se il comportamento del mio provino soggetto al carico è elastico.

Ora ci occupiamo di calcolare lo scambio di forze piede-suolo. Gli strumenti che utilizziamo per misurare le

forze che vengono scambiate durante un atto motorio sono le pedane dinamometriche. Queste vanno a

determinare la situazione di carico utilizzando dei sensori (4) posti ai quattro vertici della piattaforma di

forza. A seconda di dove applico la forza, la piattaforma genererà una reazione sul corpo (freccia in nero)

mentre la freccia in rosso rappresenta il comportamento del soggetto quando questo cammina sulla

piattaforma di forza. Tale forza sarà costituita da 3 componenti: quella verticale, quella antero-posteriore e

quella mediale-laterale e le corrispettive componenti opposte sono quelle provenienti dal suolo e applicate

sul corpo del soggetto.

Con la piattaforma di forza determino lo scambio di forza e quindi ho una misura indiretta di quello che sta

facendo il mio muscolo, cioè mi dà delle informazioni che altrimenti non potrei avere in nessun modo.

La mia forza che è scomponibile in 3 componenti sarà equilibrata dalle reazioni vincolari che

permetteranno di ricavare la forza applicata. I sensori agli spigoli permettono di rilevare le componenti

delle reazioni vincolari. Le varie componenti vengono poi sommate per ricavarne poi la |F|.

Non è solo importante determinare l’intensità della forza ma è anche importante andare ad identificare il

punto di applicazione della forza, poiché il braccio che vado a produrre determinerà un momento.

Per determinare la coppia devo identificare il braccio della forza, braccio che viene identificato conoscendo

il punto di applicazione della forza. Quindi l’uscita della piattaforma di forza non consiste solo in

informazioni relative al vettore forza ma anche al punto di applicazione del vettore stesso (CdP).

Agli spigoli della pedana abbiamo trasduttori estensimetrici, cioè utilizziamo degli estensimetri che vanno a

fornire delle informazioni di carico in base alla deformazione dell’estensimetro. Abbiamo delle resistenze

con una configurazione a ponte di Weastone la cui R varia proporzionalmente al carico applicato.

Le piattaforme di forza piezoelettriche sono quelle che utilizzano tecnologia piezoelettrica e negli spigoli di

queste piattaforme abbiamo la presenza di dischi al quarzo tagliati con inclinazioni opportune in modo che

una volta sovrapposti e caricati andranno a restituire le componenti x, y e z della forza alla quale sono

sottoposti.

La potenzialità delle piattaforme di forza è quella di dare in uscita le 3 componenti della forza più il punto

di applicazione. Nel caso della piattaforma piezoelettrica o ad estensimetri avremo delle caratteristiche

tecniche differenti. In particolar modo la soglia al di sopra della quale il sistema è in grado di rilevare che c’è

una forza è di 5-10 N per quelle piezoelettriche, mentre abbiamo una soglia più alta per quelle a strain

gauge. Questo è il motivo per cui per carichi piccoli sono molto più indicate le piattaforme piezoelettriche

piuttosto che le altre. Un'altra caratteristica è la frequenza di risonanza che nel caso piezoelettrico

raggiunge valori più alti rispetto a quella ad estensimetri. Questo è importante nel momento in cui abbiamo

delle vibrazioni del terreno. Se sono in una zona con elevate condizioni di vibrazioni sceglierò un modello di

pedana con frequenza di risonanza più bassa. Mentre le piattaforme a strain gauge non hanno deriva quelle

piezoelettriche hanno una deriva di 0.01 N/s, che è il valore di come cambia la misura di rilevazione della

forza nel tempo. Le prove per le quali la deriva è un fattore importante sono prove che hanno una certa

durata e in cui il soggetto deve stare fermo, quindi sono in genere prove di postura.

La piattaforma di forza va a misurare le componenti della forza nelle 3 direzioni e mi restituisce un

digramma, cioè il butterfly diagram. Lo spostamento del punto di applicazione della forza (cioè la base del

diagramma) descrive il movimento del punto di applicazione del vettore. Questo mi restituisce informazioni

su come sto spingendo e quindi sulla forza ma anche su quale tipo di appoggio abbiamo.

L’andamento tipico della componenti verticale riassume bene il diagramma a farfalla, poiché il vettore

complessivo ha come componente dominante proprio la componente verticale. La forza di taglio medio-

laterale e antero-posteriore hanno un andamento con un ampiezza minore e quindi con un minor

contributo. Come possiamo osservare dal grafico della componente verticale la forza prodotta supera la

forza peso. Solo se siamo in condizioni statiche la massima forza che siamo in grado di sviluppare è pari a

quella peso poiché nel momento in cui ci muoviamo il mio sistema deve vincere una certa inerzia e quindi la

forza prodotta sarà fluttuante e in alcuni casi maggiore alla forza peso. L’equilibrio delle forze esterne va ad

equilibrare le forze inerziali e quindi il mio corpo avrà una reazione R che è quella che mi misura la

piattaforma e che dipenderà dal contributo inerziale e da mg. La forza che rappresento sul grafico è R e la

fluttuazione dipende se sto muovendo il baricentro verso l’alto o verso il basso. Quando sono sul primo

picco la risposta del carico è dovuta al fatto che il centro di gravità si sta abbassando e quindi la

componente inerziale è opposta. Potando entrambi i contributi (mg e ma) a dx nell’equazione avrò un

incremento della forza peso. Al contrario, quando sono nella parte centrale, il baricentro si sta muovendo

verso l’alto e quindi la componete inerziale è verso il basso, valore negativo e quindi nell’equilibrio delle

forze andrà a sottrarsi alla forza peso. Ovviamente questo dipenderà dalla velocità, infatti se mi avvicino di

più ad una condizione statica i picchi risultano diminuiti poiché la componente inerziale risulta azzerata.

Al contrario, se corro avrò delle accelerazioni importanti quindi picchi maggiori. Nella slide possiamo

osservare come nel caso del cammino lento perdiamo completamente il contributo inerziale.

Il picco del superamento della forza peso raggiunge nelle condizione di normalità il 110% del valore del

peso corporeo mentre nel caso dell’avvallamento siamo introno all’80% del peso corporeo. Rappresentarlo

in % ci dà il vantaggio di rendere il grafico indipendente dal peso dell’individuo, andremo quindi a

normalizzare rispetto al peso corporeo.

Mentre le piattaforme di forza ci danno il vettore rappresentativo di forza e il punto di applicazione, le

pedane baropodometriche ci restituiscono solamente la componente verticale della F. Funzionano con un

principio differente rispetto alle piattaforme di forza basandosi sulle pressioni. Nota la pressione e l’area

avremo la forza. La pressione non può avere 3 componenti e quindi la forza che andremo a determinare

sarà solo la forza verticale. In questo caso ho una matrice di sensori posti sulla superficie della pedana e

non sugli spigoli come in precedenza. Possiamo avere sensori basati su estensimetri, capacitivi, conduttivi e

piezoelettrici. L’accuratezza della pedana baropodometrica dipenderà dal numero di matrici che

compongono il singolo sensore. Possiamo avere anche un film di sensori capacitivo (materiali dielettrico

elastico) per cui applicando un carico andiamo a variare la capacità e otteniamo una forza corrispondente.

Possono esistere anche sensori posti all’interno della scarpa e questo è un vantaggio laddove vogliamo

andare a calcolare quale è la pressione di interfaccia tra due parti specifiche come piede-scarpa.

Per determinare le forze all’interfaccia moncone-protesi possiamo usare delle matrici deformabili per

conoscere le forze di interfaccia. Questo è importante poiché queste forze d’interfaccia non solo causano

dolore nel paziente ma anche possibili lacerazioni.

LEZIONE 14 – 16-05-2017

Applicazioni in valutazione motoria.

Per ogni frame avrò un vettore dotato di direzione, modulo e verso che descrive il mio diagramma a

farfalla. Questo diagramma va dall’appoggio del tallone fino allo stacco della punta. L’escursione del CoP è

proporzionale all’escursione del contatto. Se ho un atteggiamento di appoggio sulle punte avremo

un’alterazione del diagramma. In un soggetto normale il ventogramma evolve su punti di evoluzioni che

rappresentano lo srotolamento del punto di applicazione del piede. La componente verticale ha un

diagramma a farfalla, quella antero-posteriore deriva dal fatto che il vettore forza è diretto inizialmente

posteriormente e quando sarò nella fase di spinta la componente sarà diretta in avanti, quella medio-

laterale sarà dipendete dal tipo di piede e per questo sono ribaltati a seconda se considero il piede dx o sx.

Nel gait analysis è bene introdurre la pedana al di sotto della moqutte in modo che il cammino del paziente

non sia influenzato dalla visione della pedana. Inoltre la moquette è tagliata e posizionata sopra la pedana

per evitare che le componenti di taglio agiscano sulla stessa. Nell’emiplegico, in cui osserviamo la rotazione

esterna dell’arto interessato (dal emiplegia), il ventogramma corrispondente al piede destro presenta

un’evoluzione del CoP più ridotto. Inoltre la componente del vettore che nel soggetto fisiologico parte dal

tallone, qui è tutta in avampiede. La condizione di patologia altera molto il butterfly diagram. Osservando il

diagramma delle forze possiamo osservare come l’evoluzione del CoP sia meno esteso nel piede dx rispetto

a quello sx e quindi il braccio della forza è meno esteso a dx rispetto a quello a sx. Se il braccio è ridotto, il

momento a livello articolare sarà ridotto e quindi avremo un’azione muscolare alterata. Possiamo

aumentare il braccio di leva posizionando un tutore AFO che consenta di ottimizzare il braccio di leva.

Analizziamo ora il caso del doppio equinismo, cioè di cammino sulle punte. In questo caso non essendoci un

appoggio del tallone l’evoluzione del CoP è molto concentrata e la base del butterfly è estremamente

ridotta. L’andamento delle forze è alterato soprattutto nel lato destro e il CoP è tutto concentrato in

avampiede. In questo paziente è stato quindi fatto un allungamento del tendine di Achille, punto dal quale

si diparte il tricipite surale. In seguito all’intervento, la distribuzione delle forze e l’escursione del CoP

tendono ad essere molto più vicini alla norma.

Un’alterazione prossimale (protesi d’anca) può allo stesso modo alterare il diagramma così come una

patologia più distale.

Possiamo vedere anche qualche esempio di baropodometria elettronica. Un esempio sono sedili

sensorizzati che possono essere importanti per imporre una determinata postura in modo da ridurre la

possibile formazione di piaghe da decubito laddove ho sovrasollecitazioni. Possiamo avere delle zone

cromatiche che vanno ad identificare le diverse zone di appoggio del piede. Le diverse colorazione

corrispondono a valori di pressioni differenti. Nel caso di piede cavo, a differenza di quello piatto, vediamo

una distribuzione di pressione cha passa dalla parte posteriore a quella anteriore senza passare nella zona

più centrale.

Ci sono dispostivi strumentati specifici per alcune applicazioni: dispositivi meccanici come ad esempio delle

stampelle.

Dinamometri. È uno strumento in grado di misurare la forza. Quando parliamo di dinamica gli strumenti

che ci danno informazioni sulla misura di forza sono dinamometri. Ci rivolgiamo a misure di forza derivate

dalla contrazione muscolare, cioè il muscolo contraendosi va a determinare una forza la cui entità può

essere misurata dai dinamometri e quindi posso conoscere in che modo sta lavorando il mio muscolo.

La conferma la posso ottenere poi dall’elettromiografia. Si definisce forza massimale la forza più elevata

che il sistema neuromuscolare può esprimere con contrazione volontaria (prevale la componente carico a

discapito della velocità). La forza massimale dà luogo ad un entità di forza importante con velocità di

contrazione ridotta. La forza veloce è la capacità del sistema neuromuscolare di superare delle resistenze

con un’elevata rapidità di contrazione, prevale quindi la componente velocità. La forza resistente è la

capacità dell’organismo di opporsi alla fatica per un tempo relativamente lungo. La fatica è la capacità di

mantenere una certa entità di contrazione senza alterare la condizione di contrazione. La forza esplosiva è

quella manifestazione di forza in cui il massimo impegno è raggiunto con massima rapidità (come nel caso

del salto).

A seconda delle caratteristiche tecniche del dinamometro e del tipo di contrazione che il dinamometro va

ad imporre all’interno della muscolatura, parliamo di dinamometri isometrici, isotonici e isocinetici.

I dinamometri isometrici consentono una contrazione in assenza di variazione di lunghezza, quindi non

abbiamo un movimento articolare effettuato dal soggetto. Siamo in una condizione di applicazione di carico

in cui non abbiamo una variazione di lunghezza e quindi di cinematica. Il piede viene poggiato contro lo

stativo e andiamo ad imporre una forza uguale e contraria a quella imposta dallo stativo sul soggetto.

C’è una cella di carico con dei sensori che possono essere meccanici, idraulici e ad estensimetri per valutare

le forze scambiate tra il soggetto e lo stativo. Il momento che stiamo applicando non sarà altro che il

prodotto tra la F e il braccio. Il momento calcolato corrisponde effettivamente a quello che il muscolo sta

determinando se e solo se il braccio corrisponde alla lunghezza che va dal centro articolare del ginocchio a

quello della caviglia. Se lo stativo non è perfettamente allineato commetto un errore, cioè determino un

momento che non è quello corrispondente al muscolo, quindi gli aspetti geometrici sono i fattori critici per

l’attendibilità della valutazione funzionale.

Tra i dinamometri isometrici per l’arto superiore abbiamo quelli che prendono il nome di Hand grip e prince

force.

LEZIONE 15 – 23-05-2017

I dinamometri consentono di portare il soggetto a lavorare ad una condizione di forza controllata. Questo

perché ci sono situazioni riabilitatorie dove non c’è la possibilità di andare a caricare con carichi importanti

l’articolazione che è stata operata. Ho la necessità di andare a caricare gradualmente l’articolazione.

Dinamometri isotonici. Consistono in dispositivi costituiti sempre da uno stativo che in una determinata

conformazione permette l’espressione di una forza muscolare costante. Quindi durante l’esecuzione

dell’esercizio usare un dinamometro isotonico porta il muscolo a lavorare in condizione di carico costante,

cioè la forza che il muscolo determina è mantenuta costante durante tutto l’arco dell’esercizio. Durante il

movimento il braccio della forza cambia e al fine di mantenere costante questo momento la macchina

applica una resistenza con un carico applicato utilizzando un profilo a camme. Utilizzando un albero con

profilo a camme a seconda dell’angolo di rotazione vado ad applicare una situazione di carico variabile in

base alla cinematica del movimento in modo da mantenere una contrazione del muscolo costante.

L’applicazione di questi dinamometri isotonici avviene principalmente nell’abito della riabilitazione per il

recupero muscolare poiché non esistono dei nanometri isotonici per effettuare delle valutazioni.

Per poter caratterizzare la forza isotonica del muscolo, si vanno ad identificare delle fasi specifiche, in

particolare si caratterizza la fase concentrica o positiva, cioè laddove le due inserzione tendinee si

avvicinano e il carico viene sollevato o fase eccentrica (negativa) nel momento in cui l’inserzione tendinee

si allontanano e il movimento del carico viene contrastato.

Dinamometri isocinetici. Dinamometri nel quale la presenza dello stativo vincola l’espressione muscolare

ad un unico movimento articolare e questa articolazione specifica si muove con una velocità angolare

costante. Sarà lo stativo, quindi la macchina, che si muoverà con una velocità costante e l’assunzione che

facciamo è che il soggetto si muova in agreement con il movimento dello stativo. Quindi non parliamo di

velocità del muscolo ma della velocità angolare dell’articolazione che è mantenuta costante poiché

costante è la velocità dello stativo. Queste macchine sono le più impiegate nell’ambito della riabilitazione e

della valutazione funzionale ma anche nella condizione di allenamento.

I vantaggi dell’utilizzo di un dispositivo del genere sono legati alla sicurezza del carico applicato in condizioni

controllate, siamo in grado di portare l’articolazione ad uno sforzo massimale per lungo tempo (beneficio

dell’allenamento) e posso andare a caricare l’articolazione in modo precoce poiché posso andare a regolare

il carico che applico. Il dispositivo per controllare questa velocità ha un motore elettrico che varia la

resistenza imposta al variare della forza che il soggetto impone. Abbiamo dei rilevatori di velocità angolari e

di forza e in base ai loro output, che saranno idea del movimento che lo stativo sta effettuando, andranno a

controllare dei parametri in modo che il motore applichi una resistenza al fine di mantenere costante la

velocità angolare del dispositivo.

Esistono degli elementi importanti che vanno a caratterizzare la funzionalità della macchine isocinetiche.

Ci sono problemi legati alla dipendenza del momento muscolare Mm dal braccio della forza peso.


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Ing_bio

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Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria biomedica
SSD:
A.A.: 2018-2019

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Ing_bio di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Valutazione funzionale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano - Polimi o del prof Galli Manuela.

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