Biomedical Engineering - Bioingegneria del Sistema Motoria

03 - Modelli biomeccanici per l'analisi del movimento

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1 Modelli biomeccanici per l’analisi del movimento Si devono affrontare i seguenti problemi: 1) Identificazione di punti solidali con lo scheletro e visibili dal sistema di acquisizione stereofotogrammetrico (markers ‘tecnici’) in numero sufficiente a permet tere la definizione di un sistema di riferimento cartesiano solidale con ciascun segmento anatomico; 2) Identificazione di punti anatomici dotati di particolare significato per la definizione degli assi principali di inerzia di ciascun segmento o per la ricostruzione morfologica del segmento stesso; una volta che questi punti sono resi noti al sistema di riferimento tecnico in una certa posizione iniziale, il loro movimento sarà determinato dal movimento del sistema di riferimento tecnico, e potrà essere ot tenuta con operazioni di roto -traslazione; 3) Identificazione di punti dotati di significato funzionale, atti a definire per ciascun a ciascuna articolazione gli assi di movimento (o i centri di istantanea rotazione) ; 4) Descrizione del movimento congruente con la descrizione fisiologica. A seconda dei vari protocolli sviluppati, la soluzione ai problemi di cui sopra può essere anche notevolmente diversa. Si possono citare i seguenti casi: 1) Marcatori tecnici coincidenti con i marcatori anatomici (soluzion e particolarmente utilizzata nel passato, specialmente per analisi limitate al piano sagittale; 2) Marcatori tecnici completamente svincolati da marcatori anatomici: su ciascun segmento anatomico viene posizionato un dispositivo di supporto (generalmente u na leggera placca rettangolare di una decina di cm di lato) che sostiene un certo numero di marcatori (superiore o uguale a 3). Si suppone che la placca non subisca alcun movimento in relazione all’osso sottostante. 3) Utilizzo misto: alcuni marcatori tecn ici sono anche punti anatomici. 4) Riguardo ai punti ‘funzionali’, atti a definire centri articolari o assi di rotazione, generalmente vengono trattati come i punti anatomici, avendo prima deciso a quale segmento si ritengono vincolati (es: centro di rotaz ione dell’anca, il punto coincide con il centro della testa femorale, e si ritiene solidale con il bacino). La relazione tra un punto anatomico ed il sistema di riferimento tecnico può essere definita in uno dei seguenti modi: 1) predefinizione delle coor dinate (metodo elementare se un marcatore anatomico coincide con u n marcatore tecnico che sta su un asse del sistema di riferimento. Nel caso del centro dell’anca si possono utilizzare equazioni di regressione che forniscono una stima delle coordinate del centro dell’articolazione in un riferimento anatomico solidale con il bacino. Se questo riferimento an atomico non coincide con il sistema tecnico adottato, occorre eseguire una rototraslazione. 2) calibrazione anatomica: si utilizza un bastoncino recante d ue marcatori di cui uno sia a distanza nota dalla punta del bastoncino stesso. Mentre il sistema di visione riprende il soggetto con i marcatori tecnici, la punta del bastoncino viene appoggiata sul punto anatomico da individuare. Acquisendo le coordinate dei marcatori posti sul bastoncino, si ottengono le coordinate del marcatore anatomico mediante le semplic1 relazioni: Xp= X 1+ D x ; Yp= Y 1+ Dy ; Zp= Z 1+Dz dove Xp, Yp, Zp sono le coordinate della punta del bastoncino X1, Y 1, Z 1 sono le coord inate di uno dei due marcatori sul bastoncino ; ;      2 1 2 1 2 1 p p p Z Z Y Y X X D            21 2 21 2 21 2 21 Z Z Y Y X X D          21 1 2    D X X x   21 1 2    D Y Y y   21 1 2    D Z Z z 2 Calibrazione anatomica. Esempio di localizzazione di punti anatomici (in questo caso il condilo femorale mediale) mediante bastoncino puntatore , con due marcatori , in relazione ad un sistema di riferimento locale cx, cy, cz definito da marcatori ‘tecnici’. 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15