2-Analisi del movimento.pdf

8/15/2019 2-Analisi del movimento.pdf

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Corso di Laurea:Insegnamento:Docente:

Ingegneria BiomedicaFondamenti di Meccanica Teorica ed ApplicataGiacomo Palmieri

Università Politecnica delle Marche

Analisi del movimento

Gruppo di Meccanica delle Macchine

Riferimenti anatomici• La struttura del corpo umano è in grado di compiere lavoro meccanico

attraverso un sistema di muscoli, tendini e ossa.

• In particolare i muscoli sfruttano le ossa dello scheletro come leve per

sollevare pesi, generare forze o sviluppare moto. I giunti (articolazioni)agiscono come fulcri.

• Possono essere identificati 3 tipi di leve:

leva di I tipo leva di II tipo

leva di III tipo


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Riferimenti anatomiciLeva di III tipo

Amplificazione di velocità espostamento; riduzione della

forza trasmessa

Leva di I tipo

Inversione di velocità e spostamento;variazione della forza trasmessa in base

ai bracci delle forze rispetto al fulcro

Leva di II tipo

Amplificazione dello forzatrasmessa; riduzione di

velocità e spostamento


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Riferimenti anatomici• I più importanti piani ed assi anatomici utilizzati anche per la descrizione del

moto sono:


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Riferimenti anatomici• Tipologie di movimento:

Flessione ed estensione: la flessione è ilmovimento che porta un arto verso il

tronco mentre l’estensione è il movimentoopposto.

Adduzione ed abduzione: l'abduzione è il

movimento che porta l'arto esternamenteallontanandolo dal piano sagittale mentrel’adduzione è il movimento opposto.


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Rotazione interna ed esterna: la rotazione della spalla avviene nel pianotrasversale, attorno ad un asse longitudinale.


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Riferimenti anatomici• Lo scheletro:Lo scheletro può essere suddiviso inassile o assiale (ossa della testa e ossadel tronco) e appendicolare (ossa degliarti, cintura scapolare e cintura pelvica).Le funzioni dello scheletro sono:

sostegno;

protezione di parti molli e delicate,come nella scatola cranica e nellagabbia toracica;

equilibrio, insieme a muscoli earticolazioni e sotto il controllo deinervi;

movimento, essendo strettamenteconnesso ai muscoli; emopoietica,ovvero la produzione di globuli rossi,bianchi e piastrine tramite il midolloosseo;

plastica, in quanto dà forma al corpo;

deposito di sali minerali.


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Riferimenti anatomici• Le articolazioni:

A seconda della loro differente mobilitàpossono essere:

mobili o diartrosi (ad es. l'articolazione della spalla);

semimobili o anfiartrosi

(ad es. fra le vertebre);

prive di mobilità o sinartrosi

(ad es. ossa del cranio).


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Riferimenti anatomici• Tipologie di Diartrosi in base alla tipologia

di superfici coniugate:

1. enartrosi;

2. condiloartrosi;

3. a sella;

4. ginglimo angolare;

5. ginglimo laterale;


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Enartrosi (a segmento sferico)

un osso presenta un estremità sferica che siarticola in una corrispondente cavità (es.articolazione dell’anca o coxo-femorale,

omero/scapola); garantiscono la massimamobilità nelle 3 direzioni.

Riferimenti anatomici


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Condiloartosi (o articolazione ellissoidale)

è formata dalla giustapposizione di 2superfici ellissoidali, una concava e l’altra convessa e consente le rotazioni attorno a 2

assi (es. radio/carpo).

Articolazioni a sella

Le superfici articolari hanno la forma di unasella di cavallo concava longitudinalmente e

convessa trasversalmente; i due corpi sonobiassiali concavi e convessi adaccoppiamento reciproco e permettono 2rotazioni assiali (es. articolazione fra iltrapezio e il primo osso metacarpale.)

d d


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Ginglimo angolare o troclea (a segmento cilindrico)

I due corpi ossei sono cilindri con l'asse del cilindroperpendicolare all'asse longitudinale delle ossa; lesuperfici articolari consentono rotazioni solo intorno ad

un asse (es. omero/ulna); queste articolazioni sonomunite di robusti legamenti collaterali.

Ginglimo laterale o trocoide

I due capi ossei sono cilindri, uno cavo e uno pieno, con

l'asse del cilindro parallelo all'asse longitudinale delleossa. È formata da un perno osseo centrale circondatoda un anello osteo-legamentoso (es. articolazioneradio-ulnare superiore).

C di L I i Bi di


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Schematizzazione ingegneristica delle articolazioni umane:

Braccio

Gamba

C di L I i Bi di


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Riferimenti anatomici• Il sistema muscolare:

Il sistema muscolare è l'insieme di tessutiche permette la locomozione delsoggetto e lo scorrimento di sostanzeorganiche interne come sangue e cibo.

Insieme al sistema scheletrico formal'apparato locomotore, di cui è la parteattiva. Dal punto di vista della funzionemotoria è possibile distinguere muscolideputati alla statica, in particolare imuscoli della parte posteriore del corpo,e deputati alla dinamica, rappresentatigrossomodo dai muscoli della parteanteriore.Importantissima è la correlazione colsistema nervoso, il quale partecipa allacontrazione muscolare.

C di L I i Bi di


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Riferimenti anatomici• Il sistema muscolare:

È costituito da due tipologie di muscoli:

muscoli volontari (circa 400), che sono dinatura striata e che permettono il movimento

del soggetto. Sono legati alle ossa tramitetendini e vengono spesso indicati anche comemuscoli scheletrici;

muscoli involontari, che sono invece dinatura liscia. Vengono detti anche muscoliviscerali perché si trovano a ricoprire gran

parte delle pareti degli organi interni, comenel tratto digestivo, nella vescica, nei dotti,nelle arterie, nelle vene, ecc.

Fa eccezione il muscolo cardiaco (detto anchemiocardio), di natura involontaria ma di strutturastriata.

Muscolo scheletrico con tessuto striato

Corso di Laurea: Ingegneria Biomedica


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• Il sistema muscolare:

Si definiscono 3 tipi di contrazione muscolare, in base al risultato del bilancio di forze e momentiin un certo istante.

La contrazione è isometrica (ovvero è statica) se la forza generata dal muscolo è esattamente

uguale alla forza resistente (ad es. nelle pose dei culturisti). Una contrazione dinamica è concentrica se la forza sviluppata dal muscolo è superiore alle

resistenze e quindi il muscolo si accorcia.

Nel caso contrario, la contrazione è eccentrica ed il muscolo si allunga.

isometricaconcentrica eccentrica




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Se il muscolo si accorcia o si allunga sviluppando una forza che rimane costante, lacontrazione si dice isotonica. In realtà in vivo non esistono contrazioni isotoniche, in quanto laforza sviluppata varia al variare della leva.

Se, invece, la forza varia durante la contrazione, la stessa si dice auxotonica.

Se il muscolo si contrae a velocità costante, la contrazione si dice isocinetica.




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In conclusione esistono 7 modalità di contrazione muscolare:

isotonica concentrica: il tono rimane costante, la forza muscolare è superiore alla resistenza,il muscolo si accorcia;

isotonica eccentrica: il tono rimane costante, la forza muscolare è inferiore alla resistenza, ilmuscolo si allunga;

auxotonica concentrica: il tono varia durante la contrazione, la forza muscolare è superiorealla resistenza, il muscolo si accorcia;

auxotonica eccentrica: il tono varia durante la contrazione, la forza muscolare è inferiore allaresistenza, il muscolo si allunga;

isocinetica concentrica: la velocità di accorciamento rimane costante durante la contrazione,la forza muscolare è superiore alla resistenza, il muscolo si accorcia;

isocinetica eccentrica: la velocità di allungamento rimane costante durante la contrazione, laforza muscolare è inferiore alla resistenza, il muscolo si allunga;

isometrica: si ha contrazione muscolare senza accorciamento muscolare.




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• Il movimento richiede al nostro corpo di risolvere in ogni istante un problemadi equilibrio dinamico dove i sistemi nervoso, muscolare e scheletrico siintegrano alla perfezione.

• Ogni alterazione in questi sistemi, a causa dell’età o di una patologia, porta aduna limitazione funzionale che può essere rilevata e quantificata con tecniche

strumentali.




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• L’analisi del movimento permette di:

definire il livello di limitazione funzionale e di disabilità conseguente allapatologia, i compensi utilizzati, i meccanismi patogenetici chequell’alterazione determina e il suo evolversi con la crescita e/ol’invecchiamento dell’individuo;

contribuire alla pianificazione del trattamento, permettendo la stesura di unadeguato programma riabilitativo personalizzato che consenta di verificareoggettivamente e con indici di misurabilità certi lo stato clinico del paziente,prima, durante e alla fine del programma stesso;

in ambito sportivo, ottenere un’analisi quantitativa del gesto atletico, perperseguire il miglioramento delle prestazioni e la prevenzione degli infortuniattraverso lo studio dei meccanismi anticipativi di controllo motorio allabase dell’esecuzione dei gesti sportivi;

valutare l’ergonomia delle attrezzature sportive e di ausili, ortesi e protesi.




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• Sia la cinematica che la dinamica del movimento possono essere analizzateutilizzando un approccio qualitativo o quantitativo.

L’analisi qualitativa richiede una analisi sistematica del movimento basatasu concetti biomeccanici ma senza la conduzione di misure effettive.

L’analisi quantitativa richiede una valutazione numerica del movimento diun individuo.


ANALISI

QUALITATIVA

ANALISI

QUANTITATIVA

ANALISI

VISIVA

ANALISIVIDEOREGISTRATA

ANALISI

STRUMENTALE



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• Analisi visiva

Si valuta il movimento per mezzo dell’osservazione diretta; richiede laconoscenza delle corrette dinamiche del movimento che si sta analizzando,in modo da riuscire a valutare gli eventuali cambiamenti di moto rispetto allanormalità.

Ogni movimento deve essere valutato sui tre piani: sagittale - frontale -trasversale per ciascuna articolazione coinvolta.

È un approccio semplice ed economico, perché non richiede attrezzatureparticolarmente complicate e costose.

Tuttavia l’analisi del movimento è condizionata dall’esperienza edall’interpretazione dell’osservatore e limitata ad un unico piano alla volta.

Inoltre la valutazione è molto generica e limitata ai movimenti più evidenti,tralasciando quelli minimi. Sono difficili i confronti tra osservazioni diverse.




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• Analisi videoregistrata

Si registra un filmato del movimento, che in seguito viene analizzato alrallentatore o addirittura fotogramma per fotogramma.

Ogni movimento deve essere valutato sui tre piani: sagittale - frontale -trasversale per ciascuna articolazione coinvolta.

Il metodo è particolarmente semplice e relativamente economico. Inoltre idati possono essere analizzati anche dopo molto tempo dalla registrazione,in modo da poter essere confrontati con dati più recenti per valutare, adesempio, i progressi effettuati durante un allenamento.

Tuttavia anche in questo caso la valutazione qualitativa è condizionata dalsoggetto che osserva. Inoltre la valutazione rimane generica e limitata aimovimenti più evidenti, tralasciando quelli minimi.




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Insegnamento:Docente:

g gFondamenti di Meccanica Teorica ed ApplicataGiacomo Palmieri




• Analisi videoregistrata: esempi

• Nel 1872 l'uomo d'affari e governatore della California Leland Stanford chiese a Eadweard Muybridge diconfermare una sua ipotesi, ovvero che durante il galoppo di un cavallo esiste un istante in cui tutte lezampe sono sollevate da terra. Nel 1878, Muybridge fotografò con successo un cavallo in corsautilizzando 50 fotocamere, sistemate parallelamente lungo il tracciato. Ogni macchina era azionata da unfilo colpito dagli zoccoli del cavallo.




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Analisi del movimento• Analisi videoregistrata: esempi



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• Ripresa rallentata del passo di corsa, prima e dopo la correzione di alcuni difetti:




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• Analisi del movimento per l’analisi di performance sportive:




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• Camminata e corsa di un robot umanoide (Toyota 2009):




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• Analisi strumentale


ANALISI

STRUMENTALE

CINEMATICA

spostamenti

DINAMICA ATTIVITA’

MUSCOLARE

ALTRI DATI

velocità

accelerazioni

forze

momenti

potenze

elettromiografia equilibrio

pressione



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• Al fine di valutare la cinematica (il movimento del corpo) e la dinamica (leforze che generano il movimento) articolari utilizzando le tecniche tipichedella meccanica dei corpi rigidi, è necessario ‘modellare’ il corpo umano comeun insieme di segmenti (come ad esempio il piede, la gamba, la coscia e così

via) collegati tra di loro tramite dei giunti meccanici che rappresentano learticolazioni (ad esempio la caviglia, il ginocchio o l’anca).




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• L’analisi dal punto di vista quantitativo del moto umano consiste dunque nelladeterminazione e nel confronto della posizione e dell’orientamento deisegmenti ossei coinvolti nel moto. Il moto relativo tra questi segmenti puòessere descritto in termini di grandezze cinematiche quali gli angoli articolari,

le velocità lineari e angolari e le accelerazioni.• Le forze esterne e le coppie agenti a livello articolare possono essere

determinate combinando informazioni relative alla massa e alle proprietàinerziali del segmento in esame e rappresentano i descrittori dinamici ocinetici del moto umano, cioè i fattori che pongono in relazione il moto dei

segmenti con la relativa causa.• Il metodo che si utilizza per acquisire dati deve essere accurato ma allo stesso

tempo non eccessivamente invasivo per il soggetto e non deve condizionarlonell’esecuzione degli atti motori da studiare.




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• Normalmente si registrano le quantità direttamente osservabili del moto delcorpo umano attraverso opportuni strumenti quali:

Accelerometri: misurano l’accelerazione nelle tre dimensioni dello spazio

Sensori di forza: misurano le forze esterne o le reazioni vincolari tra il piede ed il suolo duranteil cammino o la corsa

Elettromiografi: misurano l’attività elettrica dei muscoli e sono utilizzati per fornire delleimportanti indicazioni riguardo alla coordinazione del movimento

Sistemi basati su videocamere digitali: misurano il movimento del corpo umano partendo da

immagini registrate da videocamere digitali e conseguentemente elaborate

Sistemi optoelettronici: come i sistemi basati su videocamere digitali, anche i sistemioptoelettronici misurano il movimento del corpo umano, attraverso la registrazione ericostruzione in 3 dimensioni del moto di speciali marcatori retroriflettenti applicati sullasuperficie cutanea del soggetto.


Corso di Laurea: Ingegneria Biomedicad d d là l d ll h


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• Analisi strumentale: esempi

• Acquisizione tramite marker dei movimenti di un lavoratore per l’effettuazione di una analisiergonomica:


Corso di Laurea:I

Ingegneria BiomedicaF d i di M i T i d A liU i i à P li i d ll M h


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• Acquisizione dei movimenti tramite sistemi optoelettronici basati sull’uso di marker:


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Ingegneria BiomedicaF d ti di M i T i d A li tU i ità P lit i d ll M h


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• La tecnica del motion capture, anche chiamata motion tracking o mocap, viene usata in modoestensivo anche dall’industria cinematografica per la realizzazione di cartoni animati, effettispeciali o videogiochi:


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