Sistemi di elaborazione delle informazioni. Misure del cammino. Ing. Marta Gandolla

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1 Sistemi di elaborazione delle informazioni Misure del cammino Ing. Marta Gandolla

2 4 Controllare se i parametri cinematici e dinamici del soggetto rientrano negli intervalli dei valori stabiliti per una popolazione definita normale. ANALISI QUANTITATIVA del CAMMINO GAIT ANALYSIS

3 Perché l analisi quantitativa del cammino? Informazioni quantitative Informazioni oggettive 3D Multifattoriale GAIT ANALYSIS Precisione Ripetibilità Non invasività

4 Gait analysis - storia I primi studi sistematici relativi all analisi del cammino compaiono in Europa a partire dal XVII secolo con Borelli (Borelli, 1679; Steindler, 1953), Galvani (Galvani 1953) e Newton (Newton, 1988). Il primo studio che ha utilizzato un approccio scientifico dello studio del movimento è descritto nel De Motu Animalium, pubblicato nel 1682 da Borelli il quale lavorò in Italia e fu uno studente di Galileo.

5 Muybridge nel 1872 (Muybridge, 1887; Sutherland, 2001) fu il primo ad introdurre la fotografia del movimento Marey (Marey, 1894; Sutherland, 2001), lavorando a Parigi, usò la fotografia per analizzare il movimento del corpo durante il cammino e per registrare i movimenti di punti particolari del corpo.

6 Limiti della ripresa video: Cinematica qualitativa Visione bidimensionale del movimento Mancanza di informazioni relative alla dinamica (scambio di forze al terreno) ed alla attivazione muscolare (elettromiografia)

7 Che cosa si misura? CINEMATICA descrizione quantitativa del moto di uno o più corpi DINAMICA (FORZE ESTERNE) studio delle forze e dei momenti angolari che causano il moto di uno o più corpi (e.g. scambio di forze del corpo con il terreno) DINAMICA (FORZE INTERNE) studio della forza sviluppata dal singolo muscolo per concorrere al movimento di uno o più corpi PROSSIMA LEZIONE

8 CINEMATICA descrizione quantitativa del moto di uno o più corpi VARIABILE DI DESCRIZIONE: TEMPO

9 cadenza o cadence : numero di passi effettuati in un determinato intervallo di tempo. In un soggetto sano adulto è pari a circa 110 step/min. Generalmente l unità di misura è step/min, unità di misura non conforme al Sistema Internazionale (SI). In alternativa, un unità di misura della cadenza scientificamente accettabile potrebbe essere steps/s; questa soluzione può recare però dei problemi nel mettere in relazione la cadenza con la durata del ciclo del passo (o cycle time o stride time ) utilizzando la seguente formula ormai comune a tutti i testi di Gait Analysis: Cycle time [s] = 120/ cadence [step/min] velocità media del cammino o walking speed : distanza percorsa in un determinato periodo di tempo, espressa in m/s. E pari al prodotto della cadenza e della stride length e può essere calcolata utilizzando la seguente formula: Speed [m/s]= stride length [m] x cadence [steps/min]/120 Se si usa la durata del ciclo del passo al posto della cadenza, la formula diventa: Speed [m/s] = stride length [m]/cycle time [s]

10 CINEMATICA descrizione quantitativa del moto di uno o più corpi VARIABILE DI DESCRIZIONE: SPAZIO

11 FORZE ESTERNE studio delle forze e dei momenti angolari che causano il moto di uno o più corpi FORZE INTERNE studio della forza sviluppata dal singolo muscolo per concorrere al movimento di uno o più corpi Il sistema è formato dall intero corpo inteso come catena cinematica che scambia forze con l ambiente esterno FORZE ESTERNE FORZE INTERNE A. Forze di gravità B. Reazioni applicate dal suolo A. Forze muscolari

12 Campo sportivo Campi applicativi

13 Cinematografia

14 Applicazioni cliniche consolidate Campo neurologico Campo ortopedico Applicazioni nel campo della ricerca SCOPO ricerca comprensione del funzionamento della funzione cammino documentare il progresso della patologia o l efficacia della terapia prendere decisioni sul tipo di terapia (es. terapia della paralisi cerebrale infantile)

15 1 SI CONOSCE LA PATOLOGIA DEL SOGGETTO 2 SI INDIVIDUA UN PARAMETRO DEL CAMMINO CHE NE SIA CARATTERISTICO 3 SI SEGUE NEL TEMPO MEDIANTE ESAMI RIPETUTI LA VARIAZIONE DEL PARAMETRO

16 Ragioni di disillusione della gait analysis: 1. Se un anomalia del cammino è semi-quantificabile ad occhio, non è più giustificato l impegno di tempo e professionalità richiesto da un esame strumentale 2. Un analisi di screening su un soggetto sconosciuto comporta il confronto dei dati del soggetto con quelli ottenuti da una popolazione di caratteristiche simili i dati dell apparato muscolo scheletrico presentano una elevata dispersione intorno alla media scarsa sensibilità dell esame E molto più efficiente usare l analisi del cammino per determinare variazioni sullo stesso soggetto

17 GAIT ANALYSIS - strumentazione CINEMATICA Sistema ottico computerizzato per seguire il movimento dei punti di repere: MOTION CAPTURE DINAMICA Una o due PEDANA DI FORZA per le reazioni del terreno FORZE INTERNE Un ELETTROMIOGRAFO ad almeno 8 canali

18 CONSUMO ENERGETICO Ergospirometro DISTRIBUZIONE PRESSIONE Baropodometria

19 MOTION CAPTURE

20 SISTEMI OTTICI Un sistema ottico per il motion capture è costituito da un set di videocamere che riprendono la scena dove il soggetto si muove; le camere sono in genere calibrate, fisse; Il movimento del soggetto viene calcolato elaborando i dati (immagini) acquisiti dalle videocamere.

21 SISTEMI OTTICI A MARKER PASSIVI Un set di almeno due videocamere flash per l illuminazione della scena un set di marker sferici ricoperti da materiale riflettente, fissati sul soggetto un elaboratore che riceve le immagini dalle videocamere, estrae i marker dalle immagini e ne ricostruisce le posizioni tridimensionali

22 Grazie all utilizzo combinato di flash e marker riflettenti, è possibile generare immagini ad alto contrasto dove è facile identificare i marker. la luce uscente dal flash viene riflessa dal marker. Nell immagine acquisita, i marker riflettenti sono molto luminosi (dunque facilmente identificabili) mentre il resto dell immagine è scuro.

23 E possibile calcolare la posizione tridimensionale di un marker visto da almeno due telecamere. Tale procedura è detta TRIANGOLAZIONE.

24 Per effettuare la ricostruzione della posizione tridimensionale di un marker, la posizione e l orientamento di ogni videocamera devono essere noti. Questi ed altri parametri che descrivono il processo di proiezione su ogni camera, indispensabili per la ricostruzione tridimensionale, vengono calcolati nella fase di calibrazione del sistema.

25 Il sistema di motion capture ottico ricostruisce la posizione tridimensionale dei marker in ogni istante di tempo.

26 Nella fase di tracking, i punti tridimensionali vengono raggruppati per ricostruiire le traiettorie di ogni singolo marker. Infine, viene applicato un modello che assegna ad ogni traiettoria uno specifico significato anatomico.

27 MODELLI PER IL CAMMINO Per caratterizzare il cammino di un soggetto occorre costruirne un modello Il soggetto sistema reale è composto da infiniti punti nello spazio Posizione, velocità, accelerazione e forza agente sui punti più significativi Parte superiore al bacino: SEMPLIFICAZIONE massa concentrata, messa passivamente in moto dal complesso degli arti inferiori e dal bacino Arti inferiori: considero bacino, cosce, gambe, piedi come segmenti rigidi, tra loro collegati da cerniere piane ideali. Misuro nel solo piano sagittale gli angoli dell anca del ginocchio e della caviglia e i relativi momenti articolari.

28 VANTAGGI elevata accuratezza, i marker non ostacolano i movimenti SVANTAGGI costoso, i marker possono essere occlusi nella vista delle videocamere.

29 ELABORAZIONE 1. Ricostruzione delle posizioni dei marker nello spazio e nella tracciatura del modello dei segmenti 2. A partire dai dati sui baricentri dei marker si ricostruisce la posizione nello spazio del soggetto e si calcolano i dati cinematici (posizioni e angoli, loro derivate prime e seconde) 3. Calcoli che correlino tra loro le varie grandezze Correlando la risultante della reazione del terreno e la posizione delle articolazioni in un particolare istante, si ottiene il momento articolare e la potenza meccanica Ricostruire gli assi anatomici reali del soggetto a partire da misure antropometriche Stima della successione temporale degli intervalli contatto di tallone distacco delle dita- correlando dati di pedana e dati cinematici 4. Presentazione dei risultati: scelta dei dati, raccolta in tabelle e grafici I dati devono poi essere confrontati tra loro, con dati precedenti dello stesso soggetto, con banche dati.

30 La presentazione dei dati cinematici mostra il moto degli arti inferiori in funzione del tempo e dello spazio. Dalle immagini è possibile ricavare con precisione il punto di contatto con il suolo in funzione dello spazio

31 DIAGRAMMI ANGOLARI Dai dati di posizione dei marker si ricavano gli andamenti degli angoli articolari in funzione del tempo. ANDAMENTO CARATTERISTICO DEGLI ANGOLI DELLE TRE ARTICOLAZIONI ANCA, GINOCCHIO, CAVIGLIA SPOSTAMENTI VERTICALI DEI PUNTI DI REPERE

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35 Il parametro è e rimane all interno del range di normalità.

36 NB Si consideri una crescita del parametro come postiva. Non è cambiato il valore del parametro nelle due misurazioni, ma il valore dello stesso rimane al di fuori del range di normalità

37 Il parametro è migliorato in modo significativo, ma non ha raggiunto il range di normalità.

38 Il parametro è migliorato in modo significativo, fino a raggiungere il range di normalità.

39 Il parametro è peggiorato in modo significativo.

40 Il parametro è peggiorato in modo significativo, uscendo dal range di normalità.

41 PEDANA DI FORZA La pedana di forza fornisce istante per istante intensità e direzione della reazione del terreno, insieme al suo punto di applicazione. Proiezione del vettore su un piano coordinato, sagittale, in funzione dello spazio. Ogni punto sull asse orizzontale corrisponde ad un punto fisico sulla pedana di forza.

42 Proiezione del vettore su un piano coordinato, sagittale, in funzione del tempo.

43 La conoscenza dell intensità, direzione e punto di applicazione della reazione del terreno permette il calcolo dei momenti articolari rispetto alla caviglia, ginocchio e anca. Trascurando il contributo delle forze di inerzia, il momento si ottiene moltiplicando l intensità della reazione per la distanza dal centro dell articolazione Momento (Nxm) = forza x distanza

44 Tracciato del momento della caviglia Soggetti sani con relativa deviazione standard Tracciato del momento dell anca Soggetti sani con relativa deviazione standard Tracciato del momento del ginocchio Soggetti sani con relativa deviazione standard

45 IL PERCORSO DEL CENTRO DI PRESSIONE Durante l appoggio, ciascuna areola della volta plantare preme sul terreno, dando origine ad una forza di reazione. La risultante di tutte le forze di reazione risulta applicata ad un punto chiamato Centro di Pressione COP. Traiettoria della posizione del COP rispetto al sistema di coordinate locali, solidali con il piede, in funzione del tempo

46 Principali parametri che si ottengono Per ogni marker: posizione, velocità, accelerazione Per ogni coppia di marker: angolo formato con gli assi del sistema di laboratorio Per 3 marker: angolo spaziale tra i due segmenti definiti Reazione totale del terreno, proiettata sui tre piani del sistema di laboratorio Posizione del punto di applicazione della risultante, in funzione del tempo

47 LAB session Analisi del cammino - impegno di tempo Preparazione del soggetto Esecuzione della prova Problemi con le apparecchiature elettroniche Elaborazione dei dati 1 h 1 h

48 1 - calibrazione Stereofotogrammetria: X 0, Y 0, Z 0 posizione C nel sistema di riferimento del laboratorio M 11, m 12, m 13 elementi matrice di rotazione per mapping sistema di riferimento telecamera sistema di riferimento laboratorio c (f in figura) lunghezza focale x 0, y 0 coordinate del punto principale (proiezione centro di prospettiva su piano sensore)

49 Stima parametri stereofotogrammetrici: Acquisizione configurazione di punti noti nello spazio Ho X, Y, Z, x, y Scrivo un sistema non lineare di 2 equazioni per punto per telecamera Risolvo il sistema ridondante (almeno 5 punti di controllo, algoritmo ILSSC) con metodi di minimizzazione

50 2 parametri antromomentrici

51 3 posizionamento dei marker

52 Davis

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58 4 posizionamento degli elettrodi MINIMO POSIZIONAMENTO: Quadricipiti (e.g. retto femorale) Hamstrings (e.g. bicipite femorale) Tibilale Gastrocnemio (e.g. gastrocnemio mediale)

59 6 - acquisizioni CINEMATICA DINAMICA FORZE INTERNE

60 7 - report

61 CINEMATICA Angolo alla caviglia FES Naturale

62 FOOT DROOP REHABILITATION 1 - PRE-TEST (30 chronic patients) FES treatment (4 weeks) 2 - POST-TEST ASSESSMENT TESTS Medical Research Council scale index Modified Ashworth Scale index 6 minutes walking test Gait analysis Dynamic EMG Ankle range of motion fmri protocol CARRYOVER NO CARRYOVER 3 - FOLLOW UP ASSESSMENT (4/5 weeks) 6 minutes Range Dynamic fmri Gait walking of analysis protocol motion EMG test

63 current-controlled 8 channel stimulator RehaStim pro TM (HASOMED GmbH) MRI room CV/I 1.5T (GE Cv/I ) Smart μg (BTS, Italy) Cameras with infrared CCD detector and a LED enlighter (850 nm). Working frequency: 120 Hz Casellato, Ferrante, Gandolla et al. Simultaneous measures of kinematics and fmri: compatibility assessment and case report on recovery evaluation of one stroke patient. JNER 2010, 7:49. Gandolla et al. fmri brain mapping during motion capture and FES induced motor tasks: signal to noise ratio assessment. MEP 2011, 1027:1032.