FATTORI BIOMECCANICI

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2 FATTORI BIOMECCANICI

3 SENSORI/TRASDUTTORI Sensore Elemento che effettua la misura. Tipicamente strumento in grado di convertire la misura in una grandezza elettrica Trasduttore Dispositivo che converte una forma di energia in entrata in una forma diversa di energia all'uscita. Un esempio è la spia della temperatura dell'acqua, in cui il trasduttore è una molla metallica che converte l'energia termica dell'acqua in energia meccanica che fa muovere una lancetta. A causa della facilità con cui è possibile trasmettere o amplificare l'energia elettrica, i trasduttori più utili sono quelli che convertono altre forme di energia, quali il calore, la luce o il suono, in energia elettrica. Esempi familiari di questo tipo di trasduttore sono i cristalli piroelettrici, i materiali fotoelettrici e i microfoni.

4 PROBLEMATICHE È richiesta la correzione delle non linearità, calibrazione, compensazione delle variazioni dovute alla temperatura, ecc.

5 NON LINEARITA Isteresi il percorso tra P e P segue una strada diversa tra P e P

6 CALIBRAZIONE

7 CAMPI DI STUDIO STATICA STUDIO DEI CORPI A RIPOSO DINAMICA IN MOVIMENTO

8 STATICA Determinazione fattori strutturali o di forze di risposta a condizioni ambientali con il soggetto fermo (o quasi)

9 DEFORMAZIONE ESTENSIMETRICO: misura della variazione della resistenza elettrica del sensore causata da fenomeni di compressione o trazione. PIEZOELETTRICO: misura della polarizzazione elettrica per effetto di deformazione meccanica applicata a particolari materiali.

10 ESTENSIMETRI Il filo dell'estensimetro segue le deformazioni della superficie a cui è incollato, allungandosi ed accorciandosi insieme ad essa; queste variazioni dimensionali causano una variazione della resistenza elettrica del filo. Misurando, tramite un ponte di Wheatstone o altro sistema tali variazioni, si può risalire all'entità della deformazione che le ha causate. Un estensimetro elettrico è caratterizzato da due grandezze fondamentali: la resistenza del filo che costituisce la griglia sensibile e il gauge factor ovvero il fattore di trasduzione, che esprime la sensibilità dell'estensimetro. L'incremento di resistenza dell'estensimetro viene espressa come rapporto fra la variazione di resistenza e la resistenza totale del filo. Se L è la lunghezza iniziale del corpo, ΔL la sua variazione,r è la resistenza iniziale del filo e ΔR la sua variazione, allora il gauge factor Gf è pari a:

11 ESTENSIMETRI REALI Estensimetro monoassiale E' il più semplice genere di estensimetro, in grado di valutare deformazioni in un unica direzione. Si utilizza quando la direzione delle deformazioni è nota, ovvero chiaramente determinabile. È cosituito da un'unica griglia di filo, la cui direzione di lavoro è visibile sul supporto plastico, in modo da consentire il corretto orientamento dell'estensimetro nella fase di applicazione. Per un estensimetro monoassiale, il valore della tensione σ si calcola con la relazione:

12 ESTENSIMETRI REALI L'estensimetro biassiale, spesso denominato "coppia", si utilizza quando la struttura è sottoposta ad uno stato di tensione lungo un piano. L'estensimetro è costituito da due estensimetri monoassiali disposti con orientazione ruotata di 90 l'uno rispetto all'altro. I due rami dell'estensimetro forniscono i valori delle microdilatazioni εx e εy, in due diverse direzioni fra loro ortogonali. Le tensioni principali σx e σy, si ottengono in tal caso le seguenti relazioni: Nei casi in cui non siano note le direzioni principali delle deformazioni, si utilizzano estensimetri triassiali, detti anche "rosette", ove, oltre alle due griglie orientate secondo due direzioni ortogonali, è presente una griglia intermedia, orientata a 45.

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14 Estensimetri per misure di momento torcente Gli estensimetri di questo tipo sono particolarmente adatti alle misure di torsione: applicati ad esempio sugli assi degli apparati motore, consentono di misurare il momento torcente trasmesso dall'asse e quindi, in abbinamento ad un contagiri, di determinare la potenza sviluppata. La realizzazione pratica di un tale sistema di misura prende il nome di "torsiometro", e si avvale di moduli appositi che, montati sull'asse e ruotando solidalmente ad esso, trasmettono il segnale utile ad un ricevitore fisso montato in prossimità dell'asse.

15 EFFETTO HALL L'elemento di Hall (2) è formato da una striscia di materiale che può condurre elettricità, di solito un metallo conduttore o un semiconduttore. Come forma fisica si usa una striscia perché ha due dimensioni, lo spessore è trascurabile rispetto alle altre due. In questo materiale viene fatta scorrere una corrente applicando una batteria (5) ai suoi capi. Nei conduttori gli elettroni (1) si muovono dal polo negativo a quello positivo della batteria. Il magnete (3) crea un campo magnetico (4) che va dal polo Nord al polo Sud dello stesso magnete. L'elemento di Hall è immerso in questo campo magnetico. Gli elettroni di conduzione si muovono, hanno cioè una velocità, e risentono del campo magnetico: su di loro agisce la forza di Lorentz: dove: q è la carica dell'elettrone pari a C. v è la velocità del'elettrone e B è il campo magnetico.

16 POSTUROGRAFIA Misura il punto di applicazione del vettore forza corrispondente alla reazione vincolare del suolo e rappresenta una media pesata delle pressioni sulla superficie di contatto con il suolo ". Tale punto viene detto centro di pressione e viene comunemente indicato dall'acronimo inglese COP. Definizione " La proiezione del centro di massa al suolo identifica un punto che chiamiamo COM" Le due variabili sono da un punto di vista biomeccanico strettamente collegate : possiamo dire che una dipende dall'altra, ma NON sono la stessa cosa. COP :: E' la manifestazione delle forze agenti sulla caviglia per il mantenimento della postura eretta e fornisce quindi un importante strumento per indagare le strategie di controllo e verificare i modelli sperimentali. Non rappresenta il movimento, ma l'entità fisica che lo genera. COM :: E' la posizione del centro di massa del sistema che viene continuamente spostato dalle forze in gioco. Rappresenta il movimento vero e proprio ed è il risultato del movimento del COP

17 POSTUROGRAFIA - Esistono degli istanti in cui il COP sembra fermarsi, con il risultato di creare un agglomerato di punti. - Il COP si sposta rapidamente da un agglomerato per formarne un'altro. Abbiamo chiamato centri di stabilità (CS) tali punti e si puo utilizzare un algoritmo in grado di restituirci delle informazioni circa la posizione e la temporizzazione dei CS.

18 ANALISI POSTUROGRAFICA: SWAY DENSITY L'algoritmo consiste nel contare quanti punti consecutivi cadono all'interno di un cerchio di raggio fissato quando questo è posizionato sopra un punto. Eseguendo tale procedimento per tutti i punti del tracciato si ottiene la curva di Sway Density (SDC) che presenta un andamento piuttosto regolare di valli e picchi. Infatti quando il cerchio si posiziona sopra un CS il conteggio dei punti sarà elevato (picchi), per contro otterremo un conteggio basso durante una fase di rapido movimento. Da tale curva, dopo averla filtrata a 2.5 Hz ed aver individuato tutti i picchi, possiamo calcolare tre parametri : 1- Con quale intervallo temporale medio si ripetono i centri di stabilità : MeanTime [MT] 2- Quale è il tempo medio di permanenza all'interno del cerchio : StayTime [ST] 3- Quale è la distanza spaziale media tra i centri di stabilità : MeanDistance [MD]

19 COP..

20 SCARPE AD APPOGGIO CONTROLLATO

21 FORZE DI REAZIONE VINCOLARI

22 PEDANA DI FORZA

23 RILEVATORE DI FORZA

24 PRESSOMETRI ONSIDE

25 DIAGRAMMA DELLA FORZA

26 APPLICAZIONI Con la posturografia si è in grado di valutare gli spostamenti nel tempo del centro di pressione (COP) del soggetto esaminato sul proprio piano di appoggio e quantificare in modo multiparametrico la precisione del controllo posturale (area delle oscillazioni) ed il consumo energetico richiesto (lunghezza, velocita e frequenza delle oscillazioni). La posturografia consente di identificare le alterazioni dell equilibrio ma permette anche di valutare a seguito di interferenze sensoriali il comportamento del Sistema Posturale Fine (SPF). I recettori periferici del sistema propriocettivo sono di importanza fondamentale nel fornire le informazioni per il controllo posturale fine. Di interesse particolare per il posturologo sono le afferenze propriocettive a partenza degli arti inferiori, dal distretto cervicale, dei muscoli oculomotori e dall apparato stomatognatico. Le afferenze propriocettive piu importanti in ortostatismo sono quelle neuromuscolari, evocate dalle oscillazioni della massa corporea attorno al fulcro rappresentato dalle caviglie -

27 DINAMICA Cinematica = descrizione del movimento includendo considerazioni di spazio e tempo (posizione, distanza, velocità, spostamento, accelerazione) Cinetica = analisi delle forze coinvolte nel movimento (lavoro, momento, potenza)

28 GIROSCOPIO Dispositivo capace di compensare il campo magnetico tridimensionale. A tale compensazione corrisponde uno spostamento, rispetto ad una situazione inerziale, sui tre assi dei cerchi. Tali modificazioni indicano le variazioni rotatorie su x, y, z

29 ACCELEROMETRI Dispositivo in grado di rilevare le variazioni di Ÿ, ossia la derivata seconda dello spostamento Possono essere monoassiali, bi o triassiali a seconda della capacita di rilevare variazione sui diversi assi di orientamento

30 ELETTROGONIOMETRI Hanno la caratteristica di modificare la propria resistenza elettrica in funzione dell angolo tra i due sensori.se questi vengono alimentati con una batteria le modificazioni di resistenza causano modificazioni di tensione R t = R + Rs I = V / R t

31 EMG E il segnale elettrico rilevato sul muscolo. Si riferisce alle attivazioni ellettriche totali delle unita motorie attive. Ogni U.M. contribuisce in funzione del proprio stato di attivazione

32 PARAMETRI EMG E DI POSTURA

33 ANALISI DEL MOVIMENTO

34 GAIT ANALYSIS Caratterizzazione analitica del movimento e rilevazione di alterazioni rispetto normalità attraverso il monitoraggio di: variabili cinematiche(variazioni angolari articolari, spostamenti, velocità) variabili dinamiche(forze, momenti, potenze in gioco durante il gesto) segnali biologici(attività muscolare) Analisi quantitativa computerizzata del movimento Stereofotogrammetria Strumentazione integrata Baropodometria Elettromiografia

35 LIMITI APPLICABILITA personale specializzato alti costi, spazi dedicati, calibrazione degli strumenti lunga preparazione dei soggetti lunghi tempi analisi

36 MOTION

37 GAIT ANALYSIS..

38 INSIDE-IN Sono quei sistemi di rilevamento e memorizzazione che utilizzano dispositivi indossabili Sono di impaccio per movimenti liberi Non consentono di memorizzare efficacemente tutti i movimenti Scarsi problemi di calibrazione Richiedono un elaborazione off-line per la ricostruzione

39 INSIDE-OUT Il sensore è sul soggetto, ma il segnale rilevato interagisce con un rilevatore esterno. Fonti elettromagnetiche Dispositivi che necessitano di alimentazione (batterie) Rumore ambientale Richiede spazi attrezzati Calibrazione

40 OUTSIDE-IN La sorgente di segnale è esterno al soggetto, il quale presenta opportuni marker che nel movimento modificano la sorgente Riconoscimento marker giusto per la ricostruzione Marker attivi/passivi Calibrazione attenta e laboriosa Spazi attrezzati Costi alti (80k-500k )

41 SISTEMA INTEGRATO PER ANALISI CAMMINO

42 APPLICAZIONE

43 APPLICAZIONI

44 APPLICAZIONI

45 APPLICAZIONI

46 APPLICAZIONI

47 APPLICAZIONI

48 MOTION CAPTURE La ricerca scientifica è volta a ideare un sistema economico per la rilevazione dei movimenti del corpo umano. Per esempio, sfruttando giroscopi, accelerometri, emettitori di ultrasuoni e microfoni. A questo riguardo è nato il progetto di Motion Capture, i cui risultati si devono al lavoro congiunto dello Swiss Federal Institute of Technology, del MIT e del Mitsubishi Electric Research Laboratories. Tale progetto conse di registrare in maniera più accurata i movimenti del corpo umano, e di utilizzare i dati raccolti sia a fini medici, che altro. Quanto ideato può rappresentare una sorta di evoluzione delle attuali tecniche di motion detection e motion capture, utilizzate normalmente in ambito cinematografico e videoludico, per la realizzazione di modelli grafici tridimensionali in grado di imitare le movenze del corpo umano.

49 Brevetto iusm

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