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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

I modelli biomeccanici del corpo umano

Modelli Biomeccanici

del Sistema Muscoloscheletrico

Carlo Frigo

Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria

Politecnico di Milano

PALESTRINA - ROMA

14-15 OTTOBRE 2016

IL LABORATORIO DI GAIT ANALYSIS

NEL PROCESSO DI DECISION MAKING

E NELLA VALUTAZIONE

DELL’OUTCOME RIABILITATIVO

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Modelli = Rappresentazione

schematizzata (semplificata)

della realtà

Cammino

(funzione motoria

complessa)

Modelli

per

l’analisi

Modelli per la

sintesi

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Sistema

muscolo-

scheletrico Movimento

Forze

esterne

Forze

interne

Problema dinamico diretto

Problema dinamico inverso(Analisi)

(Sintesi)

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Analisi

Modelli per l’acquisizione

dei dati cinematici e

dinamici

Modelli delle

articolazioni

Modelli per il calcolo

di grandezze

dinamiche

Modelli

muscoloscheletrici

Sintesi

Modelli dinamici

multisegmentari

Modelli per la stima di

forze muscolari

Il Laboratorio di Gait A

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nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Il tipico laboratorio di

analisi del cammino

Modelli per l’acquisizione dei dati

cinematici e dinamici

Il Laboratorio di Gait A

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nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Il Laboratorio di Gait A

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nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Il Laboratorio di Gait A

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nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

I.C. cnt’T.O. Cn’t I.C. T.O. I.C.Il Laboratorio di Gait A

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nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

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Davis

(Newington) Helen Hayes

Saflo

Cast

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Misure antropometriche da inserire nel

modello

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Cosa ci fornisce l’analisi

del cammino

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Es. anca

Stima dei

centri articolari

Modelli delle

articolazioni

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Approccio funzionale

cinematico:

minimizzazione della

deviazione standard

della distanza tra i

centri articolari

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Modelli di sistemi

articolati

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Grood&Suntay (con riferimento all’anca)

Abd/Add (90°-…)

Hip

Knee

Flex/Ext (90°-…)

Int/Ext Rot. (90°-…)

Add/Abd Axis

Flex/Ext Axis

Int/Ext Rot. Axise2

e2

ld

fp

lp

fd

e3

e1

td

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(J.A. Kapandji)

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Il problema della cinematica articolare (in particolare al

ginocchio)

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Asse di rotazione fissoCinematismo multiassiale

(quadrilatero articolato)

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Potenza prodotta:

P = Mi x DJ / Dt

= Mi x w

Lavoro interno:

L = Mi x DJ

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Calcolo dei momenti e delle potenze

articolari

F

b

M = F x b

Momento di

una forza

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

From Scott Delp, 2001

Musculoskeletal modelling

Aimed at surgery simulation and planning

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Modelli muscoloscheletrici (stima di lunghezze

di muscoli e legamenti)

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Musculographics- SIMM

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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

AnyBody Model AnyBody Group

Lifemod- BRG

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MBMC

Lab

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Costruzione di un modello dettagliato

muscoloscheletrico

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Rotating platform

Anterior Cruciate Ligament

Pivot

RotulaPosterior Cruciate Ligament

Sviluppo del modello muscoloscheletrico

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Il problema delle

superfici di avvolgimento

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Wrap surfaces !!!

Quadriceps

tendon (femoral

groove)

Semi –

membranosus

(medial femoral

condile)

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Gastrocnemius

(femoral condiles)

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Confronti lunghezze

muscolari

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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Modelli multisegmentari dinamici

Offrono la possibilità di

simulare il movimento

SINTESI DEL MOVIMENTO

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Simulazione del movimento= soluzione del problema dinamico diretto – forward dynamics

Tutti i segmenti anatomici si muovono in conseguenza di una singola forza applicata (accoppiamento dinamico)

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Ex. Semimembranosus (Ischiocrurale mediale: Estensore di anca e Flessore di Ginocchio)

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Piede fissato nello spazio (al terreno)

Bacino fissato nello spazio

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Il movimento risultante

dipende dalle forze esterne

(vincoli , condizioni di

carico)

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La co-contrazione influenza il

movimento risultante

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L’interazione con

l’ambiente

(superfici di

contatto) influenza

il movimento

risultante

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Sintesi del cammino

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0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5

Ry-Left (deg) Ry-Right (deg) vs. time (s)

Knee flexion/extension

-20

-10

0

10

20

0 1 2 3 4 5

Rz-Left (deg) Rz-Right (deg) vs. time (s)

Knee internal/external rotation

-20

-10

0

10

20

0 1 2 3 4 5

Ry-Left (deg) Ry-Right (deg) vs. time (s)

Ankle dorsi/plantar flexion

-5

0

5

10

0 1 2 3 4 5

Rx-Left (deg) Rx-Right (deg) vs. time (s)

Ankle inversion/eversion

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5

Ry-Left (deg) Ry-Right (deg) vs. time (s)

Hip flexion/extension

-20

-10

0

10

20

0 1 2 3 4 5

Rx-Left (deg) Rx-Right (deg) vs. time (s)

Hip adduction/abduction

-20

-10

0

10

20

0 1 2 3 4 5

Rz-Left (deg) Rz-Right (deg) vs. time (s)

Hip internal/external rotation

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0 1 2 3 4

Vx (m /s ) Vy (m /s ) Vz (m /s ) vs. time (s)

Trunk velocity

-20

-10

0

10

20

0 1 2 3 4 5

Rx-Antev (deg) Rz-HorRot (deg) Rx-LatTilt (deg) vs. time (s)

Pelvis rotiations

Animazione del modello

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(con controllo indipendente di 23 gdl)

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Modifica dei parametri di ingresso

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reference

No hips

add/abd No pelvis tilt

No hips add/abd

No pelvis tilt

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No Hips No Pelvis

horizontal rotationsreference

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No Pelvis anteversion

No vertical displacement

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No Knee

yielding

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Excessive hip adduction

-10°

Right

foot:

leadingPalestrina, ROMA 15 ottobre 2016

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Compensations in

the frontal plane

+10°

+10°

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It seems O.K.

But…..Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

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Feet penetration in the ground is

prevented

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-5°

+5°

-5°

+5°

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Increase foot

eversion (+5°)Increase

plantarflexionReduce

plantarflexion

Increase

plantarflexionReduce

dorsiflexionPalestrina, ROMA 15 ottobre 2016

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Still some details to accommodatePalestrina, ROMA 15 ottobre 2016

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C.Romanò, C. Frigo, G. Randelli and A. Pedotti, "Analysis of the gait of adults who had residua of

congenital dysplasia of the hip", J. of Bone & Joint Surgery, vol.78-A, n 10, p:1468-1479, 1996

Il Laboratorio di Gait A

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A system of muscles must be implemented

Quadriceps

Hamstrings

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Prosthetic components

are implanted

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Ligaments can be

readapted to post

surgical conditions

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Ex. ACL

sacrificed

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Both CL sacrificed

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Natural walk

Foot slack

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Solid ankle

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Con

caduta

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Equino

20°

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Azioni

esercitate su

gamba-piede

DALL’ortesi

(principio dei tre

punti di attacco)

b

F1

F2

F3

Mor =F3 b = K Dq

Mm= M (f)

Dq

f

Mor

MmAlla

posizione di

equilibrio:

Mor = Mm

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Palestrina, ROMA

Normal

Hemiplegics

Many morphological types, correlated with the

different pathophysiologic factors

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Distacco da terra

Dorsiflessione

[°]Plantarflessione [°]

[Nm/Kg]

Momento

massimo

(muscolare

plantaflessorio)

Momento

minimo

(muscolare

dorsiflessorio)

Range Fisiologico

Curva Momento-Angolo

normale

Inizio contatto al terrenoIniziale flessione plantare

Curva Momento-Angolo

paziente con piede equino

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Dorsiflessione [°]Plantarflessione [°]

Momento

massimo

(muscolare

plantaflessorio)

Momento

minimo

(muscolare

dorsiflessorio)

qr: 60°

qS: 67°

qrOrt = Angolo di riposo

Ortesi: 84° (+24°)

[Nm/Kg]

Range Fisiologico

Range risultante

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Dorsiflessione [°]Plantarflessione [°]

Momento

massimo

(muscolare

plantaflessorio)

Momento

minimo

(muscolare

dorsiflessorio)

qrOrt = Angolo di riposo

Ortesi: 147° (+80°)

[Nm/Kg]

Range Fisiologico

qr= qS= 67°

Range risultante

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Il Laboratorio di Gait A

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nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Dorsiflessione [°]Plantarflessione [°]

Momento

massimo

(muscolare

plantaflessorio)

Momento

minimo

(muscolare

dorsiflessorio) qrOrt = Angolo di riposo

Ortesi: 74° (+7°)

[Nm/Kg]

Range Fisiologico

qr= qS= 67°

Range risultante

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

K1A1 (7.5 Nm/°, 10 °)

Il Laboratorio di Gait A

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

K3A1 (12 Nm/°, 10°)

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

K0A1 (3.75 Nm/°, 20°)

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

K0A2 (3.75 Nm/°, 30°)

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

R Riener and T Edrich. Identification of passive elastic joint moments

in the lower extremities. J Biomech, 32(5):539–544, May 1999

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Il Laboratorio di Gait A

nalysis

nel processo di decision making

dell'outcome riabilita

tivo

Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016

Il Laboratorio di Gait A

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dell'outcome riabilita

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Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016

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Grazie per l’attenzione

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