LABORATORIO DI ANALISI DEL MOVIMENTO UMANO

Università di Cagliari

Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali

Stereofotogrammetria elettronica per l‟analisi

quantitativa del movimento

Outline

• Principi e metodi delal stereofotogrammetria

• Struttura di un laboratorio di analisi del movimento

• I protocolli tecnici e anatomici per il posizionamento dei markers

• Calibrazione, acquisizione ed elaborazione dei dati, reportistica

• Gait Analysis: variabili significative.

Esempi di cammino normale e

patologico

• Esercitazione pratica sulla

Gait Analysis

Argomenti della lezione

„Qualunque aspetto del movimento umano si voglia studiare, per prima cosa

occorre osservarlo‟ (Galileo)

Lo studio del movimento umano

CINEMATICA:

quando si

muove?

DINAMICA:

perchè si

muove?

ELETTROMIOGRAFIA:

attivazione muscolare

durante il movimento

Angoli Articolari,

Orientamento Segmenti

e Spostamento.

Misurati con i sistemi

di Motion Capture

Forze, Momenti, E

Potenze Articolari.

Misurati con

piattaforme di forza.

Timing e Intensità del

Segnale

Elettromiografico.

Misurati con degli

elettrodi

Scopi della misura

Outline Analisi quantitativa del movimento

Fornisce delle misure quantitative del movimento relative a cinematica,

dinamica e attivazione muscolare

ANALISI INTEGRATA

MULTIFATTORIALE

QUANTITATIVA

TRIDIMENSIONALE

NON INVASIVA

I sistemi optoelettronici che utilizzano telecamere operanti nella gamma del visibile o del

vicino infrarosso, unitamente a marcatori posti sulla cute del soggetto, rappresentano la

soluzione tecnologica più diffusa per la stima del movimento umano. I sistemi

optoelettronici non forniscono una misura diretta delle variabili cinematiche ma una stima

delle traiettorie cinematiche.

Che cosa è la stereofotogrammetria?

La capacità di percepire la natura tridimensionale degli oggetti che ci

circondano è definita visione stereoscopica ed è dovuta dall’impiego

combinato dei due occhio.

Il cervello riceve quindi una doppia immagine di ciascun oggetto, una da

ogni occhio, e ha la capacità di unirle in un'unica immagine

tridimensionale fortemente differente dalle immagini originali.

Stereofotogrammetria: principi

Ricostruzione 3D del punto:

Dato un punto che si muove nello spazio del laboratorio, è possibile esprimere il

funzionamento di questo sistema come la ricostruzione della posizione che il punto assume

istante per istante, fornendo una terna spaziale caratteristica (x,y,z) rispetto alla terna di

riferimento del laboratorio stesso.

Per poter definire la posizione spaziale di un punto per mezzo delle sue coordinate, è

necessario che il punto venga osservato contemporaneamente da almeno due punti di vista

distinti.

La registrazione della

posizione permette di

calcolare le velocità e

le accelerazioni dei

punti lungo la

traiettoria.

Stereofotogrammetria

Sebbene la stereofotogrammetria optoeltronica sia un potente mezzo per la quantificazione

della cinematica segmentale ed articolare finalizzata alla valutazione della funzionalità

motoria, essa è affetta da diverse tipologie di errori:

Sistemi optoelettronici per l‟analisi del movimento

Vantaggi:

- accuratezza, precisione e affidabilità;

- tutti i dati si riferiscono a un sistema di riferimento assoluto;

- sono indipendenti dal numero di marker utilizzati,

- nessun ostacolo al movimento

- acquisizioni total body

Svantaggi:

- spesso costretta all’interno di laboratori (no spazi aperti);

- strumentazione costosa,

- necessaria accurata calibrazione per la bontà dei dati

- Quantificare le limitazioni funzionali in maniera oggettiva;

- Definire percorsi terapeutici e supportate le decisioni cliniche;

- Monitorare gli andamenti di una terapia riabilitativa;

- Documentare l’efficacia di nuovi ausili o protesi.

Clinica:

Strumentazione di un Laboratorio di Analisi del

Movimento

-100

-50

0

50

100

Am

pie

zza

(m

V)

6420

Tempo (s)

60

40

20

0

100806040200

cinematica dinamica

attivazione

muscolare

ripresa video

Strumentazione del Laboratorio di Analisi del Movimento

Sensore CCD (Charge-

Coupled Device) Sensore CMOS (Complementary

Metal-Oxide Semicondutor)

Diodo a Effetto Collaterale

Strumentazione del Laboratorio di Analisi del Movimento

Sensore CCD (Charge-

Coupled Device)

Sensore CMOS (Complementary

Metal-Oxide Semicondutor)

Il sensore CCD consiste in un circuito integrato formato da una griglia di elementi semiconduttori in

grado di accumulare una carica elettrica proporzionale all'intensità della radiazione elettromagnetica

che li colpisce. Questi elementi sono accoppiati in modo che ognuno di essi, sollecitato da un

impulso elettrico, possa trasferire la propria carica ad un altro elemento adiacente. Inviando al

dispositivo una sequenza temporizzata d'impulsi, si ottiene in uscita un segnale elettrico grazie al

quale è possibile ricostruire la matrice dei pixel che compongono l'immagine proiettata sulla

superficie del CCD stesso.

Il sensore CMOS è invece usato in elettronica per progettare circuiti integrati alla cui base sta l’uso

dell’invertitore a transistor mosfet.

Strumentazione del Laboratorio di Analisi del Movimento

Diodo a Effetto Collaterale

I markers attivi sono costituiti da LED che generano autonomamente il segnale

luminoso e vengono posizionati in specifici punti di repere dei quali si vuole definire la

traiettoria. Questi dispositivi necessitano però di alimentazione e sincronizzazione via

cavo.

I marker passivi sono costituiti da materiale catarifrangente in grado di riflettere luci di

lunghezza d’onda caratteristica compresa tra i 780-820 nm; sono di forma sferica e

vengono posizionati a livello dei punti di repere per mezzo di un supporto platico. Le

luci vengono emesse da illuminatori coassiali con le telecamere e situati posteriormente

ad esse, costituiti da opportuni filtri ottici e in grado di localizzare i markers nel volume

di misura.

Marker passivi

Protocolli per l‟analisi del movimento: sistema di

riferimento tecnico e anatomico

Sistemi di riferimento rispetto ai quali sono restituite le coordinate istantanee 3D dei marker:

- Globale o del laboratorio: fisso, rispetto a cui vengono fornite le coordinate dei marker

- Tecnico: arbitrario, solidale a un segmento osseo. Determinato usando la posizione di

almeno 3 marker non allineati (cluster)

- Anatomico: i suoi piani approssimano quelli anatomici. Determinato sfruttando i punti di

repere anatomici (RA)

Protocolli tecnici e anatomici

Protocolli tecnici: cluster di marker (minimo

3 elementi) in posizioni non corrispondenti a

punti anatomici. Ogni cluster individua un

sistema di riferimento tecnico solidale con il

segmento corporeo su cui è stato applicato ma

è differente dal sistema di riferimento

anatomico del segmento. È richiesta la

calibrazione aggiuntiva per la definizione

della relazione tra sistema di riferimento

tecnico e quello anatomico. Es. Protocollo

CAST (Calibrated Anatomical System

Technique).

Protocolli anatomici: posizionamento di

marker sulla cute del soggetto in punti di

repere in cui si trova riferimento alla struttura

ossea. I centri articolari venfono calcolati

mediante algoritmi basati su parametri

antropometrici del soggetto in esame. Es.

Protocollo SAFLO, Helen Hayes o Davis.

Protocollo Davis

In ambito clinico i protocolli maggiormente diffusi sono quelli anatomici e in particolare il più

usato a livello internazionale per l’analisi del cammino è il protocollo Helen Hayes Marker Set

o Protocollo Davis. Il protocollo prevede la rilevazione dei parametri antropometrici del soggetto

(altezza, peso, distanza tra le creste iliache anteriori e spessore del bacino, lunghezza gamba,

distanza tra i condili femorali o diametro del ginocchio, distanza tra i malleoli o diametro della

caviglia), usati per stimare la posizione dei centri articolari e il posizionamento di 22 marker in

specifici punti di repere.

Posizionamento Markers (bilateralmente):

• acromion e settima vertebra cervicale (C7)

• creste iliache e osso sacro

• grande trocantere, epicondilo femorale

laterale e un marker posizionato su di una

• barra posta circa a metà coscia

• testa della fibula, malleolo e un marker posto

su di una barra posizionata circa a metà tibia

• quinto metatarso e tallone (solo nella fase di

standing)

Calibrazione del sistema

Fase preliminare dell‟acquisizione di

un qualsiasi tipo di prova necessaria

per definire il volume all‟interno del

quale andrà a svolgersi la prova.

Durante questa fase vengono

determinati tutti i parametri necessari

per ricostruire la scena tridimensionale,

i parametri interni (lunghezza focale,

coordinate del punto materiale,

coefficienti di distorsione, etc.) e i

parametri esterni, come il sistema di

riferimento della telecamera rispetto al

sistema di riferimento globale.

Calibrazione del sistema

1. Sequenza Axes: definisce la

direrione dei tre assi. Identifica la

posizione del sistema di riferimento

assoluto del laboratorio

2. Sequenza Wand: identifica il

volume all’interno del quale si svolgerà

la prova.

3. Sequenza Platform: identica la

posizione della piattaforma (direzione x

concorde con quella del cammino).

1

2

3

Calibrazione del sistema

Le prestazioni del sistema, in termini di accuratezza e precisione, possono dipendere dal set-

up del laboratorio (numero e posizione delle telecamere, dimensioni del volume di misura,

dimensione e forma dell’oggetto di calibrazione e cura della procedura di calibrazione)

Importanza di una corretta

calibrazione per l’attenuazione

degli errori strumentali

Analisi quantitativa del movimento: Gait Analysis

Modello

biomeccanico

60

40

20

0

100806040200

Angoli, velocità

e informazioni

cinematiche

Interpretazione

1.Posizionamento

marker e Motion

Capture

Knee Flex-Ext

Protocolli standard: • Posizionamento dei marker

• Modalità della prova

• Organizzazione dei tracciati

• Parametri analizzati

• Reportistica

Step principali per una prova di Gait Analysis

1. Preparazione del

paziente

2. Modalità della

prova

Valutazione neuropsicologica

Posizionamento dei markers

Rilievo dei dati antropometrici

Prova di standing

Prova di walking

4. Reportistica

finale

Step principali per una prova di Gait Analysis

3. Elaborazione

della prova

Identificazione degli eventi del ciclo del passo

(Contatto iniziale, IC, e distacco del piede , TO)

Il ciclo del passo: parametri temporali

Ciclo del passo: intervallo di tempo compreso tra due

appoggi successivi dello stesso piede.

Fase di appoggio: il piede si trova a contatto col

terreno e occupa circa il 60% di tutto il ciclo del

passo.

Fase di volo: il piede non si trova a contatto con il

terreno, cioè quando la gamba viene slanciata e

portata avanti. Occupa circa il restante 40% del gait

cycle.

Il ciclo del passo: parametri spaziali

Stride length = Step right + Step left

Right Step

length

Left Step

length

Step width

Cadenza (step/min) = numero di passi per unità di tempo

Velocità (m/s) = cadenza * lunghezza del passo

Il ciclo del passo: Parametri spazio-temporali

Valori di un soggetto sano adulto

Cinematica del cammino

Marker reali (sulla cute del

soggetto)

Marker virtuali (ricostruzione)

1. Posizionamento

markers

2. Definizione delle

traiettorie 3D dei

marker

3. Calcolo sistema di

riferimento tecnico

4. Calcolo dei centri

articolari

5. Definizione del

sistema di riferimento

anatomico

6. Calcolo angoli

articolari e definizione

ciclo del passo

7. Rappresentazione

degli angoli articolari in

funzione del ciclo del

passo

Movimenti permessi e convenzioni

Frontale ADDUZIONE: avvicinamento dell’arto al

piano sagittale del corpo

ABDUZIONE: allontanamento dell’arto dal

piano sagittale del corpo

Sagittale FLESSIONE: quando un arto si avvicina al

tronco-piano frontale-

ESTENSIONE: quando l’arto si allontana dal

tronco –piano frontale-

Trasversale INTRAROTAZIONE: avvicinamento all’asse

mediale

EXTRAROTAZIONE: allontanamento

dall’asse mediale

Report cinematica

Frontale Sagittale Trasversale

Tronco

Pelvi

Anca

Ginocchio

Caviglia

Obliquità pelvica

ROTAZIONE DEL BACINO INTORNO

ALL’ASSE ANTERO-POSTERIORE

+ -

Tilt pelvico (antiversione e retroversione pelvica)

ROTAZIONE DEL BACINO INTORNO

ALL’ASSE MEDIO-LATERALE

Rotazione pelvica

ROTAZIONE INTORNO ALL’ASSE LONGITUDINALE.

Abd-Adduzione Anca

NORMALI

IC: 2°

LOADING RESPONSE: 5°

MIDSTANCE: 0°

TERMINAL STANCE: 5°

SWING: -5°

TERMINAL SWING: 0°

Flesso-Estensione Anca

Rotazione Anca

ANGOLO COMPRESO TRA L’ASSE

ANTERO-POSTERIORE DEL BACINO E

QUELLO DELLA COSCIA NEL PIANO

TRASVERSALE.

POSITIVA: INTRAROTAZIONE

NEGATIVA: EXTRAROTAZIONE

Flesso-Estensione Ginocchio

Dorsi-Planta flessione Caviglia

Rotazione del piede

Forze di reazione del terreno

Quando il peso del corpo viene trasferito sul piede d’appoggio, sul terreno si genera un

sistema di forze (orizzontali e verticali) e di momenti, la cui conoscenza e’ importante per

determinare lo stress a cui sono sottoposte le strutture muscolari e articolari

La misura di tali forze (GRF, ground reaction forces) si effettua con uno strumento detto

“piattaforma di forza “ (pedana rigida accoppiata con sensori di forza disposti in modo

opportuno).

Fy

Fx

Fz

Forze di reazione del terreno

Il soggetto deve trasferire spontaneamente

il carico sulla piattaforma: la collocazione

volontaria del piede sullo strumento

(targeting) non e’ desiderabile perche’

genera un’alterazione innaturale nei

movimenti degli arti .

Spesso si ricorre a strategie di

mascheramento per evitare tali problemi.

Il piede analizzato deve occupare per

intero l‟area della piattaforma, mentre

l‟altro deve restare fuori (a volte si

ricorre alla doppia piattaforma laddove

possibile).

Forze di reazione del terreno (GRF)

I dati più frequentemente rilevati mediante piattaforme di forza sono:

• Forza verticale (Fy) e Forze di taglio orizzontali

(in ML e AP, Fz e Fx)

• Diagrammi vettoriali

• Momenti articolari

• Posizione del centro di pressione (COP)

GRF ha un ruolo

importante

nell’insorgenza di

lesioni a carico

degli arti inferiori.

Forze di reazione del terreno (GRF)

I dati più frequentemente rilevati mediante piattaforme di forza sono:

• Forza verticale (Fy) e Forze di taglio orizzontali

(in ML e AP, Fz e Fx)

• Diagrammi vettoriali

• Momenti articolari

• Posizione del centro di pressione (COP)

GRF ha un ruolo

importante

nell’insorgenza di

lesioni a carico

degli arti inferiori.

Componente verticale

L’andamento tipico delle forze

verticali nella fase di appoggio (a

velocita‟ “normale”, 80 m/min,

4.8 km/h 12.5 min/km) presenta

due picchi separati da un

avallamento

Quando le velocita’ non e’ troppo

elevata, il valore di picco e’

all’incirca il 110% del peso

corporeo mentre nell’avallamento

si ha circa l’80% del peso.

B

C

D

E A

Componente verticale

B

C

D

E A

B: il CoG si abbassa aumentando

l’effetto di accelerazione del peso

corporeo.

C: sollevamento del CoG per la

rotazione in avanti sul piede vincolato al

terreno

D: accelerazione verso il basso quando il

peso del corpo è trasferito in avanti per la

rotazione dell’AP

Componente verticale

La velocita’ del passo altera in modo

significativo la distribuzione delle

forze verticali.

Il cammino a bassa velocità (<60

m/min) riduce il momento e quindi

l’accelerazione verticale con un

corrispondente appiattimento di picchi

e avallamento.

Nella corsa, invece, si registrano

picchi di forza di ampiezza fino a 2.5

volte il peso corporeo.

Elettromiografia di Superficie Strumenti di

acquisizione

Sistemi optoelettronici

Piattaforme di forza

Elettromiografi

Sistemi a sensori inerziali

Sistemi baropodometrici

-600

-400

-200

0

200

400

Am

pie

zza

(m

V)

6420

Tempo (s)

-100

-50

0

50

100

Am

pie

zza

(m

V)

6420

Tempo (s)

-800

-400

0

400

Am

pie

zza

(m

V)

6420

Tempo (s)

• Misura dell’attività muscolare di un muscolo

durante la sua contrazione volontaria.

• Non invasività

• Elettromiografo wireless: dimensioni ridotte

delle sonde e assenza di cavi

È possibile effettuare l’analisi di qualsiasi

movimento senza alterare il gesto motorio del

soggetto in esame

BTS FREEEMG 100

Esempi cammino patologico

1. Valutazione di un trattamento antispastico in soggetto affetto da

Sclerosi Multipla – RR

PRE-Trattamento Dopo un mese di trattamento

Esempi cammino patologico

1. Valutazione di un trattamento antispastico in soggetto affetto da

Sclerosi Multipla – RR

Flex-Ext Anca

Flex-Ext Ginocchio

Dorsi-Plant. Caviglia

Pre Trattamento

Post Trattamento

Normalità

Gait cycle (%)

Gait cycle (%)

Esempi cammino patologico

1. Valutazione di un trattamento antispastico in soggetto affetto da

Sclerosi Multipla – RR

PRE POST

Esempi cammino patologico

2. Spasticità muscolare in un soggetto affetto da Sclerosi Multipla – RR

Anca PRE POST

Esempi cammino patologico

2. Spasticità muscolare in un soggetto affetto da Sclerosi Multipla – RR

PRE POST

Esempi cammino patologico

3. Soggetto affetto da Malattia di Parkinson

Esempi cammino patologico

3. Soggetto affetto da Malattia di Parkinson

Laboratorio di Bioingegneria ed Ergonomia Industriale

Laboratorio di

Analisi del

Movimento

Telecamere

Infrarosso 120 Hz

BTS Smart DX

Piattaforma di forza

BTS P-6000

Elettromiografia di superficie

Wireless (6 canali)

BTS RT-100

cinematica

dinamica

attivazione

muscolare