IL LABORATORIO DI GAIT ANALYSIS NEL PROCESSO DI … · Grood&Suntay (con riferimento all’anca)...

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


Modelli = Rappresentazione

schematizzata (semplificata)

della realtà

Cammino

(funzione motoria

complessa)

Modelli

per

l’analisi

Modelli per la

sintesi


nalysis



tivo



Sistema

muscolo-

scheletrico Movimento

Forze

esterne

Forze

interne

Problema dinamico diretto

Problema dinamico inverso(Analisi)

(Sintesi)


nalysis



tivo



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


nalysis



tivo



Il tipico laboratorio di

analisi del cammino

Modelli per l’acquisizione dei dati

cinematici e dinamici


nalysis



tivo




nalysis



tivo



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

nalysis



tivo



Davis

(Newington) Helen Hayes

Saflo

Cast


nalysis



tivo



Misure antropometriche da inserire nel

modello


nalysis



tivo



Cosa ci fornisce l’analisi

del cammino


nalysis



tivo



Es. anca

Stima dei

centri articolari

Modelli delle

articolazioni


nalysis



tivo



Approccio funzionale

cinematico:

minimizzazione della

deviazione standard

della distanza tra i

centri articolari


nalysis



tivo



Modelli di sistemi

articolati


nalysis



tivo


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



nalysis



tivo


(J.A. Kapandji)


Il problema della cinematica articolare (in particolare al

ginocchio)


nalysis



tivo



Asse di rotazione fissoCinematismo multiassiale

(quadrilatero articolato)


nalysis



tivo


Potenza prodotta:

P = Mi x DJ / Dt

= Mi x w

Lavoro interno:

L = Mi x DJ


Calcolo dei momenti e delle potenze

articolari

F

b

M = F x b

Momento di

una forza


nalysis



tivo




nalysis



tivo


From Scott Delp, 2001

Musculoskeletal modelling

Aimed at surgery simulation and planning


Modelli muscoloscheletrici (stima di lunghezze

di muscoli e legamenti)


nalysis



tivo



Musculographics- SIMM


nalysis



tivo



AnyBody Model AnyBody Group

Lifemod- BRG


nalysis



tivo



MBMC

Lab


nalysis



tivo


Costruzione di un modello dettagliato

muscoloscheletrico



nalysis



tivo


Rotating platform

Anterior Cruciate Ligament

Pivot

RotulaPosterior Cruciate Ligament

Sviluppo del modello muscoloscheletrico



nalysis



tivo



Il problema delle

superfici di avvolgimento


nalysis



tivo


Wrap surfaces !!!

Quadriceps

tendon (femoral

groove)

Semi –

membranosus

(medial femoral

condile)


Gastrocnemius

(femoral condiles)


nalysis



tivo




nalysis



tivo



Confronti lunghezze

muscolari


nalysis



tivo




nalysis



tivo



Modelli multisegmentari dinamici

Offrono la possibilità di

simulare il movimento

SINTESI DEL MOVIMENTO


nalysis



tivo


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)



nalysis



tivo


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



nalysis



tivo


Piede fissato nello spazio (al terreno)

Bacino fissato nello spazio


Il movimento risultante

dipende dalle forze esterne

(vincoli , condizioni di

carico)


nalysis



tivo


La co-contrazione influenza il

movimento risultante



nalysis



tivo


L’interazione con

l’ambiente

(superfici di

contatto) influenza

il movimento

risultante



nalysis



tivo



Sintesi del cammino


nalysis



tivo


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


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


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


(con controllo indipendente di 23 gdl)


nalysis



tivo



Modifica dei parametri di ingresso


nalysis



tivo


reference

No hips

add/abd No pelvis tilt

No hips add/abd

No pelvis tilt



nalysis



tivo


No Hips No Pelvis

horizontal rotationsreference



nalysis



tivo


No Pelvis anteversion

No vertical displacement


No Knee

yielding


nalysis



tivo


Excessive hip adduction

-10°

Right

foot:

leadingPalestrina, ROMA 15 ottobre 2016


nalysis



tivo


Compensations in

the frontal plane

+10°

+10°



nalysis



tivo


It seems O.K.

But…..Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016


nalysis



tivo



Feet penetration in the ground is

prevented


nalysis



tivo




nalysis



tivo


-5°

+5°

-5°

+5°



nalysis



tivo


Increase foot

eversion (+5°)Increase

plantarflexionReduce

plantarflexion

Increase

plantarflexionReduce

dorsiflexionPalestrina, ROMA 15 ottobre 2016


nalysis



tivo


Still some details to accommodatePalestrina, ROMA 15 ottobre 2016


nalysis



tivo



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


nalysis



tivo




nalysis



tivo



A system of muscles must be implemented

Quadriceps

Hamstrings


nalysis



tivo



Prosthetic components

are implanted


nalysis



tivo



Ligaments can be

readapted to post

surgical conditions


nalysis



tivo



Ex. ACL

sacrificed


nalysis



tivo



Both CL sacrificed


nalysis



tivo



Natural walk

Foot slack


nalysis



tivo



Solid ankle


nalysis



tivo



Con

caduta


nalysis



tivo



Equino

20°


nalysis



tivo




nalysis



tivo


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



nalysis



tivo




nalysis



tivo


Palestrina, ROMA

Normal

Hemiplegics

Many morphological types, correlated with the

different pathophysiologic factors

15 ottobre 2016


nalysis



tivo


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



nalysis



tivo


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



nalysis



tivo



Momento

massimo

(muscolare

plantaflessorio)

Momento

minimo

(muscolare

dorsiflessorio)

qrOrt = Angolo di riposo

Ortesi: 147° (+80°)

[Nm/Kg]

Range Fisiologico

qr= qS= 67°

Range risultante



nalysis



tivo



Momento

massimo

(muscolare

plantaflessorio)

Momento

minimo

(muscolare

dorsiflessorio) qrOrt = Angolo di riposo

Ortesi: 74° (+7°)

[Nm/Kg]

Range Fisiologico

qr= qS= 67°

Range risultante



nalysis



tivo



K1A1 (7.5 Nm/°, 10 °)


nalysis



tivo



K3A1 (12 Nm/°, 10°)


nalysis



tivo



K0A1 (3.75 Nm/°, 20°)


nalysis



tivo



K0A2 (3.75 Nm/°, 30°)


nalysis



tivo



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

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


nalysis



tivo




nalysis



tivo



Grazie per l’attenzione


nalysis



tivo


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