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U N I V E R S I TA’ D E G L I S T U D I D I R O M A T O R V E R G ATA

FA C O LTA’ D I M E D I C I N A E C H I R U R G I A

L A U R E A T R I E N N A L E I N S C I E N Z E M O T O R I E

A A 2 0 11 - 2 0 1 2

I nsegnamento d i

P r o f . s s a M a r i a G u e r r i s i

D o t t . P i e t r o P i c e r n o

I nsegnamento d i

BIOMECCANICA

Programma del corso

MODULO 1: Introduzione alla biomeccanica

MODULO 2: Misura e stima

MODULO 3: Centro di massa

MODULO 4: Analisi del salto verticale

Modulo 5 – Analisi del cammino- pag. 2Biomeccanica (A A 2011-2012) Picerno – Guerrisi

MODULO 5: Analisi del cammino

MODULO 6: Macchine da muscolazione

Modulo 5

Analisi del cammino


Analisi del cammino

Caratterizzare la deambulazione di un soggetto patologico

apprezzandone le variazioni rispetto ad una situazione di

normalità:

• utilità in campo clinico per la diagnosi di particolari

patologie a carico di uno dei sistemi coinvolti

Final i tà


patologie a carico di uno dei sistemi coinvolti

• pianificazione ed controllo di specifici trattamenti

riabilitativi

I l c iclo del passo

• Il ciclo del passo rappresenta l’unita’ funzionale di riferimento nella analisi

del cammino.

• Esso e’ definito dall’intervallo di tempo tra due contatti iniziali successivi

dello stesso piede (ad esempio, destro-sinistro-destro) e rappresenta il


riferimento temporale in cui vengono descritti tutti gli altri eventi meccanici e

di attività muscolare

• Essendo il cammino un gesto ciclico (periodico), è sufficiente

caratterizzarlo all’interno di un solo ciclo del passo perché si suppone che

queste caratteristiche si ripetono ciclo dopo ciclo

Attenzione al la terminologia

• Semipasso: e’ definito dall’intervallo di tempo tra due contatti iniziali di due

appoggi successivi (ad esempio, destro-sinistro)

• In inglese, ciò che noi definiamo “passo” loro lo chiamano stride, e il

nostro “semipasso” è il loro step


nostro “semipasso” è il loro step

• Le definizioni all’inglese sono quelle che si avvicinano più al nostro

linguaggio comune, dove è prassi chiamare “passo” due appoggi successivi

destro-sinistro o sinistro-destro, mentre destro-sinistro-destro oppure

sinistro-destro-sinistro viene chiamato “falcata” (come ad esempio in

atletica leggera)

Mo

du

lo 3

–A

na

lisi d

el ca

mm

ino

-p

ag.7

Ca

ra

tte

riz

za

zio

ne

de

l g

es

to

Bio

me

ccan

ica (

A A

20

11

-20

12)

Ca

ra

tte

riz

za

zio

ne

de

l g

es

to

Ciclo del passo: parametr i di interesse

• Spaziali- lunghezza del passo [m]- lunghezza media del passo [m]- numero dei passi [#]

• Temporali- durata del passo [s]- durata della fase d’appoggio [s]


- durata della fase d’appoggio [s]- durata della fase di oscillazione [s]

• Derivati dai precedenti- velocità media [m/s]- velocità del passo [m/s]- frequenza del passo [m/s]

• Cinematica articolare [°]

Ciclo del passo: parametr i di interesse

Ad esempio, il semplice aumento della velocità media di percorrenza in un

soggetto protesizzato è sicuramente un indice che il soggetto ha migliorato

la sua capacità di deambulazione, quindi l’operazione e la riabilitazione sta

andando a buon fine.


Parametr i di interesse

- Puntuali:

ad esempio, la flessione massima del ginocchio durante la fase di

oscillazione è stata di 70°


(angolo misurato da un fermo-immagine, quindi in un solo istante di tempo)

Parametr i di interesse

- Tempo-varianti:

ad esempio, la cinematica del ginocchio sul piano sagittale (flesso-

estensione) in ciascun istante di tempo70°


(angolo misurato in ciascun istante di tempo, che messi assieme formano una curva

che descrive la variazione dell’angolo al ginocchio in funzione del ciclo del passo)

[1 d

iv =

10°]

% ciclo del passo0 100

[gra

di]

Misure biomeccaniche di base

10m


durata

totale

lunghezza

percorsonumero appoggi


10m


durata

totale

lunghezza

percorsonumero appoggi

• Spaziali-lunghezza del passo [m]: misure manuali o fotogrammetriche-lunghezza media del passo [m]: numero dei passi/distanza percorsa

• Temporali- durata del passo [s]: videocamere- durata della fase d’appoggio [s]: videocamere- durata della fase di oscillazione [s]: videocamere



- durata della fase di oscillazione [s]: videocamere

• Parametri derivati- frequenza del passo [Hz]: 1/durata del passo- velocità media [m/s]: distanza percorsa/durata totale- velocità del passo [m/s]: lunghezza del passo/durata del passo

oppure

lunghezza del passo x frequenza del passo

• Cinematica articolare [°]: misure goniometriche o fotogrammetriche

Fotogrammetr ia digi tale

Identifichiamo sull’immagine due punti che corrispondono ad un punto del piede in due

istanti di tempo corrispondenti rispettivamente a inizio e fine del ciclo del passo (sinistro

in questo caso)



distanza in pixel tra due punti identificati sull’immagine


distanza in pixel tra due punti identificati sull’immagine


La trasformazione da pixel a metri può essere fatta collocando fisicamente sul piano del

movimento un oggetto di misura nota (in questo caso è posto virtualmente)


1m

Rilevazioni manual i

Lo stesso risultato, anche se meno automatizzato, può essere ottenuto misurando la

distanza tra le orme lasciate dal piede se sotto la suola della scarpa è stata

contrassegnata con del gesso o dell’inchiostro


1m

Cinematica art icolare bidimensionale


Cinematica art icolare bidimensionale

Piano sagittale

Piano trasverso

Piani e assi anatomici


Piano frontale(coronale)

Piano trasverso

Flessione (+) Estensione (-)

Flesso-estensione del l ’anca


Flessione (+) Estensione (-)

Flesso-estensione del ginocchio


Flessione dorsale (+)

Posizione neutra

Fessione plantare e dorsale del piede


Flessione plantare (-)

Posizione neutra

θa

A

G

Ipotesi:

• Moto planare (piano sagittale)

• Le articolazioni sono modellizzate

usando cerniere cilindriche (un

Modello semplice del l ’arto infer iore


θg

G

C

Centri articolari (marcatori):

A anca

G ginocchio

C caviglia

M metatarso-falangi

grado di libertà)

θc

C

M

Misura stat ica: goniometr i


accuratezza e ripetibilità molto basse

Misura tempo-variante: elettrogoniometr i


Fotogrammetr ia

Per determinare l’angolo compreso tra due segmenti corporei a partire dalla

posizione di punti che definiscono inizio e fine di questi segmenti abbiamo

bisogno di aiutarci con l’identificazione di triangoli rettangoli

Questo esercizio ci permette di poter


Questo esercizio ci permette di poter

utilizzare le regole della trigonometria per

arrivare a determinare gli angoli articolari

così come la convenzione che abbiamo

scelto ha deciso di rappresentarli

D

I triangoli rettangoli: gli invarianti

Per un dato valore dell’angolo α, i seguenti rapporti sono indipendenti dallo specifico

triangolo rettangolo preso in considerazione

ipotenusa

cateto adiacente

cateto opposto

cos α=AC AE

=AB AD

BC DE

Trigonometr ia


α

A C

B

E

ipotenusa

cateto opposto

cateto opposto

cateto adiacentetg α

sin α=

=

BC DE=

AB AD

BC DE=

AC AE

A

Centri articolari:

A grande trocantere

Collocazione dei marcatori


y

x

G

C

M

A grande trocantere

G epicondilo femorale laterale

C malleolo laterale

M metatarso-falange V dito

θa

A

G


è l’angolo che il segmento coscia

forma con l’asse verticale

è la rotazione della coscia rispetto

all’asse verticale


Y

X

Gzero gradi quando la coscia è

allineata alla gravità

θa

A

G

Dati:

pA = [xA yA]

pG = [xG yG]



Y

X

G

tg θa = - (xA - xG)/ (yA - yG)

θa

A

G


è l’angolo che il segmento gamba

forma con il segmento coscia

è la rotazione della gamba rispetto

alla coscia


G

C

M

θgY

X

zero gradi quando questi due

segmenti sono allineati

θa

A

G

Dati:

pG = [xG yG]

pC = [xC yC]



G

C

M

αg

tg αg = (xG - xC)/ (yG - yC)

Y

X

θa

A

G

Dati:

θa

pG = [xG yG]



G

C

M

pC = [xC yC]

αg

tg αg = (xG - xC)/ (yG - yC)θg

θg = αg + θa

θaY

X

θa

A

G

Flessione dorsale/plantare del piede

A

G

è l’angolo che il segmento piede

forma con il segmento gamba

è la rotazione del piede rispetto alla

gamba


θc

θg

G

C

M

G

Y

X

zero gradi quando questi due

segmenti sono allineati (circa

novanta in postura eretta)

θa

A

G

Dati:

θg

pC = [xC yC]


A

G


θc

θg

G

C

M

pM = [xM yM]G

Y

X

Dati:

θg

pC = [xC yC]

pM = [xM yM]

A

G



pM = [xM yM]

αc

tg αc = - (xM - xC)/ (yM - yC)

G

C

M

Y

X

Dati:

αg

pC = [xC yC]

pM = [xM yM]

A

G


Xg M

pM = [xM yM]

αc

tg αc = - (xM - xC)/ (yM - yC)

θc

θc = αc + αgαg

G

Fotogrammetr ia digi tale (videoanal isi )

La posizione dei marcatori può essere misurata in ogni istante di tempo t (perciascun fotogramma) mediante appositi software di videoanalisi:


Definiz ione del s istema di r i fer imento


yP x y

t0 0 0

t1 56 64

t2

Coordinate del punto

(pixel)


O (0, 0)

Pt1 (x, y)

x

t3 … …

t4 … ….

t5 …. ….

yP x y

t0 0 0

t1 56 64

t2 167 59


(pixel)


O (0, 0)

Pt2 (x, y)

x

t3 … …

t4 … ….

t5 …. ….

yP x y

t0 0 0

t1 56 64

t2 167 59


(pixel)


O (0, 0)

Pt3 (x, y)

x

t3 267 47

t4 … ….

t5 …. ….

yP x y

t0 0 0

t1 56 64

t2 167 59


(pixel)


O (0, 0)

Pt4 (x, y)

x

t3 267 47

t4 375 39

t5 …. ….

yP x y

t0 0 0

t1 56 64

t2 167 59


(pixel)


O (0, 0) x

t3 267 47

t4 375 39

t5 485 37

Pt5 (x, y)

y

P x y

t0 0 0

t1 56 64

t2 167 59

Trasformazione del le coordinate

(pixel)La trasformazione da pixel a metri può essere fattacollocando fisicamente sul piano del movimento un oggettodi misura nota (in questo caso è posto virtualmente)


O (0, 0) x

t3 267 47

t4 375 39

t5 485 37

1m = 300 pixels

1m

Lunghezza del passo

P x y

t0 0 0

t1 56 64

t2 167 59

(pixel)


t3 267 47

t4 375 39

t5 485 37

lunghezza del passo = P(x)t5 - P(x)t0 = 485 – 0 = 485 pixel

NOTA BENE:

la lunghezza del passo è lungo l’asse orizzontale, quindi serve solo la coordinata x di P

θa

A

G

Cinematica sagit tale durante cammino

anca

40

-20

60

[gradi]


θg

G

C

θc

C

M

ginocchio

caviglia

0 50 100

% ciclo

90

30

60

0Y

X

Interpretazione del segnale

flesso-estensione

ginocchio sinistro


0 50 100

% ciclo

60

0[gra

di]

°Flessione (+)

Estensione (-)


flesso-estensione

ginocchio sinistro


0 50 100

% ciclo

60

0

°Flessione (+)

Estensione (-)


flesso-estensione

ginocchio sinistro


0 50 100

% ciclo

60

0[gra

di]

°Flessione (+)

Estensione (-)


flesso-estensione

ginocchio sinistro


0 50 100

% ciclo

60

0

°Flessione (+)

Estensione (-)

Estensione al piano frontale

• angoli più piccoli!

ATTENZIONE:

minore è l’escursione angolare da misurare e più si è esposti all’errore

(rapporto errore-segnale)


(rapporto errore-segnale)

ad esempio, se devo misurare un abduzione dell’anca che fisiologicamente

durante il cammino non va oltre i 30°, pochi millimetri di errore

nell’identificazione di un repere anatomico mi può portare ad un errore di

calcolo dell’angolo anche di 5°, che sono pochi se il ROM è 60°, come la

flessione del ginocchio, ma tanti in caso il ROM sia di 30° come appunto

nell’abduzione dell’anca

La domanda del giorno

Cosa accomuna le tre metodiche (goniometri,

elettrogoniometri e fotogrammetria) che abbiamo esplorato in

questa lezione per la misura della cinematica angolare?


Oppure, in altre parole, qual è l’errore comune di cui soffrono?

Modulo 5: apprendimento

Dopo questa lezione dovreste:

• aver imparato a caratterizzare il ciclo del passo

• aver compreso come effettuare misure di base

• aver compreso la differenza tra un’informazione puntuale ed una tempo-

variante


variante

• aver compreso le metodiche per la misura della cinematica articolare e le

relative differenze

• aver compreso il concetto di misura della posizione di un punto sul piano

• saper leggere un grafico di flesso-estensione del ginocchio durante il ciclodel passo

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