ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNAII FACOLTA’ DI INGEGNERIA

CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA BIOMEDICA

Valutazione sperimentale di metodi per la quantificazione della stabilità dello schema motorio

Relatore:

Prof. Ing. Rita Stagni

Azienda/ente ospitante:

DEIS Bologna/Cesena

presentata daDavide Monari

Anno Accademico 2008/2009

Introduzione

32% anziani cadono almeno una volta all’anno durante attività giornaliere; il 24% sostiene danni rilevanti (*)

(*) Tinetti, M.E., et al., Risk factors for serious injury during falls by older persons in the community. Journal of the American Geriatrics Society, 1995. 43(11): p. 1214

Valutazione indicatore di stabilità di task motori necessaria!!!

Analisi task SALITA SU UN GRADINO tramite:

• Metodi statistici tradizionali (µ, σ, t-test, PCA)

Obiettivi

• Stabilità orbitale

Metodi: task motorio e soggetti

Soggetti (nessuna patologia neuromotoria): 4 giovani (24.5 ± 1.5 anni)1 anziano (61 anni)

Task 2 giovani:

• Destra leading, 6 trial + gomma + occhi chiusi

• Sinistra leading, 6 trial + gomma + occhi chiusi

Gomma piuma

Task 1 giovani:

B) Destra leading, 6 trial

C) Sinistra leading, 6 trial

Task anziano:

B) Destra leading, 6 trial

C) Sinistra leading, 6 trial

Metodi: set-up sperimentale

29 marker cutanei segmenti busto; pelvi; coscia; gamba; piede

dettagli

BTS Smart-D (BTS Bioengineering, Milano, IT)

Protocollo CAST *

(*) Cappozzo, A., et al., Position and orientation in space of bones during movement: anatomical frame definition and determination. Clin Biomech (Bristol, Avon), 1995. 10(4): p. 171-178.

1) Angoli articolari (Grood & Suntay **) 2) Angoli assoluti in s.d.r. lab.

(**) Grood, E.S. and W.J. Suntay, A joint coordinate system for the clinical description of three-dimensional motions: application to the knee. J Biomech Eng, 1983. 105(2): p. 136-44.

2 pedane forza Bertec

Forze e momenti reazione piede-suolo

Momenti articolari: F × d(F,centro art.)

Pedana 2

Pedana 1

Metodi: esempio acquisizione

Metodi: stabilità orbitale, cenni teorici

maxFM = max(abs(eig(J)))

maxFM < 1 => stabilità orbitale garantita

( )SS kk F=+1 ( )SS FHp ∗∗ =:

[ ] ( )[ ]SSSSS kk J ∗∗∗+ −≅−1 )(* tSTraiettoria stabile:

Sistema periodico, orbita (in spazio Q) al ciclo k, 0 < t < T, 1 ≤ k ≤ m)(tS k

1q2q

3q( )nqqqqQ ,...,,, 321=

Metodi: stabilità orbitale, implementazione (**)

(**): Matlab 6.5 (Mathworks, Natick, MA, USA)

[ ] ( )[ ]SSS kk J ∆≅ ∗+∆ 1

∆

∆∆∆

≅

∆

∆∆∆

+

+

+

+

nk

k

k

k

nnnn

n

n

nk

k

k

k

s

s

s

s

JJJ

JJJ

JJJ

s

s

s

s

,

3,

2,

1,

21

22221

11211

,1

3,1

2,1

1,1

...

......

...............

...............

......

......

...

[ ] ( )[ ]SSSSS kk J ∗∗∗+ −≅−1

n = dimensione iperspazio

m = numero trial = numero orbite = 6

nknikikiik sJsJsJs ,,2,2,1,1,,1 ... ∆++∆+∆≅∆ +

Per ogni riga i (1 ≤ i ≤ n) di J:

m

m

kSS

∑≡ 1*

Risultati: t-test locali angoli

Riduzione momento destabilizzante

t-test puntuali (p-value: max 0.05, min 0)

anche e ginocchia più flesse su gomma piuma

GIOVANI vs GIOVANI PERTGIOVANI vs GIOVANI PERT

busto più flesso in avanti su gomma piuma

GIOVANI vs GIOVANI PERT

Risultati: t-test locali momenti articolari

Anca trailing: momento flex.

maggiore

Anca leading: momento ext.

maggioreGamba destra leading Gamba sinistra leading

GIOVANI vs GIOVANI PERT GIOVANI vs GIOVANI PERT

Risultati: t-test locali angoli e momenti (anziano)

Busto meno flesso in avanti, ginocchia ed

anca più sollecitate in estensione

GIOVANI vs ANZIANOGIOVANI vs ANZIANO

1) maggior controllo busto ?

2) Per spostare peso maggiore strategia di arto inferiore ?

Risultati: PCA

Dataset solo 5-dimensionale per raggiungere 95% variabilità grandezze correlate

Angoli: data-set 24 dimensionale

Momenti: data-set 18 dimensionale

Risultati: stabilità orbitale angoli (soggetti giovani)

gamba sinistra leading più instabile

Gamba sinistra leading

Gamba destra leading

t-test puntuali (p-value: max 0.05, min 0)

GIOVANI vs GIOVANI PERT

maxFM busto > maxFM gambe

GIOVANI vs GIOVANI PERT

anziano più stabile

Gamba sinistra leading

Gamba destra leading

Nessuna differenza

Risultati: stabilità orbitale angoli (soggetto anziano)

GIOVANI vs ANZIANO

gamba leading destra: anziano più stabile

GIOVANI vs ANZIANO

Risultati: stabilità orbitale momenti

gamba leading sinistra: perturbati più instabili

Gamba destra leading

Gamba sinistra leading

GIOVANI vs GIOVANI PERT

Discussione

• statistiche tradizionali: approccio semplice, significato biomeccanico immediato

• Stabilità orbitale: possibile indice instabilità validazione necessaria !!!

Sviluppi futuri

• Inclusione di soggetti anziani

• Effetto numero trial su stabilità orbitale

• Quali grandezze inserire nell’iperspazio?

• Ricostruzione dataset originari da dataset ridotti (significato biomeccanico PCA?)

Grazie della Vostra attenzione!

Acquisizione stereofotogrammetrica: dettagli

● = marker cutanei ● = reperi calibrati

1) Inserimento marker (n=29)

2) Calibrazione statica reperi anatomici da s.d.r tecnici (tec)

3) Definizione s.d.r anatomici (ana) da reperi antomici

4) Esecuzione task (registraz. marker => s.d.r tecnici => s.d.r anatomici)

5) Angoli articolari (*) tra s.d.r. anat., angoli assoluti busto

Fc_stereo_pedana = 250Hz F_cut_off = 2.5 Hz

(*) (Grood, & Suntay, 1983)