Università degli Studi Kore di Enna
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FONDAMENTI DI BIOINGEGNERIA - ING.FRANCESCO SGRO’ Università degli Studi Kore di Enna Facoltà di Ingegneria, Architettura e delle Scienze Motorie CdL Specialistica in “Scienze delle attività motorie e sportive per la tutela della salute” Fondamenti di Bioingegneria Ing. Francesco Sgrò – Assistant Professor email: [email protected]
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FONDAMENTI DI BIOINGEGNERIA - ING.FRANCESCO SGRO’!
Università degli Studi Kore di Enna Facoltà di Ingegneria, Architettura e delle Scienze Motorie CdL Specialistica in “Scienze delle attività motorie e sportive per la tutela della salute”
Fondamenti di Bioingegneria
Ing. Francesco Sgrò – Assistant Professor email: [email protected]
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Programma del corso!
Fondamenti di Bioingegneria:!– Introduzione storica alla bioingegneria e alla
biomeccanica!
– Fondamenti di biomeccanica!• Cinematica del movimento!• Cinetica del movimento lineare e angolare!
– Tecniche e tecnologie di misura del movimento!
– Biomeccanica dello sport:!• Analisi quali e quantitativa di casi reali!
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Testi di riferimento!
1. P.Grimshaw, A. Lees, N. Fowler, A. Burde, “Sport and Exercise Biomechanics”, Taylor & Francis!
2. Bartlett R., “Introduction to sport biomechanics: Analysing Humna Movement Patterns”, Taylor & Francis!
3. Slide del docente!
4. Dispensa del Docente!5. Puglisi F., “ Biomeccanica - Introduzione alle
misure strumentali di postura e movimento”,
Marrapese Editore!
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Info varie!
Per appuntamento: scrivete una mail a:! !
!
Prima o dopo la lezione presso lo Studio 7!
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Pagina del corso!
Nella pagina personale del corso troverete
informazioni e materiali utili!
– h t t p : / / w w w . u n i k o r e . i t / i n d e x . p h p ?
option=com_content&task=view&id=18886 (Facoltà->Corso di
laurea -> Docenti -> I e II Anno -> Bioingengeria: Pagina
Personale) !
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Modalità d’esame!
Elaborato di fine corso + prova orale!
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Cos’è la bioingegneria?!
Bioingegneria è definita come quel settore
dell’ingegneria che utilizza le metodologie e le
tecnologie proprie dell’ingegneria al fine di
comprendere, formalizzare e risolvere problematiche
di interesse medico-biologico, attraverso una
costante e proficua sinergia tra i professionisti
dei settori coinvolti!
La Bioingegneria è applicata in diversi ambiti, quali quello tecnologico, industriale, scientifico,
clinico e ospedaliero.!
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Obiettivi della Bioingegneria!
Gli obiettivi principali a cui mira la Bioingegneria sono essenzialmente due:!
– Il miglioramento delle conoscenze riguardo il
funzionamento dei sistemi biologici!
– La progettazione e l’implementazione di nuovi sistemi diagnostici, terapeutici e riabilitativi, nonché la
definizione di nuove metodologie!
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Gli ambiti disciplinari della Bioingegneria!
Bioingegneria
Strumentazione biomedica
Biomeccanica Modellazione
sistemi fisiologici
Analisi dei segnali, immagini
Biosensori e robotica medica
Bioinformatica
Biomeccanica
Analisi dei segnali, immagini
Biosensori e robotica medica
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La Biomeccanica!
La biomeccanica è quella scienza multidisciplinare che studia strutture e funzioni dei sistemi biologici
utilizzando le conoscenze e i metodi della meccanica!
La meccanica è l’insieme delle leggi fondamentali che descrivono il movimento meccanico dei corpi!
L’applicazione delle leggi non solo a corpi
inanimati, ma anche a sistemi biologici è alla base
della biomeccanica !
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Gli obiettivi della biomeccanica!
Il principale oggetto di studio della biomeccanica è il movimento del corpo umano in tutte le sue
espressioni!
In particolare si occupa di:!– la distribuzione delle sollecitazioni ossee!– le azioni a livello articolare !
– l’intervento muscolare durante il movimento e il
mantenimento posturale !
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Biomeccanica!
L’ambito di applicazione della biomeccanica può
essere suddiviso in:!
– Biomeccanica clinica: approcci biomeccanici agli aspetti di valutazione funzionale e riabilitazione!
– Biomeccanica dello sport: miglioramento della
prestazione e prevenzione degli infortuni!
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Un po’ di storia…!
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Gli albori della biomeccanica!
Si è soliti ipotizzare che il primo vero punto di incontro tra
meccanica e anatomia si ebbe
nell’antica Grecia, attraverso i
seguenti studiosi:!
– Socrate!
– Platone!– Aristotele!
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Ippocrate (460-33 a.C.)!
Ippocrate può essere considerato uno dei padri della medicina!
I suoi studi si concentrarono sul rapporto tra colonna
vertebrale e forza di gravità!
Sviluppo diversi sistemi di
applicazione !
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La “Scala” di Ippocrate!
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Lo “Scamnum” di Ippocrate !
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Leonardo da Vinci (1452-1519)!
Leonardo da Vinci, famoso soprattutto per la sue opere artistiche, ha fornito interessanti spunti anche da un punto di vista ingegneristico e meccanico!
Sulla meccanica scriveva: “… è scienza nobile ed utile più delle altre scienze e, come risulta, tutti i corpi viventi hanno possibilità di movimento e agiscono secondo le sue leggi”!
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Leonardo da Vinci (1452-1519)!
da Vinci fornisce i primi studi s u l c o e f f i c i e n t e
d’attrito,sull’accelerazione dei
corpi in caduta libera!
In campo biomeccanico si fa
apprezzare per i suoi studi sulle
linee di forza che regolano il
nostro movimento!
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Andreas Vesalius (1514-1564)!
Vesalius dedicò la sua vita all’anatomia, riuscendo a
dimostrare, con fondata
valenza scientifica, gli
errori di Galeno nel suo
trattato!
Autore di On the structure of the Human Body, che può essere
considerato il primo manuale
di anatomia umana !
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Andreas Vesalius (1514-1564)!
On the Structure of the Human Body!
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Il XVII secolo…!
Una fase fondamentale per lo sviluppo della
biomeccanica si ebbe proprio nel XVII secolo, periodo
in cui illustri studiosi, come:!
– Galileo Galilei!
– Giovanni Keplero!– Renè Cartesio !– Isacco Newton"
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Giovanni Borelli (1608-1680)!
Borelli, fisiologo e fisico,
discepolo di Galilei, è l’autore
del secondo volume dal titolo De
Motu Animalu!
Egli affronta:!– Dimostrò le necessarie premesse
per affrontare attività motorie,
semplici o complesse!
– Rapporto tra movimento e sistema muscolo-scheletrico!
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Giovanni Borelli (1608-1680)!
Borelli, definì inoltre :!– il rapporto tra forza muscolare,
azione e fermo!
– un sistema di forza che manteneva un corpo in equilibrio!
– Il centro di gravità!– Il rapporto tra sistema
muscolare, inspirazione ed
espirazione!
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Borelli introduce quindi le prime problematiche di controllo motorio, cioè la capacità del sistema
nervoso di regolare e dirigere il movimento!
In virtù dei suoi studi Borelli è definito il padre della biomeccanica!
Giovanni Borelli (1608-1680)!
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Il XIX Secolo……!
Dopo la morte di Borelli gli studi sulla biomeccanica subiscono una brusca frenata che dura quasi 200 anni!
La ripresa di interesse verso la biomeccanica avviene agli inizi del XIX secolo, grazie all’avvento delle
nuove tecnologie!
Iniziano a svolgersi le prime osservazioni
sperimentali quantitative!
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Etiene Marey (1830-1904)!
Marey, sfruttando i suggerimenti di un astronomo francese,
utilizzo per primo la
cinematografia per l’analisi del
movimento!
Può essere considerato il
pioniere dei moderni sistemi di
analisi del movimento!
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Sviluppò diversi strumenti per la rilevazione cinematica e
dinamica del movimento:!
– Fucile fotografico!
– Calzatura esplorativa!– Pedana dinamometrica idraulica!
Notevole fu anche il suo
interesse per sport come la
corsa, i salti e la scherma!
Etiene Marey (1830-1904)!
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Braune & Fischer!
Braune e Fischer realizzano i
primi sistemi di analisi del
movimento basati sulla
combinazione di:!
– Analisi matematica!
– Dati sperimentali!
I dati sperimentali furono
ottenuti attraverso un sistema
primordiale di “motion capture”!
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Il XX secolo!
Grazie ai progressi ottenuti in Francia e Germania è possibile descrivere il cammino in termini di moto
del baricentro dei segmenti e del momento d’inerzia!
Spinta dalla rivoluzione industriale nasce
l’industria della bioingegneria, con i primi
prototipi di protesi!
Si afferma definitivamente il metodo Galileano !
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Sport e biomeccanica!
Il connubio biomeccanica e sport si manifesta in maniera concreta a partire dagli anni 50.!
Tra i capostipiti si annoverano:!– Zatjiorki - Istituto Centrale di Educazione Fisica di
Mosca!
– Hochmut - Istituto di Biomeccanica di Lipsia!
– Nelson - Penn State University!
I loro studi furono i pionieri della biomeccanica associata alla programmazione dell’allenamento!
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Sport e biomeccanica in Italia!
In Italia gli uomini e le tappe fondamentali della diffusione della biomeccanica nello sport sono:!
– Margaria - studi di meccanica applicata alla corsa!– 1965 - Nasce l’Istituto di Medicina dello Sport del CONI!
– 1976 - Centro di Bioingegneria presso il centro Don Gnocchi!
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Fondamenti di Biomeccanica!
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Introduzione!
Lo studio della biomeccanica deve essere preceduto dalla condivisione di:!
– Terminologia comune;!– Rappresentazione del corpo in un piano di riferimento;!
– Classificazione delle grandezze fisiche interessate;!– Definizione di un unico sistema di misura;!
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Sistemi di riferimento - 2D !
I l s i s t e m a d i
riferimento a lato è a
due dimensioni!
E’ individuato da due
assi: X e Y!
L’asse X è spesso
chiamato ascissa, mentre
quello Y è chiamato
ordinata!
Un punto è identificato da una coppia di valori,
chiamata coordinate !
X
y
X1
y1
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Sistema di riferimento - 2D!
In un sistema di riferimento a 2 dimensioni si possono rappresentare le seguenti grandezze:!
– Rapporto Spazio-Tempo!– Rapporto Velocità-Spazio!
– Rapporto Accelerazione - Tempo!
Moto Rettilineo Uniforme
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Tempo (min)
Sp
azio
(km
)
v = 30Km/h
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Sistema di riferimento - 3D!
X Y
Z Il sistema di riferimento a lato è a tre dimensioni!
E’ individuato da tre
assi: X,Y,Z (Profondità)!
Il sistema a 3D è
utilizzato per le
rappresentazioni nello
spazio!
Un punto nello spazio è identificato da una terna
di valori, chiamata
coordinate spaziali !
X1 y1
z1
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Rappresentazione corpo nello spazio!
Piano Frontale Piano Trasverso
Piano Sagittale
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Rappresentazione del corpo nello spazio!
Posizione fondamentale (spesso definita “sull’attenti!”) ed anatomica!
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Piano Sagittale !
Il piano sagittale, detto anche
piano anteroposteriore, divide il
corpo umano in parte destra e
sinistra!
E’ tagliato dall’asse di rotazione frontale o trasversale!
Analizzandoli su un piano 2D i
gesti motori e sportivi che si
manifestano su questo piano e
rispetto all’asse frontale sono:!
– la corsa e il salto in lungo!
– La flesso-estensione degli arti!
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Piano frontale!
Il piano frontale, detto anche
piano mediolaterale, divide il
corpo umano in parte anteriore e
posteriore!
E’ tagliato dall’asse di rotazione sagitale!
Analizzandoli su un piano 2D gesti motori e sportivi che si
manifestano su questo piano sono e
rispetto all’asse frontale sono:!
– La ruota!
– Il movimento di abduzione e
adduzione!
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Piano trasversale!
Il piano trasversale divide il
corpo umano in parte superiore e
inferiore!
E’ tagliato dall’asse di rotazione longitudinale!
Analizzandoli su un piano 2D gesti motori e sportivi che si
manifestano su questo piano sono e
rispetto all’asse frontale sono:!
– La pirouette!– La rotazione mediale e laterale!
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Articolazioni e gradi di libertà!
I gradi di libertà specificano il numero minimo di elementi attraverso il quale è possibile individuare
un corpo in un piano o in uno spazio!
I gradi di libertà sono collegati ai vincoli, cioè elementi ostativi il movimento rispetto ad uno o più
dei possibili gradi di libertà!
Con il termine catena cinetica si descrive l’insieme di due o più segmenti vincolati tra loro!
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Diagramma del corpo libero!
Lo studio dei gradi di libertà di un corpo rigido si realizza rappresentato lo stesso nel diagramma del
corpo libero (Free Body Diagram)!
Attraverso la rappresentazione del diagramma del corpo libero è possibile studiare anche tutte le forze che
determinano, o meno, l’equilibrio di un corpo.!
E’ necessario applicare modelli di rappresentazione dei segmenti e delle articolazioni!
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Articolazioni e gradi di libertà!
Su un piano ogni
corpo avrà:!
– 2 gradi di libertà traslazionali!
– 1 grado di libertà rotazionale!
Nello spazio, un
corpo avrà, al
massimo:!
– 3 gradi di libertà traslazionali!
– 3 gradi di libertà rotazionali!
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Tronco: direzioni e distanze!
Prossimale Prossimale
Laterale
Laterale
Distale
Distale
Mediale
Mediale
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Estensione e Flessione!
Estensione Flessione
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Supinazione e Pronazione!
Supinazione
Pronazione
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Estensione e Flessione!
Estensione Flessione
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Movimenti laterali e rotatorio!
Laterale Rotazione
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Adduzione e abduzione!
Adduzione Abduzione
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I gradi di libertà dell’anca!
L’anca è l’articolazione prossimale dell’arto
inferiore ed è caratterizzata da tre gradi di
libertà:!
– flesso-estensione: effettuato rispetto all’asse
trasverso che taglia il piano sagittale ed è posto sul
piano frontale passante per il centro
dell’articolazione;!
– adduzione-abduzione: effettuato rispetto all’asse
sagitale che taglia il piano frontale ed è posto sul
piano sagittale che passa per il centro
dell’articolazione;!
– Rotazione interna-esterna: effettuata rispetto all’asse verticale, con il soggetto posto in posizione di
riferimento!
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Anca: flesso-estensione!
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Anca: adduzione/abduzione!
A causa del
contatto degli
arti inferiori non
e s i s t e u n
m o v i m e n t o d i
adduzione "puro"; !
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Anca:rotazione interna/esterna!
I movimenti di
rotazione sono,
c h i a r a m e n t e ,
minimi!
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Meccanica del corpo rigido!
Nello sviluppo dei modelli è necessario tenere conto di quale tipo di “corpo” si vuole modellare e
studiare:!
– Modello del corpo rigido!
– Modello del corpo deformabile!
Lo studio del movimento è spesso basato sul modello del corpo rigido!
Vantaggi e svantaggi!
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Settori della meccanica!
MECCANICA DEL CORPO RIGIDO
CINEMATICA CINETICA
STATICA DINAMICA
La meccanica è descritta attraverso il linguaggio matematica e la fisica
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Sistemi di misura!
L’operazione di misura si compie confrontando la grandezza che si vuole misurare con un’unità di riferimento.!
Allo scopo di rendere più agevoli i Rapporti commerciali tra i vari Paesi verso la fine del 1700 fu studiato un sistema razionale di unità di misura (M.K.S) che successivamente venne adottato da quasi tutto il mondo, basato su:!– il Metro definito originariamente come la quarantamilionesima parte del meridiano terrestre. (lunghezza)!
– Il Kilogrammo è l'unica tra le unità di misura del SI che è definita in relazione ad un manufatto e non a una proprietà fisica (massa)!
– Il secondo definito inizialmente come la ottantaseimilaquattrocentesima parte del giorno solare medio. (tempo)!
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Il sistema metrico decimale!
L’insieme delle unità di misura fondate sul metro viene denominato sistema metrico decimale!
Le sue caratteristiche decimale sono:!– è un sistema di unità di misura nel quale tutte le
unità sono collegate con il metro; !
– è un sistema di unità di misura nel quale tutti i multipli e i sottomultipli dell’unità di base sono
più grandi o più piccoli di questa secondo i multipli
o sottomultipli del numero 10.!
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Il sistema metrico decimale!
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Tipologie di grandezze!
Le grandezze in matematica e fisica possono essere classificate in:!
– Scalari!– Vettoriali!
Le grandezze scalari sono completamente descritte attraverso un valore numerico che ne quantifica il
valore!
Ogni grandezza scalare deve essere associata ad una specifica unità di misura!
Esempi di grandezze scalari: altezza, massa,
larghezza!
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Grandezze vettoriali!
Le grandezze vettoriali o vettori sono più complicati delle grandezze scalari, in quanto descritte da:!
– Intensità!– Direzione!– Verso!– Punto di applicazione!
Le grandezze vettoriali sono solitamente individuate dalle lettere in grassetto o da una lettera con la freccia sopra!
Esempi di grandezze vettoriali sono la forza, l’accelerazione, lo spostamento!
€
f
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Massa vs Peso!
La massa è una grandezza scalare che indica la quantità di materia di un oggetto!
Il peso invece è una grandezza vettoriale, che ci indica con quale forza noi siamo attratti verso terra
( forza gravitazionale)!
Dove è possibile notare la differenza in maniera evidente? !
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Grandezze e segni!
La differenza tra una grandezza scalare e una
vettoriale è anche rappresentata dai segni!
Nelle grandezze scalari il segno + o - indicano l’appartenenza al dominio dei numeri positivi o
negativi!
Nelle grandezze vettoriali indicano il verso!
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Grandezze e segni!
-
+
5 4 3 2 1
-1 -2 -3 -4 -5
Spostamento di 10 m
Spostamento di -10 m
Grandezze scalari
Grandezze vettoriali
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Esercizi!
Descrivere, come fatto per l’anca, i possibili gradi di libertà dell’articolazione del gionocchio.!
Dato la seguente rappresentazione nello spazio,
individuare il numero di gradi di libertà della
catena raffigurata!
