1

Facoltà di Scienze Motorie e del Benessere SCIENZE DELLE ATTIVITA’ MOTORIE E SPORTIVE

A.A. 2010/11

DISPENSA SULL’ANALISI DEL MOVIMENTO CORSO DI NEUROLOGIA

Prof. Giuseppe Sorrentino

2

La Biomeccanica: cenni storici

La biomeccanica può essere definita come la scienza multidisciplinare che studia le strutture e funzioni dei sistemi biologici utilizzando le conoscenze e i metodi della meccanica. Il movimento dell’uomo nelle sue molteplici espressioni è uno dei campi di studio di questa relativamente giovane scienza. Non si deve dimenticare però che, sin dall’antichità, pensatori eccellenti si sono interessati agli stessi fenomeni. Si può ipotizzare che il connubio tra meccanica ed anatomia sia già presenta nella Grecia Classica, periodo in cui l’interpretazione del movimento umano era legato alla filosofia. Un esempio eccellente lo fornisce Aristotele (384-322 a.C.) che se ne occupa in termini filosofici, nei libri 3-7 della "Phisica" e nel "De incesso animalium". Anche Leonardo da Vinci (1452-1519) si interessò ai movimenti dell’uomo giungendo a resoconti tanto particolareggiati quanto affascinanti grazie alla padronanza degli strumenti semantici e grafici che gli era propria. Analizzò i movimenti umani attraverso le leggi della meccanica di cui scrisse: "… è scienza nobile ed è utile più delle altre scienze e, come risulta, tutti i corpi viventi hanno possibilità di movimento e agiscono secondo le sue leggi". Nel 1600 abbiamo un personaggio cruciale nella storia dello studio del movimento umano: si tratta di Giovanni Alfonso Borelli. Egli produce quello che è ritenuto il primo testo di Biomeccanica, il “De motu animalium” grazie al quale giunse alla descrizione del moto dell’essere umano: “L’uomo non avanzerebbe se sollevasse solo alternativamente i piedi da terra e li rimettesse poi nelle stesse posizioni dalle quali li aveva alzati, ma occorre che cambi posto sul piano dell’ orizzonte, muovendo in avanti tutta la mole del corpo umano. Bisogna dunque ricercare con quali organi e con quali azioni avvenga ciò. A un primo sguardo il camminare umano si può paragonare al movimento di un compasso BAC eretto sul piani orizzontale, il quale, stando alzato, forma un triangolo isoscele ABC , e la linea di inclinazione cade proprio all’ interno dei due piedi B e C.

Dal “De Motu Animalium” (Borrelli)

Sollevato poi da terra il piede C fino a che la linea di inclinazione AD coincida con quella di sostegno AB e diventi perpendicolare all’orizzonte, allora ruotando intorno all’ asse AB, o il lato AC descriva una superficie conica ACE; poi fissato in E il lato AC, il compasso è di nuovo eretto in modo che il lato AE sia perpendicolare al piano dell’ orizzonte e l’altro lato AB, ruotando descriva un arco; così di seguito alternando erezioni e rotazioni, il compasso si può muovere in avanti. Tuttavia un simile modo di

incedere sarebbe brutto a vedersi oltre che scomodo, così la natura fa camminare la macchina del corpo umano con un movimento più facile ed elegante ….”.

Solo nel XIX e XX secolo la biomeccanica ha assunto contorni ben definiti, sviluppando le prime analisi basate su osservazioni sperimentali quantitative; una figura importante in questo panorama è rappresentata da Etienne-Jules Marey (1830-1904), che diede un contributo fondamentale allo sviluppo di strumentazioni per il rilievo di grandezze cinematiche e dinamiche. Allievo della scuola parigina di Claude Bernard, Marey è colui che per primo ha sistematicamente utilizzato il “metodo grafico”, così come lui stesso lo definisce, nello studio dei fenomeni biologici, convinto dell’essenzialità e concisione della rappresentazione grafica nonché della capacità di questa di esporre l’evoluzione di un fenomeno con una chiarezza interpretativa che il linguaggio semantico non possiede. Fra le prime applicazioni di questo metodo vi è, appunto, l’analisi della locomozione animale.

3

Marey è anche il primo a parlare di piattaforma dinamometrica. Si trattava di una piattaforma appoggiata su elementi elastici collegata, tramite un sistema pneumatico, ad una leva scrivente su un chimografo. Insieme allo studioso Carlet, Marey misurò anche le oscillazioni verticali e orizzontali della pelvi durante le deambulazione e, attraverso l’utilizzo di un particolare apparato, seppe correlare la lunghezza del passo con la velocità di progressione. Lo stesso Marey si rese, però, conto che per descrivere “…. tutti i cambiamenti della posizione e orientamento delle membra del corpo, l’iscrizione meccanica risultava insufficiente ……”. Notevole fu anche il suo interesse per lo sport, documentato da lastre fotografiche in cui è stata immortalata l’evoluzione della corsa, dei salti e della scherma. Crono fotografia di un movimento di scherma eseguito con bastone di E.J. Marey

Il decisivo passaggio dalla statica alla dinamica fu consentito soltanto grazie all’utilizzo dello strumento fotografico. Il primo a pubblicare sequenze fotografiche di figure di animali prima ed umane poi fu il californiano Muybridge. Il suo lavoro ebbe inizio proprio su ispirazione dei lavori di Marey relativi all’andatura dei cavalli e nel tentativo di superare i già citati limiti di cui soffriva il metodo sperimentale da quest’ultimo. Per i suoi primi esperimenti utilizzò dodici camere fotografiche disposte lungo la direzione

principale del movimento; i relativi otturatori venivano aperti da fili tesi attraverso il percorso con i quali il soggetto interagiva durante il movimento. Successivamente le camere furono trenta e gli otturatori attivati elettricamente da un orologio. Le sequenze così ottenute già permettevano qualche tipo di osservazione dettagliata, ma certamente non delle misure in senso stretto.

Da Muybridge

Il lavoro di Muybridge si rivelò comunque di fondamentale importanza storica in due distinte aree culturali: quella artistica e quella scientifica. Esso influì in maniera determinante sul modo fino ad allora adottato per

rappresentare animali e figure umane in movimento, e fu anche per il suo tramite che la fotografia suscitò importanti suggestioni nell’ambito della rivoluzione delle arti figurative che caratterizzò la fine del secolo scorso. Per quanto concerne il contributo scientifico, è importante ricordare che Marey, dopo aver viste pubblicate su “La Nature” del dicembre 1878 le sequenze del fotografo americano, scrisse “…. la nuova tecnica può apportare un decisivo contributo alla soluzione di molti problemi della fisiologia che sarebbero difficilmente risolubili con altre metodologie ….”. Da quel momento Marey raccolse il testimone da Muybridge e, dall’ alto della sua statura scientifica, arricchisce il suo metodo grafico con quello fotografico. Inventa la cronofotografia, cioè la sovrapposizione sulla stessa lastra fotografica di immagini precisamente spaziate nel tempo. Al fine di aumentare il numero di immagini senza che via sia grave sovrapposizione, introduce, più tardi, la cronofotografia geometrica.

4

Questa tecnica comportava che il soggetto vestisse una tuta nera con sovraimpresse linee e punti brillanti che da soli comparivano sulla lastra fotografica.

Da Weiss. Le metodologie sperimentali messe a punto da Marey costituirono, non c’è dubbio, un fondamentale superamento dei limiti sensoriali del ricercatore consentendogli di vedere fatti fino ad allora inesplorati, ma la conoscenza del fenomeno-movimento umano rimase ancora in gran parte qualitativa. Le pubblicazioni dello scienziato parigino sono piene di efficaci parole, ma pochissimi sono i numeri. Con Marey siamo dunque ancora in una fase neonatale della Biomeccanica. Il riconoscimento della paternità del moderno approccio matematico allo studio del movimento umano va, senza alcun dubbio, ai tedeschi Wilhelm Braune e Otto Fischer. L'accurata analisi matematica condotta da Braune, integrata dai dati sperimentali di Fischer ottenuti "vestendo" un soggetto con sottili tubi illuminati da una bobina di Rhumkorff, permise il calcolo delle coordinate tridimensionali dei segmenti corporei durante il cammino. Dati antropometrici, ricavati da cadaveri congelati, furono utilizzati per la determinazione delle coordinate del baricentro dei segmenti e dei relativi momenti di inerzia. A questo punto gli studiosi furono in grado di descrivere il cammino in termini di moto del baricentro, di forze effettive inerziali che si sommano al peso corporeo e, conseguentemente, di calcolare la reazione al terreno. Anche se non si tratta di uno scienziato, bensì di un fotografo, non è possibile trascurare il contributo di Muybridge (1830-1904). Questo inglese emigrato negli Stati Uniti, è famoso per le sue tavole fotografiche, il cui fascino ancora oggi rimane inalterato. Le sue tavole fotografiche documentano "la cinematica" di molti dei gesti della vita quotidiana, tra cui la corsa e i salti.

Tavola fotografica della corsa di Crono-ciclogramma, Eadweard J. Muybridge

Hill (1886-1977) ed il suo allievo Fenn, grandi fisiologi di inizio secolo, oltre che affrontare le problematiche legate alla produzione di tensione da parte del muscolo scheletrico, aprirono la strada per la stima del consumo energetico attraverso l'analisi cinematica del movimento dei diversi segmenti corporei. A cavallo del 1940, Helftman contribuì alla crescita della biomeccanica arrivando a determinare, attraverso analisi cinematiche, che i muscoli agiscono sul sistema scheletrico regolando gli scambi energetici attraverso

5

la trasmissione, l'assorbimento, la produzione e la dissipazione di energia. Egli comprese e descrisse l'importante funzione di ottimizzazione svolta dai muscoli biarticolari. Va anche sottolineato che Helftman fu in grado di dare una rappresentazione vettoriale della reazione al terreno, di calcolare i momenti meccanici articolari e la velocità di allungamento di alcuni muscoli dell'arto inferiore. A questo studioso si devono importanti pubblicazioni sul cammino e sulla corsa. Nello stesso periodo le ricerche emergenti dalla scuola russa di Secenov(1829-1905) e Pavlov (1849-1936)trovarono in Nikolaj Bernstejn (1896-1966) un proselite in grado di esprimere lavori fondamentali in ambito biomeccanico, fisiologico, psicologico e biocibernetico. Egli iniziò la propria attività presso l'Istituto Centrale del Lavoro di Mosca nel 1921. Tra i molteplici campi di indagine affrontati meritano di essere citati: il cammino, alcune attività sportive(corsa, salto, nuoto, ginnastica, …),lo svolgimento di compiti lavorativi(trasporto di carichi nelle donne, …),la protezione nel lavoro, le protesi per amputati. Uno studio commissionato nel 1947 dal National Council of U.S. on Artificial Limbs, Veterans Administration & Surgeon General of U.S. Army al College of Engineering dell'Università di Berkeley fu origine della nascita della "Scuola Californiana". Sotto la direzione di Eberhart, Inmann produsse fondamentali risultati sulle rotazioni dei segmenti corporei durante la locomozione, sull'attività e sui pattern motori dei muscoli dell'arto inferiore e sui carichi gravanti sulle strutture di sostegno di protesi per amputati. Di fatto questo fu il primo passo che ha portato allo sviluppo delle protesi altamente tecnologicizzate che, ai nostri giorni, permettono agli amputati di ottenere performance di livello comparabile a quello degli atleti normodotati. La biomeccanica applicata alle problematiche dello sport si manifesta in modo specifico e strutturato alla fine degli anni ‘50. Tra i suoi capostipiti più importanti si annoverano: Vladimir Zatjiorki che iniziò la sua attività all’Istituto Centrale di Educazione Fisica di Mosca, Gerhald Hochmut e il suo allievo Gert Marhold che operarono presso l’Istituto di Biomeccanica di Lipsia nella ex DDR.

Crono-ciclogramma, secondo Hochmuth (1960) Un’interessante raccolta degli strumenti di misura realizzati da Hochmut e Marhold è esposta allo Sportmuseum di Lipsia. Nel 1967 Richard Nelson fondava alla Penn State University (USA) un laboratorio di biomeccanica, i cui obiettivi erano fortemente orientati verso la prevenzione degli infortuni nello sport. Questi studiosi svolsero anche un’intensa attività di applicazione delle conoscenze biomeccaniche alla programmazione dell’allenamento e al miglioramento della tecnica, nell’ambito delle relative compagini olimpiche. In Italia, nel 1976, nacque a Milano il Centro di Bioingegneria (Politecnicio di Milano-Fondazione Don Gnocchi) in cui il gruppo di lavoro di Antonio Pedotti iniziò ad affrontare le problematiche della biomeccanica dello sport. La caratterizzazione innovativa di questa realtà consistette nell’approccio bioingegneristico e multifattoriale allo studio delle variabili cinematiche, cinetiche ed elettromiografiche caratterizzanti molteplici sport.

6

Ai nostri giorni, le risorse strumentali, metodologiche e culturali per la biomeccanica dello sport si sono moltiplicate in modo esponenziale. Ne sono testimonianza parecchie riviste scientifiche specializzate e società scientifiche come l'ISB (International Society of Biomechanics) e l'ISBS (International Society of Biomechanics in Sports) che aggregano, con i loro congressi, forum e giornali i ricercatori di tutto il mondo. L’Analisi del movimento L’analisi della postura e del movimento umano rappresenta oramai un settore biomedico in forte espansione e di grande interesse dal punto di vista clinico, in quanto la postura ed il movimento sono il risultato dell’interazione di tre principali sistemi fisiologici: il sistema nervoso, il sistema muscolo-scheletrico ed il sistema sensoriale. Tale studio, nello specifico può essere utile nella diagnosi delle patologie a carico di uno dei sistemi coinvolti, può fornire informazioni per conoscere il livello di limitazione funzionale conseguente alla patologia e può consentire la pianificazione di specifici trattamenti e fornisce importanti elementi di valutazione dell’efficacia di interventi riabilitativi[10]. L’analisi del movimento umano ha lo scopo di raccogliere informazioni quantitative relative alla meccanica del sistema muscolo-scheletrico durante l’esecuzione di un atto motorio. In particolare, l’informazione che si ricerca riguarda il movimento assoluto del centro di massa dell’intero corpo o di una sua porzione, il movimento assoluto di segmenti ossei o segmenti corporei, il movimento relativo tra ossa adiacenti(cinematica articolare), le forze e le coppie scambiate con l’ambiente, i carichi risultanti trasmessi attraverso sezioni dei segmenti corporei o portate attraverso articolazioni(carichi intersegmentali), le forze e le coppie trasmesse da strutture interne(muscoli, tendini, legamenti, ossa), le variazioni di energia di segmenti corporei, e il lavoro e la potenza muscolari. Le grandezze che forniscono queste informazioni possono essere misurate oppure stimate mediante modelli matematici morfo - funzionali dei tessuti, degli organi, degli apparati o dei sistemi coinvolti nell’analisi. Così facendo possono essere ottenute informazioni quantitative delle funzioni a carico dell’apparato locomotore in condizioni definite normali, nonché delle loro variazioni( potenziamento o riduzione della funzione). Il cammino, nello specifico, è caratterizzato da un pattern di attività motoria ciclica degli arti inferiori e del tronco che consente di trasferire il peso corporeo sull’arto di supporto e di avanzare l’arto controlaterale in avanti. Durante la camminata, che ha come ovvio scopo quello di permettere lo spostamento del soggetto, le principali funzioni svolte dall’apparato locomotore sono:

1. Generazione di forza impulsiva; 2. Mantenimento della stabilità a livello superiore nonostante il continuo cambiamento della situazione posturale; 3. Assorbimento dello shock dovuto all’impatto con il terreno ad ogni passo 4. Conservazione dell’energia durante le funzioni precedenti al fine di minimizzare lo sforzo da parte dei muscoli;

Poiché ogni sequenza motoria è caratterizzata dall’interazione tra i due arti inferiori e l’intera massa corporea, l’identificazione dei numerosi fenomeni che avvengono, durante tali sequenze, necessita l’osservazione e l’analisi del cammino da numerosi punti di vista differenti. A tal scopo risulta fondamentale suddividere in una serie di fasi fondamentali il ciclo del passo; questo rappresenta l’unità funzionale di riferimento nella analisi del cammino.

7

Suddivisione del ciclo del passo

Esso è definito dall’intervallo di tempo tra due contatti iniziali successivi dello stesso piede (stride) e rappresenta il riferimento temporale in cui vengono descritti tutti gli altri eventi biomeccanici e di attività muscolare. E’ nell’ambito del ciclo del passo che si definiscono i principali parametri spazio temporali di riferimento: la lunghezza dello stride data dalla lunghezza del piede più la distanza coperta in fase di oscillazione; la distanza, invece, tra l’appoggio di un piede (generalmente il tallone) e l’appoggio della stessa parte del piede controlaterale viene definita semipasso o step. La larghezza del passo è la distanza sul piano frontale del tallone dalla linea mediana di avanzamento, la Cadenza è il numero di step nell’unità di tempo, ed infine la Velocità. Ogni ciclo del cammino è suddiviso in due fasi principali: la fase di appoggio o Stance(St) e la fase di oscillazione o Swing (Sw). La prima rappresenta l’intervallo di tempo durante in quale il piede rimane a contatto con il terreno (normalmente rappresenta il 60% del ciclo ed inizia con il contatto iniziale). La seconda rappresenta l’intervallo di tempo durante il quale l’arto è sospeso e si produce la progressione in avanti dell’arto (in una camminata normale circa il 40% del ciclo). Una caratteristica fondamentale del cammino è rappresentata dai periodi in cui entrambi i piedi toccano il suolo (fasi di doppio appoggio), se questo periodo manca si configura il modello di locomozione della corsa. J. Perry ha distinto otto fasi durante il ciclo del cammino:

FASE 1: Initial Contact Intervallo:0-2% del ciclo del passo  Comprende il momento in cui il piede, normalmente il tallone, tocca il pavimento FASE 2: Loading Response Intervallo : 0-10% del ciclo del passo. Periodo di decelerazione durante il quale deve essere assorbito lo shock per il contatto con il suolo, corrisponde alla fase di primo doppio appoggio

8

FASE 3: Mid Stance Intervallo: 10-30% del ciclo del passo. Inizia quando il piede contro laterale viene sollevato e termina quando il peso è sopportato dalle teste metatarsali e dalle dita del piede di interesse. In questa fase l’arto supporta tutto il peso del corpo FASE 4: Terminal Stance Intervallo: 30-50% del ciclo del passo Questa fase conclude il singolo supporto e termina quando l’arto controlaterale tocca il suolo

FASE 5: Pre Swing Intervallo: 50-60% del ciclo del passo E’ l’ultimo periodo della fase di stance,corrisponde al secondo doppio supporto. Incomincia con il contatto iniziale del piede opposto e termina con il distacco delle dita dell’arto in appoggio (toe-off). FASE 6: Initial Swing Intervallo:60-73% del ciclo del passo E’ il primo periodo della fase di swing: il piede è sollevato dal terreno, l’arto si muove in avanti. Il periodo termina quando l’arto oscillante è parallelo al piede in appoggio.

FASE 7: Mid Swing Intervallo: 73-87% del ciclo del passo Comprende l’avanzamento dell’arto fino al punto in cui è davanti all’altro.

FASE 8: Terminal Swing Intervallo: 87-100% del ciclo del passo L’arto decelera per un corretto pre - posizionamento che lo prepari alla successiva fase di appoggio.

Termina quando il tallone in esame tocca il suolo.

9

Il Gait Cycle in Visual3D Visual3D permette di calcolare un set di informazioni temporali e spaziali basandosi sui quattro eventi di Gait Right Heel Strike e Left Heel Strike, vale a dire i momenti in cui il tallone tocca il suolo Right Toe Off e Left Toe Off, vale a dire i momenti in cui il tallone si solleva dal suolo. Se l’evento non esiste, le metriche ritorneranno il valore zero. La finestra per il calcolo delle distanze temporali usa frammenti di cicli di Gait per calcolare la media di ogni parte. Se il range manca, quella parte non viene calcolata. � RHS-RTO calcola il right stance time

� RTO-RHS calcola il right swing time

� LHS-LTO calcola il left stance time

� LTO-LHS calcola il left swing time

� LHS-RHS calcola il right step length/time

� RHS-LHS calcola il left step length/time

� RHS-LTO, LHS-RTO calcola il double limb support time.

� RHS-RHS, LHS-LHS usati per calcolare stride length and width.

� Step length e width richiedono che venga definita una direzione di cammino, cioè è necessario che almeno uno stride sia completo. Maggiore è il numero di occorrenze, migliore è l‟accuratezza dei calcoli.

� Cycle time è calcolato sia di tipo actual che di tipo computed. Actual è usato per definire il valore istantaneo del stride length/stride time. Computed calcola ma media di tutte le parti del ciclo di Gait viste e le somma.

� Speed è calcolata usando actual stride length/actual stride time. Step Length Distanza intercorrente tra l’appoggio del tallone (heel strike) del piede ipsilaterale e

l’appoggio del tallone del piede.This is calculated as the distance in the walking path direction. Step width definisce invece la distanza perpendicolare tra i due puntiis the perpendicular distance across, while the length is the forward distance, which forms a right angle to the width.

Stride Length Distance between proximal end position of the foot at ipsilateral heel strike to the proximal end position of the foot at the next ipsilateral heel strike.

Stride Width Medio-lateral Distance between proximal end position of the foot at ipsilateral heel strike to the proximal end position of the foot at the next contralateral heel strike. Calculated by taking a stride vector, and the step in between, and computing the cross product (distance between the stride vector and the opposing step (heel) position

Step Time Time between the event labels representing contralateral heel strike to ipsilateral heel strike. For example, Right Step Time is the time from Left Heel Strike to Right Heel Strike.

Stance/Swing Time Time between the event labels representing ipsilateral heel strike to ipsilateral heel strike.

Stance Time Time between the event labels representing ipsilateral heel strike to ipsilateral toe off.

Swing Time Time between the event labels representing ipsilateral toe off to ipsilateral heel strike.

Statures/Second Average speed divided by the subject height. Cycle Time Actual is the average time for full captured cycles. Computed is the sum of the

averages of the smallest cycle parts. Flight Time Average time from LTO to RHS (ensures no LHS or RTO events occur between

LTO and RHS). and RTO to LHS (ensures no RHS or LTO events occur between RTO and LHS).

10

L’analisi cinematica del movimento I contributi della letteratura scientifica internazionale dell’ultimo ventennio testimoniano i progressi che l’analisi cinematica del movimento ha compiuto dal punto di vista dell’ applicabilità ed utilità in tutte le discipline della medicina e non (scienze motorie, ergonomia) che investigano le patologie del movimento. Tali progressi inducono una sempre maggiore consapevolezza circa l’ importanza dell’ utilizzo dell’ analisi cinematica del movimento per comprendere la genesi e la progressione di molte patologie del sistema nervoso centrale (SNC) e dell’apparato muscolo-scheletrico (AMS). Infatti viene oggi riconosciuto che l’analisi cinematica del movimento fornisce un contributo fondamentale ai fini valutativi, preventivi, e terapeutici grazie alla possibilità di evidenziare strategie motorie associate con l’insorgenza di patologie del SNC e dell’AMS, di esplorare le abilità motorie residue e di monitorare con indicatori oggettivi i risultati degli interventi attuati, permettendo una valutazione dei rapporti costi-benefici ed orientando la scelta delle diverse opzioni attraverso criteri di efficacia ed efficienza. L’analisi cinematica prevede principalmente lo studio delle posizioni angolari istantanee nei piani sagittale (Flesso-Estensioni), frontale (Abdo-Adduzioni) e traverso (Intra-Extra Rotazioni). Anche le velocità e le accelerazioni lineari ed angolari rappresentano informazioni utili agli studiosi del movimento. Ulteriori informazioni utili sono:

Parametri spazio-temporali:

• durate percentuali (rispetto alla durata del movimento) delle fasi che lo compongono (ad esempio appoggio ed oscillazione nel cammino, fasi di accelerazione e decelerazione in un movimento di raggiungimento di un oggetto); • frequenza (numero di cicli/minuto); • ampiezza di un movimento (ad esempio la distanza percorsa da un piede in un intero ciclo del passo); • velocità di un soggetto o di un effettore del movimento;

Parametri cinematici:

• accoppiamenti tra movimenti articolari, “che forniscono indicazioni sulla coordinazione e quindi sul controllo motorio”. L’osservazione e l’analisi del movimento umano (human movement analysis, HMA), in particolare, prevede la raccolta di informazioni quantitative sul movimento relativo fra le ossa adiacenti, i carichi intersegmentali e le forze trasmesse dai diversi tessuti del corpo quali i muscoli, i tendini, i legamenti, finalizzate alla ricostruzione nello spazio 3D e in ogni istante di tempo dei segmenti ossei corporei. In tal senso l’analisi cinematica permette la schematizzazione del corpo umano in un modello meccanico, ovvero in un modello costituito da una struttura di corpi rigidi, che modellano l’apparato scheletrico, attuata da giunti che li connettono, permettendone i moti relativi e le cui coppie generate riproducono le coppie e le forze risultanti che i muscoli esercitano sui segmenti ossei nei quali sono inseriti. Per corpo rigido si intende una struttura di cui non si ammette deformazione alcuna, mai, in nessuna circostanza. Poiché le deformazioni cui sono soggetti i segmenti corporei durante il movimento non sono rilevanti ai fini dello studio del medesimo, il corpo umano può quindi essere convenientemente rappresentato da un’ insieme di corpi rigidi, ciascuno dei quali sostituisce quelle parti del corpo stesso le cui geometrie non variano apprezzabilmente. Ma perché si è giunti alla convezione di corpo rigido per la rappresentazione del corpo umano? La risposta a questa domanda sta in un’ importante proprietà di cui godono i corpi rigidi: questi possono essere rappresentati semplicemente con 6 numeri che possono essere sei coordinate cartesiane indipendenti di tre punti non allineati sul corpo, oppure tre angoli o tre lunghezze che descrivono, rispettivamente, tre spostamenti

11

angolari e tre lineari, secondo assi fissati arbitrariamente, che portano il corpo da una posizione iniziale di riferimento a quella in esame.

La Neuromeccanica

Partendo dalle nuove conoscenze neurofisiologiche legate all’organizzazione e alla programmazione del movimento, da qualche anno il “meccanicistico” concetto di Biomeccanica è stato sostituito dalla più moderna teoria Neuromeccanica (Nishikawa, 2007).

Il laboratorio di Analisi del Movimento

L’analisi quantitativa del movimento viene effettuata presso laboratori meglio identificati, secondo la dizione anglosassone come Motion Analysis Lab (MAL). La finalità dell’analisi del movimento è di quantificare le grandezze cinematiche e temporali che descrivono nello spazio il movimento dei vari segmenti corporei. Per individuare i segmenti corporei possono essere utilizzati dei punti di riferimento, detti markers, posizionati su dei punti di repere anatomico che permettano una ricostruzione della cinematica dei segmenti in esame. L’analisi del movimento nasce nei primi anni ’60 ed inizialmente i dati erano acquisiti da immagini fotografiche o cinematografiche, il procedimento era manuale. In seguito, verso gli anni ’70 le immagini fotografiche o cinematografiche venivano digitalizzate prima di essere elaborate. La conversione manuale dei dati cinematografici in forma quantitativa era un processo molto laborioso, soprattutto se si ricercavano informazioni tridimensionali utilizzando più di una telecamera. Con il progredire delle tecnologie informatiche sono stati sviluppati prima sistemi optoelettronici, che effettuano automaticamente la conversione digitale dei segnali video acquisiti dai sensori CCD (Charge

12

Coupled Device) delle telecamere, e successivamente sistemi in grado anche di elaborare i segnali video e ricostruire la posizione dei punti di riferimento nell’immagine acquisita .

Fig. 3.1 Schema di principio di un MAL. La strumentazione.

Le caratteristiche richieste dalla strumentazione contenuta in un MAL possono essere sintetizzate nelle seguenti: - Tridimensionalità (3D); - Non invasività; - Possibilità di fornire informazioni quantitative con elevata precisione; - Possibilità di effettuare una analisi integrata multifattoriale e cioè di acquisire contemporaneamente dati relativi alla cinematica (per es. le traiettorie del movimento) alla dinamica (per es. lo scambio di forze al terreno) ed all’attivazione muscolare (elettromiografia o EMG); - Facile utilizzo; - Costi adeguati. La strumentazione tipica di un MAL “tradizionale” è la seguente:

-­‐ Sistemi optoelettronici, sistemi in grado di misurare le coordinate tridimensionali di marker, elementi di materiale catarifrangente che vengono apposti sul corpo del soggetto in particolare punti di repere. Cosa sono i punti di repere? Per indicare con precisione la posizione di un organo o la localizzazione di un sintomo, ci si riferisce ad una serie di punti e linee che sono individuabili utilizzando le parti dello scheletro apprezzabili durante un'esplorazione superficiale del corpo.

Per tale scopo si tracciano sulla superficie del corpo diverse linee verticali ed orizzontali che fungono da coordinate per la localizzazione di punti. Nel tronco, considerando la superficie ventrale, le linee orizzontali sono rappresentate da:

• coste e spazi intercostali; questi ultimi possono essere facilmente individuati e

numerati considerando l'angolo sternale che si trova all'altezza della seconda

costa;

• clavicolare: passa tra le due giunzioni (o articolazioni) sterno-clavicolari;

• basisternale o xifoidea: passa per la giunzione xifosternale segnando il limite

tra torace e addome. L'articolazione xifosternale è l'articolazione più distale

13

dello sterno. Sarà esaminata durante la descrizione di quest'osso ma per capirci,

possiamo semplicemente dire che lo sterno è l'osso centrale della gabbia

toracica ed è costituito da tre porzioni: manubrio, corpo e processo xifoideo

procedendo in senso cranio-caudale (dall'alto in basso). Per l'appunto,

l'articolazione xifosternale è quella presente tra corpo e processo xifoideo.

• tangente all'arco costale: passa per i punti più declivi delle due 10° coste.

• bisiliaca: unisce le due spine iliache anteriori superiori.

• transipilorica: situata a metà tra l'incisura giugulare dello sterno e la sinfisi

pubica.

• intertubercolare: unisce i due tubercoli pubici.

Sempre nel tronco, ma considerando ora la superficie dorsale, le linee orizzontali sono rappresentate da:

• le linee delle coste, che possono essere identificate prendendo come

riferimento la direzione delle coste e possono essere numerate facendo

riferimento all'angolo inferiore della scapola che corrisponde all'8° costa

quando gli arti superiori sono allineati con il tronco.

Le linee verticali del tronco più importanti sono rappresentate sulla faccia ventrale da:

• mediosternale: divide lo sterno in due metà simmetriche e si continua in basso

con la linea xifopubica.

• marginosternale: tangente al margine laterale dello sterno.

• parasternale: condotta verticalmente due dita all'esterno della marginosternale.

• emiclaveare: discende a partire dal punto di mezzo della clavicola.

• ascellare anteriore: si distacca dal margine laterale del muscolo grande pettorale.

• ascellare media: parte dal punto più profondo del cavo ascellare.

• ascellare posteriore: discende dal margine inferiore del muscolo grande dorsale.

Le linee verticali della faccia posteriore, invece, sono rappresentate da:

• angoloscapolare: passa per l'angolo inferiore della scapola

• paravertebrale: situata 2-3 cm medialmente alla linea angolo scapolare

• spondiloidea: passa attraverso i processi spinosi di tutte le vertebre

14

Punti di repere anatomici su di un modello umano.

E’ importante precisare che l’apparecchiatura misura le coordinate tridimensionali (XYZ) dei marker che vengono apposti sul corpo del soggetto. Note le coordinate tridimensionali dei marker è possibile quindi calcolare traiettorie grandezze angolari (e quindi determinare angoli di flesso-estensione, abdo-adduzione e extra-intra rotazione delle principali articolazioni), velocità accelerazioni e conoscere quindi in dettaglio la cinematica del movimento del segmento corporeo sul quale sono stati posizionati i marker. I marker in genere vengono apposti sul corpo del soggetto mediante l’uso di semplice biadesivo.

-­‐ Piattaforme di forza sistemi in grado di misurare il sistema di forze scambiate al terreno. Conoscendo il sistema di forze scambiate al terreno ed acquisita la cinematica mediante i sistemi optoelettronici è quindi possibile calcolare i momenti e le potenze alle diverse articolazioni.

Nella foto a sinistra è possibile osservare le due piattaforme di forza sotto i piedi del paziente. Sulla destra la figura rappresenta il vettogramma generato durante l’appoggio del piede sulla piattaforma di forza nella camminata.

-­‐ Elettromiografi: sistemi in grado di acquisire il segnale elettrico associato alla contrazione mediante elettrodi superficiali(fig. 3.4) (placchette adesive poste sulla cute in corrispondenza dei punti motori dei muscoli di interesse) durante le attività dei muscoli bersaglio in varie condizioni:

a) durante stiramento muscolare; b) durante attivazione volontaria; c) durante azioni complesse integrate (cammino, scrittura, gioco,..).

-­‐ Baropodometria elettronica: sistema in grado di misurare la distribuzione delle pressioni

mediante l’utilizzo di una matrice di sensori opportunamente sagomati. A seconda del tipo di sensore utilizzato (di grandi dimensioni o a solette) si ha la possibilità di misurare le distribuzione di pressioni per esempio della volta plantare o la distribuzione delle pressioni su grandi superfici quali sul sedile di una specifica sedia (tale rilevazione è utilissima per soggetti

15

non deambulanti al fine di identificare le zone di massima pressione che possono dare origine a piaghe da decubito).

I sistemi optoelettronici per l’acquisizione video

I sistemi optoelettronici utilizzati nei MAL possono essere distinti nelle seguenti categorie:

• Sistemi a markers attivi; • Sistemi a markers passivi con riconoscimento a soglia; • Sistemi a markers passivi con riconoscimento di forma.

La prima categoria vede sistemi caratterizzati da una serie di emettitori (solitamente diodi fotoemettitori) che possono essere fissati sui punti di repere dei quali si vuole conoscere la traiettoria. I diodi vengono accesi simultaneamente o in sequenza (caso, questo, che permette una migliore identificazione dei diversi punti di riferimento). Le restanti categorie adottano sistemi che si basano su marker di materiale riflettente, ed una illuminazione coassiale con le telecamere. Un sistema con riconoscimento a soglia si limita a restituire le coordinate dei punti dove il segnale supera un certo valore di soglia, il che può portare a problemi qual’ora vi siano sorgenti luminose oltre ai marker. Un sistema con riconoscimento di forma, invece, opera una elaborazione del segnale, riconoscendo oggetti di forma predeterminata. Oltre ai sistemi optoelettronici esistono altri sistemi, usati nel laboratori di analisi del movimento, per acquisire grandezze cinematiche che si basano su altri metodi di trasduzione. Una categoria è quella dei sistemi a trasduzione meccano elettrica, cui appartengono gli accelerometri e gli elettrogoniometri. Questa categoria di sistemi presenta problemi relativi alla criticità di ancoraggio ed all’elaborazione del segnale, oltre il fatto che un attacco efficace può essere in conflitto con la naturalezza dei movimenti del paziente. Altre categorie di sistemi sono quelli che si basano su riprese radiografiche o ad ultrasuoni. Gli strumenti per la misura della cinematica del corpo umano devono essere considerati anche attraverso l’analisi dei problemi relativi alla acquisizione e successiva elaborazione numerica delle variabili che definiscono i movimenti spaziali dei vari segmenti corporei. Applicando i principi meccanici del "movimento dei corpi rigidi", si ottengono spostamento, velocità ed accelerazione sia lineare che rotatoria di segmenti corporei e relative articolazioni. I sistemi automatici che permettono tali acquisizioni sono normalmente corredati delle seguenti funzioni:

la misura delle grandezze biomeccaniche elementari di un certo set di segmenti corporei; il trattamento del segnale come amplificazione, filtraggio, conversione analogico/digitale, memorizzazione, visualizzazione e rappresentazione; la elaborazione dei dati generalmente basata su complessi modelli matematici o su tecniche di correlazione.

Esistono tuttora varie limitazioni tecniche, errori di misura ed artefatti sulle misure di movimento del corpo umano, presenti in maniera diversa in tutti i sistemi e protocolli usati. Questi includono:

problemi ed omissioni nella localizzazione degli assi di riferimento solidali con l'anatomia ossea del segmento: questo è l'unico modo per poter eseguire confronti tra cinematiche di soggetti differenti; difficoltà nella determinazione della traslazione articolare dovute alla risoluzione delle tecniche di misura; grossolane semplificazioni che spesso si fanno nell'ignorare il movimento relativo tra le superfici articolari;

16

non perfetta ripetibilità intra - soggettiva. l'effetto del movimento relativo tra la cute e la sottostante struttura scheletrica di cui si vuole conoscere la cinematica;

Le telecamere offrono i mezzi per acquisire, memorizzare e rivedere successivamente il movimento dell'intero corpo anche per diversi minuti. Basandosi sui principi di trasduzione e sulle tecniche di calcolo usate, è possibile fare la seguente classificazione degli strumenti cinematici basati sull’utilizzo di telecamere che si stanno usando in analisi del movimento: - i sistemi cine-fotografici e i videotape con digitizer: utili sia per l'analisi del movimento puramente visiva, sia, tramite successivo processamento delle immagini, per la quantificazione dello stesso - i sistemi automatici optoelettronici: usano l'elettronica applicata ai segnali video per ottenere automaticamente e direttamente i dati numerici necessari alla descrizione completa della cinematica del movimento

fotocamera digitale D70/LTR b) classico sistema optoelettronico.

Analisi del movimento umano tramite stereofotogrammetria.

L’analisi del movimento umano ha lo scopo, come detto, di raccogliere informazioni quantitative relative alla meccanica del sistema muscolo-scheletrico durante l’esecuzione di un atto motorio. In particolare tale studio prevede la misura di variabili che descrivono la cinematica e la dinamica dei segmenti anatomici. Per tale compito, oramai è diffuso l’utilizzo di sistemi fotogrammetrici :

Tali sistemi utilizzano telecamere operanti nella gamma del visibile o del vicino infrarosso. Sebbene garantiscano un’accuratezza elevata, tali sistemi forniscono una stima e non una misura diretta delle variabili cinematiche. Essi sfruttano caratteristiche geometriche (punti, linee, aree) localizzate sulla

17

superficie corporea del soggetto le cui immagini acquisite da più telecamere sono ricostruite in tre dimensioni. È possibile,ad esempio, analizzare l’evoluzione nel tempo della posizione dei bordi dei segmenti anatomici che si muovono nello spazio. Questi sono riconoscibili in quanto generano un gradiente di intensità luminosa nell’immagine che può essere rilevato tramite algoritmi di segmentazione. C’è da osservare, però, che sebbene la ricerca attuale si stia muovendo nell’ottica di sviluppare metodologie che consentano la stima del movimento umano con elevata accuratezza senza richiedere l’utilizzo di apparati aggiuntivi, i marcatori cooperativi rimangono ancora la soluzione operativa comunemente utilizzata. Infatti, i marcatori fisici, passivi o attivi, aderenti alla superficie corporea sono facilmente riconoscibili nelle immagini. Ciascuna soluzione operativa implica una specifica architettura del sistema e procedure di elaborazione di dati dedicate. I marcatori passivi sono costituiti da supporti in materiale plastico ricoperti da pellicola catarifrangente; in particolare essi richiedono un dispositivo aggiuntivo di illuminazione che opera nell’intorno di lunghezze d’onda specifiche (720-820nm). Dotando le telecamere di un filtro ottico opportuno, i marcatori sono immediatamente riconoscibili rispetto alla scena. La sfericità rappresenta la migliore geometria del supporto per la riflessione dei raggi infrarossi emessi dagli illuminatori a vantaggio quindi della visibilità nel volume di misura. I marcatori attivi, invece, costituiti da LED (light-emitting diodes), generano autonomamente il segnale luminoso e quindi non necessitano del dispositivo di illuminazione esterno; tuttavia la necessità di alimentazione e sincronizzazione via cavo ne riduce l’effettivo impiego a particolari applicazioni. I marcatori passivi richiedono un sofisticato sistema di pre - eleborazione per identificare e classificare i marcatori mentre per i marcatori attivi tale procedura non è necessaria poiché è automatizzata dal sistema di controllo della temporizzazione dei segnali emessi dai LED.

Componenti di un sistema stereo fotogrammetrico.

Un sistema opto-elettronico multi-camera per la stima del movimento umano a marcatori passivi prevede due sottoinsiemi principali: una struttura di acquisizione (telecamere, illuminatori, schede di acquisizione) e una infrastruttura software di elaborazione: si utilizzano, a tal scopo, video camere dotate di dispositivi per la rilevazione del segnale luminoso e la trasduzione in segnale elettrico quali i sensori CCD(charge coupled device) o CMOS (complementary metal oxide semiconductor). Vediamo ora come viene effettuato il tracking - video per la ricostruzione di un’immagine 3D. Da nozioni di meccanica classica è noto che per ottenere le coordinate tridimensionali di un punto nello spazio si devono avere almeno due punti di vista distinti. Il calcolo delle coordinate 3D di un punto richiede diverse operazioni matematiche, e con i moderni calcolatori si è resa possibile una integrazione del sistema che non richieda una pre - elaborazione hardware. Un’immagine creata da una video-camera rappresenta una proiezione su 2D dell'oggetto tridimensionale fotografato.

18

La localizzazione dei markers viene automaticamente identificata attraverso la determinazione del centroide dell'area luminosa che essi producono in almeno due telecamere contemporaneamente.

Localizzazione del centroide del markers.

I markers passivi riflettono la luce proiettata da emettitori infrarossi posti attorno all'obiettivo delle camere (Light Reflective Devices). Le telecamere sono così in grado di identificare univocamente la posizione spaziale istantanea del marker identificando (automaticamente o tramite indicazioni dell'utente) il punto luminoso caratteristico del marker fisico. Il centro di ogni marker viene identificato da algoritmi matematici usando riconoscitori sia di soglia che di forma. Disponendo dell’immagine video bidimensionale di un marker da almeno due punti di vista è possibile ricostruire la sua posizione istante per istante nello spazio del laboratorio. Per fare ciò è necessario che il sistema abbia informazioni sulla posizione delle telecamere nel laboratorio, informazioni che si ottengono mediante la calibrazione del sistema. La calibrazione viene effettuata mediante elementi di geometria nota, grazie ai quali il sistema calcola i parametri del modello di rappresentazione geometrica dello spazio e delle distorsioni introdotte dall’ottica delle telecamere, acquisendo informazioni sulla posizione delle telecamere. Esistono diversi metodi di calibrazione, quale venga adottato dipende dal modello matematico che gestisce l’acquisizione del sistema. Un requisito fondamentale di un sistema stereofotogrammetrico è l’accuratezza delle misure effettuate, sia di tipo statico che dinamico. Oltre all’accuratezza un sistema stereofotogrammetrico deve soddisfare anche requisiti di precisione, gli errori a cui il sistema è soggetto possono essere di due tipi: casuali o sistematici. Gli errori sistematici solitamente dipendono dalla posizione del marker nel campo di misura, mentre quelli casuali sono associati alla quantizzazione operata sul segnale per ottenere dall’immagine le coordinate puntiformi dei marker.

La cattura del movimento è la traduzione italiana del ben più comune termine inglese ‘Motion Capture’. Dal termine inglese deriva anche il termine MoCap, altrettanto frequente, specie tra gli addetti ai lavori. L’uso delle tecniche di Motion Capture è relativamente recente, possiamo infatti datarlo intorno al 1970, anche se solo negli ultimi dieci anni la sua popolarità è notevolmente lievitata in relazione sia ad una notevole diminuzione del costo dei sistemi di cattura, sia agli innumerevoli campi di applicazione nei quali è usato.

Il Motion Capture consiste nel registrare il movimento di uno o più soggetti tramite una serie di videocamere (fase di acquisizione) per poi riprodurlo in ambiente digitale (fase di playback). In questo particolare momento della storia della civiltà umana, il connubio uomo-macchina risulta sempre più forte e maggiormente radicato. Questa riproduzione tridimensionale ha svariate applicazioni pratiche:

19

• nella clinica dei disordini del movimento: si pensi ad esempio nell’ambito medico, un aspirante chirurgo può esercitarsi in virtuale, dove un suo sbaglio non costerà la vita al paziente. I sistemi di misura del movimento sono usati in centinaia di laboratori clinici e di ricerca, nelle università. È particolarmente efficace l’analisi della postura e degli sforzi effettuata con il sistema di motion capture in applicazioni riabilitative. In generale, il Motion Capture è molto utilizzato negli studi che comprendono analisi biomeccaniche. Inoltre è possibile acquisire in maniera sincronizzata all’interno del sistema segnali analogici provenienti da altri dispositivi come force plates, elettromiografi (EMG), segnali video analogici e digitali;

• nello sport:

registrare e analizzare movimenti e gesti tecnici dell’atleta, per poter comprendere appieno la meravigliosa macchina umana. L’analisi del movimento finalizzato al miglioramento delle prestazioni degli atleti o alla prevenzione degli infortuni richiede un sistema flessibile di misura del movimento, che sia capace di catturare il movimento in tutti gli scenari possibili (indoor e outdoor, in diverse condizioni climatiche, di luce etc.) e nelle condizioni reali di attività dell’atleta. La grande versatilità dei sistemi ottici e la non invasività dei sistemi a marker passivi consente di ottenere i risultati migliori. Tecniche sempre più evolute di MoCap sono richieste dalle industrie cinematografiche e videoludiche, al fine di rendere l’esperienza dello spettatore o del giocatore sempre più immersiva e coinvolgente;

• per i video games:

le case di produzione di video game fanno largamente uso di sistemi di Motion Capture per realizzare l’animazione dei personaggi virtuali. I vantaggi offerti da questa tecnologia consistono nella possibilità di acquisire contemporaneamente più personaggi, di catturare in volumi molto ampi, di catturare simultaneamente i movimenti del corpo, del viso e delle mani;

• Produzioni cinematografiche:

il Motion Capture permette di acquisire in modo perfetto le espressioni facciali e del corpo dei personaggi, in modo da ricostruirne il carattere. Una funzione importante che offre il Motion Capture è il retargetting del personaggio, che consiste nell’assegnare i movimenti effettuati da un attore ad un personaggio virtuale di diverse caratteristiche antropometriche (diversa altezza, peso, etc.). Nel film “The Polar Express” Tom Hanks ha animato 5 diversi personaggi con la cattura simultanea di corpo e viso;

In Ergonomia: La progettazione ergonomica dell’attività produttiva nell’industria si basa sullo studio dei movimenti del lavoratore centrato su uomo-posto di lavoro-ambiente-organizzazione, studiati congiuntamente per assicurare all’uomo il massimo del “comfort”. Il Motion Capture consente di acquisire il movimento reale del soggetto, di catturarlo nel tempo per analizzare le differenze dovute all’affaticamento, di effettuare analisi posturali.

Il Motion Capture (MoCap) quindi è una tecnica di animazione digitale molto recente che permette di applicare a personaggi virtuali i movimenti di persone o animali oppure oggetti ripresi in tempo reale e immediatamente riprodotti sullo schermo tramite sensori posti nei punti di giuntura delle ossa e di contrazione dei muscoli. Per effettuare il Motion Capture (MoCap) si possono utilizzare diversi sistemi: ottico, magnetico, meccanico, acustico oppure ibrido (che consiste nell’utilizzo di più sistemi differenti), i quali sfruttano tecniche diverse per effettuare l’acquisizione dei dati. Ciascuno dei quattro ha differenti pregi e difetti: questo fa sì che non ci sia un tipo di Motion Capture “perfetto”, adeguato ad uso universale; ogni tipologia si adatta meglio ad applicazioni differenti a seconda del risultato che si deve ottenere.