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Post on 30-Apr-2020
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Misura ed Analisi del Movimento Umano
Programma
1- Introduzione2- Pedana EMG3- Laboratorio biomeccanica4- Cinematica5- Laboratorio biomeccanica6- TMS e imaging7- Laboratorio TMS8- Laboratorio di Informatica
Studiare il movimento umano
• Controllo motorio
• Sviluppo motorio
• Apprendimento motorio
• Disabilità
Controllo Motorio• Campi di studio dei sistemi di controllo coinvolti
nell’esecuzione di movimenti– Bio-meccanica:
• La cinematica e la dinamica del movimento. La descrizione del movimento
– Robotica• La modellizzazione dei movimenti. Previsione
comprensione dei maccanismi possibili
– Neuro-fisiologia• Relazione cervello-movimento
– Psicologia• Relazione fra percezioni ed azioni
Biomeccanica Robotica
• La cinematica del movimento– Studiare come i segmenti corporei si
spostano nel tempo e nello spazionell’esecuzione di un movimento
• La dinamica del movimento– Studiare come le forze impresse dai
segmenti corporei generino un movimento
Robotica
• Modellizzazione dei meccanismi possibiliche producono movimenti
• Comprensione attraverso i modelli di qualipossono essere le variabili rilevanti
• Tutto quello che non posso costruireposso spiegare?
Neurofisiologia, Psicologia
– Studiare la distinzione fra i movimentiautomatici e quelli che richiedono un controllovolontario
– Misure di Imaging: studiare la connessione fral’attività neuronale e il movimento
Obbiettivi
• Conoscere le diverse descrizioni del movimento umano ed i relativi strumenti utilizzati
• Sapere come attraverso l’uso di questi strumenti avviene l’acquisizione ed l’elaborazione dei segnali
• Saper costruire e analizzare modelli del movimento umano
Perché studiare tutto ciò?• Perché l’osservazione ad occhio nudo non
è sufficiente e spesso risulta non corretta• Perché ogni movimento è ridondante e
presenta variabilità• Perché è necessario definire quali sono i
pattern motori stabili e quali no • Il che significa:
– Calcolare modelli del movimento analizzato– Trovare le variabili indipendentemente
controllate
Che cosa dobbiamo conoscere
• Gli strumenti utilizzati per l’analisi del movimento
• La natura del segnale registrato• I modelli ed i test sui modelli• Le applicazioni• Le interpretazioni
In sintesi
• Strumenti• Analisi • Modelli
• Applicazioni
Strumenti• Cinematica 3D:
– Telecamere (Cinematografia); Accelerometri; Goniometri
• Dinamica 3D:– Pedane di Forza ; Pedane Stabilometriche; Celle di
Forza; Bracci robotici
• Elettromiografia (EMG): – Di Superficie; Ad ago.
• Transcranial Magnetic Stimulation (TMS):– Potenziali Motori
Variabili calcolate• Cinematica 3D:
– Spostamenti, Velocità, Accelerazioni del corpo o dei diversi segmenti corporei
• Dinamica 3D: – Forze e momenti delle forze del corpo o dei diversi
segmenti del corpo• EMG:
– Attività elettrica del muscolo, agonisti antagonisti, intensità e velocità della contrazione, tempi di intervento della attivazione.
• TMS:– Potenziali evocati, inibizione neuronale,
localizzazione del sistema motorio
Esempi
• Sinergie articolari (vincoli e gradi di libertà)• Posture (migrazione del centro di
pressione, COP)• Sinergie delle forze espresse EMG• Rappresentazione del movimento a livello
cerebrale
La riproducibilità del movimento
• Data la ridondanza dei gradi di libertà del corpo umano un certo compito motorio:– non potrà mai essere soddisfatto
esattamente allo stesso modo…ma
– Alcune stabilità possono essere osservate
• L’analisi del movimento può essere utilizzata per ricercare queste stabilità
La variabilita’ a livello dellearticolazioni e’ molto piu’ elevatarispetto a quella a livello del martello (ilcompito motorio).
Diminuzione dei gradi di liberta’?
• Fra tutte le traiettorie possibili scegliamo:– le piu’ “comode”: limitiamo l’ampiezza dei singoli
movimenti articolari (Rosenbaum, 1998)– le piu’ “scorrevoli”: minimizziamo la derivata prima
dell’accelerazione (Hogan &Flash,1987)– minimizziamo l’energia spesa (Alexander, 1984)– creiamo sinergie muscolari utilizzando il vincolo del
compito motorio (Bernstein,1967)
Speed-accuracy trade-off
L’analisi del movimento può essere utilizzata per ricercare stabilità (Leggi)
• Movimenti balistici– Curva della velocità a campana
• Movimenti veloci e di precisione– Accelerazione e decelerazione asimmetrica
• Legge di Fitts
10 10
40
5 5
15
IDa
IDb = 1.79
1.79 2.07
MT
a
b
T1
T2MT=a+b[ID]
ID=[log2 (2A/W)]
AW W
Le sinergie nei movimenti
• Sinergie neuromuscolari– Tri-fasica sinergie agonista antagonista in
movimenti balistici
EMG
Le sinergie nei movimenti
• Sinergie neuromuscolari– La velocità del movimento e le accelerazioni
decelerazioni
Curva della velocità
Le sinergie nei movimenti
• Sinergie neuromuscolari– Sequenze di movimenti apertura chiusura di
angoli articolari in movimenti sani e non
Escursione dei segmenti articolari
Le sinergie nei movimenti
• Sinergie neuromuscolari– Dita\Forze\Dimensioni oggetti
Forza fra le dita
Participants0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Mea
n Im
puls
e (N
s)
0
10
20
30
40
50
2Digits3Digits4Digits5Digits
Le sinergie nei movimenti
• Sinergie neuromuscolari– Efficacia\efficienza del movimento
Consumo energetico\pattern motorio
Che cosa sono i movimentinormali per una persona
disabile?
L’analisi dei movimenti “diversi”
• Diagnosi• Interventi (fisioterapici, farmacologici)• Test sugli interventi eseguiti• Analisi sul controllo• Analisi sull’apprendimento
Dove stanno le difficoltà?• La ridondanza dei GdL• I vincoli• Movimenti “normali”, “atipici”• Il movimento come soluzione finale che
emergente fra vincoli e gradi di liberta’• Il controllo centrale e periferico del
movimento• Le proprieta’ adattative dei movimenti• Lo sport come palestra di soluzioni
motorie adattative
GdL e Vincoli
• GdL = la capacità che un segmentoarticolare ha di muoversiindipendentemente– 7 gradi di libertà – arto superiore
• Vincolo = impossibilità di effettuaremovimento totale o parziale– Circonduzione arto inferiore
E’ positivo avere un numeroridondante di GdL?
• Permette di operare opzioni diverse nel risolvere problemi motori di tutti i giorni.
E’ positivo avere vincoli?
• Fondamentale per mantere stabilità e direzionare I movimenti
Azione come proprietàemergente fra Vincoli e GdL
vincoli
corporei
ambientali percettivi
Percezione-Azione Movimento
Controllo centrale e periferico
• Controllo centrale: dal cervello ai muscoli– Relazione comando centrale sinergie distali
• Controllo distale:– Relazione percezioni comandi centrali
Controllo centrale
Controllo periferico
Come gestisce il SNC questaridondanza?
• La scelta di un pattern di controllo fra tanti possibili si basa sulla definizione di priorità(leggi di coordinazione motoria) che sono a tutt’oggi sconosciute.
• Pattern motori osservati in popolazioni “atipiche”, mostrano l’esistenza di queste priorità.
…continua
• L’ipotesi è che in condizioni “atipiche”inclusi problemi di ordine percettivo (Sindrome di Down), biochimico (Parkinson), strutturali (danni alla spina dorsale, e amputati), il SNC potrebbe riconsiderare queste priorità
I movimenti adattivi
• Le “nuove priorità” rifletteranno lo stato del sistema mostrando schemi di movimento volontario molto diversi.
• I pattern motori che appaiono essere così diversi, non dovrebbero essere considerati “patologici”ma “adattativi” rispetto alla patologia,
• Questi infatti potrebbero essere visti come movimenti “ottimali” per quel sistema di produzione di azioni.
Come intervenire allora?
• Gli approcci riadattativi non dovrebbero essere diretti al riportare il pattern motorio il più vicino possibile a quello “normale”, ma piuttosto dovrebbero essere concentrati alla risoluzione di problemi che emergono dal pattern motorio osservato durante l’esecuzione di un compito motorio
I movimenti normali e atipici:definizione classica
• In genere l’assunzione che viene fatta èche:
• Un pattern motorio “diverso” (che sidifferenzia dal movimento normale), e’ daconsiderarsi negativo.– i pattern di movimenti volontari osservati nella
norma sono gli unici corretti– le deviazioni dai pattern motori normali
riflettono una incapacita’ di controllo del SNC – noi conosciamo di piu’ il SNC del SNC stesso
Ipotesi• La scelta di un pattern motorio, fra molti
possibili, si basa sulla definizione dipriorita’(regole) che sono definite davincoli e gradi di liberta’ fisici, percettivied ambientali in relazione fra loro.
• La scelta dara’ vita ad un pattern dicoordinazione motoria unico che potra’essere adattativo rispetto al compitomotorio da compiere
I Movimenti “Normali”
JordanBambini scoordinati Lottatori di SumoMedia
Cambi delle priorita’ del SNC Cambi delle priorita’ del SNC
I Movimenti “normali” e “atipici”
JordanBambini scoordinati Media Lottatori di SumoPatologie neuro-motorie
Cambi delle priorita’ del SNC Cambi delle priorita’ del SNC
I cambi di priorita’ del SNC: “la scelta”
• Le sinergie neuro-muscolari dipendono:– dal compito motorio– dall’intenzionalita’– dalle condizioni
ambientali– e...– dalle condizioni fisiche
Il controllo e’ a livello centrale
• Reazionipreprogrammate:– 70ms di latenza– inferiore al TR– superiore al riflesso
monosinaptico
Il controllo e’ a livello distale
• Animali spinalizzatimostrano movimenti a piu’ gradi di liberta’:– precisi– coordinati– finalizzati– in grado di “compensare”
perturbazioni esterne
Il movimento come “Proprieta’Emergente”
• Fine dell’ideadell’homunculus
• Il movimento come noilo osserviamo e’ ilrisultato finale dellarelazione fra la parte centrale e quellaperiferica in accoppiamento con l’ambiente (il compitomotorio)
Il movimento come “Pattern Dinamico”
• Il SNC sceglie i parametri principaliche devono essereconsiderati per far emergere un pattern motorio che siaadattivo al compitomotorio e funzionaleai vincoli esistenti
Il movimento “atipico”• Il sistema motorio che ha subito delle
lesioni dovra’ ri-elaborare:– nuove priorita’ e/o leggi coordinative– nuove soluzioni motorie in virtu’ dei vincoli
emersi (la patologia) utilizzando i gradi diliberta’ a disposizione
• Diverso pattern motorio ma funzionale !
Cambiare i comandi centralie/o le sinergie motorie
• Cambiare comando centrale:– imparare a scrivere con la mano non
dominante– imparare sequenze di movimenti alternative
• Cambiare le sinergie motorie:– il tempo di apertura e chiusura degli angoli
articolari
Lo studio del movimento: (cinematica, dinamica, EMG ecc.)
• Definisce di un gesto la modalita’ dicontrollo e/o di “scelta”:– E’ cambiato il comando centrale?– Sono cambiate le sinergie muscolari?
• Scinde di un gesto le componentiadattative da quelle non adattative
• Definisce quali sono le condizionimotorie utili ed utilizzabili
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