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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
I modelli biomeccanici del corpo umano
Modelli Biomeccanici
del Sistema Muscoloscheletrico
Carlo Frigo
Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria
Politecnico di Milano
PALESTRINA - ROMA
14-15 OTTOBRE 2016
IL LABORATORIO DI GAIT ANALYSIS
NEL PROCESSO DI DECISION MAKING
E NELLA VALUTAZIONE
DELL’OUTCOME RIABILITATIVO
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Modelli = Rappresentazione
schematizzata (semplificata)
della realtà
Cammino
(funzione motoria
complessa)
Modelli
per
l’analisi
Modelli per la
sintesi
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Sistema
muscolo-
scheletrico Movimento
Forze
esterne
Forze
interne
Problema dinamico diretto
Problema dinamico inverso(Analisi)
(Sintesi)
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Analisi
Modelli per l’acquisizione
dei dati cinematici e
dinamici
Modelli delle
articolazioni
Modelli per il calcolo
di grandezze
dinamiche
Modelli
muscoloscheletrici
Sintesi
Modelli dinamici
multisegmentari
Modelli per la stima di
forze muscolari
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Il tipico laboratorio di
analisi del cammino
Modelli per l’acquisizione dei dati
cinematici e dinamici
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I.C. cnt’T.O. Cn’t I.C. T.O. I.C.Il Laboratorio di Gait A
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Davis
(Newington) Helen Hayes
Saflo
Cast
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Misure antropometriche da inserire nel
modello
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Cosa ci fornisce l’analisi
del cammino
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Es. anca
Stima dei
centri articolari
Modelli delle
articolazioni
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Approccio funzionale
cinematico:
minimizzazione della
deviazione standard
della distanza tra i
centri articolari
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Modelli di sistemi
articolati
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Grood&Suntay (con riferimento all’anca)
Abd/Add (90°-…)
Hip
Knee
Flex/Ext (90°-…)
Int/Ext Rot. (90°-…)
Add/Abd Axis
Flex/Ext Axis
Int/Ext Rot. Axise2
e2
ld
fp
lp
fd
e3
e1
td
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(J.A. Kapandji)
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Il problema della cinematica articolare (in particolare al
ginocchio)
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Asse di rotazione fissoCinematismo multiassiale
(quadrilatero articolato)
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Potenza prodotta:
P = Mi x DJ / Dt
= Mi x w
Lavoro interno:
L = Mi x DJ
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Calcolo dei momenti e delle potenze
articolari
F
b
M = F x b
Momento di
una forza
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From Scott Delp, 2001
Musculoskeletal modelling
Aimed at surgery simulation and planning
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Modelli muscoloscheletrici (stima di lunghezze
di muscoli e legamenti)
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Musculographics- SIMM
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AnyBody Model AnyBody Group
Lifemod- BRG
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MBMC
Lab
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Costruzione di un modello dettagliato
muscoloscheletrico
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Rotating platform
Anterior Cruciate Ligament
Pivot
RotulaPosterior Cruciate Ligament
Sviluppo del modello muscoloscheletrico
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Il problema delle
superfici di avvolgimento
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Wrap surfaces !!!
Quadriceps
tendon (femoral
groove)
Semi –
membranosus
(medial femoral
condile)
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Gastrocnemius
(femoral condiles)
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Confronti lunghezze
muscolari
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Modelli multisegmentari dinamici
Offrono la possibilità di
simulare il movimento
SINTESI DEL MOVIMENTO
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Simulazione del movimento= soluzione del problema dinamico diretto – forward dynamics
Tutti i segmenti anatomici si muovono in conseguenza di una singola forza applicata (accoppiamento dinamico)
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Ex. Semimembranosus (Ischiocrurale mediale: Estensore di anca e Flessore di Ginocchio)
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Piede fissato nello spazio (al terreno)
Bacino fissato nello spazio
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Il movimento risultante
dipende dalle forze esterne
(vincoli , condizioni di
carico)
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tivo
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La co-contrazione influenza il
movimento risultante
Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016
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L’interazione con
l’ambiente
(superfici di
contatto) influenza
il movimento
risultante
Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Sintesi del cammino
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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0
10
20
30
40
50
60
70
0 1 2 3 4 5
Ry-Left (deg) Ry-Right (deg) vs. time (s)
Knee flexion/extension
-20
-10
0
10
20
0 1 2 3 4 5
Rz-Left (deg) Rz-Right (deg) vs. time (s)
Knee internal/external rotation
-20
-10
0
10
20
0 1 2 3 4 5
Ry-Left (deg) Ry-Right (deg) vs. time (s)
Ankle dorsi/plantar flexion
-5
0
5
10
0 1 2 3 4 5
Rx-Left (deg) Rx-Right (deg) vs. time (s)
Ankle inversion/eversion
0
10
20
30
40
50
0 1 2 3 4 5
Ry-Left (deg) Ry-Right (deg) vs. time (s)
Hip flexion/extension
-20
-10
0
10
20
0 1 2 3 4 5
Rx-Left (deg) Rx-Right (deg) vs. time (s)
Hip adduction/abduction
-20
-10
0
10
20
0 1 2 3 4 5
Rz-Left (deg) Rz-Right (deg) vs. time (s)
Hip internal/external rotation
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
0 1 2 3 4
Vx (m /s ) Vy (m /s ) Vz (m /s ) vs. time (s)
Trunk velocity
-20
-10
0
10
20
0 1 2 3 4 5
Rx-Antev (deg) Rz-HorRot (deg) Rx-LatTilt (deg) vs. time (s)
Pelvis rotiations
Animazione del modello
Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
(con controllo indipendente di 23 gdl)
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Modifica dei parametri di ingresso
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nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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reference
No hips
add/abd No pelvis tilt
No hips add/abd
No pelvis tilt
Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
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nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
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No Hips No Pelvis
horizontal rotationsreference
Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
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nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
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No Pelvis anteversion
No vertical displacement
Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
No Knee
yielding
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Excessive hip adduction
-10°
Right
foot:
leadingPalestrina, ROMA 15 ottobre 2016
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Compensations in
the frontal plane
+10°
+10°
Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
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dell'outcome riabilita
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It seems O.K.
But…..Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Feet penetration in the ground is
prevented
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-5°
+5°
-5°
+5°
Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
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Increase foot
eversion (+5°)Increase
plantarflexionReduce
plantarflexion
Increase
plantarflexionReduce
dorsiflexionPalestrina, ROMA 15 ottobre 2016
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Still some details to accommodatePalestrina, ROMA 15 ottobre 2016
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
C.Romanò, C. Frigo, G. Randelli and A. Pedotti, "Analysis of the gait of adults who had residua of
congenital dysplasia of the hip", J. of Bone & Joint Surgery, vol.78-A, n 10, p:1468-1479, 1996
Il Laboratorio di Gait A
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
A system of muscles must be implemented
Quadriceps
Hamstrings
Il Laboratorio di Gait A
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nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Prosthetic components
are implanted
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dell'outcome riabilita
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Ligaments can be
readapted to post
surgical conditions
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nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Ex. ACL
sacrificed
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nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Both CL sacrificed
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Natural walk
Foot slack
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Solid ankle
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Con
caduta
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nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Equino
20°
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dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
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dell'outcome riabilita
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Azioni
esercitate su
gamba-piede
DALL’ortesi
(principio dei tre
punti di attacco)
b
F1
F2
F3
Mor =F3 b = K Dq
Mm= M (f)
Dq
f
Mor
MmAlla
posizione di
equilibrio:
Mor = Mm
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Palestrina, ROMA
Normal
Hemiplegics
Many morphological types, correlated with the
different pathophysiologic factors
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Distacco da terra
Dorsiflessione
[°]Plantarflessione [°]
[Nm/Kg]
Momento
massimo
(muscolare
plantaflessorio)
Momento
minimo
(muscolare
dorsiflessorio)
Range Fisiologico
Curva Momento-Angolo
normale
Inizio contatto al terrenoIniziale flessione plantare
Curva Momento-Angolo
paziente con piede equino
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Dorsiflessione [°]Plantarflessione [°]
Momento
massimo
(muscolare
plantaflessorio)
Momento
minimo
(muscolare
dorsiflessorio)
qr: 60°
qS: 67°
qrOrt = Angolo di riposo
Ortesi: 84° (+24°)
[Nm/Kg]
Range Fisiologico
Range risultante
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tivo
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Dorsiflessione [°]Plantarflessione [°]
Momento
massimo
(muscolare
plantaflessorio)
Momento
minimo
(muscolare
dorsiflessorio)
qrOrt = Angolo di riposo
Ortesi: 147° (+80°)
[Nm/Kg]
Range Fisiologico
qr= qS= 67°
Range risultante
Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016
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Dorsiflessione [°]Plantarflessione [°]
Momento
massimo
(muscolare
plantaflessorio)
Momento
minimo
(muscolare
dorsiflessorio) qrOrt = Angolo di riposo
Ortesi: 74° (+7°)
[Nm/Kg]
Range Fisiologico
qr= qS= 67°
Range risultante
Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
K1A1 (7.5 Nm/°, 10 °)
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
K3A1 (12 Nm/°, 10°)
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
Palestrina (Roma) 14-15 Ottobre 2016
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
K0A1 (3.75 Nm/°, 20°)
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
K0A2 (3.75 Nm/°, 30°)
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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Palestrina, ROMA 15 ottobre 2016
R Riener and T Edrich. Identification of passive elastic joint moments
in the lower extremities. J Biomech, 32(5):539–544, May 1999
Il Laboratorio di Gait A
nalysis
nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
tivo
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nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
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dell'outcome riabilita
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dell'outcome riabilita
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nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
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nel processo di decision making
dell'outcome riabilita
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![Page 83: IL LABORATORIO DI GAIT ANALYSIS NEL PROCESSO DI … · Grood&Suntay (con riferimento all’anca) Abd/Add (90°-…) Hip Knee Flex/Ext (90°-…) Int/Ext Rot. (90°-…) Add/Abd Axis](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022041519/5e2ce9b564945901247f51be/html5/thumbnails/83.jpg)
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dell'outcome riabilita
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Grazie per l’attenzione
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