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