Indice degli argomenti
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The aim of this course is to provide basics necessary for the instrumentation management and the comprehension of biomechanical models used in gait analysis. The course, firstly, intends to describe to the student the operation principle of sensors typically used in a movement analysis laboratory, such as force, position, velocity and displacement transducers. Subsequently, but equally important, it is explained the principal techniques for the experimental data analysis aimed to identify biomechanical variables, which represent exhaustively human movement kinematic and kinetic.
Class attendance is expected and strongly encouraged.
OBIETTIVI DEL CORSO
Lo scopo del corso è di fornire i concetti base necessari alla gestione della strumentazione e alla comprensione dei modelli biomeccanici considerati in gait analysis. Il corso descrive i principi di funzionamento dei sensori tipicamente usati in un laboratorio di analisi del movimento ossia le piattaforme di forza ed i trasduttori di posizione, velocità e spostamento. Successivamente sono descritte le principali tecniche per l’analisi sperimentale dei dati volti all’identificazione delle variabili che rappresentano in modo esaustivo la cinematica e la cinetica del movimento umano.
La frequenza delle lezioni non è obbligatoria ma è fortemente consigliata.
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Seminario del 11/12/2018 tenuto dall'ing. Dario DALLA VEDOVA
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Over the centuries the evolution of methods for the capture of human movement has been motivated by the need for new information on the characteristics of normal and pathological human movement. Several critical steps in the advancement of the discipline are considered in the context of addressing a particular need to answer fundamental questions regarding the process of human locomotion. In the present lecture the evolution of methods for the capture of human movement are described focusing also on the critical issues.
In questa parte del corso vengono considerati i diversi passaggi critici dello sviluppo di questa disciplina, con particolare riferimento alla necessità di rispondere a domande fondamentali riguardanti il movimento umano. In questo ciclo di lezioni vengono descritti l’evoluzione dei metodi per la registrazione del movimento umano, facendo riferimento alle criticità.
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Human movement tracking systems are expected to generate real-time data that dynamically represents the pose changes of a human body (or a part of it), based on well-developed motion sensor technologies where human movements can be detected using available visual and on-body sensors. Data acquisition is usually bound to noise or error. It is essential to study the structure and characteristics of individual sensors so that we can identify noise or error sources. In particular, information is sought concerning the movement of the whole-body centre of mass; the relative movement between adjacent bones, or joint kinematics; the forces exchanged with the environment; the resultant loads transmitted across sections of body segments or between body segments, or transmitted by individual body tissues such as muscles, tendons, ligaments, and bones; and body segment energy variation and muscular work.
I sistemi di tracking del movimento umano sono in grado di fornire dati in tempo reale che rappresentano in modo dinamico i cambiamenti della posa di un segmento corporeo (o di una sua parte), basandosi su tecnologie per cui i movimenti umani possono essere rilevati utilizzando informazioni ottiche o sensori posizionati sul soggetto ed ambedue le metodologie sperimentali sono affette da rumore. È essenziale quindi studiare il principio fisico di funzionamento e le caratteristiche metrologiche dei singoli sensori in modo da correttamente identificare le cause di errore e di quantificarne gli effetti. In particolare, le informazioni richieste in analisi del movimento riguardano il movimento del centro di massa del corpo; il movimento relativo tra segmenti ossei adiacenti, noto come cinematica articolare; le forze scambiate con l'ambiente; i carichi risultanti trasmessi tra sezioni di segmenti corporei o tra segmenti corporei, o trasmesse tra singoli tessuti del corpo, come i muscoli, tendini, legamenti e ossa; la variazione di energia per i segmenti corporei e il lavoro muscolare.
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In this lecture the basics of the tridimensional-space geometry are recalled, such as the definitions of: vectors; plane; line; scalar, cross and matrix products; and coordinate frames. The concepts of analytical mechanics, related to the localization of rigid bodies, are theoretically applied to data collected using stereophotogrammetric systems for human movement analysis in order to estimate the joint kinematics, following the recommendation of the International Society of Biomechanics. The relevant sources of errors and possible methodologies to assess them are also described.
In questa parte del corso vengono richiamati i concetti fondamentali della geometria 3D, quali le definizioni di: vettore, piano, retta, prodotti scalari, vettoriali e matriciali e sistemi di riferimento. I concetti della meccanica razionale legati alla localizzazione di corpi rigidi nello spazio vengono poi applicati, secondo le direttive della International Society of Biomechanics, al caso di dati acquisiti con sistemi stereofotogrammetrici per analisi del movimento per la stima delle variabili di cinematica articolare. Sono anche trattate le relative sorgenti di errore ed eventuali metodi per la loro valutazione.
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In this lecture we describe the methodologies and the instruments to measure the kinematic variables of the body segments, considering both a direct and an indirect approach. The relevant sources of errors are also described and analyzed.
In questo modulo si descrivono le metodologie e la strumentazione utilizzate per la misura di variabili cinematiche di e tra segmenti corporei, considerando sia un approccio diretto che indiretto. Le relative cause di errore sono descritte ed analizzate.
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In human movement analysis the kinematics is often associated with a more complete analysis of the kinematic chain, considering the force measurements needed to assess the joint loads, energies and powers. This lecture aims providing a full detailed description about the operation principles of force transducers, the design criteria and influence quantities that might affect the measurements. Force transducers are also described in biomedical applications, such as the measure of the in vitro muscle strength.
Nella analisi del movimento, l’analisi cinematica è spesso associata ad una più completa descrizione della catena considerando le misure della forza e della reazione vincolare, necessarie per la valutazione dei carichi applicati alle articolazioni, delle energie meccaniche e delle potenze in gioco. Scopo di questo modulo è di fornire una descrizione dettagliata dei principi di funzionamento dei trasduttori di forza, i criteri di progetto da adottare e le grandezza di influenza. I trasduttori di forza vengono descritti anche nel contesto più ampio delle applicazioni biomediche, come per la misura delle forze muscolari in vitro.
The enclosed material integrates Chapter 5 of "Sensors and Transducers for Mechanical Measurements Volume 2".
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The stability, both in static and perturbed conditions, of the posture of either healthy or subjects with pathology is a prognostic and diagnostic parameter for the clinicians. This lecture provides the student with an overview of the clinical terms. Subsequently, the instrument used to measure balance and posturography parameters is analysed: the pressure matrix; the attention is focused to the operation principles, the sources of errors and to the variables both measured and obtained with ad-hoc post-processing of the collected data.
La stabilità a riposo oppure in presenza di una perturbazione della postura di soggetti sani e patologici è un parametro prognostico e diagnostico in ambito clinico. Nel modulo didattico si fornisce una overview della terminologia utilizzata in ambito medico. Successivamente si analizza lo strumento di misura utilizzato per misure di parametri di equilibrio e postura: la matrice di pressione, ponendo attenzione al principio di funzionamento, alle cause di errore e alle variabili misurate o ottenute con opportuno post-processing dei dati registrati.
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The measurement systems based on Inertial Measurement Unit (IMU) are adopted in Biomechanics to measure the attitude of a rigid body (or bodies of a multi-body kinematic chain) and estimate the upper-body and lower-body kinematics. These systems generally consist of nine sensors (i.e. a tri-axial accelerometers, a tri-axial gyroscopes and a tri-axial magnetometers in MIMU systems). This lecture deeply describes the operation principles for the three sensors (i.e. theory of the seismic sensor, gyroscopic effect and Hall-effect) and the relevant calibration methodologies. The critical issues related to the measurements conducted using IMUs/MIMUs are also analysed.
I sistemi di misura basati su Inertial Measurement Units (IMU) vengono utilizzati nella Biomeccanica per misurare l’orientamento di corpi rigidi nello spazio e stimare le variabili di cinematica articolare per upper-body e lower-body. Tali sistemi integrano accelerometri, giroscopi e magnetometri generalmente triassiali. Nel modulo didattico sono trattati approfonditamente i principi di funzionamento dei tre sensori (i.e. teoria dei trasduttori sismici, effetto giroscopico e effetto Hall) e i relativi metodi di taratura. È anche presentata un’analisi delle criticità legate alle misure condotte con IMU/MIMU.
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This lecture aims describing the physiological principles of forming and transmitting the electrical signal of the muscular activation and the operation principles of the sensors used to measure it. Techniques to reduce the crosstalk and the effect of other sources of errors are also described.
In questo modulo vengono descritti il principio fisiologico della formazione e della trasmissione del segnale elettrico di attivazione muscolare e il principio di funzionamento dei sensori utilizzati per la sua valutazione sperimentale. Sono anche descritte le tecniche per la riduzione del crosstalk e dell’effetto di altre sorgenti di errore.
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In this lecture, we discuss robot-mediated neurorehabilitation as a significant emerging field in clinical medicine. The present state-of-the-art robotic systems and their prospective function in rehabilitation of the upper and lower limbs are examined.
In questo modulo si discutono le tecniche di neuroriabilitazione mediata da robot poiché rappresenta un rilevante settore emergente nella pratica clinica. Si esaminano il corrente stato dell’arte dei sistemi robotici e il loro utilizzo per riabilitazione degli arti superiore e inferiore.
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To attend the tutorials, the Students need to download and install on their own laptop a copy of MATLAB (free download for the students following the link: https://campus2.uniroma1.it/indexlogin.php)Attention:
- The tutorials have incremental difficulties and are designed for those who have never used Matlab;
- The pdf file with the tutorial text is incomplete. The aim of the tutorials is to fill the gaps in code lines;
- The solutions of each tutorial will be published in this section by five days after the tutorial and, however, before the next one;
- Every time you use Matlab, remember to link the folder with all the script, functions and data you are using;
- If you do not complete the tutorials, please, do this as your homework in order to be able to complete the next steps.
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The musculoskeletal models are biomechanical models of the locomotor apparatus interacting with the environment and, then, external forces and reaction occur. This lecture aims presenting the whole process of building, characterizing and validating a musculoskeletal model. Nowadays these models are considered mainly for ergonomics and planning of orthopedic surgeries also for prosthesis implants for limbs or joints. The musculoskeletal models represent a perfect example of the multidisciplinary of biomechanics. These modelling techniques fuse data coming from imaging MRI or CAT, motion capture data collected with stereophotogrammetric systems, dynamic of rigid body theory, solution of complex optimization problems and cost functionals, and electromyography signals. Some examples are also discussed.
I modelli muscoloscheletrici sono modelli biomeccanici dell’apparato locomotore posto in interazione con l’ambiente esterno e quindi sottoposto a forze e reazioni. In questo modulo didattico viene presentato l’intero processo di costruzione, caratterizzazione e validazione di un modello muscoloscheletrico. Detti modelli sono utilizzati principalmente per studi di ergonomia e pianificazione di interventi di chirurgia ortopedica e protesizzazione di un arto o di un’articolazione. I modelli muscoloscheletrici rappresentano un perfetto esempio della multidisciplinarietà che caratterizza la Biomeccanica. Queste tecniche fondono informazioni che derivano da immagini di risonanza magnetica o TAC, dati di motion capture ottenuti da sistemi stereofotogrammetrici, la teoria della dinamica dei corpi rigidi, la risoluzione di complessi problemi di ottimizzazione di funzionali di costo e i segnali elettromiografici. Vengono infine presentati esempi applicativi.