ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITA’ DI BOLOGNAII FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA BIOMEDICA
Valutazione sperimentale di metodi per la quantificazione della stabilità dello schema motorio
Relatore:
Prof. Ing. Rita Stagni
Azienda/ente ospitante:
DEIS Bologna/Cesena
presentata daDavide Monari
Anno Accademico 2008/2009
Introduzione
32% anziani cadono almeno una volta all’anno durante attività giornaliere; il 24% sostiene danni rilevanti (*)
(*) Tinetti, M.E., et al., Risk factors for serious injury during falls by older persons in the community. Journal of the American Geriatrics Society, 1995. 43(11): p. 1214
Valutazione indicatore di stabilità di task motori necessaria!!!
Analisi task SALITA SU UN GRADINO tramite:
• Metodi statistici tradizionali (µ, σ, t-test, PCA)
Obiettivi
• Stabilità orbitale
Metodi: task motorio e soggetti
Soggetti (nessuna patologia neuromotoria): 4 giovani (24.5 ± 1.5 anni)1 anziano (61 anni)
Task 2 giovani:
• Destra leading, 6 trial + gomma + occhi chiusi
• Sinistra leading, 6 trial + gomma + occhi chiusi
Gomma piuma
Task 1 giovani:
B) Destra leading, 6 trial
C) Sinistra leading, 6 trial
Task anziano:
B) Destra leading, 6 trial
C) Sinistra leading, 6 trial
Metodi: set-up sperimentale
29 marker cutanei segmenti busto; pelvi; coscia; gamba; piede
dettagli
BTS Smart-D (BTS Bioengineering, Milano, IT)
Protocollo CAST *
(*) Cappozzo, A., et al., Position and orientation in space of bones during movement: anatomical frame definition and determination. Clin Biomech (Bristol, Avon), 1995. 10(4): p. 171-178.
1) Angoli articolari (Grood & Suntay **) 2) Angoli assoluti in s.d.r. lab.
(**) Grood, E.S. and W.J. Suntay, A joint coordinate system for the clinical description of three-dimensional motions: application to the knee. J Biomech Eng, 1983. 105(2): p. 136-44.
2 pedane forza Bertec
Forze e momenti reazione piede-suolo
Momenti articolari: F × d(F,centro art.)
Pedana 2
Pedana 1
Metodi: stabilità orbitale, cenni teorici
maxFM = max(abs(eig(J)))
maxFM < 1 => stabilità orbitale garantita
( )SS kk F=+1 ( )SS FHp ∗∗ =:
[ ] ( )[ ]SSSSS kk J ∗∗∗+ −≅−1 )(* tSTraiettoria stabile:
Sistema periodico, orbita (in spazio Q) al ciclo k, 0 < t < T, 1 ≤ k ≤ m)(tS k
1q2q
3q( )nqqqqQ ,...,,, 321=
Metodi: stabilità orbitale, implementazione (**)
(**): Matlab 6.5 (Mathworks, Natick, MA, USA)
[ ] ( )[ ]SSS kk J ∆≅ ∗+∆ 1
∆
∆∆∆
≅
∆
∆∆∆
+
+
+
+
nk
k
k
k
nnnn
n
n
nk
k
k
k
s
s
s
s
JJJ
JJJ
JJJ
s
s
s
s
,
3,
2,
1,
21
22221
11211
,1
3,1
2,1
1,1
...
......
...............
...............
......
......
...
[ ] ( )[ ]SSSSS kk J ∗∗∗+ −≅−1
n = dimensione iperspazio
m = numero trial = numero orbite = 6
nknikikiik sJsJsJs ,,2,2,1,1,,1 ... ∆++∆+∆≅∆ +
Per ogni riga i (1 ≤ i ≤ n) di J:
m
m
kSS
∑≡ 1*
Risultati: t-test locali angoli
Riduzione momento destabilizzante
t-test puntuali (p-value: max 0.05, min 0)
anche e ginocchia più flesse su gomma piuma
GIOVANI vs GIOVANI PERTGIOVANI vs GIOVANI PERT
busto più flesso in avanti su gomma piuma
GIOVANI vs GIOVANI PERT
Risultati: t-test locali momenti articolari
Anca trailing: momento flex.
maggiore
Anca leading: momento ext.
maggioreGamba destra leading Gamba sinistra leading
GIOVANI vs GIOVANI PERT GIOVANI vs GIOVANI PERT
Risultati: t-test locali angoli e momenti (anziano)
Busto meno flesso in avanti, ginocchia ed
anca più sollecitate in estensione
GIOVANI vs ANZIANOGIOVANI vs ANZIANO
1) maggior controllo busto ?
2) Per spostare peso maggiore strategia di arto inferiore ?
Risultati: PCA
Dataset solo 5-dimensionale per raggiungere 95% variabilità grandezze correlate
Angoli: data-set 24 dimensionale
Momenti: data-set 18 dimensionale
Risultati: stabilità orbitale angoli (soggetti giovani)
gamba sinistra leading più instabile
Gamba sinistra leading
Gamba destra leading
t-test puntuali (p-value: max 0.05, min 0)
GIOVANI vs GIOVANI PERT
maxFM busto > maxFM gambe
GIOVANI vs GIOVANI PERT
anziano più stabile
Gamba sinistra leading
Gamba destra leading
Nessuna differenza
Risultati: stabilità orbitale angoli (soggetto anziano)
GIOVANI vs ANZIANO
gamba leading destra: anziano più stabile
GIOVANI vs ANZIANO
Risultati: stabilità orbitale momenti
gamba leading sinistra: perturbati più instabili
Gamba destra leading
Gamba sinistra leading
GIOVANI vs GIOVANI PERT
Discussione
• statistiche tradizionali: approccio semplice, significato biomeccanico immediato
• Stabilità orbitale: possibile indice instabilità validazione necessaria !!!
Sviluppi futuri
• Inclusione di soggetti anziani
• Effetto numero trial su stabilità orbitale
• Quali grandezze inserire nell’iperspazio?
• Ricostruzione dataset originari da dataset ridotti (significato biomeccanico PCA?)
Acquisizione stereofotogrammetrica: dettagli
● = marker cutanei ● = reperi calibrati
1) Inserimento marker (n=29)
2) Calibrazione statica reperi anatomici da s.d.r tecnici (tec)
3) Definizione s.d.r anatomici (ana) da reperi antomici
4) Esecuzione task (registraz. marker => s.d.r tecnici => s.d.r anatomici)
5) Angoli articolari (*) tra s.d.r. anat., angoli assoluti busto
Fc_stereo_pedana = 250Hz F_cut_off = 2.5 Hz
(*) (Grood, & Suntay, 1983)