84201 - FONDAMENTI DI BIOMECCANICA

Scheda insegnamento

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Salute e benessere Istruzione di qualità

Anno Accademico 2019/2020

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente sa leggere ed interpretare il movimento umano con un approccio biomeccanico. In particolare è in grado di: - modellare biomeccanicamente una catena poliarticolata antropomorfa; - analizzare lo stato di equilibrio del corpo umano o di alcune sue parti; - analizzare dinamicamente lo stato di moto del corpo umano o di alcune sue parti; - analizzare cinematicamente lo stato di moto del corpo umano o di alcune sue parti; - caratterizzare le principali proprietà inerziali dei segmenti corporei; - pianificare e condurre un esperimento per l'analisi del movimento umano; - stimare forze e momenti interni attraverso la soluzione del problema dinamico inverso. Inoltre sa apprendere le novità tecniche d'interesse per la Biomeccanica, e aggiornarsi sugli strumenti per la progettazione, modellazione, ottimizzazione ed analisi, e approfondire mediante ricerca autonoma le conoscenze impartite durante il corso.

Programma/Contenuti

INTRODUZIONE AL CORSO
Presentazione del corso. Inquadramento del corso nell'ambito della ingegneria biomedica. Biomeccanica: definizione, cenni storici ed ambiti applicativi. La Biomeccanica del Movimento Umano. I concetti-chiave: movimento, equilibrio, interazione. Cinematica, Statica e Dinamica. L'ipotesi di lavoro: corpo rigido. Il Metodo Scientifico Galileiano applicato alla Biomeccanica del Movimento. Fenomeno-Osservazione-Rappresentazione-Analisi. L'Osservazione: Fenomenologia del Movimento. L'Analisi del Movimento: Misura e Modellazione. La Rappresentazione del Movimento: la Computer-Graphics. Aspetti Peculiari della Biomeccanica del Movimento. Ruolo dei Modelli. Complessità vs Validità. Il Punto Materiale. Richiami di Cinematica, Statica, Dinamica. Le Leggi di Newton. Modello del Corpo Rigido in 2-D e 3-D. Modello a multi-link del corpo umano.
CINEMATICA
Richiami di cinematica lineare ed angolare. Cinematica del punto. Moto rettilineo uniformemente accelerato (caduta di un grave). Cinematica del corpo rigido. Esempio di cinematica di corpo multiarticolato: doppio pendolo. Definizione dell'orientamento di un corpo in 2D e 3D: vettore posizione e matrice orientamento. Sistemi di riferimento globali e locali. Regole per la trasformazione di coordinate. Ricostruzione del movimento. Definizione del sistema di riferimento. Sistemi di riferimento Cartesiani ortogonali, obliqui, polari. Componenti e proiezioni. Costruzione di una terna locale a partire da un set di punti (marker). Esempi di terne locali. Identificazione della terna locale nella terna globale, nel tempo. Traslazione e rotazione. Coseni direttori in 2-D. Proprietà della matrice di orientamento. Trasformazioni globale-locale e viceversa. Angoli di Cardano. Angoli di Eulero. Problematiche sperimentali connesse con le misure cinematiche. Ricostruzione della posizione istantanea di un punto. Cinematica articolare. Principali funzioni di un'articolazione: mobilità e stabilità. Classificazione delle articolazioni. Gradi di libertà delle principali articolazioni. Congruenza superficiale e ruolo dei legamenti. Rappresentazione analitica della cinematica articolare. Moto relativo tra corpi rigidi. Convenzione di Grood & Suntay. Vettore orientamento. Il gimbal lock. Assi anatomici. Complessità delle articolazioni reali.
STATICA
Definizione di Movimento, Equilibrio, Interazione. Il concetto di Forza. Sistema di Forze: definizione e proprietà. Equazioni Cardinali della Statica. Richiami: Momento Polare di una Forza. Forze Attive e Reazioni Vincolari. Terminologia Essenziale: Piani Anatomici, Angoli Articolari. Statica. La Statica del Corpo Rigido. Sistemi di forze equivalenti. Sistemi di forze equilibrate. Forze Concentrate e Ripartite. Il Centro di Pressione. Il Centro di Massa. Assiomi della Statica. Diagramma del Corpo Libero. Vincoli e reazioni vincolari. Tipi di Vincolo: Assoluto e Relativo. Ordine di un Vincolo. Carrello, Pendolo, Cerniera, Pattino, Incastro. Assioma dei vincoli. Gradi di libertà. Sistemi staticamente determinati e indeterminati. Risoluzione dei problemi di statica. Corpi rigidi articolati (multilink). Esempio: meccanica del gomito. Esercizio: biomeccanica del gomito durante il sostegno di pesi. Modello monosegmentale 2-D. Modello bisegmentale 2-D. Modelli 2-D per la stima delle forze interne. Limiti modellistici: ridondanza muscolare, biomeccanica muscolare. Approcci risolutivi: cross-sectional area method, linear optimization method. Modelli whole-body.
DINAMICA
L'analisi dell'equilibrio dinamico. Assiomi dell'equilibrio dinamico di un corpo rigido. Formulazione di Eulero-Newton. Equazioni cardinali della meccanica per un sistema di particelle interagenti. Equazioni cardinali della meccanica per un corpo rigido nel continuo. Massa e densità di massa di un corpo. La densità dei segmenti corporei. Centro di massa di un corpo rigido. Centro di massa di un multilink. Segmentazione: approccio anatomico e biomeccanico. Le tabelle antropometriche (Winter, 1990). Lunghezze stimate dei segmenti corporei (Drillis e Contini, 1966). Esercizio sulle tabelle antropometriche: calcolo del centro di massa. Esercizio: calcolo del centro di massa corporeo con modello multilink. Determinazione sperimentale del centro di massa. Determinazione sperimentale della massa di un segmento distale. Momento di inerzia. Momento di inerzia di un sistema di particelle. Teorema di Huygens-Steiner. Momento d'inerzia di un corpo rigido. Raggio di girazione. Calcolo del momento d'inerzia di un segmento corporeo (esercizio). Il controllo del momento di inerzia. Determinazione sperimentale del momento d'inerzia di un segmento distale. Matrice d'inerzia. Teorema di Poinsot. Assi principali d'inerzia. Ellissoide d'inerzia. Modelli multilink della dinamica corporea a vari gradi di libertà. Il modello monosegmentale. La strategia di caviglia. Considerazioni sul modello monosegmentale. Ambito di validità del modello in posturografia. Problema dinamico diretto per il modello monosegmentale. Stima del centro di massa con tecniche nel dominio dei tempi e nel dominio delle frequenze. Visione sistemistica della relazione COP-COM. Il modello bisegmentale. La strategia d'anca. Il processo di stabilizzazione posturale. Legame COP-EMG. Proprietà inerziali del corpo umano. Centro di Massa. Momento di inerzia. Assi principali di inerzia e assi anatomici
ANATOMIA FUNZIONALE DEL SISTEMA MUSCOLO-SCHELETRICO
Componenti principali: ossa e cartilagine, muscolo, tendini, legamenti, articolazioni. Arto superiore: ossa, articolazioni, muscoli. Modelli biomeccanici dell'arto superiore con diverso livello di dettaglio. Arto inferiore: ossa, articolazioni, muscoli. Cenni di anatomia funzionale dei principali gruppi muscolari.
ANALISI DEL MOVIMENTO UMANO
Analisi del movimento umano: definizione ed ambiti applicativi.Stereofotogrammetria. Calibrazione del sistema stereofotogrammetrico. Errore stereofotogrammetrico e possibili soluzioni. I protocolli sperimentali per l'analisi del cammino. Saflo, VCM e CAST. La calibrazione anatomica. Ricostruzione di terne tecniche a partire da cluster di marker rumorosi. Ricostruzione di reperi anatomici. Artefatti da tessuti molli. Stima ottima della posa. Progetto del cluster di marker. Posizionamento ottimale dei cluster. Pedana di Forza e EMG. L'analisi sperimentale del cammino umano. Le fasi del passo: step e stride. Variabili spazio-temporali essenziali: velocità, cadenza e lunghezza del passo. Dinamica del passo. Le componenti della forza di reazione durante l'appoggio: cammino normale. Il diagramma a farfalla. Andamento del COP durante cammino normale. Stima dell'attività muscolare dal solo vettore di reazione piede-suolo. Limitazioni della pedana di forza nell'analisi del cammino. Cinematica dei principali segmenti dell'arto inferiore durante il cammino. Cinematica articolare durante il cammino normale. Problema dinamico inverso. Fondamenti teorici. Ipotesi modellistiche. Soluzione iterativa. Tecniche di ottimizzazione per la minimizzazione del residuo al tronco. Problematiche sperimentali. Tecniche di stima dei parametri inerziali. Esempio 2-D: salita scale. Soluzione in ambiente Matlab. Interpretazione dei risultati. Sensibilità delle soluzioni alle varie sorgenti di errore. Approcci alternativi basati sulle equazioni di Lagrange.
LABORATORIO
L'insegnamento si integra con le attività di laboratorio del corso di Laboratorio di Biomeccanica, volte a favorire la capacità dello studente di definire e risolvere autonomamente concreti problemi di analisi e sintesi del movimento. In quest'ambito, con diretto riferimento ai sistemi di misura presenti nel laboratorio, saranno presentate le principali tecniche strumentali per la dinamica (pedana di forza), la cinematica (stereofotogrammetria) e la misura dell'attività muscolare (EMG). Attività di laboratorio specifiche saranno programmate per quelli che decidano di essere valutati solo svolgimento di un progetto sperimentale, per cui le sessioni di tutoraggio bisettimanale, di laboratorio e di presentazione finale sono aperte a tutti i discenti.

Testi/Bibliografia

Testo di riferimento:

"Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica del Movimento", Giovanni Legnani e Giacomo Palmieri, Ed. Città Studi

Materiale on-line fornito dal docente a integrazione.

Altri testi di approfondimento:

"Bioingegneria della Postura e del Movimento", a cura di A. Cappello, A. Cappozzo, P.E. di Prampero, Pàtron editore, 2003


David Winter, "Biomechanics and Motor Control of Human Movement", John Wiley & Sons, 1990

 

Metodi didattici

Lezioni frontali, laboratorio informatico, laboratorio di analisi del movimento.


Modalità di verifica dell'apprendimento

Esame scritto, comprensivo di 15/30 punti di teoria (10 da domande a risposta multipla e 5 da domanda a risposta aperta) + 15/30 punti da 2 esercizi.

Modalità alternativa:

Progetto sperimentale di gruppo sviluppato e monitorato durante tutto il ciclo di lezioni. Il progetto deve essere presentato in forma scritta e orale entro la prima sessione di esame a valle della conclusione del ciclo di lezioni. Ogni partecipante verrà valutato singolarmente in base alle sessioni di tutoraggio bisettimanali, durante lo svolgimento del progetto, e in base alla presentazione finale.

 


Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Rita Stagni