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Angelo Cappello

Professore ordinario

Dipartimento di Ingegneria dell'Energia Elettrica e dell'Informazione "Guglielmo Marconi"

Settore scientifico disciplinare: ING-IND/34 BIOINGEGNERIA INDUSTRIALE

Temi di ricerca

Parole chiave: Modello del ginocchio Biofeedback Realta' virtuale Biomeccanica ortopedica Analisi del movimento umano Biomeccanica dello sport Ergonomia Controllo posturale Piattaforma di forza Sensoristica indossabile Bioingegneria della riabilitazione Valutazione funzionale Artefatto da tessuto molle

Analisi del movimento umano – Artefatto da tessuto molle e sua propagazione alle principali grandezze cinematiche – Tecniche di compensazione dell'artefatto – Influenza degli errori di calibrazione anatomica Biomeccanica ortopedica – Messa a punto di un modello subject-specific del ginocchio umano – Valutazione funzionale di protesi d'anca, ginocchio e caviglia – Valutazione intra-operatoria della stabilità primaria osso-protesi - Bioingegneria della riabilitazione – Valutazione funzionale quantitativa – Biofeedback per il controllo della postura e del cammino – Realtà virtuale per la riabilitazione – Sensori wireless e wearable per il monitoraggio e la classificazione di atti motori - Controllo posturale – Valutazione funzionale di soggetti normali e patologici (vestibolari, parkinsoniani, ecc.) mediante postura ortostatica non perturbata – Fenomeno di freezing in soggetti parkinsoniani – Deep brain stimulation – Ricalibrazione in situ di pedane di forza

L'analisi strumentale del movimento umano è impiegata per estrarre parametri indicativi della funzione motoria, per indicazioni terapeutiche/riabilitative, per valutare i progressi di un trattamento. La tecnica più utilizzata per l'analisi cinematica è la stereofotogrammetria che richiede l'applicazione di marcatori riflettenti sulla superficie del corpo. Questi marcatori non sono rigidamente connessi all'osso sottostante e ciò comporta errori significativi nella stima della cinematica segmentale e articolare. Questi errori rendono di fatto inutilizzabili le misure per applicazioni in campo ortopedico. L'artefatto è stato valutato, per la prima volta senza imporre vincoli ai tessuti molli, mediante un'acquisizione contemporanea di stereofotogrammetria e videofluoroscopia RX monoplanare. L'artefatto, a livello della coscia retro-prossimale, può raggiungere anche gli 8 cm. E' stata messa a punto una tecnica innovativa che prevede una doppia calibrazione dei punti di repere anatomici. Questa tecnica ha ridotto gli errori ad un livello accettabile per applicazioni in campo ortopedico. Anche in presenza di errori di calibrazione anatomica la metodologia proposta consente di ottenere risultati accettabili. Uno dei problemi più sentiti oggi in campo ortopedico è quello della relazione esistente tra pattern cinematici e dinamici a livello articolare e l'insorgenza di fenomeni artrosici. La ricerca è stata condotta sul ginocchio per il quale è stato messo a punto un modello subject-specific sottoponendo lo stesso soggetto a stereofotogrammetria, dinamometria, video-fluoroscopia ed elettromiografia dinamica. Lo stesso soggetto era stato sottoposto in precedenza a risonanza magnetica nucleare per la ricostruzione della geometria dei segmenti ossei, dei fasci muscolari e dei legamenti crociati e collaterali. A partire da questi dati è stato simulato il test del cassetto. I risultati confermano, per la prima volta su un modello 3D subject-specific, i valori sperimentali pubblicati. Si conferma inoltre l'importanza di considerare per i crociati il modello twisted-fibre. Un'altra ricerca ha riguardato la messa a punto di due tecniche per la valutazione intra-operatoria della stabilità primaria durante interventi di artroprotesi d'anca. La prima tecnica misura lo scorrimento all'interfaccia mediante un encoder di precisione quando un momento torcente è applicato alla protesi. Lo strumento si è rivelato adatto ad un utilizzo in sala operatoria e sensibile al grado di stabilita' della protesi. Il secondo metodo, attualmente in fase di validazione, utilizza vibrazioni per valutare la rigidezza all'interfaccia osso-protesi. Nell'ambito del progetto STARTER, finanziato dalla Regione Emilia Romagna, sono stati affrontati vari temi collegati alla Bioingegneria della Riabilitazione. Sono stati messi a punto protocolli per la valutazione funzionale quantitativa a livello di arto superiore e inferiore. Tecniche di audio e video biofeedback sono state messe a punto, anche nell'ambito di collaborazioni internazionali, per il controllo dell'equilibrio statico e dinamico. In particolare la tecnica di audio-biofeedback si è dimostrata molto efficace nell'assistenza di soggetti vestibolari o comunque con equilibrio compromesso per deficit di afferenza sensoriale. Tecniche di realtà virtuale sono attualmente allo studio per l'addestramento di soggetti all'uso delle protesi di arto superiore. Un'altra applicazione è quella di mantenere in allenamento soggetti su carrozzina attraverso un'esperienza immersiva all'interno di una scena che evolve in modo sincronizzato con l'azionamento delle ruote della carrozzina. Altra applicazione di grande rilevanza è la misura cinematica e dinamica mediante sensoristica wearable e wireless. Questo consente di svincolarsi dall'uso di cavi e quindi di rendere l'analisi del movimento possibile anche in ambiente esterno o non strutturato. La ricerca sul controllo posturale è condotta in collaborazione con centri clinici USA. E' stata condotta la valutazione di soggetti normali e patologici mediante postura ortostatica non perturbata, ad occhi aperti e chiusi. Si è inoltre analizzato il fenomeno del freezing, caratteristico dei soggetti affetti da morbo di Parkinson. Si sta avviando una ricerca sulla deep brain stimulation che consentirà di fornire indicazioni sul progresso del trattamento terapeutico. Infine è stato avviato un progetto che porterà in breve alla messa a punto di un sistema per la ricalibrazione di pedane di forza in-situ, cioè all'interno del laboratorio di analisi del movimento. Il metodo si è già dimostrato molto accurato ed in grado di ridurre gli errori residui a valori quasi non apprezzabili.

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