Misura ed Analisi del Movimento Umano

Misura ed Analisi del
Movimento Umano
Programma
1- Introduzione
2- Pedana EMG
3- Laboratorio biomeccanica
4- Cinematica
5- Laboratorio biomeccanica
6- TMS e imaging
7- Laboratorio TMS
8- 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 spazio
nell’esecuzione di un movimento
• La dinamica del movimento
– Studiare come le forze impresse dai
segmenti corporei generino un movimento
Robotica
• Modellizzazione dei meccanismi possibili
che producono movimenti
• Comprensione attraverso i modelli di quali
possono essere le variabili rilevanti
• Tutto quello che non posso costruire
posso spiegare?
Neurofisiologia, Psicologia
– Studiare la distinzione fra i movimenti
automatici e quelli che richiedono un controllo
volontario
– Misure di Imaging: studiare la connessione fra
l’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 delle
articolazioni e’ molto piu’ elevata
rispetto a quella a livello del martello (il
compito 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
W
W
A
IDa
40
10
10
IDb
= 1.79
15
5
5
MT
MT=a+b[ID]
T2
b
ID=[log2 (2A/W)]
T1 a
1.79
2.07
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
50
2Digits
3Digits
4Digits
5Digits
Mean Impulse (Ns)
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
Participants
7
8
9
10
11
Le sinergie nei movimenti
• Sinergie neuromuscolari
– Efficacia\efficienza del movimento
Consumo energetico\pattern
motorio
Che cosa sono i movimenti
normali 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 segmento
articolare ha di muoversi
indipendentemente
– 7 gradi di libertà – arto superiore
• Vincolo = impossibilità di effettuare
movimento totale o parziale
– Circonduzione arto inferiore
E’ positivo avere un numero
ridondante 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 proprietà
emergente fra Vincoli e GdL
corporei
Percezione-Azione
vincoli
ambientali
percettivi
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 questa
ridondanza?
• 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 è
che:
• Un pattern motorio “diverso” (che si
differenzia dal movimento normale), e’ da
considerarsi 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 di
priorita’(regole) che sono definite da
vincoli e gradi di liberta’ fisici, percettivi
ed ambientali in relazione fra loro.
• La scelta dara’ vita ad un pattern di
coordinazione motoria unico che potra’
essere adattativo rispetto al compito
motorio da compiere
I Movimenti “Normali”
Cambi delle priorita’ del SNC
Bambini scoordinati
Cambi delle priorita’ del SNC
Media
Jordan
Lottatori di Sumo
I Movimenti “normali” e “atipici”
Cambi delle priorita’ del SNC
Patologie neuro-motorie
Bambini scoordinati
Cambi delle priorita’ del SNC
Media
Jordan
Lottatori di Sumo
I cambi di priorita’ del SNC:
“la scelta”
• Le sinergie neuromuscolari dipendono:
– dal compito motorio
– dall’intenzionalita’
– dalle condizioni
ambientali
– e...
– dalle condizioni fisiche
Il controllo e’ a livello centrale
• Reazioni
preprogrammate:
– 70ms di latenza
– inferiore al TR
– superiore al riflesso
monosinaptico
Il controllo e’ a livello distale
• Animali spinalizzati
mostrano movimenti a
piu’ gradi di liberta’:
–
–
–
–
precisi
coordinati
finalizzati
in grado di “compensare”
perturbazioni esterne
Il movimento come “Proprieta’
Emergente”
• Fine dell’idea
dell’homunculus
• Il movimento come noi
lo osserviamo e’ il
risultato finale della
relazione fra la parte
centrale e quella
periferica in
accoppiamento con
l’ambiente (il compito
motorio)
Il movimento come “Pattern
Dinamico”
• Il SNC sceglie i
parametri principali
che devono essere
considerati per far
emergere un pattern
motorio che sia
adattivo al compito
motorio e funzionale
ai 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 di
liberta’ a disposizione
• Diverso pattern motorio ma funzionale !
Cambiare i comandi centrali
e/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’ di
controllo e/o di “scelta”:
– E’ cambiato il comando centrale?
– Sono cambiate le sinergie muscolari?
• Scinde di un gesto le componenti
adattative da quelle non adattative
• Definisce quali sono le condizioni
motorie utili ed utilizzabili