La procedura completa, dalla registrazione in PhaseSpace alla simulazione in OpenSim, è stata applicata a partire dall'esecuzione di un movimento di arto superiore da parte di un soggetto in laboratorio.
`
E stato de nito un marker set sperimentale anatomico per eseguire la scalatura del modello OpenSim e tecnico per riprodurre fedelmente il movi-mento. Inoltre, sono stati scelti task signi cativi da far riprodurre al soggetto in laboratorio. La scelta del marker set e del task è avvenuta in seguito ad una indagine di letteratura.
1.1 Marker Set e Task sperimentali
Da studi di letteratura emerge che non esiste una markerizzazione stan-dard per lo studio dell'arto superiore. Solitamente ogni autore de nisce un proprio marker set, a seconda dell'indagine da svolgere.
Dopo aver analizzato varie disposizioni di marker utilizzate in altre prove sperimentali, è stato de nito un marker set sperimentale ad hoc per questo studio.
Un'indagine di letteratura è stata eseguita anche sui task generalmente osservati in laboratori di motion capture relativi alla spalla. Alcuni dei mo-vimenti sono stati selezionati poichè considerati più interessanti per lo studio del meccanismo di spalla.
1.1.1 Letteratura
Dall'indagine di letteratura è emerso che i marker super ciali posso-no essere attaccati sulle pelle del soggetto, singolarmente o raggruppati in cluster.
della super cie triangolare sul bordo mediale della scapola allineato con la spina scapolare
AI Angulus Inferior, punto più caudale della scapola
AA Angulus Acromialis, punto più latero-dorsale della scapola PC Punto più ventrale del Processus Coracoideus
Omero GH Centro di rotazione del giunto GH
(stimato mediante regressione lineare) EL Punto più caudale sull'epicondilo laterale EM Punto più caudale sull'epicolidilo mediale Avambraccio RS Punto più caudale-laterale sullo stiloide radiale
US Punto più caudale-mediale sullo stiloide ulnare Tabella 1.1: Landmarks Anatomici proposti da ISB
La Società Internazionale di Biomeccanica (International Society of Bio-mechanics, ISB) ha proposto una convenzione per la de nizioni di sistemi di coordinate locali dei giunti di spalla, del gomito, del polso e della mano [4]. Wu et al. [4] raccomandano di usare uno speci co set di landmark, e di utilizzare i sistemi di coordinate e i movimenti dei giunti da loro suggeriti. Tale convenzione è stata adottata da molti autori in letteratura. I landmark anatomici indicati dalla ISB sono riportati in tabella 1.1 (vedere gura 1.1). Per quanto riguarda la clavicola Wu et al. individuano solo due punti (SC e AC, gura 1.1). La rotazione assiale della clavicola, quindi, non può essere determinata con tecniche di palpazione non invasive. Wu et al. propongono di stimare tale rotazione con tecniche di ottimizzazione.
La convenzione del ISB viene utilizzata anche da Lovern et. [2]. Ven-gono posizionati marker sciolti nei landmark riportati in tabella 1.1 ( gura 1.2). In aggiunta si ha un cluster di marker per individuare il sistema di coordinate `tecnico' dell'omero. Il centro di rotazione del giunto GH fornisce
Figura 1.1: Landmark del torace, della clavicola, della scapola e dell'omero raccomandati da ISB.
il terzo punto di riferimento per generare il sistema di coordinate anatomi-co dell'omero. Questo sistema viene poi anatomi-correlato al sistema di riferimento `tecnico'.
I task studiati da Lorvern et al. [2] sono elevazioni del braccio nei piani coronale e sagittale (gomito in estesione e la mano in pronazione).
Figura 1.2: Marker Set di Lovern et al.[2] con soggetto in posizione neutrale. Il lavoro di Brochard et al.[6], invece, si concentra sullo studio del mo-vimento della scapola. L'accuratezza e l'a dabilità di tre diversi metodi di markerizzazione della scapola vengono messe a confronto.
( gura 1.3);
• metodo aAMC (`anatomical Acromion Marker Cluster'), tre marker di 4 mm disposti direttamente sulla super cie piana del processo acro-miale gura 1.4).
Figura 1.3: Marker set Brochard et al., metodi 3AM e rAMC.
Nel metodo aAMC, il primo marker è posizionato ad un terzo della di-stanza tra AA e il Processus Coracoideus (PC). Il secondo si trova a metà distanza tra AA e il giunto acromio-clavicolare. Il terzo è a due centimetri lungo la spina della scapola. Nel caso dei metodi rAMC e aAMC, i marker nei punti AA, TS e AI sono utilizzati per la calibrazione iniziale.
Brochard et al. eseguono lo studio su dati ottenuti da prove statiche; ele-vazioni del braccio nel piano sagittale e frontale di 0, 30, 50, 70, 90, 110, e 130◦.
1Anche nello studio di Brochard et al. si ha l'aggiunta del cluster per il sistema di coordinate tecnico dell'omero
Figura 1.4: Marker set Brochard et al., metodi 3AM e aAMC
Un metodo alternativo, chiamato `Tracker Method', è stato proposto da Karduna et al.[1]. Tale metodo prevede l'utilizzo di custom scapular tracker. Lo strumento è costituito da tre parti (vedi gura 1.5): una base, un braccio adattabile, e un cuscinetto. La base ha una forma adattabile alla spina scapolare. Il braccio adattabile può variare di lunghezza e può essere bloccato una volta raggiunto il processo acromiale.
I task studiati da Karduna et al. sono elevazione dell'omero nel piano scapolare e sagittale (gomito in estensione), adduzione orizzontale e rotazione interna-esterna con braccio elevato 90◦ nel piano frontale e gomito esso di
90◦.
Karduna et al. però, utilizzano come sistema di acquisizione il dispositivo di tracking magnetico, `Polhemus 3Space Fastrak'. La procedura seguita non è quindi riproducibile con il nostro sistema Phase Space. L'idea del tracker scapolare, tuttavia, è stata considerata interessante.
Per validare i marker set della scapola proposti, vengono generalmente utilizzate come tecniche di riferimento (`gold standard'):
- il localizzatore di spalla, oggetto con tre marker che individuano i landmark anatomici della scapola [2] (prove statiche);
- un puntatore per la palpazione point-by-point dei landmark AA, AI e TS (vedi gura 1.1) [6];
- pin inseriti chirurgicamente nella scapola [1].
In tabella 1.2 vengono riassunti i marker set selezionati dall'indagine di let-teratura. Il punto GH* ripostato in tabella 1.2, non è un vero landmark
anatomico. Tale sigla indica la stima dell'origine del sistema di coordinate locale del giunto gleno-omerale.
1.1.2 Marker set utilizzati sul soggetto
In seguito allo studio di letteratura è stato de nito un marker set speri-mentale per questo per questo lavoro di tesi.
Per ottenere più informazioni possibili sulla geometria del soggetto e sul task eseguito, sono stati de niti due marker set:
Anatomico : 11 LED disposti su repere anatomici suggeriti dalla convenzione ISB, per eseguire la scalatura del modello in base alle dimensioni del soggetto e per individuare i sistemi di riferimento locali del corpo su cui viene eseguito il tracking;
Tecnico : 4 cluster di varie dimensioni, per esguire un tracking migliore dei tasks dinamici.
Il marker set Anatomico prevede i seguenti LED ( gura 1.1): - un LED per il torace in posizione C7;
- 3 LED per la clavicola in prossimità dei giunti sterno-clavicolare (SC), acromio-clavicolare (AC) e in un punto di mezzo (clav);
- 2 LED per l'omero sull'epicondilo mediale (EM) e laterale (EL); - 2 LED per l'avambraccio all'incirca sullo stiloide radiale (RS) ed ulnare
(US);
- 4 LED per la scapola nei punti Triginum Spinae (TS), Angulus Inferior (AI), Angulus Acromialis (AA), Processus Coracoideus (PC).
N◦Marker Landmark Anatomici Task
Lovern et al. 18 Torace: C7,T8,IJ,PX elevazione piano
coronale
(14 liberi, Clavicola: SC,AC elevazione piano
sagittale 4 in cluster) Scapola: TS,AI,AA,PC
Omero: GH*,EL,EM Avambraccio: RS,US
3AM 13 Torace: C7,T8,IJ,PX elevazione piano
frontale
Brochard et al. (9 liberi, Omero: GH*,LE,ME elevazione piano
sagittale 4 in cluster) Scapola: AA,TS,AI
rAMC 13 Torace: C7,T8,IJ,PX elevazione piano
frontale
Brochard et al. (6 liberi, Omero: GH*,LE,ME elevazione piano
sagittale 4 in cluster, Scapola: cluster rigido in AC
3 in cluster)
aAMC 13 Torace: C7,T8,IJ,PX elevazione piano
frontale
Brochard et al. (10 liberi, Omero: GH*,LE,ME elevazione piano
sagittale 4 in cluster, Scapola: cluster anatomico in AC
3 in cluster) Tabella 1.2: Marker set letteratura
Figura 1.6: Cluster stella posto sul repere anatomico dell' Incisura Jugularis (IJ).
Sul torace viene messo un solo LED del set anatomico poichè non siamo interessati a scalare tale corpo.
I marker set tecnico è costituito da cinque cluster, ognuno solitale ad un corpo dell'arto superiore. Sono stati utilizzati due tipologie di cluster: a forma di stella ( gura 1.6) e a forma di placchetta ( gura 1.8).
Il marker set tecnico prevede:
* un cluster a stella con 4 LED posto in prossimità del punto Incisura Jugolaris (IJ) ( gura 1.6);
* un cluster a stella con 5 LED solidale all'omero ( gura 1.7);
* un cluster a placchetta con 3 LED sulla spina scapolare ( gura 1.8); * un cluster a stella con 3 LED solidale all'avambraccio ( gura 1.7); * un cluster a placchetta con 3 LED per la mano ( gura 1.7).
Nell'Incisura Jugolaris (IJ) è stato messo un cluster stella per permettere di calcolare il sistema di riferimento solidale al torace. Tale corpo costituisce il ground del nostro sistema di riferimento (vedi gura1.6).
Per quanto riguarda lo studio dei movimenti elementari e di esplorazione della spalla sono emersi dalla letterature diversi task utilizzati nelle attività di vita quotidiana (ADL). I movimenti considerati più interessanti sono i seguenti:
• abduzione-adduzione e esso-estensione;
• protrazione-retrazione e rotazione mediale-laterale della scapola; • pettinarsi [5];
Figura 1.7: Cluster stella e placchetta posti su omero, avambraccio e mano. • toccare con la mano destra la spalla sinistra [3];
• portare la mano alla bocca [3]; • portare la mano dietro la nuca [5];
• mettere la mano nella tasca posteriore dei pantaloni [3].
In conclusione i LED sciolti, i cluster usati e i task eseguiti durante le prove di registrazione sono riportati in tabella1.3.
1.2 Da soggetto a modello
La procedura complessiva è stata seguita step-by-step partendo da dati cinematici ottenuti da un soggetto con PhaseSpace e ottenendo il modello del soggetto studiato in OpenSim.
Figura 1.8: Cluster placchetta posto sulla spina della scapola.
1.2.1 Laboratorio PhaseSpace
Il soggetto2 è stato markerizzato, utilizzando sia il marker set
anatomi-co che quello tecnianatomi-co. Tale markerizzazione è stata adottata per tutte le registrazioni eettuate ( gura 1.9).
I LED sciolti sono stati attaccati sui punti di repere anatomici mediante del nastro biadesivo. Tali repere sono stati individuati sul soggetto mediante palpazione. I cluster a stella del braccio e avambraccio, e la placchetta della mano3, sono stati attaccati con il velcro a dei polsini ben aderenti al corpo
di cui dovevano eseguire il tracking. Il cluster stella del torace e il cluster placchetta della scapola, invece, sono stati attaccati direttamente sulla pelle con nastro biadesivo.
Inizialmente sono stati considerati altri due cluster (visibili in gura 1.9): cluster scacchiera per il torace con 4 LED, `wand' con 3 LED e un LED libero. Questi cluster non sono stati però, considerati durante la procedura di analisi dei dati, poichè considerati non utili.
Il soggetto è stato opportunamente istruito per eseguire correttamen-te i task con il suo arto superiore destro. I movimenti sono stati eseguiti mentre il soggetto era seduto su uno sgabello, per riuscire a mantenere il busto nella con gurazion più statica possibile. Come posizione di riferimen-to statica (`static pose') per eseguire la scalatura del modello in OpenSim (`upper_limb.osim'), il soggetto ha assunto una con gurazione anatomica.
Il sistema di motion capture PhaseSpace è stato calibrato e le telecamere sono state posizionate in una con gurazione opportuna, per eseguire tracking dei LED attaccati al soggetto.
2Il soggetto non presenta alcuna patologia che riguardi l'arto superiore
3Gli oggetti a forma di stella sono stati messi a disposizione dal dipartimento di meccanica, invece le placchette sono custom.
4 Scapola:AI,TS,AA,PC
Marker Set 5 cluster stella Omero abd-adduzione
Tecnico 3 cluster stella Avambraccio esso-estensione
3 cluster barretta Mano mano alla bocca
3 cluster barretta Scapola tocca spalla sx
mano sulla testa mano tasca po-steriore
Tabella 1.3: Marker set selezionato
Il software PhaseSpace di default acquisisce informazioni su un set di 72 LED4. Per riuscire a registrare solo le informazioni dei LED utilizzati è opportuno crearsi un oggetto (`tracker') composto dai solo LED selezionati durante l'acquisizione. Sono state fatte le seguenti registrazioni:
• `posizione anatomica': acquisizione statica con soggetto in con gura-zione anatomica;
• `task 1': acquisizione dinamica con soggetto che esegue abduzione-adduzione con arto destro;
• `task 2': acquisizione dinamica con soggetto che esegue essione-estensione con arto destro;
• `task 3': acquisizione dinmica con soggetto che esegue movimenti di elevazione della scapola;
• `task 4': acquisizione dinmica con soggetto che esegue movimenti ti protrazione e retrazione della scapola;
• `task 5': acquisizione dinamica con soggetto che porta la mano alla bocca;
4I LEDs sono raggruppati in slot di 8 LED ciascuno. Il `Driver LED' ha 6 porte totali, quindi al massimo si possono utilizzare 48 LED. Il valore 72 si raggiunge poichè per ogni porta si hanno 4 LED (in più agli otto) non considerati.
Figura 1.9: Marker set completo utilizzato su soggetto durante la prova sperimentale in laboratorio PhaseSpace.
• `task 6': acquisizione dinamica con soggetto che tocca la sua spalla sinistra con la mano destra;
• `task 7': acquisizione dinamica con soggetto che tocca con la mano la testa;
• `task 8': acquisizione dinamica con soggetto che mette la mano destra nella tasca posteriore.
1.2.2 Passaggio PhaseSpace-OpenSim
Le registrazioni ottenute con il PhaseSpace in formato `.c3d', devono es-sere elaborate con gli `M- le' in Matlab, prima passare alle simulazioni in OpenSim. Sono necessari quindi, altri quattro step (tre in Matlab e uno in OpenSim) per poter portare a compimento la procedura proposta in questo lavoro di tesi.
Primo step Matlab
Il primo step in Matlab prevede di preparati i le `.xml' di input del programma Matlab `Statico.m',necessari per eseguire la scalatura del modello implementato in OpenSim. Al modello `upper_limb.osim' viene inizialmente aggiunto solamente il marker set anatomico virtuale con i marker posizionati
Le altre informazioni utili sono contenute nel `upper_limb_Scale_Tasks.xml' dove vengono de niti i marker del marker set anatomico con il relativi pesi (tag `IKMarkerTask' in gura 1.11). In questo le è possibile inserire manual-mente dei valori dei default per le variabili ai giunti (tag `IKCoordinateTask' in gura 1.11). Ciò comunica allo Scale Tool dell'OpenSim di considerare il modello `upper_limb.osim' in posa statica durante il processo di scalatura.
`
E opportuno scrivere in questa fase di preparazione, un altro le `.xml' (`upper_limb_Scale_MarkerSet_cluster.xml') dove vengono de niti i mar-ker del marmar-ker set tecnico nel sistema di riferimento del ground dell'OpenSim (tag `Marker' in gura 1.12). La posizione dei marker dei cluster nel sistema di riferimento di openSim (tag `body' in gura 1.12) è stata inserita ma-nualmente (tag `location' in gura 1.12). Le coordinate dei LED sono state ottenute eseguendo la trasformazione dal sistema di riferimento globale del PhaseSpace a quello dell'OpenSim.
Figura 1.10: Esempio di le .xml contenente informazioni di setting per lo Scale Tool.
Noto il le `.c3d' della prova statica (`posizione anatomica'), il modello `upper_limb.osim' e i le di setup dello Scale Tool (`upper_limb_Scale_Tasks.xml'
Figura 1.11: File di setting dello Scale Tool (`upper_limb_Scale_Tasks.xml').
e `upper_limb_Scale_MeasurementSet.xml'), è possibile lanciare in Matlab il le `Statico.m'. In output viene fornito il modello OpenSim scalato (`Da-lia_SCALED.osim') che è corredato del solo marker set anatomico. Inoltre viene fornito il le `.trc' con la posizione dei LED attribuiti con la scalature e il le `.mot' con i valori delle variabili ai giunti nella prova statica (`static pose').
Figura 1.12: File di setting con de nizione del Marker Set tecnico.
I passaggi di questo primo step sono riassunti nella gura sottostante.
Secondo step Matlab
Il secondo step in Matlab, consiste nell'aprire il modello `Dalia_SCALED.osim' in OpenSim, porlo nella con gurazione `static pose', aggiungere al modello il
ne deve essere eseguita per tutti i marker dei cluster aggiunti con il le `upper_limb_Scale_MarkerSet_cluster.xml'.
Figura 1.13: Trasformazione coordinate del marker dei cluster tecnico stella dell'avambraccio SA1, dal sistema di riferimento ground di OpenSim alla terna locale del radio.
Dopo l'esecuzione del salvataggio del modello, il `Dalia_SCALED.osim' possiede sia il marker set anatomico che quello dinamico. A questo punto è possibile passare ai successivi step relativi alla simulazione del movimento.
Prima di procedere all'utilizzo del le `Dinamico.m' è necessario crearsi il
le di setup del Inverse Kinematics Tool di OpenSim (`upper_limb_IK_Tasks.xml').
Figura 1.14: File di setting dello Inverse Kinematics Tool (`up-per_limb_IK_Tasks.xml')
Terzo step Matlab
Noto il le `.c3d' dinamico (`task 1', `task2', `task3', `task4', `task5', `ta-sk6', `task7', `task8'), il modello `Dalia_SCALED.osim' corredato di marker set anatomico e marker set tecnico virtuale, e il le di setup del Inverse Ki-nematics Tool (`upper_limb_IK_Tasks.xml'), è possibile eseguire il terzo step, quindi lanciare in Matlab il le `Dinamico.m'.
`
E conveniente inizialmente lanciare la prima parte dell' 'M- le' relativa al controllo degli zeri e interpolazione, per trovare i LEDs da rimuovere. Le rispettive label devono essere inserite nella lista di eliminazione contenuta nella seconda parte del codice di `Dinamico.m'.
Inoltre, deve essere attribuito 'peso' nulla nel le `upper_limb_IK_Tasks.xml' ai marker rimossi.
Il le `Dinamico.m' fornisce in output il le `.trc' con i valori di tutti i marker al variare dei frame, e il le `.mot' con i valori relativi delle variabili ai giunto ottenuti per cinematica inversa.
Caricando `Dinamico.m'OpenSim, `Dalia_SCALED.osim' con marker set anatomico e tecnico virtuali, i le `.mot' del movimento è possibile visualiz-zare la simulazione del task scelto.
Con il le `Dinamico.m' è possibile creare anche i le `.xml' di setup di altri Tool di OpenSim. In questo studio siamo interessati ad avere una stima delle forze muscolari agenti durante il movimento simulato. Per tale motivo è stato fornito in output dal le `Dinamico.m' il le di setup dell' Analyze Tool di
OpenSim che esegue ottimizzazione statica (`Dalia_SCALED_Setup_StaticOptim.xml'). Noto il modello `Dalia_SCALED.osim' con marker set anatomico e
tecni-co virtuali, il le `.mot' del task e il le `Dalia_SCALED_Setup_StaticOptim.xml', è possibile eseguire in OpenSim il quarto step della procedura che consiste in un'analisi dinamica del modello.
Quarto step OpenSim
In OpenSim viene utilizzato, mediante GUI, l' Analyze Tool impostato su Static Optimization, per stimate le forze muscolari agenti durante il task. Note le forze muscolari, sempre con l' Analyze Tool impostato però su Joint Reaction si ottengono dei valori delle forze di reazione ai giunti del modello di arto superiore.
1.3 Risultati dell'applicazione della procedura
1.3.1 Scalatura del modello
Con il processo di scalatura è stato eseguito un passaggio dal soggetto reale al modello del soggetto virtuale.
Il nuovo modello scalato, `Dalia_SCALED.osim', viene utilizzato per tutti gli step successivi della procedura.
Lo Scale Tool ci ha consentito anche di replicare la con gurazione stan-dard di riferimento, posizione anatomica denominata anche `static pose'.
La capacità di scalare il modello fa si che la procedura proposta in questo studio di tesi, possa essere applicata ad altri soggetti, una volta noti i relativi le `.c3d' statici.
Figura 1.15: A sinistra si ha il modello generale `upper_limb.osim' in con -gurazione di default; a destra si ha il modello scalato `Dalia_SCALED.osim' in con gurazione anatomica (`static pose').
1.3.2 Cinematica Inversa
Il le Matlab `Dinamico.m' ha fornito i le `.mot' di tutti i task eseguiti dal soggetto. Tali le di movimento sono stati importati in OpenSim e sono stati simulati dal modello `Dalia_SCALED.osim'.
Particolare attenzione va rivolta ai LED con molti zeri, che non devono essere considirati durante l'operazione di cinematica inversa. Le soglie rela-tive alla quantità di valori nulli presenti nelle coordinate dei LED sono stati ssati, al 40% per i frame nulli totali e al 20% per i frame nulli consecutivi per tutte le acquisizioni.
Nel le relativo al setting del Inverse Kinematics Tool
(`upper_limb_IK_Tasks.xml') va attribuito in valore 0 ai marker che supe-rano le soglie.
A titolo di esempio, in gura 1.16 e 1.17, vengono riportati due plot di seguito uno che riporta l'andamento di un marker di cui si raccomanda la rimozione (`CS2' nel le dell'abduzione) e uno relativo ad un marker su cui è stata eseguita interpolazione.
Figura 1.16: Esempio di LED del cluster placchetta della scapola (`CS2' task abduzione) di cui si raccomanda la rimozione. A sinistra sono riportate le coordinate nel sistema di riferimento del PhaseSpace (mm); a destra le coordinate trasformate nel sistema di riferimento dei OpenSim (m).
Problematiche relative alle simulazioni sono state riscontrate nelle parti iniziali e nali dei le `.mot'. I valori non acquisiti in tali frame delle regi-strazioni non sono stati interpolati o trattati in modo mirato. Ciò provaca nella fase iniziale e nale di alcune simulazioni dei movimenti non reali. Abduzione-Adduzione e Flesso-Estensione
I movimenti elementari di abduzione-adduzione e esso-estensione esegui-ti dal modello `Dalia_SCALED.osim' sono riconoscibili.
L'abduzione-adduzione è molto similare al movimento reale prodotto dal soggetto. Alcuni frame sono riportati in gura 1.18.
Per quanto riguarda la essione si hanno problemi relativamente al mo-vimento dell'angolo inferiore della scapola, che si discosta troppo dal torace. Alcuni frame del movimento sono riportati in gura 1.19.
Durante la fase del check degli zeri del le di registrazione relativo all'ab-duzione, viene consigliata la rimozione di un marker del cluster stella dell'a-vambraccio e di due marker di due punti della scapola (angolo acromiale e processo coracoideo).
Nel caso della esso-estensione i LED di cui viene raccomandata la rimo-zione sono i LED sul giunto sterno-clavicolare e metà della clavicola.
Figura 1.17: Esempio di LED del cluster placchetta della scapola (`CS1' task abduzione) in cui è stata eseguita interpolazione (spline cubica a tratti). A sinistra sono riportate le coordinate nel sistema di riferimento del PhaseSpa-ce (mm); a destra le coordinate trasformate nel sistema di riferimento dei OpenSim (m).
Figura 1.18: Frame task abduzione-adduzione.
Task: Mano bocca, Mano spalla opposta, Mano testa, Mano tasca posteriore
Tutti i task simulati dal modello virtuale scalato sono equiparabili ai movimenti prodotti dal soggetto in laboratorio PhaseSpace.
Alcuni frame relativi ai task `mano bocca', `mano spalla opposta', `mano testa' e `mano tasca posteriore' sono riportati, rispettivamente, nelle seguenti gure 1.20, 1.21, 1.22 e 1.23.
Per i movimenti della spalla e i task della `mano bocca' e `mano spal-la opposta' viene consigliato di rimuovere solo un marker del cluster stelspal-la dell'omero. Nel task relativo alla `mano testa' non deve essere tolto nessun LED. Per quanto riguarda il task `mano tasca posteriore' viene consigliato di rimuovere il LED relativo al punto di repere anatomico stiloide radiale,
Figura 1.20: Frame task mano bocca.
probabilmente oscurato dal corpo del soggetto.
1.3.3 Dinamica Inversa
L' Inverse Dynamics Tool viene fatto girare nella GUI di OpenSim per ogni le `.mot' ottenuto dalla cinematica inversa.
Per ogni frame della registrazione del task viene fornito un valore della coppia agente ai giunti del modello non considerando l'azione delle forza muscolari.
Figura 1.22: Frame task mano testa.
Figura 1.23: Frame task mano tasca posteriore.
In questo studio l'unica forza esterna agente è la forza di gravità5.
Prove preliminari, con un movimento di abduzione da 0 a 90◦ con T = 1
e T = 2 s(Appendice B) e con il modello DAS3, sono state condotte con Inverse Dynamics Tool. Da tali prove è emerso che durante il movimento di abduzione, la forza di gravità agisce principalmente sulla coordinata Z del giunto mentre è circa nullo sulle altre due.
Simulando con il modello `Dalia_SCALED.osim' lo stesso movimento te-st, sono stati ottenuti gli stessi andamenti dei carichi al giunto GH (in gura 1.24 per T = 2 s). `E stato selezionato all'incirca lo stesso range di movimen-to nel le `.mot' del task di abduzione-adduzione. `E stata eseguita dinamica inversa in tale range per poter confrontare i risultati ottenuti con quelli di gura 1.24, ricavati con il movimento teorico.
I valori delle componenti del carico al giunto GH forniti dall' Inverse Dynamics Tool sono riportati in gura 1.25.
Il plot dei carichi tra scapola e omero relativo a tutto il tempo di regi-strazione e a tutto il range di movimento del task di abduzione-adduzione è riportato in gura 1.26.
Per quanto riguarda gli altri task, i plot relativi ai carichi sono
lia_SCALED.osim' agenti durante movimento di abduzione teorico tra 0 e 90◦ di T = 2 s.
Figura 1.25: Carichi al giunto gleno-omerale del modello `Da-lia_SCALED.osim' agenti durante il task abduzione adduzione tra 0 e 90◦.
tati rispettivamente in gura 1.27 per `mano bocca', 1.28 per `mano spalla opposta', 1.29 per `mano testa' e 1.30 per `mano tasca posteriore'.
1.3.4 Forze Muscolari
Per avere una stima delle forze muscolari agenti sul modello
`Dalia_SCALED.osim' durante il task, è stato creato in Matlab il le di setting (`Dalia_SCALED_Setup_StaticOptim.xml') dello Analyze Tool per eseguire l'ottimizzazione statica.
Dalla GUI di OpenSim è stato fatto girare il Tool che ha fornito in output una stima dei valori di attivazione delle bre muscolari, della potenza di attivazione, della forza delle bre, informazioni sulle lunghezze muscolari, velocità di contrazione e momenti agenti ai giunti.
Per quanto riguarda il settaggio dei parametri muscolari sono stati man-tenuti i valori di default riportati nei modelli di arto superiore implementati in OpenSim. Ad esempio la forza massima isometrica è pari a 546 N, la lunghezza ottimale della bra a 0.0535 m, l'angolo di pennazione è nullo, il
Figura 1.26: Carichi al giunto gleno-omerale del task Abduzione-Adduzione.
Figura 1.27: Carichi al giunto gleno-omerale del task `mano bocca'.
massimo allungamento del tendine alla massima forza isometrica muscolare è di 0.033 N mentre l'allungamento passivo del muscolo sempre alla massima forza isometrica muscolare è di 0.6 N. Per ogni muscolo è possibile associare a tali paramentri valori dierenti.
I muscoli più complessi sono suddivisi in più elementi muscolari. Per ogni parte di muscolo vengono indicata la localizzazione dei punti caratte-ristici, ad esempio insersione e origine, dell'elemento muscolare nel corpo di appartenenza.
Figura 1.30: Carichi al giunto gleno-omerale del task `mano tasca posteriore'.
1.3.5 Reazione al giunto gleno-omerale
Il calcolo delle rezioni al giunto gleno-omerale nel modello
`Dalia_SCALED.osim' durante i task, è stato eseguito mediante GUI Open-Sim, per mezzo del Analyze Tool.
Note le forze muscolari dall'ottimizzazione statica, sono stati ricavati i valori delle forze di reazione esercitate dalla scapola sulla testa dell'omero in tutti i frame simulati.
Le forze di reazioni sono state stimate considerando la gravità come unica forza esterna.
Dato che le forze muscolari non sono state valutate in mariera appro-priata, è presumibile che i valori delle reazioni al giunto gleno-omerale non rispecchieranno i valori reali.
I plot che mostrano gli andamenti dei risultati ottenuti dal Analyze Tool per quanto riguarda la reazione al giunto gleno-omerale duranti alcuni task, sono riportati di seguito.
Nonostante i valori non siano accettabili, gli andamenti riportati per i task sembrano abbastanza ragionevoli. La componente della forza di reazione al
reazione al giunto GH.
Nel task `mano spalla opposta', le componenti raggiungono valori minimi quando la spalla sinistra viene raggiunta dalla mano destra.
La componente y della forza di reazione nel giunto GH nel task `mano in testa', raggiunge il suo valore massimo nella con gurazione in cui la mano tocca la testa.
In ne nel task `mano tasca opposta' è possibile individuare due istanti (all'incirca t = 2 s e t = 6, 6 s) dove il modello ha la stessa con gurazione. In tali punti la componente x della reazione ha due minimi relativi, e le componenti y ha due massimi. A questi istanti l'omero si trova nella posizione di abduzione massima di tutta la durata del task `mano tasca opposta'.
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