3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

Motion control and real-time systems: an approach to trajectory rebuilding in non-deterministic networks

Motion control is a sub-field of automation, in which the position and/or velocity of machines are controlled using some type of device. In motion control the position, velocity, force, pressure, etc., profiles are designed in such a way that the different mechanical parts work as an harmonious whole in which a perfect synchronization must be achieved. The real-time exchange of information in the distributed system that is nowadays an industrial plant plays an important role in order to achieve always better performance, better effectiveness and better safety. The network for connecting field devices such as sensors, actuators, field controllers such as PLCs, regulators, drive controller etc., and man-machine interfaces is commonly called fieldbus. Since the motion transmission is now task of the communication system, and not more of kinematic chains as in the past, the communication protocol must assure that the desired profiles, and their properties, are correctly transmitted to the axes then reproduced or else the synchronization among the different parts is lost with all the resulting consequences. In this thesis, the problem of trajectory reconstruction in the case of an event-triggered communication system is faced. The most important feature that a real-time communication system must have is the preservation of the following temporal and spatial properties: absolute temporal consistency, relative temporal consistency, spatial consistency. Starting from the basic system composed by one master and one slave and passing through systems made up by many slaves and one master or many masters and one slave, the problems in the profile reconstruction and temporal properties preservation, and subsequently the synchronization of different profiles in network adopting an event-triggered communication system, have been shown. These networks are characterized by the fact that a common knowledge of the global time is not available. Therefore they are non-deterministic networks. Each topology is analyzed and the proposed solution based on phase-locked loops adopted for the basic master-slave case has been improved to face with the other configurations.

Improved ground motion intensity measures for reliability-based demand analysis of structures

In Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE), evaluating the seismic performance (or seismic risk) of a structure at a designed site has gained major attention, especially in the past decade. One of the objectives in PBEE is to quantify the seismic reliability of a structure (due to the future random earthquakes) at a site. For that purpose, Probabilistic Seismic Demand Analysis (PSDA) is utilized as a tool to estimate the Mean Annual Frequency (MAF) of exceeding a specified value of a structural Engineering Demand Parameter (EDP). This dissertation focuses mainly on applying an average of a certain number of spectral acceleration ordinates in a certain interval of periods, Sa,avg (T1,…,Tn), as scalar ground motion Intensity Measure (IM) when assessing the seismic performance of inelastic structures. Since the interval of periods where computing Sa,avg is related to the more or less influence of higher vibration modes on the inelastic response, it is appropriate to speak about improved IMs. The results using these improved IMs are compared with a conventional elastic-based scalar IMs (e.g., pseudo spectral acceleration, Sa ( T(¹)), or peak ground acceleration, PGA) and the advanced inelastic-based scalar IM (i.e., inelastic spectral displacement, Sdi). The advantages of applying improved IMs are: (i ) "computability" of the seismic hazard according to traditional Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA), because ground motion prediction models are already available for Sa (Ti), and hence it is possibile to employ existing models to assess hazard in terms of Sa,avg, and (ii ) "efficiency" or smaller variability of structural response, which was minimized to assess the optimal range to compute Sa,avg. More work is needed to assess also "sufficiency" and "scaling robustness" desirable properties, which are disregarded in this dissertation. However, for ordinary records (i.e., with no pulse like effects), using the improved IMs is found to be more accurate than using the elastic- and inelastic-based IMs. For structural demands that are dominated by the first mode of vibration, using Sa,avg can be negligible relative to the conventionally-used Sa (T(¹)) and the advanced Sdi. For structural demands with sign.cant higher-mode contribution, an improved scalar IM that incorporates higher modes needs to be utilized. In order to fully understand the influence of the IM on the seismis risk, a simplified closed-form expression for the probability of exceeding a limit state capacity was chosen as a reliability measure under seismic excitations and implemented for Reinforced Concrete (RC) frame structures. This closed-form expression is partuclarly useful for seismic assessment and design of structures, taking into account the uncertainty in the generic variables, structural "demand" and "capacity" as well as the uncertainty in seismic excitations. The assumed framework employs nonlinear Incremental Dynamic Analysis (IDA) procedures in order to estimate variability in the response of the structure (demand) to seismic excitations, conditioned to IM. The estimation of the seismic risk using the simplified closed-form expression is affected by IM, because the final seismic risk is not constant, but with the same order of magnitude. Possible reasons concern the non-linear model assumed, or the insufficiency of the selected IM. Since it is impossibile to state what is the "real" probability of exceeding a limit state looking the total risk, the only way is represented by the optimization of the desirable properties of an IM.

Spatial mechanisms for modelling the human ankle passive motion

Knowledge on how ligaments and articular surfaces guide passive motion at the human ankle joint complex is fundamental for the design of relevant surgical treatments. The dissertation presents a possible improvement of this knowledge by a new kinematic model of the tibiotalar articulation. In this dissertation two one-DOF spatial equivalent mechanisms are presented for the simulation of the passive motion of the human ankle joint: the 5-5 fully parallel mechanism and the fully parallel spherical wrist mechanism. These mechanisms are based on the main anatomical structures of the ankle joint, namely the talus/calcaneus and the tibio/fibula bones at their interface, and the TiCaL and CaFiL ligaments. In order to show the accuracy of the models and the efficiency of the proposed procedure, these mechanisms are synthesized from experimental data and the results are compared with those obtained both during experimental sessions and with data published in the literature. Experimental results proved the efficiency of the proposed new mechanisms to simulate the ankle passive motion and, at the same time, the potentiality of the mechanism to replicate the ankle’s main anatomical structures quite well. The new mechanisms represent a powerful tool for both pre-operation planning and new prosthesis design.

Development of motion analysis protocols based on inertial sensors

The aim of this thesis was to describe the development of motion analysis protocols for applications on upper and lower limb extremities, by using inertial sensors-based systems. Inertial sensors-based systems are relatively recent. Knowledge and development of methods and algorithms for the use of such systems for clinical purposes is therefore limited if compared with stereophotogrammetry. However, their advantages in terms of low cost, portability, small size, are a valid reason to follow this direction. When developing motion analysis protocols based on inertial sensors, attention must be given to several aspects, like the accuracy of inertial sensors-based systems and their reliability. The need to develop specific algorithms/methods and software for using these systems for specific applications, is as much important as the development of motion analysis protocols based on them. For this reason, the goal of the 3-years research project described in this thesis was achieved first of all trying to correctly design the protocols based on inertial sensors, in terms of exploring and developing which features were suitable for the specific application of the protocols. The use of optoelectronic systems was necessary because they provided a gold standard and accurate measurement, which was used as a reference for the validation of the protocols based on inertial sensors. The protocols described in this thesis can be particularly helpful for rehabilitation centers in which the high cost of instrumentation or the limited working areas do not allow the use of stereophotogrammetry. Moreover, many applications requiring upper and lower limb motion analysis to be performed outside the laboratories will benefit from these protocols, for example performing gait analysis along the corridors. Out of the buildings, the condition of steady-state walking or the behavior of the prosthetic devices when encountering slopes or obstacles during walking can also be assessed. The application of inertial sensors on lower limb amputees presents conditions which are challenging for magnetometer-based systems, due to ferromagnetic material commonly adopted for the construction of idraulic components or motors. INAIL Prostheses Centre stimulated and, together with Xsens Technologies B.V. supported the development of additional methods for improving the accuracy of MTx in measuring the 3D kinematics for lower limb prostheses, with the results provided in this thesis. In the author’s opinion, this thesis and the motion analysis protocols based on inertial sensors here described, are a demonstration of how a strict collaboration between the industry, the clinical centers, the research laboratories, can improve the knowledge, exchange know-how, with the common goal to develop new application-oriented systems.

Kinematic description of the rupture from strong motion data: strategies for a robust inversion

We present a non linear technique to invert strong motion records with the aim of obtaining the final slip and rupture velocity distributions on the fault plane. In this thesis, the ground motion simulation is obtained evaluating the representation integral in the frequency. The Green’s tractions are computed using the discrete wave-number integration technique that provides the full wave-field in a 1D layered propagation medium. The representation integral is computed through a finite elements technique, based on a Delaunay’s triangulation on the fault plane. The rupture velocity is defined on a coarser regular grid and rupture times are computed by integration of the eikonal equation. For the inversion, the slip distribution is parameterized by 2D overlapping Gaussian functions, which can easily relate the spectrum of the possible solutions with the minimum resolvable wavelength, related to source-station distribution and data processing. The inverse problem is solved by a two-step procedure aimed at separating the computation of the rupture velocity from the evaluation of the slip distribution, the latter being a linear problem, when the rupture velocity is fixed. The non-linear step is solved by optimization of an L2 misfit function between synthetic and real seismograms, and solution is searched by the use of the Neighbourhood Algorithm. The conjugate gradient method is used to solve the linear step instead. The developed methodology has been applied to the M7.2, Iwate Nairiku Miyagi, Japan, earthquake. The estimated magnitude seismic moment is 2.6326 dyne∙cm that corresponds to a moment magnitude MW 6.9 while the mean the rupture velocity is 2.0 km/s. A large slip patch extends from the hypocenter to the southern shallow part of the fault plane. A second relatively large slip patch is found in the northern shallow part. Finally, we gave a quantitative estimation of errors associates with the parameters.

New mechanisms for modelling the motion of the human ankle complex

The relevance of human joint models was shown in the literature. In particular, the great importance of models for the joint passive motion simulation (i.e. motion under virtually unloaded conditions) was outlined. They clarify the role played by the principal anatomical structures of the articulation, enhancing the comprehension of surgical treatments, and in particular the design of total ankle replacement and ligament reconstruction. Equivalent rigid link mechanisms proved to be an efficient tool for an accurate simulation of the joint passive motion. This thesis focuses on the ankle complex (i.e. the anatomical structure composed of the tibiotalar and the subtalar joints), which has a considerable role in human locomotion. The lack of interpreting models of this articulation and the poor results of total ankle replacement arthroplasty have strongly suggested devising new mathematical models capable of reproducing the restraining function of each structure of the joint and of replicating the relative motion of the bones which constitute the joint itself. In this contest, novel equivalent mechanisms are proposed for modelling the ankle passive motion. Their geometry is based on the joint’s anatomical structures. In particular, the role of the main ligaments of the articulation is investigated under passive conditions by means of nine 5-5 fully parallel mechanisms. Based on this investigation, a one-DOF spatial mechanism is developed for modelling the passive motion of the lower leg. The model considers many passive structures constituting the articulation, overcoming the limitations of previous models which took into account few anatomical elements of the ankle complex. All the models have been identified from experimental data by means of optimization procedure. Then, the simulated motions have been compared to the experimental one, in order to show the efficiency of the approach and thus to deduce the role of each anatomical structure in the ankle kinematic behavior.

Subject-specific musculoskeletal models of the lower limbs for the prediction of skeletal loads during motion

The determination of skeletal loading conditions in vivo and their relationship to the health of bone tissues, remain an open question. Computational modeling of the musculoskeletal system is the only practicable method providing a valuable approach to muscle and joint loading analyses, although crucial shortcomings limit the translation process of computational methods into the orthopedic and neurological practice. A growing attention focused on subject-specific modeling, particularly when pathological musculoskeletal conditions need to be studied. Nevertheless, subject-specific data cannot be always collected in the research and clinical practice, and there is a lack of efficient methods and frameworks for building models and incorporating them in simulations of motion. The overall aim of the present PhD thesis was to introduce improvements to the state-of-the-art musculoskeletal modeling for the prediction of physiological muscle and joint loads during motion. A threefold goal was articulated as follows: (i) develop state-of-the art subject-specific models and analyze skeletal load predictions; (ii) analyze the sensitivity of model predictions to relevant musculotendon model parameters and kinematic uncertainties; (iii) design an efficient software framework simplifying the effort-intensive phases of subject-specific modeling pre-processing. The first goal underlined the relevance of subject-specific musculoskeletal modeling to determine physiological skeletal loads during gait, corroborating the choice of full subject-specific modeling for the analyses of pathological conditions. The second goal characterized the sensitivity of skeletal load predictions to major musculotendon parameters and kinematic uncertainties, and robust probabilistic methods were applied for methodological and clinical purposes. The last goal created an efficient software framework for subject-specific modeling and simulation, which is practical, user friendly and effort effective. Future research development aims at the implementation of more accurate models describing lower-limb joint mechanics and musculotendon paths, and the assessment of an overall scenario of the crucial model parameters affecting the skeletal load predictions through probabilistic modeling.