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.

Studio numerico e sperimentale delle miscele di aggregati per i conglomerati bituminosi

I crescenti volumi di traffico che interessano le pavimentazioni stradali causano sollecitazioni tensionali di notevole entità che provocano danni permanenti alla sovrastruttura. Tali danni ne riducono la vita utile e comportano elevati costi di manutenzione. Il conglomerato bituminoso è un materiale multifase composto da inerti, bitume e vuoti d'aria. Le proprietà fisiche e le prestazioni della miscela dipendono dalle caratteristiche dell'aggregato, del legante e dalla loro interazione. L’approccio tradizionalmente utilizzato per la modellazione numerica del conglomerato bituminoso si basa su uno studio macroscopico della sua risposta meccanica attraverso modelli costitutivi al continuo che, per loro natura, non considerano la mutua interazione tra le fasi eterogenee che lo compongono ed utilizzano schematizzazioni omogenee equivalenti. Nell’ottica di un’evoluzione di tali metodologie è necessario superare questa semplificazione, considerando il carattere discreto del sistema ed adottando un approccio di tipo microscopico, che consenta di rappresentare i reali processi fisico-meccanici dai quali dipende la risposta macroscopica d’insieme. Nel presente lavoro, dopo una rassegna generale dei principali metodi numerici tradizionalmente impiegati per lo studio del conglomerato bituminoso, viene approfondita la teoria degli Elementi Discreti Particellari (DEM-P), che schematizza il materiale granulare come un insieme di particelle indipendenti che interagiscono tra loro nei punti di reciproco contatto secondo appropriate leggi costitutive. Viene valutata l’influenza della forma e delle dimensioni dell’aggregato sulle caratteristiche macroscopiche (tensione deviatorica massima) e microscopiche (forze di contatto normali e tangenziali, numero di contatti, indice dei vuoti, porosità, addensamento, angolo di attrito interno) della miscela. Ciò è reso possibile dal confronto tra risultati numerici e sperimentali di test triassiali condotti su provini costituiti da tre diverse miscele formate da sfere ed elementi di forma generica.

Diversity of the proximal femur in humans: morphological variations of the head-neck junction

The proximal femur is a high-diversity region of the human skeleton, especially at the anterior junction between head and neck, where various bony morphologies have been recognized since mid nineteenth century. Classical literature on this topic is chaotic and contradictory, making almost impossible the comparison of data from different researches. Starting from an extensive bibliographic review, the first standardized method to score these traits has been created. This method allows representing both the anatomical diversity of the region already described in literature and a part of variability not considered before, giving few and univocal definitions and allowing to collect comparable data. The method has been applied to three identified and five archaeological European skeletal collections, with the aim of investigating the distribution of these features by sex, age and side, in different places and time periods. It has also been applied to 3D digital reconstructions of femurs from CT scan files of coxo-femoral joints from fresh cadavers. In addition to the osseous traits described in the standardized method, the presence and frequency of some features known as herniation pits have been scored both on bones and on CT scans. The various osseous traits of the proximal femur are present at similar frequencies in skeletal samples from different countries and different historical periods, even if with clear local differentiation. Some of the features examined show significant trends related to their distribution by gender and age. Some hypotheses are proposed about the etiology of these morphologies and their possible implication with the acquisition of bipedalism in Humans. It is therefore highlighted the possible relation of some of these traits with the development of disorders of the hip joint. Moreover, it is not recommended the use of any of these features as a specific activity-related marker.

Effects of temperature and acidity on Mediterranean benthic calcifiers, in the face of globale climate change

The Mediterranean Sea is expected to react faster to global change compared to the ocean and is already showing more pronounced warming and acidification rates. A study performed along the Italian western coast showed that porosity of the skeleton increases with temperature in the zooxanthellate (i.e. symbiotic with unicellular algae named zooxanthellae) solitary scleractinian Balanophyllia europaea while it does not vary with temperature in the solitary non-zooxanthellate Leptopsammia pruvoti. These results were confirmed by another study that indicated that the increase in porosity was accompanied by an increase of the fraction of the largest pores in the pore-space, perhaps due to an inhibition of the photosynthetic process at elevated temperatures, causing an attenuation of calcification. B. europaea, L. pruvoti and the colonial non-zooxanthellate Astroides calycularis, transplanted along a natural pH gradient, showed that high temperature exacerbated the negative effect of lowered pH on their mortality rates. The growth of the zooxanthellate species did not react to reduced pH, while the growth of the two non-zooxanthellate species was negatively affected. Reduced abundance of naturally occurring B. europaea, a mollusk, a calcifying and a non-calcifying macroalgae were observed along the gradient while no variation was seen in the abundance of a calcifying green alga. With decreasing pH, the mineralogy of the coral and mollusk did not change, while the two calcifying algae decreased the content of aragonite in favor of the less soluble calcium sulphates and whewellite (calcium oxalate), possibly as a mechanism of phenotypic plasticity. Increased values of porosity and macroporosity with CO2 were observed in B. europaea specimens, indicating reduces the resistance of its skeletons to mechanical stresses with increasing acidity. These findings, added to the negative effect of temperature on various biological parameters, generate concern on the sensitivity of this zooxanthellate species to the envisaged global climate change scenarios.

In vitro study of the osteocytes response to hypoxia and their regulation of bone homeostasis

Bone remodelling is a fundamental mechanism for removing and replacing bone during adaptation of the skeleton to mechanical loads. Skeletal unloading leads to severe hypoxia (1%O2) in the bone microenvironment resulting in imbalanced bone remodelling that favours bone resorption. Hypoxia, in vivo, is a physiological condition for osteocytes, 5% O2 is more likely physiological for osteocytes than 20% O2, as osteocytes are embedded deep inside the mineralized bone matrix. Osteocytes are thought to be the mechanosensors of bone and have been shown to orchestrate bone formation and resorption. Oxygen-deprived osteocytes seem undergo apoptosis and actively stimulate osteoclasts. Hypoxia and oxidative stress increase 150-kDa oxygen-regulated protein (ORP 150) expression in different cell types. It is a novel endoplasmic-reticulum-associated chaperone induced by hypoxia/ischemia. It well known that ORP 150 plays an important role in the cellular adaptation to hypoxia, as anti-apoptotic factor, and seems to be involved in osteocytes differentiations. The aims of the present study are 1) to determine the cellular and molecular response of the osteocytes at two different conditions of oxygen deprivation, 1% and 5% of O2 compared to the atmospheric oxygen concentration at several time points. 2) To clarify the role of hypoxic osteocytes in bone homeostasis through the detection of releasing of soluble factors (RANKL, OPG, PGE2 and Sclerostin). 3) To detect the activation of osteoclast and osteoblast induced by condition media collected from hypoxic and normoxic osteocytes. The data obtained in this study shows that hypoxia compromises the viability of osteocytes and induces apoptosis. Unlike in other cells types, ORP 150 in MLO-Y4 does not seem to be regulated early during hypoxia. The release of soluble factors and the evaluation of osteoclast and osteoblast activation shows that osteocytes, grown under severe oxygen deprivation, play a role in the regulation of both bone resorption and bone formation.