Analsi biomeccanica di protesi transtibiali: dai test sulle componenti all'analisi del movimento in pazienti durante postura, cammino e corsa

L’elaborato propone una descrizione generale dei dispositivi protesici transtibiali, dalla storia, al processo di protesizzazione dei pazienti amputati alla struttura costitutiva modulare. Particolare importanza viene, inoltre, conferita all’analisi biomeccanica del movimento, della quale è data descrizione delle tecniche, della strumentazione, e dei risultati che vengono ottenuti nelle indagini di soggetti amputati rispetto alle persone normodotate. Considerazioni sulla biomeccanica di pazienti protesizzati transtibialmente offrono interessanti spunti di riflessione sulle componenti meccaniche, idrauliche ed elettroniche dei dispositivi modulari, delle quali si descrive in modo completo la struttura e il funzionamento, facendo riferimento ai brevetti tecnici più noti. Verranno, infine, riportati risultati di recenti studi e ricerche che evidenziano come l’utilizzo nei moduli prostesici transtibiali di caviglie idrauliche a controllo elettronico dello smorzamento sia la soluzione ottimale per ottenere risultati biomeccanicamente migliori, sia dal punto di vista dell’efficienza del movimento che per quanto riguarda l’equilibrio.

Sviluppo del simulatore ALCHEMIST per la modellazione di movimento cellulare

La tesi ha avuto come obiettivo l’estensione dell’incarnazione biochimica del simulatore Alchemist, cioè di quella parte del simulatore dedicata alla modellazione di ambienti multicellulari. L'estensione si è focalizzata sullo sviluppo delle necessarie astrazioni per modellare il movimento cellulare, un fenomeno che riveste una grande importanza in molti eventi di rilevanza biologica e fisiologica. A tal scopo si è definito, e implementato sulla piattaforma ALCHEMIST, un modello di: 1) giunzione cellulare 2) estensione spaziale della cellula 3) ambiente cellulare 4) interazione meccanica. Sono infatti questi quattro elementi chiave necessari per la riproduzione il più fedele possibile dei fenomeni biologici associati al movimento cellulare. Al fine di validare il modello e l'implementazione si sono infine sviluppati alcuni test, tra cui, nei principali, viene riprodotto il fenomeno della chemiotassi e l'inseguimento neutrofilo-batterio.

Il Moto Browniano Matematico

Nella tesi viene presentata la definizione assiomatica del moto browniano, che ha le sue basi nella teoria della probabilità, come risulta naturale, essendo il moto browniano l'immagine macroscopica che emerge dallo spostamento casuale di una particella che si muove in uno spazio d-dimensionale senza compiere salti eccessivamente grandi. Perciò preliminarmente si propone la descrizione dello spazio di probabilità in cui si lavora, in particolare si costruisce una misura di probabilità, detta misura di Wiener. Quindi si dà prova dell'effettiva esistenza del moto browniano attraverso due diverse argomentazioni, che fanno riferimento l’una a Paley e Wiener, l'altra a Lévy. Nel primo caso la costruzione del moto browniano è basata sull'utilizzo di variabili aleatorie complesse con distribuzione gaussiana e di serie convergenti in L^2 e adopera risultati della teoria delle serie di Fourier; nel secondo caso il moto browniano è costruito come limite uniforme di funzioni continue. Infine si analizzano le principali caratteristiche matematiche del moto browniano, in particolare le proprietà di continuità Holder, di non monotonia e di non differenziabilità.

Analisi dell'attività muscolare del deltoide nel movimento di reaching tramite elettromiografia ad alta densità e monopoli simulati

La seguente tesi è stata sviluppata all’interno del progetto Neurograsp il cui obiettivo è individuare una correlazione tra l’attività muscolare e l’attivazione delle diverse aree corticali. Sono state impiegate diverse tecniche per acquisire segnali dal soggetto durante il task motorio da lui eseguito e questa tesi è incentrata sull’analisi dei dati acquisiti tramite Elettromiografia ad alta densità. I segnali elaborati sono quelli relativi all’attività muscolare di deltoide anteriore e posteriore, muscoli essenziali per il movimento di reaching. Il seguente lavoro è incentrato sull’elaborazione dei dati grezzi dall’HD-EMG e sulla loro rappresentazione con lo scopo di trarre conclusioni riguardo i pattern dell’attività muscolare e l’apprendimento motorio. In definitiva l’analisi qui descritta mira a descrivere nel contesto del progetto Neurograsp come si comportano i deltoidi riportando in dettaglio esempi dei risultati più significativi.

Radar FMCW per la rilevazione di ostacoli in movimento

Lo scopo di questa attività di tesi è quello di rilevare dinamicamente la posizione di ostacoli mediante radar FMCW. I radar a onda continua modulati in frequenza sono alla base dei moderni sensori in ambito automotive, in quanto consentono allo stesso tempo di rilevare la distanza, l’angolazione e la velocità di un corpo detto target analizzando gli scostamenti temporali e in frequenza tra i segnali (detti chirp) trasmessi e quelli riflessi dai corpi. Nel lavoro di tesi si analizza sperimentalmente come il radar a onda continua MIMO (multiple input multiple output) RBK2, presente presso il laboratorio TLC del Campus di Cesena, può essere utilizzato per ricavare la velocità relativa di un target, che si avvicina o si allontana dal radar. Innanzitutto, vengono settati i parametri per l’acquisizione e per il processing necessario per ottenere una matrice Angolo-Range che caratterizza staticamente il target. Il mixer interno al radar, a seguito della ricezione di un segnale di eco, produce un segnale a frequenza intermedia il cui spettro presenta un picco in corrispondenza della distanza del target che lo ha riflesso. A questo punto si conosce la posizione del corpo e si procede con la stima della velocità sfruttando l’effetto Doppler: analizzando i chirp riflessi dallo stesso target in istanti successivi si ottengono una serie di picchi nella stessa posizione ma con fasi differenti, e da tale sfasamento si ricava la componente radiale della velocità del target. Sono stati studiati sia il caso di misure outdoor che quello di misure indoor, infine è stato elaborato un codice Matlab in grado di fornire un feedback riguardante una possibile collisione in seguito alla stima della velocità del corpo. Tale tecnologia gioca quindi un ruolo fondamentale nell’ambito della sicurezza stradale potendo prevenire incidenti.

Il ruolo del controllo posturale per il movimento selettivo degli arti superiori attraverso la facilitazione con trunk constraint nel paziente neurologico: case report

Background Recentemente la letteratura scientifica ha dimostrato come un corretto controllo posturale faciliti i movimenti dell’arto superiore. Ci sono evidenze secondo cui, applicando al paziente dei contenimenti sul tronco, si ha un miglioramento della funzionalità dell’arto superiore. Obiettivi L’obiettivo principale della tesi era quello di verificare come il sostegno del tronco con l’utilizzo di una stabile struttura assiale, attraverso un supporto esterno definito “trunk constraint”, incrementi il controllo posturale, per facilitare i movimenti frazionati degli arti superiori in persone con esiti di patologie neurologiche. Materiali e metodi Il caso clinico riguarda un uomo di 60 anni con esiti di emiparesi sinistra da ictus ischemico destro. E’ stato eseguito un protocollo di dieci sessioni di trattamento, di un’ora ciascuna, in cui veniva applicata la facilitazione attraverso trunk constraint in diversi setting riabilitativi. I dati sono stati raccolti tramite le scale: Trunk Control Test, Trunk Impairment Scale e Fugl-Meyer Assessment. Inoltre, è stata eseguita l’analisi osservazionale, attraverso videoripresa, di un gesto funzionale dell’arto superiore. Risultati I dati rilevati dimostrano degli effetti positivi rispetto alle ipotesi di partenza. Infatti sono stati riscontrati miglioramenti negli item delle scale somministrate e nella valutazione qualitativa dell’arto superiore. In particolare, si è evidenziato un miglioramento nel controllo del tronco nella scala Trunk Control Test e nella Trunk Impairment Scale e della funzione dell’arto superiore alla scala Fugl-Meyer Assessment. L’analisi osservazionale dei video dimostra un miglioramento del timing di attivazione durante la fase di reaching. Conclusioni I risultati ottenuti supportano il fatto che un incremento dell’attività antigravitaria del tronco, anche attraverso supporti esterni come la trunk constraint, possono facilitare un miglioramento funzionale dell’arto superiore.

Identificazione degli eventi temporali da misure inerziali nel movimento di reaching

Background L’identificazione degli eventi temporali permette nell’analisi del movimento di valutare la qualità del gesto motorio e si offre in aiuto alla formulazione di diagnosi cliniche, valutazioni di un percorso riabilitativo e in ambito ortopedico per la creazione di protesi. L’uso sempre più diffuso dei sensori inerziali nell’analisi del movimento ha portato alla nascita di numerosi algoritmi per identificare gli eventi temporali; tuttavia, molti di questi sono stati sviluppati per la ricerca dei gate event sull’analisi del cammino, mentre non sono molti quelli dedicati allo studio dell’arto superiore, dove il reaching è il task motorio più studiato. Obiettivo tesi Proporre un metodo per l’identificazione degli eventi temporali su movimento di reaching con l’uso di soli sensori inerziali. Metodo All’interno del progetto Neurograsp, che è uno studio di analisi del movimento di reaching condotto presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione Guglielmo Marconi sono stati considerati i dati relativi alla stereofotogrammetria e ai sensori inerziali. L’analisi ha riguardato tre soggetti sani destrorsi. È stato considerato il sistema di stereofotogrammetria come gold standard con cui si sono rilevati gli eventi temporali ricercati del task motorio e successivamente si è implementato un metodo per identificare gli stessi eventi temporali tramite l’uso dei soli sensori inerziali. L’analisi è terminata con il confronto dei risultati. Risultati Si sono effettuate le analisi dei risultati in termini di classificazione dei times individuati dall’algoritmo come corretti, falsi positivi o falsi negativi e sulla quantificazione dell’errore assoluto sui valori identificati correttamente.

Costruzione del moto browniano

Il moto browniano è un argomento estremamente importante nella teoria della probabilità ed è alla base di molti modelli matematici che studiano fenomeni aleatori, in ambiti come la biologia, l'economia e la fisica. In questa tesi si affronta il problema dell'esistenza del moto browniano con un approccio differente rispetto a quello più tradizionale che utilizza il Teorema di estensione di Kolmogorov e il Teorema di continuità di Kolmogorov-Chentsov. Verranno presentate due costruzioni diverse. Con la prima, detta di Lévy-Ciesielski, si otterrà il moto browniano come limite di una successione di processi stocastici continui definiti ricorsivamente. Con la seconda, il moto browniano verrà costruito tramite la convergenza in legge di passeggiate aleatorie interpolate e riscalate, mediante il cosiddetto principio di invarianza di Donsker. Grazie a quest'ultima costruzione si potrà in particolare definire la misura di Wiener.