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.

Analisi del cammino in acqua tramite sensori inerziali: Accuratezza strumentale e fasce di normalita

La biocinematica è una branca della biomeccanica che studia il movimento dei segmenti corporei senza considerare le cause che lo determinano. Le grandezze fisiche di interesse (posizione, velocità ed accelerazione) vengono determinate grazie ai sistemi di analisi del movimento che sfruttano principi fisici di funzionamento differenti con vari gradi di invasività. Lo sviluppo di nuove tecnologie di costruzione dei sensori inerziali, ha fornito una valida alternativa alle tecniche classiche per l’analisi del movimento umano. Gli IMUs (Inertial Measurement Units) sono facilmente indossabili, possono essere facilmente utilizzati fuori dal laboratorio, hanno un costo molto inferiore rispetto a quello dei sistemi opto-elettronici, non richiedono particolari abilità per essere utilizzati dall’utente e si configurano facilmente. In questa tesi verrà analizzato il cammino e costruite le bande di normalità sia in laboratorio che in acqua tramite i sensori inerziali. L’utilizzo in acqua delle tecniche classiche di analisi del movimento presenta dei problemi di accuratezza (legati ad esempio alla presenza delle bolle d’aria in acqua) che impediscono di effettuare un confronto tra i risultati ottenuti dai sensori e quelli ottenuti con un gold standard. Per questo motivo, è stato implementato un test per valutare l’accuratezza dei sensori e l’influenza dei disturbi magnetici sui magnetometri nelle stesse condizioni ambientali in cui si desidera registrare il cammino. Quest’analisi strumentale ha consentito anche di individuare, tra i diversi algoritmi di fusione utilizzati (algoritmo di fabbrica e algoritmo di Madgwick), quello da impiegare nell’analisi del suddetto task motorio per stimare in maniera più accurata l’orientamento dei sensori in acqua e in laboratorio. L'algoritmo di fabbrica viene escluso dal processo di sensor fusion poiché mostra un'accuratezza peggiore rispetto all'algoritmo di Madgwick. Dal momento che il protocollo implementato di analisi del cammino attraverso i sensori inerziali è già stato validato a secco e che le prestazioni dei sensori sono analoghe a secco e in acqua, il protocollo può essere utilizzato per la stima della cinematica degli arti inferiori nell'acqua. Le differenze riscontrate tra le curve del cammino sono da imputare sia alla diversa condizione ambientale che alla minore velocità di progressione che i soggetti manifestano in acqua. Infatti, la velocità media di progressione è 151.1 cm/s in laboratorio e 40.7 cm/s in acqua.

Stima ottimale del guadagno del filtro di Kalman per l'analisi del cammino tramite sensori inerziali

L’analisi del movimento ha acquisito, soprattutto negli ultimi anni, un ruolo fondamentale in ambito terapeutico e riabilitativo. Infatti una dettagliata analisi del movimento di un paziente permette la formulazione di diagnosi dettagliate e l’adozione di un adeguato trattamento terapeutico. Inoltre sistemi di misura del movimento sono utilizzati anche in ambito sportivo, ad esempio come strumento di supporto per il miglioramento delle prestazioni e la prevenzione dell’infortunio. La cinematica è la branca della biomeccanica che si occupa di studiare il movimento, senza indagare le cause che lo generano e richiede la conoscenza delle variabili cinematiche caratteristiche. Questa tesi si sviluppa nell’ambito dell’analisi della cinematica articolare per gli arti inferiori durante il cammino, mediante l’utilizzo di Unità di Misura Magnetico-Inerziali, o IMMU, che consistono nella combinazione di sensori inerziali e magnetici. I dati in uscita da accelerometri, giroscopi e magnetometri vengono elaborati mediante un algoritmo ricorsivo, il filtro di Kalman, che fornisce una stima dell’orientamento del rilevatore nel sistema di riferimento globale. Lo scopo di questa tesi è quello di ottimizzare il valore del guadagno del filtro di Kalman, utilizzando un algoritmo open-source implementato da Madgwick. Per ottenere il valore ottimale è stato acquisito il cammino di tre soggetti attraverso IMMU e contemporaneamente tramite stereofotogrammetria, considerata come gold standard. Il valore del guadagno che permette una vicinanza maggiore con il gold standard viene considerato il valore ottimale da utilizzare per la stima della cinematica articolare.

Studio biomeccanico del movimento di entrata alle parallele asimmetriche: kippe

Studio di un esercizio dell'entrata alle parallele asimmetriche in ginnastica artistica effettuato mediante le tecniche della biomeccanica, in particolare la rilevazione per mezzo della stereo-fotogrammetria e l'analisi dei dati attraverso SMART Tracker e SMART Analyzer allo scopo di introdurre un nuovo movimento di entrata alle parallele di maggiore difficoltà.

Sviluppo di tecniche di Speckle tracking per la correzione del movimento in ecografia epatica perfusionale

L'ecografia con mezzo di contrasto è una tecnica non invasiva che consente di visualizzare la micro e la macrocircolazione grazie all'utilizzo di microbolle gassose che si distribuiscono in tutto il sistema cardiovascolare. Le informazioni emodinamiche e perfusionali ricavabili dalle immagini eco con contrasto possono essere utilizzate per costruire un modello a grafo dell'albero vascolare epatico. L'analisi della connettività del grafo rappresenta una strategia molto promettente che potrebbe consentire di sostituire la misurazione del gradiente pressorio venoso del fegato, che richiede cateterismo, determinando un notevole miglioramento nella gestione dei pazienti cirrotici. La presente tesi si occupa della correzione dei movimenti del fegato, che deve essere realizzata prima di costruire il grafo per garantire un'accuratezza adeguata. Per correggere i movimenti è proposta una tecnica di Speckle tracking, testata sia in vitro su sequenze eco sintetiche, sia in vivo su sequenze reali fornite dal Policlinico Sant'Orsola.

Analisi del catalogo Europeo-Mediterraneo degli RCMT: 18 anni di dati.

L'RCMT (Regional Centroid Moment Tensor), realizzato e gestito dai ricercatori dell'INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia), è dal 1997 il catalogo di riferimento per gli eventi sismici avvenuti nell'area Europea-Mediterranea, ossia nella regione avente longitudine compresa tra 10° W e 40° E e latitudine compresa tra 25° N e 60° N. Tale regione è caratterizzata da un'attività tettonica complessa, legata non soltanto alla convergenza delle placche Euroasiatica ed Africana, ma anche al movimento di altre placche minori (ad esempio, la placca Arabica), che tutte insieme danno origine ad una vasta gamma di regimi tettonici. Col termine RCMT si indica un particolare tipo di tensore momento sismico, la cui determinazione avviene su scala regionale, per eventi sismici aventi M_w >= 4.5 (M_w >= 4.0 per gli eventi che avvengono nella penisola italica). Il tensore momento sismico è uno strumento fondamentale per caratterizzare natura ed entità di un terremoto. Da esso, infatti, oltre alla magnitudo momento M_w, si ricava anche il meccanismo focale. Comunemente rappresentato sotto forma di beach ball, consente di individuare il tipo di movimento (distensivo, compressivo o trascorrente, o anche una combinazione del primo o del secondo con il terzo) avvenuto sulla faglia che ha provocato il terremoto. I tensori momento sismico permettono, quindi, di identificare le faglie che si attivano durante una sequenza sismica, di comprendere la loro cinematica e di ipotizzare la successiva evoluzione a breve termine. Scopo di questa relazione di laurea è stato derivare le relazioni che intercorrono fra le M_w dell'RCMT e le M_w del CMT (Centroid Moment Tensor della Columbia University), del GFZ (Deutsches GeoForschungsZentrum di Postdam) e del TDMT (Time Domain Moment Tensor). Le relazioni sono state ottenute applicando il metodo dei minimi quadrati agli eventi comuni, che sono stati selezionati utilizzando alcuni semplici programmi scritti in Fortran.

Reti complesse e analisi del segnale elettroencefalografico

The identification of subject-specific traits extracted from patterns of brain activity still represents an important challenge. The need to detect distinctive brain features, which is relevant for biometric and brain computer interface systems, has been also emphasized in monitoring the effect of clinical treatments and in evaluating the progression of brain disorders. Graph theory and network science tools have revealed fundamental mechanisms of functional brain organization in resting-state M/EEG analysis. Nevertheless, it is still not clearly understood how several methodological aspects may bias the topology of the reconstructed functional networks. In this context, the literature shows inconsistency in the chosen length of the selected epochs, impeding a meaningful comparison between results from different studies. In this study we propose an approach which aims to investigate the existence of a distinctive functional core (sub-network) using an unbiased reconstruction of network topology. Brain signals from a public and freely available EEG dataset were analyzed using a phase synchronization based measure, minimum spanning tree and k-core decomposition. The analysis was performed for each classical brain rhythm separately. Furthermore, we aim to provide a network approach insensitive to the effects that epoch length has on functional connectivity (FC) and network reconstruction. Two different measures, the phase lag index (PLI) and the Amplitude Envelope Correlation (AEC), were applied to EEG resting-state recordings for a group of eighteen healthy volunteers. Weighted clustering coefficient (CCw), weighted characteristic path length (Lw) and minimum spanning tree (MST) parameters were computed to evaluate the network topology. The analysis was performed on both scalp and source-space data. Results about distinctive functional core, show highest classification rates from k-core decomposition in gamma (EER=0.130, AUC=0.943) and high beta (EER=0.172, AUC=0.905) frequency bands. Results from scalp analysis concerning the influence of epoch length, show a decrease in both mean PLI and AEC values with an increase in epoch length, with a tendency to stabilize at a length of 12 seconds for PLI and 6 seconds for AEC. Moreover, CCw and Lw show very similar behaviour, with metrics based on AEC more reliable in terms of stability. In general, MST parameters stabilize at short epoch lengths, particularly for MSTs based on PLI (1-6 seconds versus 4-8 seconds for AEC). At the source-level the results were even more reliable, with stability already at 1 second duration for PLI-based MSTs. Our results confirm that EEG analysis may represent an effective tool to identify subject-specific characteristics that may be of great impact for several bioengineering applications. Regarding epoch length, the present work suggests that both PLI and AEC depend on epoch length and that this has an impact on the reconstructed network topology, particularly at the scalp-level. Source-level MST topology is less sensitive to differences in epoch length, therefore enabling the comparison of brain network topology between different studies.