Modellazione muscolo-scheletrica con sistemi inerziali indossabili

Lo studio del moto ha l’obiettivo di fornire un metodo oggettivo per descrivere, quantificare e valutare il movimento umano. Studiare le strutture biomeccaniche e il controllo neuromuscolare alla base del movimento risulta fondamentale sia in ambito clinico, ad esempio per curare malattie o contribuire al miglioramento dell’andatura in soggetti patologici, sia in differenti aree di ricerca, ad esempio in ambito sportivo, al fine di migliorare le prestazioni dell’atleta. Un ostacolo significativo alla realizzazione di tali scoperte è la necessità di comprendere le complesse interazioni del controllo neurale con le dinamiche muscoloscheletriche durante la produzione del movimento. Tuttavia, molte quantità di interesse per scoprire come viene guidata dai sottosistemi del corpo umano l’andatura e i numerosi movimenti del corpo, tra cui i segnali di controllo neurale e i carichi articolari, sono difficili o impossibili da misurare sperimentalmente. Per questo è stata sviluppata la modellazione muscoloscheletrica, uno strumento prezioso costituito da simulazioni che prevedono movimenti basati su un modello matematico del sistema neuro-muscoloscheletrico, che, senza affidarsi a dati sperimentali, possono rivelare i principi del movimento dell’apparato locomotore chiarendo le relazioni causa-effetto. L’analisi del movimento umano, basata sulla modellazione muscoloscheletrica, consente di raccogliere e analizzare informazioni riguardanti sia la cinematica, che definisce posizione, velocità e accelerazione del corpo, sia la dinamica del gesto motorio, cioè le forze e i momenti che generano il movimento. Questo progetto si concentra sulla cinematica articolare, che è la descrizione del movimento relativo tra due segmenti ossei contigui, e, in particolare, verranno analizzate le articolazioni che permettono il movimento degli arti inferiori durante il cammino. Esistono svariate tipologie di dispositivi e tecnologie utili a rilevare ed analizzare il movimento umano e in questa tesi verranno utilizzato due approcci: uno basato sull’uso di sensori inerziali (IMU) e uno basato sulla stereofotogrammetria. Il progetto sviluppato in questa tesi utilizza i risultati ottenuti dalla rilevazione con stereofotogrammetria come paragone per testare la validità dei sensori inerziali. È stata analizzata la camminata di alcuni soggetti adulti sani, con l’utilizzo di sette IMU posizionate nella parte inferiore del corpo e di marker posizionati in tutto il corpo e rilevati dal sistema di telecamere presente presso il laboratorio di Bioingegneria del Movimento dell’Università di Padova. In seguito alle acquisizioni, grazie all’adattamento apportato alla toolbox OpenSense di OpenSim, è stata calcolata la cinematica inversa che permette di ottenere gli angoli articolari, i quali sono stati confrontati con gli stessi angoli ottenuti tramite stereofotogrammetria.