Utilizzo di sensori inerziali per la caratterizzazione delle articolazioni nell'arto superiore = Use of inertial sensors for the characterization of joints in the upper limb

I modelli Articulated Total Body (ATB) sono modelli biomeccanici multibody del corpo umano nei quali i segmenti corporei sono rappresentati da corpi rigidi collegati da giunti. Tali modelli sono spesso di tipo passivo (assenza di modellazione dei muscoli) e pertanto ogni articolazione è modellata attraverso un vincolo cinematico, al quale vengono associati un intervallo di movimenti consentiti (range of motion, ROM) e una legge di resistenza passiva per ogni grado di libertà. Quest’ultima costituisce la resistenza che le strutture dell’articolazione oppongono al moto e garantisce che non vengano superati gli estremi fisiologici del ROM. Tali resistenze sono caratterizzate da un andamento comune, solitamente rappresentato tramite una relazione momento-rotazione, in cui il momento assume valori prossimi a zero nella regione centrale del ROM, per poi aumentare in modo repentino in prossimità dei suoi estremi. Diversi autori hanno formalizzato tale comportamento con delle formulazioni matematiche in grado di ben interpolare i risultati sperimentali. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è analizzare le formulazioni riportate in letteratura per le articolazioni del gomito e della spalla, confrontando dati sperimentali con i risultati di simulazioni svolte con un modello ATB passivo, al fine di validare il modello stesso. Sono stati svolti tre tipi di prove sperimentali: flesso/estensione del gomito e della spalla e abduzione/adduzione della spalla. Per garantire l’assenza di attivazione muscolare, è stato chiesto al soggetto di sollevare il braccio o l’avambraccio lasciandoli poi cadere sotto la sola azione della gravità. Queste prove sono poi state replicate all’interno del codice multibody (MSC Adams), confrontando le risposte del modello ATB in termini di accelerazione e di storia temporale dell’angolo articolare. Le curve sono state analizzate dal punto di vista qualitativo e quantitativo, utilizzando come parametri la frequenza di oscillazione, il valor medio e l’ampiezza di picco dell’angolo articolare nel caso della flesso/estensione, mentre per le prove di abduzione/adduzione è stata confrontata la pendenza delle curve nella regione che precede il contatto del braccio con il fianco. Per tutte le curve è anche stato calcolato l’errore medio tra i dati numerici e quelli sperimentali. Nella prima fase del lavoro, sono state implementate nel modello le leggi di resistenza passiva tratte dalla letteratura e, a seguito dei confronti svolti, è stata individuata per ogni prova la legge che restituiva il risultato migliore. In tutti i casi, anche la migliore formulazione rinvenuta in letteratura non si è rivelata pienamente soddisfacente. È seguita dunque una seconda fase del lavoro in cui è stata svolta un’analisi e ottimizzazione dei coefficienti delle leggi di resistenza passiva. A seguito delle modifiche effettuate, l’errore medio rispetto ai dati sperimentali per le prove di flesso/estensione è diminuito del 34% per il gomito e del 57% per la spalla, mentre per la prova di abduzione/adduzione della spalla l’errore è diminuito del 5%. L‘analisi di confronto e l’ottimizzazione delle curve sperimentali hanno evidenziato come la definizione delle formulazioni di resistenza passiva sia un aspetto ancora aperto e dipendente dal soggetto. Questo lavoro pone le basi per una procedura di caratterizzazione basata sull’esecuzione di selezionate prove sperimentali in grado di fornire informazioni utili per la parametrizzazione di queste proprietà.