Universidad Nacional de San Juan

Transcripción

1 Universidad Nacional de San Juan Facultad de Ingeniería Departamento de Electrónica, Automática y Bioingeniería Carrera de Bioingeniería Asignatura Biomecánica Unidad Nº 3: Biomecánica del Movimiento Humano Parte 1: Modelos Biomecánicos y Análisis Cinemático Lineal Dra. Ing. Silvia E. Rodrigo 2018

2 UNIDAD 3: BIOMECÁNICA DEL MOVIMIENTO Cinemática y cinética (lineal y angular) de segmentos y articulaciones anatómicas. Modelos biomecánicos del cuerpo humano. Conceptos de antropometría. Técnicas analíticas y experimentales de análisis del movimiento. Aplicación a la Biomecánica de la locomoción humana.

3 ANÁLISIS CINEMÁTICO DEL MOVIMIENTO CORPORAL

4 Cuando un clavadista realiza un salto, el cuerpo humano cambia: 1- su localización en el espacio (el cuerpo completo se traslada), 2- su orientación en el espacio (el cuerpo completo rota sucesivamente) y 3- la configuración de las articulaciones (el atleta está asumiendo sucesivamente una postura en picada).

5 Para efectuar el análisis cinemático del movimiento corporal, se requiere determinar: - Traslación del Cuerpo Humano completo (CH), - Cambio de orientación del CH completo, - Configuración articular o postura articular relativa. Esto implica determinar, para cada instante de tiempo del análisis: - Posición, velocidad y aceleración lineal y angular absolutas del CH, - Posición, velocidad y aceleración angular relativas de los segmentos, lo cual representa el movimiento articular entre segmentos óseos contiguos.

6 Se basa en determinar para cada instante de tiempo dado, la posición y orientación del CH completo o bien, de uno o varios segmentos del cuerpo humano respecto de su posición neutra definida en el S.C. global. EJE LONGITUDINAL PLANO FRONTAL (ABDUCCIÓN - ADUCCIÓN) EJE MEDIOLATERAL EJE ANTEROPOSTERIOR PLANO SAGITAL (FLEXIÓN - EXTENSIÓN) PLANO TRANVERSAL (ROTACIÓN INTERNA - EXTERNA)

7 Para describir el movimiento o actividad del cuerpo humano en el plano (2D) o en el espacio (3D), se realizan las siguientes consideraciones: 1) se utiliza un sistema de coordenadas global (SCG) fijo en el espacio para describir durante el movimiento, el cambio de posición y orientación absolutos de uno o más segmentos anatómicos del cuerpo humano, 2) por cada segmento anatómico o articulación, se emplea un sistema de coordenadas local (SCL), que se mueve o rota solidario con el segmento (centro de masa del segmento) o articulación (centro articular), y que permite describir durante el movimiento, el cambio de posición y/o rotación entre segmentos óseos contiguos.

8 En particular, analizamos la cinemática del movimiento del cuerpo humano para la actividad de la ambulación o marcha, que tiene una importancia significativa tanto en condiciones normales, como patológicas. La marcha puede definirse como un proceso de locomoción en el cual el cuerpo humano, en posición erguida, se mueve hacia delante, siendo su peso soportado alternativamente por ambas piernas.

9 Dado que la locomoción es una actividad cíclica, definimos al ciclo de marcha como la secuencia de acontecimientos que tiene lugar entre dos repeticiones consecutivas de uno de los sucesos de la marcha, tal como el contacto inicial a través del talón del pie que apoya. Representación esquemática del ciclo de marcha en un sujeto normal.

10 Luego, las características cinemáticas (y cinéticas) de esta actividad se estudian para un ciclo de marcha, asumiendo que en los ciclos subsiguientes el cuerpo humano tendrá el mismo comportamiento mecánico. Para efectuar el análisis cinemático en 2D o 3D de la marcha (o cualquier otra actividad del CH), se requiere un modelo biomecánico del cuerpo humano y el registro de datos durante la marcha (o durante cualquier otra actividad que realice el CH).

11 Modelos biomecánicos del cuerpo humano Los modelos biomecánicos adoptados para representar el cuerpo humano (en forma parcial o total), son las cadenas cinemáticas (cuerpos rígidos vinculados por juntas cinemáticas) mencionadas anteriormente, en donde cada cuerpo rígido representa un segmento corporal y las juntas, las articulaciones anatómicas que los vinculan.

12 IV III V VIII VI IX VII X XI XIV XII XVI XIII XVI Cuerpo humano dividido en 16 segmentos y 15 articulaciones anatómicas (izquierda), representado por el modelo biomecánico de cadena cinemática equivalente (derecha).

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14 Además, las propiedades físicas de este modelo biomecánico están basadas en las características antropométricas del cuerpo humano, es decir, el modelo es una representación de la geometría corporal, en donde son relevantes las dimensiones y las propiedades inerciales de los distintos segmentos corporales.

15 Comparar con el modelo del video Aproximación de la geometría del cuerpo humano utilizando formas geométricas, tales como esferas, elipsoides y cilindros. El modelo antropométrico representado en la figura anterior se visualiza debajo de las superficies de contacto.

16 L II d II L V, L VIII d IV L II L IV d IV d II L VI, L IX diii L III L I d I d XI, d XIV LXI, LXIV d I L I z d XII, d XV L XII, L XV d XIII, d XVI L VII, L X L VII, L X d VII,, d X x y L XIII, L XVI d XIII, d d VII, d X XVI L XIII, L XVI a b c Modelo biomecánico completo del CH según sus dimensiones antropométricas. a) Vista en perspectiva en la posición de bipedestación. b) Vista sagital de las dimensiones de la cabeza y pie. c) Vista frontal de las dimensiones del torso superior e inferior.

17 Dimensiones Percentil 50 diferentes edades:

18 Dimensiones Percentil 50 diferentes edades:

19 Dimensiones Percentil 50 diferentes edades:

20 Dimensiones de los segmentos, localización del CM, masa y momentos de masa de inercia para el percentil 50 de un sujeto adulto masculino:

21 Datos para el percentil 50 de un sujeto adulto masculino.

22 Datos para el percentil 50 de un sujeto adulto masculino.

23 Datos Winter para análisis en 2D

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25 Cómo se registran datos de marcha para el análisis cinemático de esta actividad? Configuración de marcadores para el registro de datos cinemáticos durante una prueba de marcha.

26 Vista Superior y Direcci ó n de avance z x Configuración del equipamiento utilizado en el laboratorio de marcha para adquirir el movimiento durante un ciclo completo.

27 Registro de datos en 3D Base de datos de marcha 3D Conjunto de puntos anatómicos utilizados para describir unívocamente el movimiento del modelo biomecánico durante la ejecución de la prueba de marcha.

28 Coordenada y (m) Coordenada z (m) Coordenada x (m) Trayectoria 3D de marcadores en articulaciones de extremidad inferior Punto 3 Punto 4 Punto % ciclo de marcha Punto 3 Punto 4 Punto % ciclo de marcha Punto 3 Punto 4 Punto % ciclo de marcha Datos cinemáticos sin procesamiento previo, de las coordenadas cartesianas del tobillo, rodilla y cadera de la extremidad inferior derecha (puntos 3, 4 y 5, respectivamente). Se visualiza el efecto del ruido de alta frecuencia, como consecuencia del proceso de digitalización.

29 Para describir la cinemática completa en 3D de cualquier segmento corporal, se requiere definir: Trayectoria (x, y, z) del centro de masas del segmento, Velocidad lineal (x, y, z) del centro de masas del segmento, Aceleración (x, y, z) del centro de masas del segmento, Ángulo del segmento en dos planos: xy, xz, Velocidad angular del segmento en dos planos: xy, xz, Aceleración angular del segmento en dos planos: xy, xz. Para un modelo biomecánico del cuerpo humano de 16 segmentos, se requeriría describir la variación temporal de 16 x 15 = 240 variables!!

30 Además, para describir el movimiento relativo entre dos segmentos (correspondiente al movimiento articular), se requiere definir: Excursión angular de cada articulación alrededor de los 3 ejes coordenados del S.C. local: u, v, w... Velocidad angular de cada articulación alrededor de los 3 ejes coordenados del S.C. local: u, v, w Aceleración angular de cada articulación alrededor de los 3 ejes coordenados del S.C. local: u, v, w. Para el modelo biomecánico del cuerpo humano completo con 15 articulaciones, se requeriría describir la variación temporal de 15 x 9 = 135 variables para las articulaciones, además de las 240 que describen el movimiento de los 16 segmentos anatómicos, es decir, 375 variables!!

31 Análisis cinemático de la marcha en 2D Estudiaremos el movimiento traslacional y rotacional que describe el cuerpo humano durante su locomoción, a partir de un modelo biomecánico parcial del cuerpo humano y del registro de datos de marcha en el plano sagital.

32 Registro de datos en 2D Base de datos de marcha 2D Sistema de coordenadas global 4 Y En qué plano se describe el movimiento? Z X 5 6 7

33 La base de datos en 2D de Winter analiza el movimiento de la marcha en el plano sagital.

34 Modelo de la extremidad inferior para describir la marcha en 2D Se considera un modelo biomecánico de la extremidad inferior, representado por una cadena cinemática de 3 cuerpos rígidos articulados por 3 juntas cinemáticas rotacionales de 1 GDL c/u. Y 0 cadera El sistema de referencia global X 0 - Y 0 se asocia al torso (se CM muslo asume que no tiene movimiento), mientras que los sistemas de referencia locales se asocian a los centros de masa (CM) de: muslo (x 1 - y 1 ); tibia (x 2 - y 2 ) y pie (x 3 y 3 ). Los ejes imaginarios (denominados genéricamente x i - y i, cuya dirección y orientación coincide con el sistema local (x i - y i ) permiten describir el movimiento rotacional de la respectiva articulación, representado genéricamente por cadera, rodilla y tobillo. x 1 y 1 rodilla CM tibia x 2 X 0 y 1 x 1 y 2 tobillo x 2 y 2 y 3 x 3 CM pie

35 Y 0 cadera cadera Modelo de la extremidad inferior, en donde se CM muslo cadera X 0 v muslo a muslo visualizan las variables lineales (velocidad y aceleración lineales) y angulares (velocidad y aceleración angular), que describen respectivamente, rodilla rodilla CM tibia rodilla v tibia a tibia el movimiento traslacional y rotacional de esta extremidad durante la marcha. tobillo tobillo tobillo CM pie v pie a pie

36 Para describir la cinemática completa de la marcha en 2D, se requiere definir en el S.C. global para cada segmento corporal: Trayectoria (x, y) del centro de masa del segmento,.. Velocidad lineal (x, y) del centro de masa del segmento,.... Aceleración (x, y) del centro de masa del segmento, Excursión angular del segmento en el plano:, Velocidad angular del segmento en el plano:, Aceleración angular del segmento en el plano:. Además, se determina la excursión, velocidad y aceleración angular articular (movimiento relativo... descripto por, y ) de cadera, rodilla y tobillo. Para un modelo biomecánico de la extremidad inferior de 3 segmentos y 3 articulaciones, se requerirán 12 x 3 = 36 variables.

37 y coordinate (m) x coordinate (m) Trayectoria 2D de marcadores en articulaciones de extremidad inferior 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Rigth Hip Rigth Knee Rigth Ankle 0,9 0,8 0,7 0,6 Rigth Hip Rigth Knee Rigth Ankle 0,2 0, % ciclo de marcha 0,4 0,3 0,2 0, % ciclo de marcha Datos cinemáticos sin procesamiento previo, de las coordenadas cartesianas de los marcadores ubicados en el tobillo, rodilla y cadera de la extremidad inferior derecha en el plano sagital.

38 Retomando el modelo de la extremidad inferior, analizamos cómo se calcula el centro de masa de cada segmento anatómico: Y 0 cadera cadera cadera X 0 v muslo L muslo (cm) 31.4 CM muslo a muslo posición del CM muslo L muslo L pierna (cm) 42.5 posición del CM pierna L pierna L pie (cm) 25.5 rodilla rodilla CM tibia rodilla v tibia a tibia Posición del CM pie 0.5 L pie Datos antropométricos de longitud y localización del centro de masas de los segmentos muslo, tibia y pie respecto de la articulación proximal. tobillo tobillo tobillo CM pie v pie a pie

39 L muslo (cm) 31.4 Localización CM respecto marcador proximal Localización CM respecto marcador distal CM muslo L pierna (cm) 42.5 CM pierna L pie (cm) 25.5 CM pie Localización del CM respecto de marcador proximal: CM muslo = x = m desde el marcador de la cadera CM pierna = x = m desde el marcador de la rodilla CM pie = 0.5 x = desde el marcador del tobillo

40 v v xi y i x y i1 i1 x 2t y 2t i1 i1 Técnica de diferencia finita para calcular la pendiente de la curva en el punto i.