Fornire gli elementi conoscitivi e metodologici per affrontare in modo propositivo e progettuale le vaste problematiche del sistema motorio, sia per quanto riguarda le basi fisiologiche del movimento umano, sia per quanto riguarda le tecniche di analisi quantitativa del movimento, la modellistica, la simulazione e la stima delle grandezza biomeccaniche di interesse, e le tecniche di recupero della funzione motoria.

Ci si aspetta che lo studente, al termine del corso, abbia acquisito competenze adeguate relative alla biomeccanica del movimento umano, sappia descrivere il sistema muscolo scheletrico e conosca le sue rappresentazioni mediante modelli, conosca le basi di cinematica, statica e dinamica per la rappresentazione del movimento umano, sia competente nella misura delle variabili biomeccaniche mediante strumenti avanzati.

In particolare ci si aspetta che lo studente al termine del corso abbia :

a) DdD 1 Conoscenza dei principi fondamentali del sistema motorio e comprensione della  biomeccanica del movimento umano.
b) DdD 2 Capacità di applicare e realizzare modelli biomeccanici per la rappresentazione delle strategie  relative al controllo posturale e alla locomozione

c) DdD 4 Abilità comunicative e proprietà di linguaggio nella trattazione di tematiche inerenti la biomeccanica del movimento.

Programma:

1) L’uomo come macchina automotrice: organizzazione delle varie componenti funzionali; postura e movimento, sistemi di controllo, concetti di sinergia e di programma motorio, considerazioni energetiche;

2 )La struttura di sostegno: architettura dello scheletro; descrizione anatomo-funzionale dei principali complessi articolari;

3) Il sistema motore: il muscolo come attuatore; architettura del sistema muscolare e del sistema di trasmissione meccanica; modalità di contrazione e di controllo motorio; schemi dei principali circuiti riflessi; 

4) Conversione di energia metabolica in meccanica; il lavoro muscolare; rendimento meccanico dell'esercizio fisico;

5) Metodi per l’analisi biomeccanica del sistema motorio: le rilevazioni e le stime antropometriche; la misura cinematica (tecniche e strumentazioni); la misura dinamometrica; misurazioni sperimentali invasive (forze intra-articolari, forze tendinee, pressioni intradiscali, pressione intra-addominale, cinematica di segmenti ossei); la registrazione elettromiografica; l’approccio modellistico; l’analisi della funzionalità locomotoria;

6) Modelli biomeccanici per lo studio del sistema motorio: modelli delle articolazioni (sistemi di riferimento, gradi di libertà, assi funzionali); modelli del muscolo (modelli per lo studio della contrazione, modelli della struttura, modelli per lo studio della cinematica muscolare); modelli del sistema di controllo motorio (modelli ‘alfa’, ‘gamma’, ‘lambda’); modelli segmentari (arto superiore, spalla, arto inferiore, il modello a pendolo inverso, il modello ‘total body’);

7) Il problema dinamico inverso: descrizione cinematica di sistemi articolati; sistemi di riferimento e matrici di rototraslazione; ricerca di assi funzionali; equazioni di equilibrio dinamico. Stima di forze muscolari e intra-articolari e approcci al superamento dell’indeterminatezza: metodi e criteri di ottimizzazione; ipotesi sulle strategie di coordinamento motorio; uso di informazioni elettromiografiche (modelli ‘EMG driven’); definizione delle situazioni di carico; modellizzazione delle strutture intra-articolari (vincoli, superfici coniugate);

8) Cenni alla soluzione del problema dinamico diretto: metodi approssimati di soluzione; simulazione del movimento umano; esempi di applicazione (con riferimento anche a software di simulazione, tecniche di ‘rendering’, grafica 3-D, animazione);

9) Applicazioni cliniche:ortopedia e chirurgia funzionale (endoprotesi, mezzi di sintesi ossea, trasposizioni muscolari); riabilitazione (ortesi e sistemi ibridi)

Esercitazioni:

Le esercitazioni sono dedicate all’approfondimento dei temi trattati durante il corso e comprenderanno visite a laboratori e ad ambienti clinici, seminari monografici, dimostrazioni di laboratorio, esercitazioni al computer, e sedute sperimentali.

Laboratorio:

Verranno svolte dimostrazioni e sedute sperimentali relative all'utilizzo delle strumentazioni più significative per l'analisi del movimento

Bioengineering of the motor system

Automotive properties of the human motor system. Energetics: mechanical work, efficiency, methabolic to mechanic energy conversion. Functional properties of the muscle, in relation to structure, fibre types, anatomical arrangement. The motor control system: spinal reflexes, synergies, motor programmes, models. Methods for experimental investigation with and without perturbation, invasive/non invasive measurements. Kinematic description of multiple joint system: reference frames, roto-translation matrices, functional axes. The inverse dynamics problems: dynamic equilibrium equations, inertia and visco-elastic parameters estimation, internal forces estimation. Principles of the forward dynamics approach. Musculo-skeletal models for the analysis and simulation of human movement. Clinical applications (functional orthopaedic surgery, prostheses).

Testi consigliati:

L'intero contenuto del corso è disponibile on line. Inoltre si consiglia la consultazione dei testi riportati in bibliografia

Conoscenze di base di fisiologia ed anatomia, biomeccanica e meccanica applicata

E' previsto un esame scritto seguito da un orale facoltativo durante il quale la conoscenza e la comprensione degli argomenti è valutata mediante domande ed esercizi di biomeccanica. L'autonomia di giudizio, l'abilità comunicativa e la proprietà di linguaggio sono valutate mediante la discussione di temi specifici proposti dal docente.