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iì progetto "Human Posture in greak" L'esperimento T4 "Human Posture in Microgravity" ha coinvolto il Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di Milano, in collaborazione con ALENIA Spazio Torino sia per la pianificazione scientifica dell'esperimento, sia per la progettazione e realizzazione dell'harhwre (ELITE-SI e del sohare di volo. ii sistema ELÌTE-S, è iato adaiiato alle esigenze di peso ed ingombro richieste per I'uploading ed è stato realizzato con componentistica space-qualijied e secondo gli standard richiesti per soddisfare i requisiti di resistenza meccanica, termica e di EMC imposti per il funzionamento a bordo della stazione MIR. La configurazione finale del sistema comprendeva quatiro TV camere, un box contenente I'eleitmnica dedicata del sistema, un Expansion Tray per I'interfacciamento con il computer di volo. Accessori fondamentali quali la forma di calibrazione, brackets per il fissaggio delle TV camere al modulo orbitante, marcatori ed adesivi per il loro fissaggio sul corpo del soggetto, completavano l'equipaggiamento sperimentale. Il sohare di volo. realizzato oresso il Dioartimento di Bioingegneria ha consentito di impostare automaticamente i paramehi di acquisizione del sistema in hnzione di una predefinita sequenza di esperimenti per ogni sessione sperimentale La fase di installazione del sistema all'interno del Core Module della stazione MiR ha previsto il fissaggio delle TV camere in opportune posizioni in modo da assicurare la possibilità di definire un opportuno campo di vista per una conveniente visibilità del oggetto durante la realiazione degli esperimenti in programma. Il ridotto spazio a disposiiione e la necessità di semplificazione procedurale per gli operatori hanno imposto l'implementazione di una procedura di calibrazione del sistema non convenzionale, necessaria per la ricostruzione delle coordinate iridimensionali dei marcatori acquisiti durante uno specifico movimento. Tale metodica è stata basata sull'acquisiizione di un oggetto tridimensionale portante 22 marcatori opportunamente dishibuiti sulla forma stessa. L'obbiettivo primario dell'esperimento è stato I'acquisizione delle coordinate di specifici punti di repere anatomici del soggetto, sui quali erano fissati i marcatori riconoscibili dal sistema, secondo opportuni modelli di specifici per ogni protocollo. A partire dalle coordinate tridimensionali dei marcatori, ottenute dopo un post-processi~ig convenzionale a terra, il movimento eseguito o la postura assunta è stata caratterizzata sia attraverso una analisi cinematica completa (stima della cinematica del baricentro corporeo, calcolo di angoli ira segmenti corporei, velocità ed accelerazioni angolari e lineari, quantità di moto totale, momento della quantità di moto) sia mediante metodi di analisi di covarianza (metodo delle componenti principali). L'intento è quelio di individuare opportuni parametri che consentano di descrivere quantitativamente il movimento o la postura in analisi, mettendo in luce modificazioni nelle strategie di controllo motorio e l'instaurarsi di processi di adattamento alla condizione di microgravità. L'esperimento nel suo complesso è stato organizzato in diversi raggnippamenti di protocolli specifici. Esperimenti di neurofisiologia: prevedono movimenti classici per i'analisi di pmmetri neurofisjologici di controllo e strategia di movimento. In particolare, movimento di perturbazione volontaria della postura eretta (movimenti assiali, sollevamento arto inferiore, osciljazioni del tronco) consentono di valutare il ruolo che i canali informativi rivestono nel quadra generale dell'organizmione del movimento nell'uomo e nell'apprendimento di nuove shategie motorie in assenza del riferimento gravitario. Esperimenti di analisi posturale: forniscono una descrizione posturale della percezione della verticalità del soggetto (esperimento di postura eretta) e della cosiddetta 'posizione indifferente" intesa come condizione di massimo rilassamento muscolare. Misurazioni antropometriche del soggetto a partire dalle posizioni dei marcatori acquisiti consentono di effettuare valutazioni sulle modificazioni anatomiche dovute all'assenza di sfom a carico degli arti inferiori e della colonna vertebrale, evidenziando una possibile correlazione tra tali modificazioni ed una ceda categw ria di sintomi da "spacesicRnRFs". L'awio dell'era della Siazione Spaziale internazionale richiede la progettazione e la realizzazione di sitemi intensi come veri e propri laboratori orbitanti. Questo deve necessariamente prevedere una attenta analisi quantitativa del comportamento motorio e posturale dei soggetti in micrograviià, condizione fondamentale per I'ottimizzazione ergonomica delle postazioni di lavoro e l'affuiamento delle contromisure agli effetti della micmgravità sull'uomo. L'obbiettivo dei protocolli di valutazione di posture di lavoro a bordo della stazione spaziale. ~s~erimento di respirazione: il protocollo di analisi cinematica dei movimenti respiratori, messo a punto in campo clico come applicazione del sistema ELITE convenzionale, ha consentito di valutare modificazioni a breve e lungo termine di parametri fisiologici di respirazione. L'obbiettivo di tale protocollo è stata la valutazione della meccanica respiratoria dei soggetti nelle vari fasi della missione, evidenziando gli effetti del 'tJliiihshifE' sulla funzione respiratoria. Collaborazione con esperimento di l$ science 38-D: il sistema ELITE-S è stato utilizzato oltre che per le già citate acquisizioni proprie dell'esperimento T4, anche nell'ambito di una collaborazione con il Dipartimento di Neurologia del19Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera (Prof. Thomas Brandt, Prof. Marianne Dietrich). I1 sistema è stato impiegato per l'acquisizione di dati cinematici dei soggetti a terra ed in volo durante I'esperimento tedesco di video oculografia e di stimolazione optocinetica. L'intento è stato quello di verificare se alcune disfunzioni di controllo motorio e posturale, riscontrate in pazienti con patologie a carico del tronco encefalico, possano essere indotte su soggetti sani dall'assenza di gravità e correlate con alcuni sintomi di disorientamento e mal di spazio accusati da alcuni astronauti . F Risultati L'esperimento T4 "Human Posture in Mimgravity" ha rappresentato la prima esperienza in assoluto di analisi quantitativa tridimensionale del movimento umano a bordo di una stazione orbitante, durante una missione di lunga durata. La sua realizzazione è stata resa possibile daUa particolare flessibilità del sistema di analisi preso in considerazione e dalle previste modalità di calibrazione ed esercizio. Dal ounto di vista tecnologico, l'esperimento ha riscosso un pieno successo: Hardware e Soiìware hanno funzionato seE za inconvenienti per tutta la durata della missione. Dal punto di vista delle procedure a bordo, l'esperienza di EUROMiRP5 ha evidenziato la necessità di snellire le attività sperimentali, sia in termini di tempo da allocare per ogni sessione sperimentale, sia in termini di impatto sulle attività a bordo deUa stazione, a causa della necessita di utilizzare completamente lo spazio disponibile all'interno del modulo prescelto per gli esperimenti. L'equipaggio della missione è stato comunque ampiamente all'altezza del compito e, nonostante le intrinseche difficoltà deil'esperimento, tutte le sessioni in programma sono state realizzate, acquisendo circa 50 minuti (2.986 sec) di acquisizioni in volo e 105.860 fotogrammi di posture dei soggetti, che si stanno rivelando del tutto sufficienti per il raggiungimento degli obbienivi tecnico-scientifici dell'esperimento. Controllo posturale in microgravita il molo del vettore gravità per il corretto posizionamento corporeo è un argomento di attuale dibattito nell'ambito della neurofisiologia posturale. In questo ambito, i'ambiente microgravitario rappresenta una condizione sperimentale estremamente utile per isolare le variabili ritenute alla base dei meccanismi di regolazione posturale. Due ipotesi contrastanti vengono attualmente discusse. Secondo la prima, la postura eretta viene ottenuta allineando l'asse del tronco (asse Z) lungo la direzione verticale assoluta. L'ipotesi alternativa afferma invece che la postura eretta venga regolata posizionando la proiezione del centro di massa (CM) all'intemo della superficie di appoggio. Con la specifica finalità di verificare come le due variabili in questione fossero regolate nel corso di una prolungata esposizione alla microgravità, a partire dai dati cinematici raccolti sui due soggetti, sono stati verificati gli angoli articolai e la posiiione del centro di massa. L'evidenza di un controllo del CM anche in ambiente microgravitario avrebbe supportato l'ipotesi del CM come variabile controllata. I risultati moshano che l'inclinazione del tronco rimane consistentemente stabile e fornisce al Il cosmonauta russo Sergei Avdeev impegato neli'esecuzione del protocollo di movimenti assiali a bordo della stazione MIR. Sono evidenti le telecamere e i marcatori passivi di ELITE-S e la massa aggiuntiva prevista per causare una perturbazione artificiosa nella distribuzione delle masse corporee. I
l Posizione della proiezione del centro di massa sul piano di appoggio rispetto all'asse dell'articoiazione della caviglia (media e deviazione standard) in condizioni di visione normale (EO) e visione occlusa (EC). I dati sono relativi alle acquisizioni di riferimento pre-volo (F- 17) a 4 sessioni in volo (FD) e ad una sessione dopo il volo (R+5). Rappresentazione a stick-diagram della posizione indifferente (Neutra1 Body Posture). corrispondente al massimo rilassamento muscolo-articolare in microgravità, acquisita al 69 giorno di volo. L'accurag caratterizzazione quantitativa posturale in assenza di gravita assume una rilwanza particolare la progettazione ergonomica di moduli e sistemi destinati ad impiego in orbita. soggetto un riferimento posturale affidabile. La posizione del cenm di massa, invece, inizialmente sensibilmente al di fuori della superficie di appoggio, appare essere gradualmente recuperata, evidenziando il riemergere di strategie posturali più tipicamente terrestri organizzate su meccanismi di distribuzione delle mas se corporee nello spazio. Human Factors Engineering-Human Machine Interface: a partire dati relativi a posture di lavoro (t)ping, ivriting, traiislatioiis). L'intento è quello di costituire un database di movimenti, che possano essere di riferimento perla progettazione di componentistica e postazioni di lavoro per moduli orbitanti. Con questa finalità i dati tridimensionali acquisiti sono utilizzati come parametri nell'ambito di sohare di simulazione del movimento umano (Robcad, Jack) e di rappresentazione grafica (SofiImage) in ambiente Unix, capaci di fomire indicazioni quantitative per la progettazione ergonomica. Prospettive future Il successo del sistema ELITE-S nell'ambito deUa missione EUROMIR '95, ha destato l'interesse di agenzie spaziali e di ricercatori impegnati in programmi di Life Science, soprattutto in riferimento alla aper- I tura di una nuova era in campo spaziale, segnata dal- Vawento della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). E innegabile che la disponibilità di un sistema di analisi tridimensionale del movimento, validato per impieghi a bordo di moduli orbitanti, apra un vasto campo di possibili sperimentazioni tecnologiche e scientifiche. in questo senso, la sfida tecnologica e scientifica dell'immediato futuro è la progettazione e la realizzazione di un siitema di analisi quantitativa del movimento tridimensionale che possa essere installato permanentemente a bordo deUa Stazione Spaziale ed impie gato come faciity di analisi del movimento nell'ambito di sperimentazioni proposte dalla comunità scientifica internazionale. In questo ambito sono state awiate fattive collaborazioni tra il Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di Milano ed istituzioni tecnico scientifiche internazionali ed agenzie spaziali: * Department of Aeronautics and Astronautics del Massachusetts Institute of Technology nella persona della Profssa Dava Newman, Principal Investigaior dell'esperimento Enhanced Dynamic Load Sensors (EDLS) già impiegato con successo a bordo della Stazione MIR. L'obbiettivo è quello di realiire un sistema integrato per effettuare un'analisi multiparametrica quantitativa di specifici taskmotori eseguiti da soggetti in microgravità. National Space Biomedical Research lnstitute (NSBRI) nell'ambito di un accordo quadro tra NSBRI e il Politecnico di Milano, finalizzato a ricerche biomediche per l'esplorazione umana nello spazio. ELITE42 su European Physiology Module; la versione avanzata del sistema ELITE-S, ELITE-S2,k stata proposta dall'Agenzia Spaziale Italiana comefacili@ nazionale in campo delle Life Science e accettata ufficialmente dall'Agenzia Spaziale Europea per far parte del modulo europeo European Physiology Module (EPM) che sarà a bordo del modulo europeo Columbus della Stazione Spaziale Internazionale. in questo quadro ASI sta finanziando uno studio di fattibilità per I'implementazione del sistema. * Accordo CNES-ASI per ELITE-S2 neli'ambito degli accordi europei per lo sviluppo delle facility destinate alla Stazione Spaziale Internazionale, l'Agenzia Spaziale Italiana e il Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) hanno raggiunto un accordo ufficiale per lo sviluppo congiunto di una sistema di analisi del movimento tridimensionale, in cui convergano le esperienze maturate dalle due agenzie e dalle università ed industre nazionali in seno ad EUROMIR'95 Logo del programma di ricerca MICRO-G (Micrograiv and Crew Reactions in O-G) frutto della collaborazione tra Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di Milano e Dipartimento di Aeronautca ed Astronautica del Massachusetts Institute of Technology. (ELITE-SZ : ASI e Politecnico di Milano con Alenia Spazio, Bioengiee~g technology and Systems) e più recentemente in seno a Neurolab (KinElite: CNES, Matra-Marconi). Conclusioni Lo scenario pdcolannente positivo a livello nazionale ed internazionale garantisce al Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di Milano di assumere un molo da protagonista nello sviluppo di un sistema di analisi del movimento destinato ad impieghi in micmgravità sulla Stazione Spaziale Internazionale. Questo successo si deve principalmente alle caratteristiche delle tecnologie opto-elettroniche sviluppate in seno al Dipartimento che le rendono ideali candidate come faciliij~ permanenti a bordo di moduli orbitanti. E nostro auspicio che le collaborazioni avviate a livello di Agenzie nazionali e sovranazionali, così come con Istituzioni tecnico-scientifiche nell'ambito di progetti comuni di sviluppo tecnico-scientifico ottengano quel supporto necessario per la realimione e I1insta!- lazione del sistema a bordo della Stazione Spaziale. E nostra convinzione che la disponibilità di un'adeguata tecnologia sia condizione necessaria per poter shttare appieno le opportunità di ricerca scientifica in ambiente microgravitario offerte dall'awento della Stazione Spaziale Internazionale, concretizzando finalità di ele vato profilo in campo rtecnologico e scientifico. BibliogaRa G. Andreoni, G. Ferrigno, G. Baroni, N Colford, V. Cotronei and A. Pedotti (1996) Postirral Modifications iri Micrograviiy, Proc. of VIth European Symp. On Life Sciences Research in Space, ESA SP-390,99-103 G. Baroni, G. Femgno, G. hdreoni, F. Bracciafem and A. Pedotti (1996) Acci~raq assessnient Ni microgravi01 hirriiaii iiioveineiit aiialysis, In Proceedings Vlth Eumpean Symposium on Life Sciences Research in Space. Tmndheim, Nonvay, ESA SP-390, pp.129-134. G. Fenigno and A. Pedotti (1985) ELITE: a Digital Dedicated Hardiilare Systeiitjir Moveiiient Aiialysis via Real-Tiiiie TV-Signal Processing, IEEE Trans. Biomed. Eng., BME 32,943-950 G. Ferrigno, P. Carnevali, G. Baroni, A. Pedotti, D. Negrini and G. Miserocchi (1996) Quantitative ano@- sis of iirovenient contro1 in palonged mgraviy, In Proceedings VIth European Symposium on Life Sciences Research in Space. Trondheim, Norway, ESA SP-390, pp.361-364. G. Ferrigno, G. Baroni, A. Pedotti (1999) Methodological and technological iniplication oj quantitative hurnan niovenient analysis in lorig-teim spaceflghts. J Biomech 32(4) 43 1-436
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