Puntatori Strumentati e Analisi del Movimento: Quanto Siamo Davvero Precisi? Un Tuffo nella Calibrazione Anatomica!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e movimento! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo dell’analisi del movimento, una disciplina che ci permette di studiare e capire come funzionano i sistemi biomeccanici, dal passo di un atleta al gesto più quotidiano. Immaginate di poter ricreare i movimenti del corpo umano su un modello al computer: è proprio quello che facciamo, misurando la posizione dei centri articolari e di altri punti di riferimento anatomici, i cosiddetti landmark. Più precise sono queste misurazioni, più accurati saranno i risultati del nostro modello.

Tuttavia, come in ogni misurazione, ci sono diversi fattori che possono introdurre errori. Uno dei metodi più usati per minimizzare alcuni di questi problemi, in particolare quelli legati al movimento dei tessuti molli (pelle, grasso, muscoli) rispetto alle ossa, è la Calibrated Anatomical Systems Technique (CAST). Introdotta nel lontano 1995, è diventata uno standard. Con il CAST, i segmenti corporei vengono tracciati come corpi rigidi usando dei cluster di marker riflettenti, la cui posizione viene rilevata da un sistema di motion capture (mocap). Questi marker definiscono un sistema di coordinate locale, come se fosse “incollato” all’osso.

Ma come definiamo la posizione dei landmark anatomici rispetto a questi marker?

Qui entra in gioco la calibrazione iniziale. O si mettono marker temporanei direttamente sui landmark, oppure – ed è la soluzione che preferisco per la sua minore ambiguità – si usa un puntatore strumentato. Si tratta di uno strumento con una punta sottile, che permette di “toccare” con precisione il landmark, e che ha a sua volta dei marker per essere tracciato dal sistema mocap. La posizione della punta viene poi ricostruita rispetto ai marker del puntatore stesso.

Sembra semplice, no? Eppure, la precisione con cui calibriamo questi landmark è cruciale. Errori in questa fase possono portare a risultati sballati, sia in termini di offset che nelle caratteristiche cinematiche e cinetiche che osserviamo. Pensateci: se sbagliamo a dire al sistema dov’è, ad esempio, il centro del ginocchio, tutti i calcoli successivi sugli angoli e sulle forze saranno falsati!

L’errore totale nella calibrazione del landmark è la differenza tra la posizione reale del landmark fisico e la posizione ricostruita della punta del puntatore. Qui entrano in gioco due tipi di fattori:

• Fattori naturali: quanto accuratamente l’esaminatore riesce a localizzare un landmark anatomico. Dipende dalla palpazione, dalla quantità di tessuto molle, dalla fisiologia individuale. Pensate al gran trocantere: una superficie ampia, coperta da muscoli e grasso in quantità variabile da persona a persona… non proprio un punto facile da trovare con precisione millimetrica!
• Fattori metrologici: l’accuratezza con cui l’esaminatore calibra una posizione fisica precisa, data dal sistema di misura e dalle sue capacità. Qui parliamo di rumore del sistema mocap, della precisione con cui è stata calibrata la punta del puntatore rispetto ai suoi marker, e dell’abilità dell’esaminatore nel posizionare la punta esattamente dove vuole.

Questi fattori, messi insieme, possono introdurre errori notevoli, a volte anche superiori ai 10 millimetri! Questo rende difficile confrontare studi diversi. Finora, si è dato molto peso ai fattori naturali, ma noi ci siamo chiesti: e i fattori metrologici? Sono davvero trascurabili? Uno studio precedente aveva già sollevato dubbi, mostrando come errori puramente strumentali potessero portare a errori cinematici clinicamente significativi.

La nostra missione: sviscerare la precisione dei puntatori

Ecco perché abbiamo deciso di vederci chiaro. Questo articolo è il primo di una serie in cui vogliamo caratterizzare e, se possibile, minimizzare tutti questi fattori. Il nostro obiettivo è capire la natura di questi errori metrologici, trovarne le cause e ottimizzare il possibile, idealmente fino al punto in cui le prestazioni del puntatore siano davvero un fattore insignificante.

In questo primo studio, ci siamo concentrati sulla precisione statica: quanto è variabile la misurazione della posizione della punta di un puntatore fermo, usando un moderno sistema mocap ottico? E come questa precisione è influenzata dal design del puntatore? La nostra ipotesi era che la geometria del puntatore e la disposizione dei marker avessero un’influenza significativa.

Per farlo, abbiamo usato un sistema OptiTrack con 18 telecamere Flex13 nel nostro laboratorio. Abbiamo testato quattro diversi puntatori:

• Uno “Legacy” (L), costruito artigianalmente con parti di recupero, che usavamo in passato.
• Due puntatori stampati in 3D appositamente per questi esperimenti, uno Lungo (PL) e uno Corto (PS), identici tranne che per la lunghezza della sezione centrale.

Il puntatore Legacy è stato calibrato in due modi: uno basato su un marker posto sulla punta (LM) e uno “funzionale” (LF), dove la punta è fissa e il corpo del puntatore ruota attorno ad essa. I puntatori stampati (PL e PS) sono stati calibrati solo con il metodo funzionale.

Abbiamo misurato la posizione di un singolo marker fermo per un minuto, per caratterizzare il rumore del sistema. Poi, ogni puntatore è stato misurato per 1000 frame in tre diverse posizioni e orientamenti all’interno del volume di misurazione.

Cosa abbiamo scoperto sulla precisione statica?

Partiamo dal singolo marker: il nostro sistema mocap è in grado di misurarlo con una variazione inferiore a 0.06 mm con il 95% di confidenza. Non male, direi! Certo, abbiamo notato un effetto chiamato “camera flicker”, dove il marker è al limite della rilevazione per una o più telecamere, creando piccoli cluster di posizioni. Questo ci dice che, sebbene ottima, la precisione di un sistema mocap non è ancora paragonabile a quella di sistemi di misurazione dimensionale dedicati (come le macchine CMM), ma per le misurazioni CAST, dove l’errore umano è comunque presente, sarebbe probabilmente un’eccessiva raffinatezza.

Passiamo ai puntatori. La precisione statica della punta di un puntatore fermo è risultata essere di circa 0.2 mm (R₉₅). Il puntatore Stampato-Lungo (PL) è stato il migliore, con una precisione media di 0.069 mm RMSe e 0.151 mm R₉₅, avvicinandosi in una posizione addirittura alla precisione del singolo marker! Anche il puntatore Legacy, nonostante i suoi 4 marker disposti un po’ “ad hoc” contro i 6 dei puntatori stampati, si è comportato bene, con una precisione media entro 0.05 mm da quella del PL. Questi risultati sono un bel passo avanti rispetto a dati più vecchi presenti in letteratura, che riportavano errori anche di diversi millimetri, ma usavano puntatori a due soli marker (molto sensibili all’effetto “pivot”, dove un piccolo errore di orientamento causa un grande spostamento della punta) e tecnologia mocap di generazioni precedenti.

La vera sorpresa, o meglio, la conferma di un sospetto, è arrivata dal puntatore Stampato-Corto (PS). Le sue prestazioni sono state decisamente peggiori, con errori più che doppi rispetto agli altri. Il motivo? I marker erano troppo vicini tra loro, e il sistema mocap faticava a distinguerli correttamente. Questo ci insegna una lezione importante: la geometria del puntatore e la disposizione dei marker contano! È fondamentale mantenere una spaziatura sufficiente tra i marker, altrimenti la precisione crolla. I criteri esatti dipenderanno dal sistema di misurazione, dalla dimensione dei marker e dalla distanza delle telecamere.

Al di là di questo requisito fondamentale sulla spaziatura, sembra che ottimizzare ulteriormente la geometria del puntatore per la precisione statica porti a miglioramenti molto limitati, nell’ordine di qualche centesimo di millimetro. Quindi, sì, la geometria conta, ma una volta soddisfatti i requisiti base, non è più il fattore limitante per la precisione statica. Un puntatore ben costruito ha già una precisione statica migliore di quella con cui un esaminatore umano potrebbe marcare un punto, anche con uno strumento perfetto.

Altre osservazioni e cosa ci aspetta

Abbiamo notato che la varianza della posizione della punta lungo l’asse del puntatore è significativamente inferiore rispetto alle direzioni ortogonali. Questo è logico, perché l’effetto pivot ha un’influenza minima in quella direzione. Il “camera flicker” influisce anche sulla posizione della punta, ma sembra meno comune nei puntatori stampati, suggerendo che un numero maggiore di marker potrebbe renderli più robusti (bilanciando sempre con la necessità di spaziatura). Infine, la precisione è statisticamente influenzata dalla posizione nel volume di misurazione, ma non abbastanza da essere un problema pratico per un puntatore performante.

Certo, questo studio ha delle limitazioni. Abbiamo testato solo alcune geometrie, e potrebbero esisterne di migliori. La performance del singolo marker è stata caratterizzata solo in un punto. Tuttavia, è improbabile che queste limitazioni cambino le conclusioni principali, dato che il rumore di misurazione del singolo marker è minimo rispetto agli altri errori.

In conclusione (per ora!)

Abbiamo esaminato i fattori statici della precisione dei puntatori strumentati, come primo passo per caratterizzare e ottimizzare le loro prestazioni nei sistemi di motion capture. La buona notizia è che, con la tecnologia moderna, la precisione statica è già eccellente, a patto di progettare il puntatore con un minimo di criterio (soprattutto per la distanza tra i marker).

Ma questo è solo l’inizio! Nella prossima puntata, ci tufferemo nella precisione dinamica degli stessi puntatori. Vogliamo capire quanto precisamente un utente può effettivamente marcare la posizione desiderata usando il puntatore. Questo sarà la somma degli errori che abbiamo visto oggi (precisione statica), dell’errore sistematico tra la punta fisica e quella misurata (errore di calibrazione della punta) e della precisione con cui l’esaminatore riesce a posizionare la punta fisica nel punto desiderato (errore di marcatura).

Una volta che avremo il quadro completo, potremo concentrarci sull’ottimizzazione della geometria del puntatore e degli approcci di calibrazione per minimizzare gli errori. L’obiettivo finale? Aiutarci tutti a ottenere calibrazioni dei landmark anatomici sempre più consistenti e accurate. Quindi, restate sintonizzati!

Fonte: Springer