ITAQ20130003A1 - Metodo e dispositivo per la valutazione della funzionalita' dinamica quantitativa dei muscoli scheletrici - Google Patents

Description

"Metodo e dispositivo per la valutazione della funzionalità dinamica quantitativa dei muscoli scheletrici"

TESTO DELLA DESCRIZIONE

L’invenzione ha per oggetto un metodo ed un sistema per la valutazione della funzionalità dei muscoli scheletrici.

Le prestazioni dei muscoli scheletrici dipendono dalla capacità degli stessi di sviluppare una forza e, per tale motivo, l’allenamento di rinforzo à ̈ centrato sullo sviluppo muscolare. È altresì vero che la qualità dell’azione muscolare dipende da numerosi fattori aggiuntivi che sono raramente valutati.

Il primo elemento della qualità dello sviluppo di forza riguarda l’uniformità della distribuzione della tensione muscolare lungo la struttura anatomica, dall’inserzione ossea, attraverso i tendini, e lungo il muscolo. È di importanza fondamentale poter verificare dal punto di vista dinamico la corretta direzione degli sforzi e della trazione sui punti di inserzione e come il muscolo si accorcia avvicinando le sue inserzioni secondo la sua capacità contrattile. Un muscolo che presenti, ad esempio, un elemento potente ben rinforzato connesso a una regione meno potente provoca un incremento locale delle sollecitazioni nelle zone di connessione, con un corrispondente aumento del potenziale rischio di lesione. Queste disuniformità nella funzione muscolare possono svilupparsi a seguito di un percorso riabilitativo, o in intensi allenamenti atletici, o anche per caratteristiche fisiologiche individuali nell’attività sportiva. Un secondo elemento di fondamentale importanza per le prestazioni della muscolatura riguarda la presenza o meno di un adeguato equilibrio dinamico tra le diverse strutture muscolari. Ogni azione dell’apparato muscolo-scheletrico à ̈ guidata da un certo numero di muscoli (agonisti) che lavorano congiuntamente per eseguire l’azione nella maniera più appropriata con la forza desiderata nel tempo richiesto e lungo la corretta direzione nello spazio, mantenendo un controllo sì da evitare deviazioni o sovraccarichi (bilanciati), ed accompagnata dal rilascio di altri gruppi muscolari che non si oppongano al movimento (antagonisti). Questo à ̈ ciò che avviene in ogni movimento articolare, dalla flessione delle anche, ginocchia, caviglie, come nei movimenti delle braccia, delle mani e dei piedi, fino anche alle dita, rachide cervicale e lombare per citare solo i principali, oppure nell’apertura e chiusura della mandibola.

In termini semplificati, ogni azione svolta da un elemento muscolare (il muscolo agonista) coinvolge una reazione di un secondo elemento (antagonista): la contrazione di un muscolo agonista à ̈ necessariamente accompagnata dalla decontrazione del corrispondente muscolo antagonista. È pertanto evidente quanto sia necessario un equilibrato sviluppo tra agonista ed antagonista. Un esempio molto frequente nel calcio, causato dalle normali tecniche di allenamento, à ̈ il disequilibrio tra il quadricipite, agonista dell’estensione del ginocchio e i flessori del ginocchio stesso, antagonisti spesso eccessivamente potenziati. I flessori frenano l’azione del quadricipite e provocano l’imprecisione nel tiro oltre a provocare sovraccarichi sul ginocchio con conseguenti rischi di lesioni muscolari e tendinee.

È quindi necessario sviluppare metodiche di allenamento e di preparazione nel calcio, nello sport in generale, e in altre discipline, quali ad esempio la danza, che permettano uno sviluppo equilibrato della muscolatura. Questo equilibrio à ̈ la finalità essenziale nelle tecniche di riabilitazione.

La difficoltà nello sviluppo di tali equilibrate metodiche di allenamento muscolare à ̈ principalmente di natura tecnica a causa della mancanza di tecnologie, semplici e non invasive, di misurazione oggettiva e riproducibile delle capacità muscolari dinamiche, ovvero durante un’azione muscolare, lungo muscoli singoli o in più elementi muscolari allo stesso tempo. Questa deficienza tecnologica non ha permesso lo sviluppo di un’esperienza e una casistica relativa, per cui la qualità dell’allenamento rispecchia la sensibilità del singolo allenatore ed à ̈ difficilmente riproducibile per mancanza di tecnologie di supporto non adattate all'individuo. Dal documento EP1297786 à ̈ noto utilizzare acquisizioni ecografiche per la valutazione delle proprietà anatomiche di strutture muscolari. Questo documento va nella giusta direzione in quanto evidenzia come una metodica semplice e non invasiva come quella ecografica possa essere impiegata per studiare in modo quantitativo la funzionalità dei muscoli. Tuttavia tale studio si limita alla valutazione della dilatazione o della contrazione di una regione muscolare tramite diagrammi spaziotempo che forniscono l’entità della deformazione lungo la direzione longitudinale del muscolo. Ciò permette di misurare le variazioni della contrazione di un muscolo, ad esempio in funzione di diversi cicli di allenamento, ma non consente di valutare l'uniformità dell’attività muscolare, nonché la sincronia della deformazione tra muscoli agonisti e antagonisti, aspetti indispensabili per lo sviluppo di equilibrate metodiche di allenamento.

Scopo della presente invenzione à ̈, pertanto, quello di superare, almeno parzialmente, questi inconvenienti.

L’invenzione raggiunge lo scopo con un metodo per la valutazione dinamica quantitativa dei muscoli scheletrici comprendente i seguenti passi:

a. ricevere una o più sequenze di immagini ecografiche bidimensionali o tridimensionali del muscolo o dei muscoli in esame, in particolare sequenze di immagini relative a muscoli diversi e/o a zone diverse di un medesimo muscolo;

b. trasformare tale sequenza o tali sequenze di immagini in sequenze di misurazioni di deformazioni e/o di tassi di deformazione in più locazioni spaziali del muscolo o dei muscoli da valutare, in particolare determinando la distribuzione vettoriale della deformazione e/o la sincronicità nello sviluppo spaziale della stessa; c. fornire in uscita tali sequenze di misurazioni spaziali sottoforma numerica e/o grafica.

In buona sostanza l’invenzione si basa sullo studio dei campi delle deformazioni di una o più strutture muscolari tramite analisi di sequenze d’immagini ecografiche acquisite durante il periodo di tempo in cui tali strutture eseguono un’azione predefinita.

Le immagini possono essere relative ad un singolo elemento muscolare o a due elementi muscolari (agonista-antagonista), o a più elementi muscolari coinvolti nella singola azione. Dove con immagine si intende sia una tradizionale immagine bidimensionale (2D), sia un’acquisizione volumetrica tridimensionale (3D). Le sequenze di immagini sono tipicamente sincrone fra loro o sfasate temporalmente di una quantità nota al fine di consentire il confronto fra i campi di deformazione misurati.

Secondo una forma attuativa, il metodo prevede di valutare l’uniformità dell’attività muscolare all’interno di stessi muscoli e/o di elementi muscolari diversi coinvolti nella medesima azione e/o la sincronia nella deformazione tra muscoli agonisti ed antagonisti tramite confronto delle misurazioni in termini di intensità e/o sincronia.

In particolare può essere previsto il passo di confrontare l’andamento temporale della deformazione di un muscolo agonista con l’andamento della stessa nel corrispondente muscolo antagonista per rilevare situazioni di sovraccarico del primo rispetto al secondo o viceversa, ad esempio, misurando lo sfasamento temporale fra una curva di contrazione del muscolo agonista e una curva di rilasciamento del corrispondente muscolo antagonista.

La valutazione della deformazione muscolare à ̈ vantaggiosamente eseguita mediate tecniche di “Optical Flow†o tecniche di “Particle Image Velocimetry†(OF-PIV) descritte, ad esempio, in Singh A. Optic Flow Computation: A Unified Perspective. Piscataway, NJ: IEEE Comput. Soc. Press, 1992, Barron JL, Fleet DJ, Beauchemin S. Performance of optical flow techniques. International Journal of Computer Vision 1994;12:43-77, Adrian RJ Twenty years of particle image velocimetry. Experiments in Fluids 2005; 39, 159-169. Queste metodologie d’analisi d’immagine, note come “speckle tracking†o “feature tracking†in ecocardiografia, sono ampiamente utilizzate in cardiologia per valutare le prestazioni del muscolo cardiaco nella sua periodica attività di contrazione e rilasciamento come insegnato dai documenti EP1520517 e US7343031. L’elemento innovativo nella presente invenzione consiste nella revisione di tali metodologie ed il conseguente adattamento per la valutazione delle proprietà dinamiche di differenti regioni con differenti caratteristiche muscolari durante un movimento con un prestabilito profilo temporale, non sinusale, nonché nella valutazione comparativa di differenti elementi di diversi gruppi muscolari.

Particolare importanza à ̈ rivestita dalla valutazione della deformazione e, in particolare, del tasso di deformazione degli elementi muscolari, quindi l’uniformità e l’equilibrio dell’attività muscolare all’interno di stessi muscoli, nonché della sincronia nella deformazione tra muscoli agonisti ed antagonisti.

A tal fine il metodo prevede di calcolare la variazione spaziale delle velocità di punti avente la stessa luminosità in immagini successive della sequenza o delle sequenze di immagini in ingresso.

Secondo una forma attuativa particolarmente vantaggiosa, il metodo prevede di calcolare le direzioni principali delle deformazioni e i valori di deformazione in dette direzioni e mostrare le immagini in ingresso unitamente ai vettori delle deformazioni, i quali vettori hanno la forma di frecce orientate secondo dette direzioni principali e di lunghezza proporzionale a detti valori di deformazione in dette direzioni.

La metodologia qui descritta, basata sul'utilizzo di sequenze di immagini (filmati) muscolari in più sedi contemporaneamente, con l’eventuale abbinamento con procedure che permettano l’esecuzione di azioni ripetibili, permette di valutare l’equilibrio della funzione muscolare (“muscular balance†) che à ̈ ritenuto un elemento chiave nelle più recenti tecniche di allenamento e fisioterapia.

Secondo un altro aspetto l’invenzione riguarda un dispositivo per attuare il suddetto metodo comprendente:

a. un ingresso per ricevere una o più sequenze di immagini ecografiche bidimensionali o tridimensionali del muscolo o dei muscoli in esame;

b. una unità di elaborazione per elaborare tale sequenza o tali sequenze di immagini in sequenze di misurazioni spaziali;

c. una uscita per fornire in output tali sequenze di misurazioni spaziali sottoforma numerica e/o grafica.

L’unità di elaborazione à ̈ configurata per trasformare tale sequenza o tali sequenze di immagini in sequenze di misurazioni di deformazioni e/o di tassi di deformazione in più locazioni spaziali del muscolo o dei muscoli da valutare attuando uno o più passi del metodo secondo l’invenzione, in particolare per determinare la distribuzione vettoriale della deformazione e/o la sincronicità nello sviluppo spaziale della stessa. Vantaggiosamente l’unità di elaborazione à ̈ configurata per valutare l'uniformità dell’attività muscolare all’interno di stessi muscoli e/o di elementi muscolari diversi coinvolti nella medesima azione e/o la sincronia nella deformazione tra muscoli agonisti ed antagonisti tramite confronto delle misurazioni in termini di intensità e/o sincronia. In particolare l’unità di elaborazione può essere configurata per calcolare le direzioni principali delle deformazioni e i valori di deformazione in dette direzioni. In questo caso il dispositivo può vantaggiosamente presentare in uscita le sequenze o la sequenza di immagini unitamente ai vettori delle deformazioni, ad esempio sovrapponendo detti vettori alle immagini in ingresso. I vettori hanno tipicamente la forma di frecce orientate secondo le direzioni principali e di lunghezza proporzionale ai valori di deformazione in dette direzioni. Questa rappresentazione à ̈ particolarmente vantaggiosa in quanto fornisce una immediata indicazione grafica dell’andamento delle deformazioni nel tempo.

Il dispositivo à ̈ tipicamente previsto per essere interfacciato ad un apparecchio ecografico, la sequenza di immagini di ingresso provenendo da detto apparecchio tramite scambio di dati su una memoria di massa o connessione, via cavo o wireless, diretta o tramite rete LAN, WAN o Internet.

Vantaggiosamente il dispositivo può essere previsto per essere interfacciato, direttamente o per il tramite dell’apparecchio ecografico, ad un sistema per l’esecuzione di un movimento articolare predefinito in maniera ripetibile e/o un sistema per stimolazioni elettro-indotte capace di indurre contrazioni muscolari predefinite in uno o più siti per far sì che le acquisizioni siano eseguite durante movimenti riproducibili per confronti inter-individuali e intra-individuali in diversi momenti dell’allenamento o riabilitazione.

Nello specifico il dispositivo può essere previsto in combinazione con un apparecchio ecografico dotato di almeno una sonda per acquisire sequenze di immagini bidimensionali o tridimensionali di uno o più muscoli sotto esame, essendo previsti mezzi per sincronizzare l’acquisizione di zone diverse del medesimo muscolo o di muscoli diversi.

L’apparecchio ecografico può anche essere dotato di almeno due sonde pilotabili contemporaneamente per acquisire in modo sincrono sequenze di immagini bidimensionali o tridimensionali relative a muscoli diversi o a diverse zone del medesimo muscolo.

Si può prevedere anche l’utilizzo del dispositivo in combinazione con almeno due apparecchi ecografici dotati ciascuno di almeno una sonda per acquisire sequenze di immagini bidimensionali o tridimensionali di uno o più muscoli sotto esame. In questo caso le sequenze di immagini relative a muscoli diversi o a diverse zone del medesimo muscolo sono acquisite in modo sincrono sfruttando mezzi per sincronizzare l’acquisizione dei due ecografi, quali ad esempio un protocollo di comunicazione fra i due apparecchi o un trigger manuale o automatico che nella sua configurazione più semplice può essere rappresentato da un pulsante azionato manualmente su entrambi gli apparecchi.

Secondo una forma esecutiva particolarmente vantaggiosa, à ̈ possibile prevedere l’impiego in combinazione con una macchina cinematica vincolata (tipo macchinari fitness o apparati riabilitativi, così come macchine specifiche di altre discipline quali, ad esempio, il Gyrotonic o il Pilates) e/o elettrostimolatrice che permette la stimolazione muscolare in sequenze codificate e ripetibili. In questo caso il dispositivo può vantaggiosamente comprendere un ingresso per ricevere dette sequenze codificate tramite input manuale o scambio dati diretto tramite interfaccia con la macchina cinematica vincolata o l’elettrostimolatrice, l’unità di elaborazione essendo sensibile a detto ingresso per operare dei confronti tra le deformazioni o i tassi di deformazione in funzione del tipo di sollecitazione indotta dalla macchina al muscolo o ai muscoli da valutare.

Secondo un altro aspetto l’invenzione riguarda un apparecchio ecografico per valutare l’uniformità dell’attività muscolare all’interno di stessi muscoli e/o di elementi muscolari diversi coinvolti nella medesima azione e/o la sincronia nella deformazione tra muscoli agonisti ed antagonisti. L’apparecchio comprende un dispositivo secondo l’invenzione in grado di misurare deformazioni e/o tassi di deformazione a partire da sequenze di immagini ottenute acquisendo tramite una o più sonde ecografiche una o più zone del medesimo muscolo o di muscoli diversi coinvolti nella medesima azione e operare un confronto tra dette misurazioni in termini di intensità e/o sincronia.

Secondo un perfezionamento l’apparecchio può comprendere almeno due sonde vincolate tra loro per essere posizionate su diverse zone del medesimo muscolo e/o di muscoli diversi per acquisire contemporaneamente le relative immagini ecografiche.

Vantaggiosamente la sonda o le sonde sono supportate da un dispositivo avente una conformazione tale da poter essere tenuto solidale con l’elemento anatomico comprendente il muscolo da valutare, ad esempio una fascia da disporre attorno ad una coscia o un altro arto, di un collare, di un busto o simili.

Le ulteriori caratteristiche ed i perfezionamenti sono oggetto delle sottorivendicazioni.

Le caratteristiche dell'invenzione ed i vantaggi da essa derivanti risulteranno con maggiore evidenza dalla seguente descrizione dettagliata delle figure allegate in cui:

la Fig. 1 mostra un’immagine ultrasonografica di una regione muscolare (10x100mm) a due istanti durante una contrazione muscolare. La freccia mostra la deformazione muscolare tramite lo spostamento relativo di due capisaldi riconoscibili nelle due immagini e seguiti automaticamente nella sequenza secondo il metodo della presente invenzione; la Fig. 2 mostra un’immagine ultrasonografica spazio-temporale (M-mode) lungo un muscolo (10 cm) durante il movimento (5 secondi). Questa rappresentazione evidenzia la variazione spaziale della deformazione muovendosi dalla zona prossimale (1) alla zona distale (2); la Fig. 3 mostra un’immagine ultrasonografica di un tessuto muscolare (a sinistra), e valutazione del campo del tasso di deformazione (indicato dai vettori) calcolato automaticamente tramite il metodo e il dispositivo secondo l’invenzione. Da questo campo vettoriale à ̈ poi possibile valutare le proprietà della deformazione come riportato a titolo esemplificativo in scala di grigi nell’immagine di destra.

le Figg. 4-7 illustrano un diagramma a blocchi esemplificato di alcune forme esecutive del dispositivo secondo la presente invenzione.

L’elemento tecnico innovativo alla base della presenta invenzione si presta a molteplici realizzazioni di crescente complessità.

Il denominatore comune di tutte queste possibili forme realizzati ve à ̈ rappresentato da un dispositivo di analisi d’immagine che, nella sua forma più semplice, à ̈ costituito da una unità di elaborazione in grado di processare sequenze di immagini provenienti da un ecografo per fornire sequenze di misurazioni di deformazioni spaziali come ad esempio quelle mostrate in Fig. 1 e 2.

Come già detto, la valutazione oggettiva della deformazione muscolare può essere vantaggiosamente eseguita mediante le già citate tecniche di “Optical Flow†o di “Particle Image Velocimetry†(OF-PIV) opportunamente adattate per la valutazione delle proprietà dinamiche di differenti regioni con differenti caratteristiche muscolari durante un movimento con un prestabilito profilo temporale, nonché nella valutazione comparativa di differenti elementi di diversi gruppi muscolari.

In buona sostanza, le tecniche OF-PIV si basano sul concetto di stimare il moto di oggetti tramite confronto fra immagini prese ad istanti di tempo successivi assumendo che la luminosità di ciascun punto dell’immagine di partenza si sposti rigidamente nelle immagini della sequenza. Le immagini possono essere sia bidimensionali che tridimensionali. Di seguito sarà, tuttavia, trattato il solo caso bidimensionale. Ovviamente ciò non deve intendersi come una limitazione al'ambito protettivo della presente invenzione, ma solo una esemplificazione per consentire una immediata comprensione dei concetti matematici utilizzati. Indicata con B (x, y, t) la luminosità di un punto P di coordinate (x, y) all’istante di tempo t, con Vx, Vyle componenti della velocità rispettivamente lungo l’asse x e lungo l’asse y, à ̈ possibile dimostrare che l’assunzione su B sopra citata comporti che sia soddisfatta la seguente equazione:

dB „ dB „ dBn

- V — Vy —= 0

dt dx dy

Esistono vari modi per risolvere questa equazione. Il documento Barron JL, Fleet DJ, Beauchemin S. Performance of optical flow techniques, International Journal of Computer Vision 1994;12:43-77 fa una utile panoramica su tali possibili modi di risoluzione.

Sebbene una qualunque tecnica di risoluzione possa essere impiegata, gli inventori hanno scoperto che nel particolare caso della rilevazione delle deformazioni muscolari tramite immagini eco, le tecniche di finestratura e minimizzazione dell’errore risultano le più appropriate in termini di complessità di calcolo, e quindi di velocità dell’elaborazione, e di accuratezza dei risultati.

Nello specifico il campo delle velocità per ogni punto delle immagini può essere vantaggiosamente stimato definendo una finestra di pixel W, con eventuali opportuni pesi relativi ai diversi pixel nelle diverse zone della finestra, e minimizzando la quantità:

dBΤΛdBτ, 3Β<λ>

£ = ∑ — κ — κ —

dt Î ́χ dyj

Imponendo che le relative derivate siano zero, ovvero

<'>3E

0

dVx

dE

0

dV„

si ottiene

dB dB dB dB

∑ VX —+ V — 0

dt dx dyjdx

dB dB dB

VX —+ V —

dt<x>dx<y>dy M dy.o

che fornisce il sistema lineare

■^ dB dB γ dB 3B F Y 55 dB_

w dx dxψdx dy w dt dx

y-^dB 3B y 3B dB γ dB 3B_

wdx dy w dy dyWdt dy

da cui à ̈ possibile ricavare le incognite Vxe Vye quindi il campo delle ve-

locità.

I tassi di deformazione calcolati dal metodo e dal dispositivo secondo

l’invenzione sono rappresentati dalle variazioni delle velocità nello spa-

zio ovvero dal gradiente dei vettori velocità

dVx

dx dy

w =

dVy

dx dy

Questa matrice può essere scritta come somma di una matrice simmetrica e di una matrice antisimmetrica nel seguente modo

dVrdVv

0

dx dy dxJdy dx VV =

( dV,

— dV-x —dV-vì (dV^ _ dViy

dy dx dy dy dx

La matrice simmetrica rappresenta una pura deformazione, mentre quella asimmetrica una pura rotazione rigida.

Secondo una forma attuativa particolarmente vantaggiosa, l’invenzione prevede il passo di diagonalizzare la matrice simmetrica per determinare gli allungamenti/accorciamenti (autovalori) lungo le direzioni principali (autovettori), ovvero l’entità della deformazione pura senza deformazioni di taglio (shear). A tal fine il metodo prevede di calcolare le direzioni principali delle deformazioni e i valori di deformazione in dette direzioni e mostrare le immagini in ingresso unitamente ai vettori delle deformazioni. I vettori hanno tipicamente la forma di frecce orientate secondo le direzioni principali e di lunghezza proporzionale ai valori di deformazione in dette direzioni come mostrato in fig. 3.

Ciò à ̈ particolarmente vantaggioso perché consente di avere un immediato riscontro, anche visivo, sull’andamento delle deformazioni dei muscoli sotto esame in termini vettoriali. E’ infatti non tanto l’entità della deformazione, tipicamente limitata ad un valore, quanto i campi di deformazione, ovvero la conoscenza della distribuzione della deformazione nello spazio 2D o 3D contenuto nelle immagini che consente di effettuare confronti diretti e immediati fra parti di uno stesso muscolo o di muscoli diversi al fine di valutare l’uniformità dell’azione muscolare, nonché la sincronia nella deformazione, aspetti indispensabili per sviluppare innovative metodologie di allenamento o di riabilitazione capaci di valutare analiticamente i progressi individuali e le risposte ad attività specifiche, e di equilibrare lo sviluppo dei diversi gruppi muscolari, riducendo i rischi di lesioni dovuti ad disequilibrio tra muscoli agonisti ed antagonisti o ad una intensificazione degli sforzi in regioni limitate.

Il dispositivo di analisi di immagine oggetto della presente invenzione si presta a molteplici forme realizzative.

Nella sua forma più semplice mostrata in Fig. 4, il dispositivo à ̈ previsto in combinazione con un ecografo 2 dotato di una sonda 3 capace di acquisire sequenze d’immagini. L’ecografo 1 viene collegato, in maniera fisica o mediante connessioni informatiche wireless, ad un ingresso 101. E’ anche possibile prevedere che lo scambio di dati fra ecografo 2 e dispositivo 1 avvenga tramite memorie di massa, ovvero in modo del tutto svincolato dalla modalità di funzionamento dell’ecografo che, per questo motivo, può essere di qualsivoglia tipo. L’unità di elaborazione 201 del dispositivo 1 legge le sequenze di ingresso e provvede ad elaborarle per valutare la distribuzione spaziale e temporale delle deformazioni muscolari e mostrare gli esiti dell’analisi su un monitor 301 sottoforma grafica e/o numerica. L’unità di elaborazione 201 può essere un sistema a microprocessore dedicato o, più in generale, un PC anche di tipo generai purpose. Le caratteristiche dell’unità 201 si riflettono ovviamente sulla velocità di elaborazione.

Una realizzazione più sofisticata, mostrata in Fig. 5, comprende due o più sonde ecografiche 3, 3’ collegate ad una stessa apparecchiatura ecografica 2 per l’acquisizione simultanea su due o più gruppi muscolari in modo che il dispositivo 1 possa effettuare una valutazione comparativa delle deformazioni relative. In questo caso occorre che l’ecografo utilizzato sia in grado di gestire due o più sonde contemporaneamente oppure in multiplex in modo da garantire acquisizioni sfasate temporalmente di una quantità nota. E’ anche possibile prevedere che il dispositivo 1 sia interfacciato con due o più ecografi 2, 2’ come mostrato in fig.

6. Ciò consente di utilizzare ecografi di tipo tradizionale, lasciando, ad esempio, all’utilizzatore il compito di controllare i tempi di acquisizione ad esempio premendo contemporaneamente i tasti di freeze dei due ecografi oppure collegando in parallelo una pedaliera che agisca su i tasti di freeze di ciascun ecografo.

Questa soluzione à ̈ senz’altro la più flessibile in termini di impiego di apparecchi ecografici, ma sicuramente non la migliore in termini di efficacia del dispositivo.

La soluzione ottimale risulta, infatti, quella che consente di integrare il dispositivo secondo l’invenzione all’interno di un apparecchio ecografico come schematicamente mostrato in Fig. 7. Il dispositivo 1 , in questo caso, può essere parte del sistema di processazione immagini dell’ecografo con il monitor 301 che coincide con lo stesso monitor principale dell’ecografo, venendo a creare un sistema molto compatto dedicato all’analisi delle deformazioni muscolari.

Per quanto riguarda le sonde ecografiche 4, queste possono essere di tipo tradizionale oppure costruite ad hoc, ad esempio per essere integrate all’interno di una fascia da disporre attorno ad una coscia per l’analisi della deformazione dei muscoli della gamba oppure di un collare o un busto per analizzare altri distretti anatomici.

Secondo una forma attuativa particolarmente vantaggiosa, il dispositivo secondo l’invenzione à ̈ previsto in associazione ad un sistema meccanico ausiliario per semplificare l'esecuzione di movimenti predefiniti in maniera sistematica e riproducibile, o ad un sistema elettrostimolatore capace di indurre contrazioni muscolari predefinite in uno o più siti. In questo modo à ̈ possibile eseguire acquisizioni durante movimenti riproducibili per confronti inter-individuali e intra-individuali a diversi momenti dell’allenamento o riabilitazione. Tali sistemi possono essere macchine cinematiche vincolate (tipo macchinari fitness o apparati riabilitativi, così come macchine specifiche di altre discipline quali, ad esempio, il Gyrotonic o il Pilates) o macchine elettrostimolatrici che permettano la stimolazione muscolare in sequenze codificate e ripetibili.

In questo caso il dispositivo 1 può vantaggiosamente comprendere un ingresso (non mostrato nelle figure) per ricevere dette sequenze codificate tramite input manuale o scambio dati diretto tramite interfaccia con la macchina cinematica vincolata o l’elettrostimolatrice affinché l’unità di elaborazione 201 possa operare dei confronti tra le deformazioni o i tassi di deformazione in funzione del tipo di sollecitazione indotta dalla macchina al muscolo o ai muscoli da valutare.

Claims (24)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la valutazione dinamica quantitativa della funzionalità dei muscoli scheletrici, caratterizzato dal fatto di comprendere i seguenti passi: a. ricevere una o più sequenze di immagini ecografiche bidimensionali o tridimensionali del muscolo o dei muscoli in esame; b. trasformare tale sequenza o tali sequenze di immagini in sequenze di misurazioni di deformazioni e/o di tassi di deformazione in più locazioni spaziali del muscolo o dei muscoli da valutare; c. fornire in uscita tali sequenze di misurazioni spaziali sottoforma numerica e/o grafica.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 , in cui il passo b) comprende determinare la distribuzione vettoriale della deformazione e/o la sincronicità nello sviluppo spaziale della stessa.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il passo a) comprende ricevere sequenze di immagini relative a muscoli diversi e/o a zone diverse di un medesimo muscolo.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui le sequenze di immagini sono sostanzialmente sincrone fra loro o sfasate temporalmente di una quantità nota.
5. 5. Metodo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere il passo di valutare l’uniformità dell’attività muscolare all’interno di stessi muscoli e/o di elementi muscolari diversi coinvolti nella medesima azione e/o la sincronia nella defor mazione tra muscoli agonisti ed antagonisti tramite confronto delle misurazioni in termini di intensità e/o sincronia.
6. 6. Metodo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere il passo di confrontare l’andamento della deformazione di un muscolo agonista con l’andamento della deformazione del corrispondente muscolo antagonista per rilevare situazioni di sovraccarico del primo rispetto al secondo o viceversa.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui vengono presentate una curva di contrazione del muscolo agonista e una curva di rilasciamento del corrispondente muscolo antagonista, le situazioni di sovraccarico essendo rilevate misurando lo sfasamento temporale fra dette curve.
8. 8. Metodo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui il passo b) comprende determinare la distribuzione della deformazione e/o dei tassi di deformazione tramite tecniche di Optical Flow e/o Particle Image Velocimetry.
9. 9. Metodo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere il passo di calcolare le direzioni principali delle deformazioni e i valori di deformazione in dette direzioni e mostrare le immagini in ingresso unitamente ai vettori delle deformazioni, i quali vettori hanno la forma di frecce orientate secondo dette direzioni principali e di lunghezza proporzionale a detti valori di deformazione in dette direzioni.
10. 10. Metodo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere i seguenti passi: - calcolare le velocità di punti o zone aventi la stessa luminosità in immagini successive della sequenza o delle sequenze di immagini in ingresso; - calcolare la matrice dei gradienti spaziali di dette velocità; - suddividere la matrice dei gradienti spaziali in una matrice simmetrica di pura deformazione e in una matrice asimmetrica di pura rotazione; - diagonalizzare la matrice simmetrica con calcolo dei relativi autovalori; - calcolare i corrispondenti autovettori; - mostrare sovrapposte alle immagini in ingresso frecce orientate secondo la direzione degli autovettori e di lunghezza proporzionale al valore degli autovalori.
11. 11. Dispositivo per la valutazione dinamica quantitativa della funzionalità dei muscoli scheletrici, caratterizzato dal fatto di comprendere: a. un ingresso (101) per ricevere una o più sequenze di immagini ecografiche bidimensionali o tridimensionali del muscolo o dei muscoli in esame; b. una unità di elaborazione (201) per trasformare tale sequenza o tali sequenze di immagini in sequenze di misurazioni spaziali; c. una uscita (301) per fornire in output tali sequenze di misurazioni spaziali sottoforma numerica e/o grafica, caratterizzato dal fatto che detta unità di elaborazione (201) à ̈ configurata per trasformare tale sequenza o tali sequenze di immagini in sequenze di misurazioni di deformazioni e/o di tassi di deformazione in più locazioni spaziali del muscolo o dei muscoli da valutare attuando uno o più passi del metodo di cui una o più delle precedenti rivendicazioni.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11 , in cui detta unità di elaborazione (201) à ̈ configurata per determinare la distribuzione vettoriale della deformazione e/o la sincronicità nello sviluppo spaziale della stessa.
13. 13. Dispositivo secondo la rivendicazione 11 o 12, in cui l’unità di elaborazione (201) à ̈ configurata per valutare l'uniformità dell’attività muscolare all’interno di stessi muscoli e/o di elementi muscolari diversi coinvolti nella medesima azione e/o la sincronia nella deformazione tra muscoli agonisti ed antagonisti tramite confronto delle misurazioni in termini di intensità e/o sincronia.
14. 14. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni 11 a 13, in cui l’unità di elaborazione (201) à ̈ configurata per calcolare le direzioni principali delle deformazioni e i valori di deformazione in dette direzioni, il dispositivo presentando in uscita le sequenze o la sequenza di immagini unitamente ai vettori delle deformazioni, i quali vettori hanno la forma di frecce orientate secondo dette direzioni principali e di lunghezza proporzionale a detti valori di deformazione in dette direzioni.
15. 15. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni 11 a 14, caratterizzato dal fatto di essere previsto per essere interfacciato ad un apparecchio ecografico (2), la sequenza di immagini di ingresso provenendo da detto apparecchio tramite scambio di dati su una memoria di massa o connessione, via cavo o wireless, diretta o tramite rete LAN, WAN o Internet.
16. 16. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni 11 a 15, caratterizzato dal fatto di essere previsto per essere interfacciato, direttamente o per il tramite dell’apparecchio ecografico (2), ad un sistema per l’esecuzione di un movimento articolare predefinito in maniera ripetibile e/o un sistema per stimolazioni elettro-indotte capace di indurre contrazioni muscolari predefinite in uno o più siti.
17. 17. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni 11 a 16, caratterizzato dal fatto di essere previsto in combinazione con un apparecchio ecografico (2) dotato di almeno una sonda (3) per acquisire sequenze di immagini bidimensionali o tridimensionali di uno o più muscoli sotto esame, essendo previsti mezzi per sincronizzare l’acquisizione di zone diverse del medesimo muscolo o di muscoli diversi.
18. 18. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni 11 a 17, caratterizzato dal fatto di essere previsto in combinazione con un apparecchio ecografico (2) dotato di almeno due sonde (3, 3’) pilotabili contemporaneamente per acquisire in modo sincrono sequenze di immagini bidimensionali o tridimensionali relative a muscoli diversi o a diverse zone del medesimo muscolo.
19. 19. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni 11 a 18, caratterizzato dal fatto di essere previsto in combinazione con almeno due apparecchi ecografici (2, 2’) dotati ciascuno di almeno una sonda (3, 3’) per acquisire sequenze di immagini bidimensionali o tridimensionali di uno o più muscoli sotto esame, essendo previsti mezzi per sincronizzare l’acquisizione dei due ecografi in modo da consentire che sequenze di immagini relative a muscoli diversi o a diverse zone del medesimo muscolo siano acquisite in modo sincrono.
20. 20. Dispositivo secondo una o più delle precedenti rivendicazioni 11 a 19, caratterizzato dal fatto di essere previsto in combinazione con una macchina cinematica vincolata e/o elettrostimolatrice che permette la stimolazione muscolare in sequenze codificate e ripetibili, il dispositivo comprendendo un ingresso per ricevere dette sequenze codificate tramite input manuale o scambio dati diretto tramite interfaccia con la macchina cinematica vincolata o l’elettrostimolatrice, l’unità di elaborazione essendo sensibile a detto ingresso per operare dei confronti tra le deformazioni o i tassi di deformazione in funzione del tipo di sollecitazione indotta dalla macchina al muscolo o ai muscoli da valutare.
21. 21 . Apparecchio ecografico per valutare l’uniformità dell’attività muscolare all'interno di stessi muscoli e/o di elementi muscolari diversi coinvolti nella medesima azione e/o la sincronia nella deformazione tra muscoli agonisti ed antagonisti, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni 11 a 20 in grado di misurare deformazioni e/o tassi di deformazione a partire da sequenze di immagini ottenute acquisendo tramite una o più sonde ecografiche (3) una o più zone del medesimo muscolo o di muscoli diversi coinvolti nella medesima azione e operare un confronto tra dette misurazioni in termini di intensità e/o sincronia.
22. 22. Apparecchio ecografico secondo la rivendicazione 21 , caratterizzato dal fatto di comprendere almeno due sonde (3, 3’) vincolate tra loro per essere posizionate su diverse zone del medesimo muscolo e/o di muscoli diversi per acquisire contemporaneamente le relative immagini ecografiche.
23. 23. Apparecchio ecografico secondo la rivendicazione 21 o 22, caratterizzato dal fatto che la sonda o le sonde (3, 3’) sono supportate da un dispositivo avente una conformazione tale da poter essere tenuto solidale con l’elemento anatomico comprendente il muscolo da valutare.
24. 24. Apparecchio ecografico secondo la rivendicazione 23, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di supporto ha la conformazione di una fascia, di un collare, di un busto o simili.