Guida degli insegnamenti
Syllabus
Partially translatedTradotto parzialmente
MICHEL MESNARD
Lingua di erogazione: INGLESELessons taught in: ENGLISH
Laurea Magistrale - [IM13] BIOMEDICAL ENGINEERING Master Degree (2 years) - [IM13] INGEGNERIA BIOMEDICA
Dipartimento: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'InformazioneDepartment: [040040] Dipartimento Ingegneria dell'Informazione
Anno di corsoDegree programme year : 1 - Secondo Semestre
Anno offertaAcademic year: 2020-2021
Anno regolamentoAnno regolamento: 2020-2021
Obbligatorio
Crediti: 9
Ore di lezioneTeaching hours: 72
TipologiaType: B - Caratterizzante
Settore disciplinareAcademic discipline: ING-IND/34 - BIOINGEGNERIA INDUSTRIALE
Inglese
English
Calcolo vettoriale e matriciale, definizione di sistemi di riferimento 3D, calcolo integrale ed equazioni differenziali utilizzate in meccanica.
Vector and vector calculus,
Matrix and matrix calculus, definition of 3D reference frames,
Calculation of integrals, differential equations in mechanics.
Come riportato nel programma del corso, ogni nuovo concetto sarà sviluppato in studi pratici (seminari) basati su strumentazioni medicali e/o task motori di analisi del movimento. La durata complessiva del corso consta di 72 ore. Il progetto, non obbligatorio, presentato nelle modalità di valutazione dell'apprendimento, porterà alla definizione di homeworks e a confronti col docente non inclusi nelle 72 ore del corso.
As detailed in the Course program, each new concept (lectures 50%) will be applied/developed in practical studies (seminars 50%) based on medical/sport devices and/or human body movement examples for a global duration of 72 hours.
The non-mandatory project, presented in point 8, leads to homework and several meetings with the Professor (meetings in UPM, using Skype and/or emails, ...) not included in the 72 hours.
Obiettivo del corso è l'analisi della dinamica dei sistemi di corpi rigidi articolati, e il suo utilizzo nell’ambito del movimento umano per la descrizione delle specificità di questi concetti in biomeccanica. In particolare, il focus è sulla stima dei parametri inerziali dei segmenti corporei, e sul calcolo dei momenti articolari utilizzando un approccio di dinamica inversa. Si presenteranno inoltre tecniche di modellazione del sistema muscoloscheletrico.
Capacità di applicare conoscenze e comprensione.
Il corso, obbligatorio per gli studenti magistrali, consentirà agli studenti di imparare come scrivere le
leggi del moto che regolano il movimento di un
sistema multi-corpo (il sistema muscolo-scheletrico)
e come determinare le cause di questo movimento
(azioni meccaniche). Essi saranno in grado di
scegliere e applicare i metodi appropriati per
quantificare i carichi alle articolazioni in situazioni
diverse, dalla determinazione dei parametri inerziali
dei segmenti corporei al calcolo delle coppie
articolari. Gli esempi sono principalmente nel campo
dell'analisi del movimento umano (gesti sportivi, ...).
Gli studenti impareranno a gestire gli errori di misura
e le principali ipotesi da assumere per stabilire le
equazioni di movimento, in modo da essere critici
nell’interpretare i risultati, come ad esempio in un contesto clinico.
Competenze trasversali.
Capacità di sintesi, autonomia e chiarezza di
espressione. Interpretazione di un lavoro scientifico o
di un report scientifico, comunicazione con un interlocutore in lingua Inglese. Lavorare in un
contesto internazionale.
Knowledge and Understanding.
The aim of the course is the analysis of the dynamics of systems consisting in articulated rigid bodies, and its use in human movement describing the specificities of these concepts in biomechanics. In particular, focus is on the inertial body parameters estimations, and on the joint moments using an inverse dynamics approach. Musculoskeletal modeling is also presented.
Capacity to apply Knowledge and Understanding.
By this mandatory course, students learn how to establish the laws of motion linking the movement of a multi-body system (the musculoskeletal system) and the causes of this movement (mechanical actions).
They are able to choose and apply the relevant methods to quantify the joints loads in different situations, from the determination of body segment inertial parameters to the calculation of the joints net moments. The examples are mostly in the domain of human movement analysis (sport and medical gestures, medical devices.).
The students are aware of measurement errors and to the main hypotheses to assume to establish the movement equations, so that they keep a critical mind when they have to interpret results, for example in a clinical context.
Transversal Skills.
Capabilities of synthesis, autonomy and clarity.
Read a document, understand an interlocutor, and speak, in English.
Work in an international context.
1. Dispositivi Medici e Biomeccanica
1.1 Dispositivi Medici (classificazione EU)
1.2 Dal bisogno al market- attraverso studi multidisciplinari
1.3 Primi esempi- Caratterizzazione/descrizione Biomedica e Biomeccanica
Ciascun novo concetto (lezioni 50%) sarà applicato/sviluppato in studi pratici (seminari 50%), quest'ultimi basati su dispositivi medici/sportivi e/o esempi di task motori umani.
2. Dinamica di un punto materiale
2.1 Concetti elementari (massa, momento lineare, momento angolare), tools matematici necessari (base, sistema di riferimento, vettori, momenti)
2.2 Prima legge di Newton o legge di Inerzia
2.3 Seconda legge di Newton or Principio fondamentale della Dinamica
2. Terza legge di Newton o Principio di Azione e Reazione
2.5 Forze (Forza gravitazionale, forze d'attrito, forze elastiche e viscose)
3. Lavoro, energia cinetica, momento di moto e teoremi relativi
3.1 Lavoro e Potenza
3.2 Energia cinetica e teorema
3.3 Forze conservative ed Energia potenziale
3.4 Conservazione dell'energia totale
3.5 Teorema del momento angolare
4. Cinematica del corpo rigido- obiettivi
4.1 Distribuzione della massa - centro di massa
4.2 Energia cinetica associata al movimento di un solido
4.3Quantità cinetica associata ala movimento di un corpo solido
4.4 Teorema di Koenigper l'energia cinetica ed il momento angolare
4.5 Kinetics of the specific movement of a solid around a fixed point
4.6 Matrice del tensore di Inerzia
4.7 Applicazione dei teoremi di Koenig per calcoli cinematici
4.8 Derivata temporale dei momenti lineare e angolare
4.9 Movimento umano: Valutazione of inertial body segment parameters
5. Dinamica multi-body di corpi rigidi -obiettivi
5.1 Principio fondamentale della dinamica
5.2 Teorema dell'energia cinetica
5.3 Teorema della conservazione dell'energia
5.4 Modellazione di articolazioni e articolazioni umane: Considerazioni anatomiche e biomeccaniche
5.5 Movimento umano: Misure di forze esterne e dinamica inversa per valutare l'azione delle articolazioni
6. Modellazione del sistema muscolo-scheletrico
6.1 Modelli muscolo-scheletrici
6.2 Funzionalità muscolari e articolari
6.3 Protesi e ortosi articolari
1. Medical devices and Biomechanics
1.1 Medical devices (EU classification)
1.2 From needs to market - Towards multidisciplinary studies
1.3 First examples - Biomedical and biomechanical characterization/description
Each new concept (lectures 50%) will be applied/developed in practical studies (seminars 50%) based on medical/sport devices and/or human body movement examples.
2. Dynamics of a material point
2.1 Basic concepts (mass, linear momentum, angular momentum)
and necessary mathematical tools (base, frame, vector, moment and wrench)
2.2 Newton’s first law or Law of Inertia
2.3 Newton’s second law or Fundamental Principle of Dynamics
2.4 Newton’s third law or Action-Reaction Law
2.5 Classical forces (gravitational force, friction force, spring and damper forces)
3. Work, kinetic energy, kinetic moment and related theorems
3.1 Work and Power
3.2 Kinetic energy and work-energy theorem
3.3 Conservative forces and potential energy
3.4 Conservation of total energy
3.5 Angular momentum theorem
4. Kinetics of a rigid body - Goals
4.1 Mass distribution - Centre of mass
4.2 Kinetic energy associated to the movement of a solid
4.3 Kinetic quantities associated to the movement of a solid
4.4 Koenig’s theorems for the kinetic energy and the angular momentum
4.5 Kinetics of the specific movement of a solid around a fixed point
4.6 Matrix of the inertia tensor
4.7 Application of the Koenig’s theorems for kinetic calculations
4.8 Time derivative of the linear and angular momentums
4.9 Human movement: Evaluation of inertial body segment parameters
5. Rigid multi-body dynamics - Goals
5.1 Fundamental Principle of Dynamics
5.2 Kinetic energy theorem
5.3 Energy conservation theorem
5.4 Joint and human joint modelling: Anatomical and biomechanical contributions
5.5 Human movement: External forces measurement and inverse dynamics to evaluate joint actions
6. Modelling of the musculoskeletal system
6.1 Musculo-skeletal models
6.2 Muscle and joint actions
6.3 Joints equipped with medical devices (Prostheses, orthoses)
Due test obbligatori: un test intermedio (IT e uno finale (FT), ciascuno di 1 ora e 30 minuti di durata.
Un progetto non obbligatorio: progetti proposti da gruppi di due studenti su temi riguardanti (cinematica e/o dinamica) di un dispositivo medico/sportivo o di un task motorio umano.
Criteri di valutazione dell'apprendimento.
Per superare l'esame, lo studente dovrà dimostrare attraverso le prove scritte, di aver compreso in maniera esaustiva i concetti fondamentali, oltre ad aver acquisito le competenze richieste. I test scritti si basano sulla risoluzione di esercizi relativi ad argomenti trattati nel corso, in particolare:
Test intermedio (IT) da punto 1.1 a 4.3 del programma ;
Test finale (FT) da punto 1.1 a 6.3 del programma.
Criteri di misurazione dell'apprendimento.
La massima valutazione è attribuita allo studente che, nella risoluzione dei test scritti, dimostra eccellenti capacità di analisi e di risoluzione dei problemi in maniera chiara e rigorosa. Il voto finale viene attribuito in trentesimi. Il voto finale è calcolato come il massimo voto ottenuto tra i i due seguenti:
Voto ottenuto nel test finale,
Media dei voti ottenuti tra il test intermedio e il test finale
Criteri di attribuzione del voto finale.
La massima valutazione è attribuita allo studente che, nella risoluzione dei test scritti, dimostra eccellenti capacità di analisi e di risoluzione dei problemi in maniera chiara e rigorosa. Il voto minimo per superare l'esame è di 18/30.
La lode può essere attribuita agli studenti che:
Ottengono un voto di 30/30 o che ottengono 27/30 e dimostrano di essere in grado di applicare le conoscenze acquisite nel progetto non obbligatorio. Un massimo di 3 punti possono essere attribuiti in aggiunta al voto finale inferiore a 27/30, in base ai risultati del progetto concordato col docente.
Learning Evaluation Methods.
Two compulsory written tests: An intermediate test (IT) and a final test (FT) - Durations : 1h30,
One non-compulsory project: Guided study proposed by a group of two students (kinematics, kinetics and/or dynamics) of a medical/sport device and/or a human body situation/movement.
Learning Evaluation Criteria.
To successfully pass the exam, students have to demonstrate through the tests that they have fully understood the fundamental concepts and acquired the basic skills. The tests make it possible to ascertain the capacities for knowledge, understanding and ability to apply the acquired skills.
The programs of the written tests are defined from the course program :
Intermediate test, from point 1.1 to point 4.3,
Final test, from point 1.1 to point 6.3.
Learning Measurement Criteria.
The maximum evaluation is attributed to students who demonstrate excellent analytical skills, clear and rigorous solutions in the two written tests. Each mark and the global final mark (GFM) are given on 30.
This global final mark is calculated as the highest of the two following results,
Mark obtained at the final test, and,
Average of the marks obtained at the intermediate (ITM) and final (FTM) tests, then,
Global final mark, GFM = Sup [FTM, (ITM+FTM)/2]
Final Mark Allocation Criteria.
The maximum evaluation is attributed to students who demonstrate excellent analytical skills, clear and rigorous development of solutions in the two written tests. The minimum global final mark for passing the exam is 18 out of 30.
The Lode can be given to students who reach,
The maximum grade of 30/30, or,
The grade of 27/30 and demonstrate that they are able to apply, with initiative, the knowledge and skills acquired through the non-compulsary project. A maximum of 3 points can also be added to the GFM of students who complete the project and whose mark is less than 27/30.
“ A student’s guide to vectors and tensors ” by D. Fleisch, Cambridge Editions (2008)
“ Mechanics : An intensive course ” by M. Chaichian, Springer (2012)
“ Biomechanical analysis of fundamental human movements ” by A. Chapman, Human Kinetics (2008)
“ Human body dynamics : Classical mechanics and human movement ” by A. Tozeren, Springer (2000)
“ Kinetics of human motion ” by Vladimir M. Zatsiorsky, Human Kinetics (2002)
La piattaforma moodle è l'unica repository in cui viene caricato l'eventuale materiale didattico ufficiale del corso, il link a cui accedere è
https://learn.univpm.it
“ A student’s guide to vectors and tensors ” by D. Fleisch, Cambridge Editions (2008)
“ Mechanics : An intensive course ” by M. Chaichian, Springer (2012)
“ Biomechanical analysis of fundamental human movements ” by A. Chapman, Human Kinetics (2008)
“ Human body dynamics : Classical mechanics and human movement ” by A. Tozeren, Springer (2000)
“ Kinetics of human motion ” by Vladimir M. Zatsiorsky, Human Kinetics (2002)
Moodle Platform is the only repository for the official course material, at,
https://learn.univpm.it
https://learn.univpm.it
https://learn.univpm.it
Le informazioni contenute nella presente scheda assumono carattere definitivo solo a partire dall'A.A. di effettiva erogazione dell'insegnamento. Academic year 2020-2021
Università Politecnica delle Marche
P.zza Roma 22, 60121 Ancona
Tel (+39) 071.220.1, Fax (+39) 071.220.2324
P.I. 00382520427