Implementazione hardware/software di un sistemamultitouch per l'interazione u...
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1. POLITECNICO DI TORINO
I Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica
Tesi di Laurea Magistrale
AnatoMimo: uno specchio
interattivo.
Applicazione all’apprendimento dell’anatomia.
Relatore:
Prof. Filippo Molinari
Correlatore:
Dr. Stéphane Cotin
Candidato:
Thomas Massari
Dicembre 2016
2.
3. Sommario
La complessità dell’anatomia ne rende l’apprendimento un compito difficile. Nel
corso degli anni, diversi supporti di conoscenza hanno visto la luce con lo scopo di
rappresentare e strutturare l’anatomia: dai disegni su lavagna, ai libri di anatomia,
passando per la tappa fondamentale della dissezione e dei lavori pratici sui modelli
plastici in 3D. È peraltro difficile imparare la dimensione dinamica dell’anatomia
attraverso gli strumenti di apprendimento tradizionali, nozione che è tuttavia es-
senziale alla formazione dei medici. Per facilitare questo compito, si propone un
sistema basato sul concetto di «embodiment», un concetto secondo il quale il nostro
sistema motore influenza la nostra cognizione. Attraverso questo lavoro di tesi, si
vuole proporre un sistema originale, innovativo e interattivo per l’apprendimento
dell’anatomia chiamato «AnatoMimo». L’idea è quella di creare un’applicazione in
tempo reale di un modello anatomico digitale 3D (pelle, scheletro, muscoli, organi,
apparato vascolare) che viene animato mimando i movimenti dell’utilizzatore. Si
utilizza la Kinect come sensore di movimento.
La prima sfida consiste nella cattura realistica e in tempo reale dei movimenti
dell’utilizzatore. Riprodurre il comportamento di strutture anatomiche è un com-
pito complesso a causa delle informazioni ricavate dalla Kinect, spesso parziali e
molto rumorose. Si propone l’uso di regole anatomiche riguardanti le articolazioni
del corpo (asse di rotazione e limiti articolari) per vincolare i movimenti estratti
dalla Kinect e ottenere movimenti realistici. Per ottenere dei movimenti fluidi, si è
deciso di utilizzare il filtro doppio esponenziale di Holt. La seconda sfida riguarda
l’importante compito di ritorno visivo e di interazione. Durante questo lavoro, ci si
è particolarmente interessati alla resa del corpo completo per visualizzare il funzio-
namento generale del corpo umano e delle sue diverse articolazioni. Per rispettare
il vincolo di tempo reale, quello che si propone qui è più dell’animazione grafica at-
traverso deformazione del modello piuttosto che della biomeccanica attraverso una
simulazione completa dei movimenti.
I diversi elementi sono stati integrati in un sistema operazionale presentato in
dettaglio nella seguente tesi. La presentazione di questo lavoro sotto forma di ver-
sione demo verrà effettuata all’interno di una mostra itinerante in Francia nel 2017,
chiamata “De l’Homo Numericus au Citoyen Numérique”.
iii
13. 1 – Introduzione
1.1 Contestualizzazione
L’anatomia è composta da conoscenze complesse, numerose, strutturate, statiche
e dinamiche. Capire come l’anatomia funziona e comprendere la sua cinematica è
importante per gli studi medici, sportivi ma anche per l’educazione in generale.
Nel corso degli anni, diversi supporti di conoscenza hanno visto la luce con lo
scopo di rappresentare e strutturare l’anatomia: dai disegni su lavagna, ai libri di
anatomia, passando per la tappa fondamentale della dissezione e dei lavori prati-
ci sui modelli plastici in 3D. È peraltro difficile imparare la dimensione dinamica
dell’anatomia attraverso gli strumenti di apprendimento tradizionali, nozione che è
tuttavia essenziale alla formazione dei medici.
Per colmare questa mancanza, l’obiettivo che ci si è proposti è quello di sviluppare
un sistema tempo reale che permetta di visualizzare il corpo in azione, chiamato
«AnatoMimo».
1.1.1 Il progetto AnatoMimo
Attraverso AnatoMimo, un qualsiasi utilizzatore, muovendo il proprio corpo, potrà
osservare attraverso una resa di immagini e tecniche di interazione adeguate il fun-
zionamento dei diversi elementi anatomici messi in gioco all’interno di un’azione di
movimento.
L’idea consiste nell’animare un modello anatomico 3D (pelle, scheletro,
muscoli, organi e sistema vascolare) mimando i movimenti di un utiliz-
zatore. Si parla qui di un’applicazione in tempo reale di tipo «specchio
interattivo».
Supponendo che l’esperienza corporea, nel senso di utilizzare il proprio corpo,
possa aiutare chiunque voglia imparare, specialmente uno studente di medicina, nel
processo di apprendimento, di comprensione e di memorizzazione [1], si propone
d’innovare il campo dei metodi di apprendimento dell’anatomia. Il lavoro svolto è
basato su due ipotesi:
• La visualizzazione spaziale è fondamentale per la comprensione e l’apprendi-
mento di forme 3D articolate complesse [2, 3]. Le tecniche interattive basate
sulla visualizzazione spaziale, possono fortemente facilitare la comprensione,
la memorizzazione e l’apprendimento del contenuto dinamico complesso [4, 5].
• Il «Somatic Learning» fa riferimento all’idea di apprendere attraverso l’eserci-
zio corporeo specificamente elaborato per mettere in collegamento la coscienza
e la sensazione dei movimenti: il nostro sistema motore influenza la nostra
cognizione [6, 7]. Si parla qui di incorporamento o «embodiment».
2
14. 1 – Introduzione
Attraverso questo lavoro di tesi, si propone quindi un sistema originale e inno-
vativo per l’apprendimento dell’anatomia basato sull’ipotesi che l’interattività offre
una migliore connessione tra il corpo dell’utilizzatore e le conoscenze anatomiche
pertinenti.
1.1.2 Il gruppo Mimesis
Il progetto di sviluppo di questa idea è stato affidato alla squadra Mimesis, di cui ho
fatto parte durante uno stage di otto mesi. Mimesis è un gruppo di ricerca dinamico,
avente sede a Strasbourg, che fa parte di INRIA.
L’Istituto Nazionale per la Ricerca nell’Informatica e nell’Automazione è un isti-
tuto nazionale francese per la ricerca focalizzato sull’informatica, la teoria dell’au-
tomazione e la matematica applicata. INRIA compie lavori di ricerca sia nell’infor-
matica teorica che applicata e in questo processo ha realizzato numerosi programmi
tra i quali SOFA (Simulation Open Framework Architecture), che verrà in seguito
introdotto più nel dettaglio perché ampiamente utilizzato nel corso di questa tesi.
Mimesis lavora su simulazioni mediche in tempo reale, sviluppando tecnologie
innovative per l’addestramento, l’assistenza e la guida dei medici.
1.2 Obiettivi
Come si è già precedentemente accennato, la messa in opera di un tale approccio
passa attraverso la risoluzione di un certo numero di problemi sia tecnici che scien-
tifici più o meno padroneggiati nello stato dell’arte. I vincoli che si sono imposti
sono i seguenti: il tutto deve essere fatto in tempo reale o in modo interattivo (sin-
cronizzato all’azione o immediatamente in seguito alla fine dell’azione); i sensori che
permettono la cattura del movimento devono poter essere sufficientemente semplici
(ad es.: Kinect, ecc.) per un utilizzo di tipo «grande pubblico».
Per quanto riguarda la problematica del tempo reale, quello che si propone qui è
più dell’animazione grafica attraverso deformazione del modello piuttosto che della
biomeccanica attraverso una simulazione completa dei movimenti.
Conoscenze e organizzazione
L’anatomia costituisce una risorsa di conoscenze complesse ed estese dove una mol-
titudine di dati convivono. L’organizzazione e la strutturazione di tali conoscenze
ma anche il loro utilizzo interattivo in tempo reale costituisce una sfida scientifica.
Si presenta in questa tesi un approccio innovativo che associa una base di cono-
scenze simboliche a una rappresentazione geometrica dell’anatomia, permettendo di
ricercare delle informazioni complesse in maniera intuitiva.
3
15. 1 – Introduzione
Nel seguito della tesi, verrà utilizzato l’appellativo «modello portatore di cono-
scenze anatomiche» o «modello anatomico di riferimento» un insieme di dati 3D,
spesso strutturati secondo un lessico anatomico specifico. In questo caso, è costituito
da una mesh di pelle superficiale e da mesh rappresentanti le strutture anatomiche
interne (scheletro, organi, ecc.).
Cattura tempo reale dei movimenti dell’utilizzatore
Nel contesto di AnatoMimo, la semplicità della percezione ha potenzialmente un for-
te impatto nell’utilizzabilità globale di AnatoMimo nel contesto dell’apprendimento.
Si tratta di permettere la diffusione di questo tipo di sistema al di fuori di una sa-
la specializzata dotata di un equipaggiamento di sensori costosi. I sensori semplici
sono quindi privilegiati: telecamera di un tablet o di un smartphone, accelerometri,
Kinect, ecc.
L’idea di questo lavoro è quello di poter visualizzare dei fenomeni anatomici
specifici durante il movimento e in tempo reale. La natura delle informazioni in
entrata al sistema, potenzialmente abbastanza povera, e il vincolo del tempo reale o
quanto meno del tempo interattivo pongono delle vere sfide scientifiche e tecniche.
Riprodurre il comportamento delle strutture anatomiche è un compito comples-
so ma inevitabile per questo sistema. Conoscenze che permettono di riconoscere,
interpretare e utilizzare i movimenti catturati sono utilizzate con lo scopo di definire
delle regole anatomiche riguardanti le articolazioni del corpo (asse di rotazione e
limiti articolari) per ottenere dei movimenti fluidi e anatomicamente corretti.
Integrazione e interazioni
Il compito di ritorno visivo e di interazione, dove il corpo dell’utilizzatore serve
alla cattura dell’azione, sono molto importanti in questo progetto. Si introduce
un approccio innovativo utilizzando sia la cattura tempo reale dei movimenti che
un modello anatomico di riferimento organizzato, per la realizzazione di un nodo
operazionale di AnatoMimo.
Lo scopo è di concepire delle tecniche interattive nel contesto dell’autoappren-
dimento di conoscenze anatomiche complesse e dinamiche. AnatoMimo è basato su
un certo numero di componenti funzionali che si articolano gli uni sugli altri in un
sistema operazionale, presentato in dettaglio in questa tesi. Anche se i metodi di
cattura, di simulazione, di resa visiva e interazione sono delle tecniche già studiate,
l’integrazione del tutto costituisce in sé una vera sfida scientifica.
La pertinenza dello strumento di apprendimento proposto deve essere validata.
Per adempiere questo scopo, si è pensato di presentare questo lavoro sotto forma
di dimostrazione durante una mostra itinerante in Francia nel 2017, che si chiama
4
16. 1 – Introduzione
“De l’Homo Numericus au Citoyen Numérique” (dall’Homo Numericus al cittadino
numerico).
1.3 Pianificazione dell’elaborato
Il seguito dell’elaborato di tesi è organizzato come segue:
• Il capitolo 2 propone una panoramica dei principali domini che utilizzano l’a-
natomia, seguita da un trascorso storico dei supporti d’apprendimento dell’a-
natomia, campo a cui si è particolarmente interessati. In seguito si discuterà
sull’apporto delle nuove tecnologie per l’apprendimento e in particolare sulla
tipologia di specchio interattivo.
• Il capitolo 3 spiega il modo migliore per descrivere l’anatomia e il movimento.
Si presenterà il modello anatomico di riferimento attraverso le varie scelte fatte.
• Il capitolo 4 presenta, attraverso diverse tecnologie più o meno pesanti, i meto-
di di cattura del movimento. Si presenterà la tecnologia qui utilizzata (Kinect
Windows V2.0) e le principali tecnologie concorrenti. Verrà anche esposto nei
dettagli il metodo usato per ottenere dei movimenti anatomicamente corret-
ti, insieme al metodo con il quale il movimento dell’utilizzatore influisce sulla
modifica e deformazione del modello anatomico di riferimento.
• Il capitolo 5 spiega i processi di integrazione dei diversi contributi nel sistema
funzionale di AnatoMimo, insieme alle scelte fatte in termini di visualizzazione,
di interfaccia e di interazione con il contenuto anatomico.
• Il capitolo 6 infine conclude questa tesi, fornendo una visione generale e discu-
tendo delle prospettive future.
5
18. 2 – Stato dell’arte
2.1 Introduzione
L’anatomia è composta da conoscenze statiche e dinamiche del corpo, che sono uti-
li in diversi campi: dal campo pedagogico (ad es.: musei, esposizioni), al campo
artistico e della moda, al campo dell’animazione e degli effetti speciali, e tanti al-
tri. Certamente le conoscenze anatomiche sono essenziali per il settore medico e
paramedico, come anche per la simulazione medicale.
La visualizzazione anatomica è stata per tanto tempo riservata alla creazione di
un modello mentale del corpo umano con l’intento di migliorare le cure mediche. I
medici hanno bisogno di questa rappresentazione per trasferirla sui loro pazienti e
quindi applicare le loro conoscenze caso per caso: in funzione del paziente, dell’ope-
razione da effettuare, ecc. Si è scelto di presentare qui un trascorso dei diversi settori
che attingono alle conoscenze anatomiche, pur non essendo direttamente legati al
settore medico e paramedico.
2.1.1 Utilizzo delle conoscenze anatomiche al di fuori del
settore medicale
Settore grande pubblico: musei ed esposizioni
Con lo scopo di comunicare e istruire il grande pubblico, un gran numero di musei
presentano degli allestimenti anatomici sotto diverse forme. Ecco qualche esempio
rappresentativo.
La galleria di anatomia comparata di Parigi presenta uno vicino all’altro un
insieme di scheletri di vertebre di diverse specie. Fornisce un’idea generale della
statura e della forma dei diversi animali, e permette il confronto tanto sulla struttura
generale dello scheletrico quanto sulla forma delle ossa in maniera individuale.
Dopo quattro anni di lavoro intensivo, il museo di Toulose espone, in una postura
dinamica, 75 scheletri di specie diverse mettendoli come se si potessero scoprirli nel
loro ambiente naturale (vedere figura 2.1a). Gli obiettivi di questo muro sono di
presentare le diversità morfologiche e comportamentali degli animali.
All’interno delle gallerie del Vaticano, la sala dedicata alla storia egizia presenta
una mummia a cui sporgono i piedi, le mani e la testa in buono stato (vedere
figura 2.1d). Questo allestimento anatomico mostra come i riti culturali e religiosi
influissero sull’aldilà ai tempi dei faraoni.
L’allestimento anatomico presentato in figura 2.1b permette la visione dettagliata
e lo studio del sistema respiratorio mentre la figura 2.1c rappresenta uno stampo
delle arterie di una mano adulta eseguita da Gunther von Hagens con dell’acido
corrosivo.
7
19. 2 – Stato dell’arte
(a)
(b) (c) (d)
Figura 2.1: Presentazione degli elementi anatomici nei musei, per il grande pub-
blico. (a) Muro dei 75 scheletri del museo di Tolosa. (b) Istituto di anatomia -
Università di Berna. (c) Gunther von Hagens, stampo delle arterie di una mano
adulta. (d) Mummia egizia - musei vaticani.
Settore del cinema e degli effetti speciali
Nel settore del cinema e degli effetti speciali, le conoscenze anatomiche sono essen-
zialmente integrate nel processo di creazione di effetti speciali, soprattutto con lo
scopo di aggiungere realismo alle deformazioni della pelle dei personaggi virtuali.
Molti film d’animazione della DreamWorks usano un’anatomia interna sempli-
ficata per ottenere delle deformazioni della pelle e delle deformazioni facciali reali-
stiche. Per il modello di Fiona presentato in figura 2.2a, un sistema composto da
90 muscoli e da uno scheletro semplificato è stato utilizzato. Sono essenzialmente
rappresentati i comportamenti dei muscoli e le zone adipose grazie all’utilizzo di una
semplice simulazione.
Ad un livello più realistico, si può presentare il sistema di simulazione dei tessuti
molli sviluppato da Weta Digital e utilizzato per i film come «Avatar» (vedere figura
8
20. 2 – Stato dell’arte
2.2b) o «Il signore degli Anelli». Basato su dati ottenuti da MRI di vere persone, il
sistema permette la visualizzazione di deformazioni dovute alle ossa, ai muscoli, ai
depositi di grasso o anche ai tendini.
Alcuni film utilizzano questo genere di sistema per animare gli animali. In figura
2.2c si può vedere il modello utilizzato per rappresentare la tigre in «La vita di Pi»,
costituito da uno strato superficiale di pelle, da uno scheletro minimalista e da zone
simulate (in verde) che rappresentano i tessuti molli (muscoli, organi, ecc.).
(a) (b) (c)
Figura 2.2: Utilizzo dell’anatomia per il cinema e gli effetti speciali. (a) Shrek -
DreamWorks 2001. (b) Avatar - Weta Digital 2009. (d) La vita di Pi - 2012.
2.2 Storia dei supporti di conoscenza anatomica
Dopo aver rapidamente fatto un trascorso dei settori non direttamente legati alla
medicina ma che si basano comunque su conoscenze anatomiche, si vorrebbe ora fare
uno stato dell’arte dei supporti di conoscenza anatomica esistenti, spiegare il loro
contesto di utilizzo e la loro evoluzione verso gli strumenti che si usano oggigiorno.
Nel seguito di questa sezione, si richiameranno brevemente le nozioni di «visualiz-
zazione». Si vedranno in seguito i diversi tipi di supporto di conoscenza: dall’utilizzo
del corpo, passando per le rappresentazioni iconografiche, gli atlanti anatomici, le
rappresentazioni in volume fino ad arrivare alle rappresentazioni virtuali.
2.2.1 Visualizzazione
Il termine «visualizzazione scientifica» o semplicemente «visualizzazione» si riferisce
all’idea di una rappresentazione grafica organizzata che permette di spiegare grafi-
camente un concetto o dei dati sperimentali in maniera semplice e intuitiva ad un
grande pubblico. Si può prendere come esempio l’utilizzo di grafici per conosce-
re le tendenze dei mercati finanziari o l’utilizzo di mappe mentali [8] per aiutare
nell’apprendimento di nozioni.
9
21. 2 – Stato dell’arte
Lo scopo iniziale della creazione di diversi mezzi di visualizzazione per il corpo
umano è di documentare le scoperte scientifiche per poterle trasmettere e conser-
vare. Diversi mezzi sono stati utilizzati per visualizzare l’anatomia, ciascuno di
essi permettendo di veicolare delle conoscenze e degli approcci diversi, che verranno
presentati nel seguito di questa sezione.
2.2.2 Il corpo come supporto
Dissezione
Si definisce dissezione l’azione di analizzare un corpo, umano o animale, andando
a separare minuziosamente le strutture che lo compongono. Il termine dissezione
definisce diverse procedure in funzione dell’obiettivo di ricerca: la dissezione pedago-
gica1
, la vivisezione2
e l’autopsia3
. Le prime dissezioni fatte sono state le vivisezioni
effettuate da medici greci durante la dinastia tolemaica (dal 305 a.C. al 30 a.C.) sui
condannati a morte.
Dopo l’acquisizione di popolarità nel XIII secolo grazie alla medicina legale, le
pratiche di dissezione si sono evolute fino ad oggigiorno in virtù dell’avanzamento
tecnologico ma anche per ragioni etiche. Per esempio, sarebbe inconcepibile fare
delle vivisezioni su soggetti umani in quest’epoca. Quello a cui si è interessati qui è
la dissezione pedagogica.
La figura 2.3a mostra il dipinto a olio su tela di Rembrandt realizzato nel 1632 e
intitolato “Lezione di anatomia del dottor Tulp”. Questo dipinto venne commissio-
nato da una gilda di medici e rappresenta una lezione di anatomia della mano e sui
movimenti delle dita.
La dissezione pedagogica è effettuata per due scopi: studiare nel dettaglio l’a-
natomia e imparare gesti chirurgici. Per delle motivazioni diverse (sociali, etiche,
religiose ecc.) la scienza è in costante mancanza di corpi. Ai giorni nostri, i corpi
dati alla scienza sono un dono molto raro, una decisione difficile da prendere e che
solo pochissime persone la fanno. In più, questi corpi non possono che essere esami-
nati una sola volta, e presentano poca variabilità (si tratta spesso di corpi di persone
anziane). Questi fattori rendono questa tecnica accessibile unicamente a pochi in-
dividui ed è per questo che nuovi strumenti, come la dissezione virtuale, rischiano
1
Dissezione pedagogica: sia per imparare e osservare le strutture anatomiche che per apprendere
le procedure mediche
2
Vivisezione: dissezione effettuata su un corpo ancora vivo, spesso con lo scopo di mostrare
azioni fisiologiche o patologiche
3
Autopsia: o esame «post mortem», è l’esame medico dei cadaveri, spesso legato alla medicina
legale
10
22. 2 – Stato dell’arte
(a) (b)
Figura 2.3: La dissezione come supporto per l’apprendimento. (a) Lezione di
anatomia del dottor Tulp, Rembrandt - 1632. (b) Anatomage - 2012.
di occupare un posto sempre più importante per l’apprendimento dell’anatomia tra
gli studenti.
Si può citare per esempio la tavola di dissezione virtuale Anatomage [9] (vedere
figura 2.3b): un tavolo a misura d’uomo che permette di interagire con un modello
anatomico 3D corredato da annotazioni. Utilizzando uno scalpello virtuale e dei
piani di taglio, questo tavolo permette d’isolare le strutture anatomiche e di navi-
gare tra gli strati anatomici più o meno profondi. Il modello utilizzato può essere
cambiato in funzione dei bisogni pedagogici (ad es.: modello femminile, maschile,
patologico, ecc.). Il mondo virtuale permette l’utilizzo di un modello all’infinito e
permette di poter essere confrontato con vari casi alcuni anche molto rari.
Conservazione del corpo
Con lo scopo di fissare e conservare il corpo per preservarlo per le generazioni future,
sono state inventate delle tecniche come la fissazione in formalina o la plastinazione.
Si trovano ancora in alcune esposizioni di anatomia dei corpi o parti di corpi
umani (come gli organi) conservati nella formalina. Questa tecnica consiste nell’im-
mergere il materiale anatomico in un grande volume di liquido di fissazione. La
durata della fissazione varia in funzione della grandezza del campione e sfortunata-
mente i colori del materiale anatomico si sbiadiscono man mano che il tempo passa.
La tecnica di plastinazione è stata introdotta da Gunther von Hagens nel 1977,
anatomista tedesco ed autore delle mostre intitolate “Body Worlds” (vedere figura
2.4a. Questa tecnica mira a conservare i tessuti biologici sostituendo i diversi liquidi
organici con del silicone. Al contrario della conservazione in formalina, la plastina-
zione fissa in modo solido le strutture anatomiche, il che impedisce di poter eseguire
11
23. 2 – Stato dell’arte
(a) (b)
Figura 2.4: La conservazione dei corpi. (a) Exposition Body Worlds. (b) Human
Body Exhibition.
in seguito una dissezione o manipolazione indispensabile per l’apprendimento dei
gesti chirurgici.
Un’altra mostra di dissezioni di corpi umani plastinati, simile alle Body Worlds,
è “Body: the exhibition” (vedere figura 2.4b).
2.2.3 Rappresentazioni iconografiche
L’illustrazione: tra arte e scienza
Nell’ottica di preservare le conoscenze acquisite durante le dissezioni e poterle tra-
smettere alle generazioni future, sono cominciate a venire alla luce delle rappresenta-
zioni 2D già a partire dal 1492 con il trattato medico medievale chiamato Fasciculus
medicinae, eseguito con la tecnica della xilografia (incisione su legno).
Grazie a queste illustrazioni molto dettagliate e corredate da annotazioni, Leo-
nardo da Vinci (1452-1519) ha fatto molto avanzare la conoscenza nel dominio del-
l’anatomia introducendo la sua visione realistica e precisa. Queste illustrazioni ana-
tomiche mostrano in maniera oggettiva il funzionamento meccanico e la topologia
dell’anatomia. La figura 2.5a presenta due disegni a matita e ad inchiostro realiz-
zati da Leonardo da Vinci. Si è ugualmente cimentato nella rappresentazione del
cuore, del sistema vascolare, del movimento dell’occhio, di organi interni e del loro
funzionamento.
Le illustrazioni anatomiche di Andrea Vesalio (1514-1564) sono diventate di rife-
rimento per molte generazioni di medici o operatori sanitari. Il suo lavoro dettagliato
e completo, basato su ricerche fatte a partire da dissezioni, lo pone come riferimento
in termini di anatomia descrittiva. La figura 2.5b rappresenta una pagina delle sua
opera in sette volumi pubblicata nel 1543 e intitolata De Corporis Fabrica. Andrea
12
24. 2 – Stato dell’arte
(a) (b)
Figura 2.5: Le iconografie come supporto di apprendimento. (a) Illustrazioni di
Leonardo da Vinci. (b) Illustrazioni di Andrea Vesalio.
Vesalio, insieme a Da Vinci, fu uno dei primi a rappresentare gli écorché anatomici4
in posizioni naturali in rapporto al contesto artistico e sociale del Rinascimento. Le
presentazioni per strati successivi permette di fare il legame in maniera semplice tra
lo strato superficiale della pelle e gli strati più profondi.
Ai giorni nostri, degli schemi descrittivi fatti con il gesso sulla lavagna sono
ancora spesso utilizzati durante i corsi di anatomia per insegnare i concetti agli
studenti. Si possono citare gli schemi di Chuan-Bin-Chung (vedere le figure 2.6).
Figura 2.6: Le iconografie temporali fatte con il gesso sulla lavagna come supporto
di apprendimento. Illustrazioni di Chuan-Bin-Chung.
4
écorché anatomici: disegno, dipinto o scultura che mostra la muscolatura di un individuo privo
del rivestimento della pelle.
13
25. 2 – Stato dell’arte
2.2.4 Atlanti anatomici
Il termine atlante anatomico fa riferimento, in primo luogo, alle opere che presentano
degli strati successivi del corpo o di una struttura anatomica specifica complessa,
per aiutare a comprenderne la forma ed a posizionarla rispetto al resto del corpo
o ad altre strutture anatomiche. Spesso le pagine sono intercalate da lucidi in cui
sono presenti delle annotazioni per aiutare ad identificare le strutture.
Si trovano ugualmente degli atlanti statistici di un segmento del corpo o di un or-
gano in particolare che descrivono le differenze trovate tra i vari corpi e la percentuale
di apparizione di queste differenze.
Nel corso degli anni sono stati sviluppati degli atlanti anatomici di assoluto rife-
rimento, come per esempio i libri di anatomia clinica di Pierre Kamina [10]. Questi
atlanti, come le illustrazioni, per natura essendo stampati, mancano di interattività.
Atlanti anatomici interattivi: web semantico
Grazie all’acquisizione di popolarità del web semantico - standardizzazione dei pro-
tocolli di condivisione, di lettura e di scambio d’informazioni strutturate - e allo
sviluppo della tecnologia WebGL, che permette la visualizzazione in tempo reale
di un modello anatomico 3D nella maggior parte dei browser, sempre più atlanti
anatomici interattivi sono disponibili in rete.
(a) (b)
Figura 2.7: Atlanti anatomici interattivi. (a) BioDigitalHuman - 2016. (b)
ZygoteBody - 2014.
Si presentano in figura 2.7 un insieme di atlanti anatomici interattivi che per-
mettono di navigare negli strati anatomici in modo semplice e ergonomico. Spesso,
una barra di ricerca è proposta per aiutare l’utilizzatore nella navigazione grazie alla
14
26. 2 – Stato dell’arte
creazione di un lessico anatomico. Il RDF5
è il formato di base utilizzato per creare
e organizzare i lessici anatomici.
Nel 1999, nasce uno dei primi atlanti interattivi con il nome di InnerBODY
[11], basato su una rappresentazione 2D del corpo sul piano frontale. È possibile
navigare all’interno del modello scegliendo di visualizzare uno specifico sistema (ad
es.: sistema circolatorio, sistema muscolare, sistema scheletrico, ecc.) o selezionando
un segmento anatomico (ad es.: tronco, bacino, arti inferiori, ecc.) o ancora un’entità
anatomica (ad es.: cuore, vena cava, ecc.). Una rappresentazione 3D del corpo
completo è stata poi aggiunta per permettere all’utilizzatore di girare intorno al
modello anatomico nello spazio.
La figura 2.7a rappresenta un progetto di atlante anatomico, basato su una
rappresentazione 3D del corpo intero, che funziona sfruttando la tecnologia Bio-
DigitalHuman [12], da cui deriva il suo nome. Rispetto agli altri atlanti classici,
quest’ultimo permette di poter selezionare delle strutture di interesse corredate da
annotazioni e supporti per domande di apprendimento. È ugualmente possibile
visualizzare dei video e delle simulazioni preregistrate mettendo in risalto dei com-
portamenti fisiologici (ad es: il battito cardiaco) o delle azioni chirurgiche (ad es:
chirurgia del labbro e del palato).
Il ZygoteBody [13], presentato in figura figura 2.7b, propone lo stesso tipo di
servizi che il BioDigitalHuman.
Si noti che, anatomicamente parlando, tutti gli atlanti sono un po’ sbagliati:
sono incompleti e presentano degli errori difficili da trovare per i non esperti.
2.2.5 Rappresentazioni in volumi
Ceroplastica: le statue di cera anatomiche
Le statue di cera anatomiche dell’intero corpo o di un segmento specifico, apparse
nel XVIII secolo, sono una forma di documentazione in volume che permette di
presentare in maniera realistica i risultati delle dissezioni.
Gaetano Giulio Zumbo (1656-1701) fu il primo modellista a utilizzare la cera per
creare dei modelli anatomici (vedere figura 2.8a). Uno studio fu creato a Firenze
nell’edificio del museo La specola [14] con l’idea di creare numerose opere e inviarle
nei grandi centri anatomici europei.
La creazione di tali modelli era lunga, costosa e per un’elevata precisione e qualità
di un solo modello potevano essere necessarie la realizzazione di centinaia di cadaveri
come riferimento. La cera colorata, nonostante la sensibilità ai cambiamenti di
temperatura, permette di conservare a lungo termine delle informazioni molto precise
ma non permette un’esplorazione interattiva come la dissezione.
5
RDF: Resource Description Framework
15
27. 2 – Stato dell’arte
(a) (b)
Figura 2.8: Le statue di cera come supporto per l’apprendimento. (a) Dettaglio di
una statua di cera di Gaetano Zumbo. (b) Venere anatomica di Clemente Susini.
Clemente Susini (1754-1814) ha contribuito in questo settore creando dei modelli
nella categoria «Veneri anatomiche» (vedere figura 2.8b): statue di cera di donne,
a grandezza naturale, le cui costruzioni erano spesso basate sulle illustrazioni come
quelle di Vesalio. Per aumentare il realismo, spesso erano utilizzati dei veri capelli
e degli occhi di vetro. Queste statue di cera sono state create con lo scopo di
demistificare la dissezione tra il grande pubblico.
Stampa 3D
Ai giorni nostri i manichini anatomici sono pro-
Figura 2.9: Manichino
anatomico industriale.
dotti essenzialmente in plastica e se ne possono tro-
vare di industriali, di cui un esempio può essere tro-
vato in figura 2.9, o di modelli in serie limitata.
La comparsa della stampa 3D ha permesso la per-
sonalizzazione dei modelli su un dato individuo per
aiutare la pianificazione e l’allenamento preoperato-
rio. Per esempio, vengono fatte delle stampe 3D
con la tecnologia ColorJet printing (CJP) [15]: a
partire da dati MRI un modello 3D unico nel suo
genere viene stampato. Questi modelli sono sta-
ti presentati durante i CES 2016 da 3D Systems
[16].
16
28. 2 – Stato dell’arte
2.2.6 Rappresentazioni digitali
L’utilizzo dello schermo come tramite (ad es: smartphone, tablet, computer) ci
riporta verso delle rappresentazioni piane. Malgrado questo, nel quadro numeri-
co, le rappresentazioni virtuali permettono l’interazione con l’anatomia, come la
condivisione e il riutilizzo all’infinito di uno stesso modello.
Imaging biomedico
Si chiama imaging biomedico l’insieme dei mezzi di acquisizione e di resa di immagini
del corpo umano. Queste tecnologie hanno rivoluzionato la medicina e premetto-
no di visualizzare bene sia l’anatomia che alcuni fenomeni fisiologici o metabolici.
Esistono una moltitudine di tipi di immagini mediche, basate su diversi fenomeni
fisici, ciascuna permettendo la visualizzazione di dati ben precisi. Alcuni tra i tipi
più conosciuti sono:
• Imaging a risonanza magnetica (MRI), utilizza i campi magnetici per otte-
nere dei tagli virtuali del corpo umano secondo i tre piani principali. Permette
una buona visualizzazione dei tessuti molli infatti viene spesso utilizzata per
studiare il cervello, le articolazioni e i tessuti circostanti, ecc. Questo tipo di
dati sono spesso alterati dalla presenza di artefatti dovuti ai movimenti del
paziente durante la cattura delle immagini perché la durata di acquisizione di
questo tipo di dati è molto lunga. La precisione è funzione del tempo impie-
gato per cattura ciascuna fetta anatomica e nel migliore dei casi la distanza
tra due strati può scendere al di sotto del millimetro.
• Tomografia computerizzata (TC), misura la percentuale di assorbimento
dei vari tessuti al passaggio di raggi X, per ottenere delle fette che possono
essere studiate in tutti i piani dello spazio come nelle immagini tridimensio-
nali. Permette la visualizzazione di strutture anatomiche rigide come le ossa.
Attraverso vari mezzi di contrasto, si può ottenere la visualizzazione di vasi
sanguigni, apparato digestivo, dischi intervertebrali, ecc. Questa tecnologia è
molto rapida (un ampio volume del corpo umano può essere catturato in ma-
niera molto precisa in qualche secondo) e le immagini ottenute appartengono
a strati distanti tra di loro anche inferiore al millimetro.
• Tomografia a emissione di positroni (PET), utilizza dei radiofarmaci per
osservare l’organismo a livello cellulare: si parla qui di imaging funzionale
e non più morfologico. Permette di misurare nelle tre dimensioni l’attività
metabolica o molecolare di un organo specifico o di un tessuto specifico come
quello cancerogeno. Come per la MRI, anche la PET è molto lunga e richiede
al paziente di rimanere immobile il più a lungo possibile.
17
29. 2 – Stato dell’arte
• Ecografia, una delle uniche tecniche di imaging biomedico in tempo reale,
sfrutta gli ultrasuoni. È spesso usata per osservare i battiti del cuore o durante
la gravidanza per verificare il buono stato di salute del feto. In funzione
della frequenza, l’immagine può essere più o meno precisa, e presentare delle
strutture più o meno profonde.
(a) (b) (c) (d)
Figura 2.10: Diversi tipi di immagini mediche. (a) MRI. (b) TC. (c) PET. (d)
Ecografia.
Strumenti per l’imaging medico
Come si è appena detto, esistono una moltitudine di tipi di immagini cliniche, cia-
scun tipo avente un formato diverso dalle altre. Non è quindi inusuale, per uno
stesso paziente, utilizzare diversi protocolli di imaging medico. Maintz e colleghi
[17] propongono un riassunto dei diversi metodi che permettono di allineare tra di
loro immagini mediche di diversi formati, o anche metodi per allineare immagini
mediche pre-operatorie e post-operatorie.
Con lo scopo di rendere migliore la visualizzazione e la comprensione dei dati,
molti approcci propongono di generare delle immagini volumetriche a partire da
immagini mediche.
Utilizzo delle immagini mediche
Ai giorni nostri, la resa e la visualizzazione volumetrica di immagini mediche, sono
diventate indispensabili per aiutare i clinici nella loro diagnosi e studi preoperatori.
Queste rappresentazioni volumetriche permettono anche ai clinici di conoscere lo
stato di un paziente senza dover far ricorso ad un’operazione.
Tra le applicazioni dell’imaging medico, la diagnosi per pianificazione e la guida
di un gesto chirurgico sono tra le più importanti. Anche la simulazione medica-
le è ugualmente fondamentale per l’apprendimento del comportamento dei tessuti.
Si tratta di simulare in maniera molto realistica il funzionamento o il comporta-
mento di una parte del corpo umano. L’efficacia della simulazione come supporto di
apprendimento è stata validata nel settore medico attraverso numerosi studi [18, 19].
18
30. 2 – Stato dell’arte
La simulazione medicale può ugualmente aiutare l’apprendimento dei gesti da
eseguire durante l’operazione chirurgica senza introdurre rischi per un paziente. Le
simulazioni spesso in tempo reale, possono essere molto diversificate: simulazione di
vasi sanguigni, di fegato [20], etc.
2.2.7 Conclusione
L’apprendimento dell’anatomia implica la comprensione di strutture anatomiche, il
loro funzionamento fisiologico e il loro movimento. Queste conoscenze sono indi-
spensabili a diversi gradi di complessità e precisione per l’educazione generale, per
gli studi sportivi e gli studi i medicina.
Come visto precedentemente, i supporti di conoscenze anatomiche che permet-
tono la condivione e la diffusione del sapere, sono molto numerosi: dall’utilizzo del
corpo all’imaging medicale, passando per le rappresentazioni iconografiche, gli atlan-
ti anatomici e le rappresentazioni in volume. Si è anche parlato ugualmente dei loro
sviluppi attuali.
Si può osservare in tutti i supporti alcune funzioni fondamentali:
• contesto: le strutture studiate sono sempre poste nel loro contesto anatomico
per una migliore cartografia della conoscenza.
• espressione del vivente: le strutture studiate sono sempre illustrate, non come
delle strutture fisiche inerti ma come delle strutture vive, con lo scopo di
esprimerne il funzionamento e la dinamica.
• approccio artistico: le strutture studiate sono corredate da annotazioni o
colorate in modo per meglio visualizzarle e cosi assimilarle meglio.
Una difficoltà importante che continua a permanere viene dal fatto che risulta
difficile illustrare e spiegare l’anatomia in movimento, conoscenza essenziale alla
formazione dei medici, a partire da mezzi statici [21].
Con l’avanzare della tecnologia è diventato comune l’uso di smartphone, tablet
e computer. Un grande sforzo è stato fatto per trovare dei metodi innovativi che
permettano di creare, visualizzare e animare un contenuto di alta qualità per aiutare
l’apprendimento. Questi metodi innovativi sfruttano la personalizzazione del con-
tenuto, l’interazione, il movimento del contenuto e l’apprendimento intuitivo. Nel-
la sezione seguente si presenteranno i progressi tecnologici raggiunti per facilitare
l’apprendimento delle nozioni anatomiche e medicali.
19
31. 2 – Stato dell’arte
2.3 Le nuove tecnologie al servizio del settore me-
dico
La capacità dei chirurghi a creare un modello mentale che mescola le immagini del
singolo paziente con le conoscenze anatomiche generali, fa parte del loro saper fare.
Per aiutare i medici nella fase di apprendimento e nello studio di casi complessi, sono
stati proposti nuovi approcci basati su nuove tecnologie che permettono, per esem-
pio, una comprensione dell’anatomia prendendo in conto fenomeni dinamici legati
alla produzione di un movimento. Le nuove tecnologie sono basate essenzialmente
sui progressi in trattamento di immagini, informatica grafica, visione artificiale e
sviluppo di nuovi sensori.
2.3.1 Realtà aumentata
Il termine «realtà aumentata» ingloba tutte le interfacce in cui è presente una so-
vrapposizione di dati virtuali su degli oggetti reali. Queste interfacce combinano
metodi di interazione, di visualizzazione e permettono di inserire delle informazioni
in un contesto esterno, utilizzando spesso una scala realistica, per esempio inserendo
una struttura anatomica sopra il corpo dell’utilizzatore.
Grazie all’avvento della realtà aumentata, un buon numero di applicazioni hanno
visto la luce nel settore medico, anche nella visualizzazione e l’apprendimento di
conoscenze anatomiche: ci interesseremo solo di queste ultime.
Le applicazioni in realtà aumentata nel dominio medico possono essere suddivise
in due categorie: le applicazioni pedagogiche (imparare grazie all’interazione) [22] e
le applicazioni di aiuto alle procedure mediche [23]. Esistono diversi tipi di interfacce
per le applicazioni in realtà aumentata: occhiali per realtà aumentata, proiezione su-
gli oggetti, sensori di profondità con schermo, ecc. In figura 2.11 vengono presentate
alcune interfacce di realtà aumentata.
Gli occhiali «HoloLens» (vedere figura 2.11a), commercializzati da Microsoft,
permettono la visualizzazione del contenuto anatomico e potranno diventare in fu-
turo supporto per le lezioni in classe. Gli occhiali permettono di girare intorno ad
un oggetto virtuale e interagire con quest’ultimo. Con lo scopo di presentare il
potenziale di questa tecnologia, Microsoft ha sviluppato un’applicazione chiamata
«HoloAnatomy» [24].
Il Virtual-Tee (vedere figura 2.11b) e i sistemi di libri aumentati (vedere figura
2.11c) sono basati su una tecnologia di riconoscimento di forme. Con l’aiuto di
un’applicazione su un device portabile (smartphone o tablet), l’utilizzatore può avere
accesso ad un contenuto virtuale specifico posizionato nell’ambiente reale.
20
32. 2 – Stato dell’arte
(a) (b) (c)
Figura 2.11: Realtà aumentata al servizio del settore medico. (a) HoloAnatomy
che utilizza le HoloLens. (b) Virtual-Tee. (c) Libro aumentato 4D.
Nella sezione seguente si presenterà in maniera più precisa i sistemi che utilizzano
dei sensori di profondità per seguire l’utilizzatore, interfaccia che si vuole mettere in
atto nell’AnatoMimo.
2.3.2 Lo specchio interattivo
Si chiama «specchio interattivo» uno schermo davanti al quale l’utilizzatore potrà
vedere e interagire con del contenuto virtuale anatomico spesso sovrapposto sulla sua
propria immagine. I criteri di qualità per questo tipo di sistema sono l’interattività
e l’integrazione dei dati.
L’interattività viene definita grazie ad un’applicazione tempo reale e grazie al
monitoraggio (più o meno complesso) dell’utilizzatore: i dati sono spesso legati
ad una zona specifica dell’utilizzatore. L’integrazione si definisce attraverso il ri-
dimensionamento dei dati ad una scala adatta e attraverso l’inserimento di questi
nell’immagine dell’utilizzatore.
Gli specchi interattivi sono spesso utilizzati in diversi settori (moda, trucco)
ma nel caso di applicazioni anatomiche lo specchio rileva i diversi strati anatomici
interni ad un utilizzatore e gli fornisce l’impressione di potere vedere all’interno del
suo proprio corpo. Si presenta nel seguito, un insieme di specchi interattivi che sono
apparsi in questi ultimi anni.
Magic Mirror
Dopo diversi anni di ricerca nello sviluppo di strumenti in realtà aumentata per la
chirurgia mini-invasiva, il team Mirracle [25], sotto la direzione del professor Nassir
Navab, ha cominciato nel 2011 un progetto di specchio magico per visualizzare
e interagire con dei dati anatomici. Il «Magic Mirror» [26, 27, 28] è un sistema
interattivo che permette la visualizzazione delle conoscenze anatomiche in tempo
21
33. 2 – Stato dell’arte
Figura 2.12: Magic Mirror sviluppato dal gruppo Mirracle (2011-2014)
reale e basato sul riconoscimento dei movimenti del braccio per navigare tra i vari
strati anatomici. Una Kinect PrimeSense è stata utilizzata, insieme alle librerie
OpenNi e NITE, per stimare la postura dell’utilizzatore.
La figura 2.12 fornisce un esempio di feedback visivo che si può ottenere con
questo sistema. Può essere presentato su uno semplice schermo o anche su un
muro di schermi, in funzione dei bisogni della dimostrazione. Per avere in qualsiasi
momento un effetto di sovrapposizione dell’anatomia sull’utilizzatore, un sistema di
posizionamento dei dati viene applicato. Per gestire l’integrazione dei dati anatomici
sull’immagine dell’utilizzatore, i dati vengono cerchiati in giallo.
Digital Mirror
Figura 2.13: Digital Mirror - Museo delle Arti e dei Mestieri a Parigi - 2014
L’allestimento 3D intitolato «Digital Mirror» [29] presentato al Musée des arts et
métiers di Parigi da Maître e collaboratori è stato creato con lo scopo di visualizzare
in tempo reale l’interno del proprio corpo: scheletro e organi.
La visualizzazione si fa con l’aiuto di un’immagine composita del corpo interno
creata a partire da diverse immagini mediche: PET, raggi X e MRI. Un modello
femminile e un modello maschile sono creati e si alternano grazie ad un algoritmo
di determinazione del sesso dell’utilizzatore.
22
34. 2 – Stato dell’arte
La figura 2.13 fornisce un esempio di questa dimostrazione. Il feedback visivo si
effettua su un insieme di otto schermi di circa 1.65m di altezza ciascuno. L’utiliz-
zo di un sensore Microsoft Kinect permette di catturare i movimenti dei segmenti
anatomici e quindi deformare rigidamente l’immagine, in sincronia con il corpo del-
l’utilizzatore per ottenere una visualizzazione simile in termini di postura. Questo
lavoro è stato presentato a Toronto a CHI6
2014.
Anatomie Spiegel
Figura 2.14: Anatomie Spiegel - http://anatomiespiegel.de - 2015
Presentato al congresso annuale della GMA7
nel 2015 a Leipzig, il progetto «Ana-
tomie Spiegel» [30] è stato sviluppato da due studenti, Simon Kirsch e Alexander
Borner, supervisionati dal professor Bernd Hanisch.
Il sitema «Anatomie Spiegel» permette la visualizzazione di un modello anatomi-
co virtuale corpo completo (sistema muscolare, organi, sistema scheletrico, sistema
circolatorio). La geometria è modellizzata attraverso l’uso dello strumento di scul-
tura 3D ZBrush [31]. Per validare la modellizzazione, gli studenti hanno utilizzato le
opere dell’Istituto d’anatomia dell’Università Martin Luther ad Halle. Un modello
per ogni sesso è stato presentato e può essere modificato in funzione della scelta
dell’utilizzatore. Inoltre i modelli sono corredati da annotazioni.
La figura 2.14 mostra un esempio di questa dimostrazione. Il feedback visivo
tempo reale viene effettuato su uno schermo le cui dimensioni possono evolvere in
funzione delle necessità. L’utilizzo di uno scheletro di animazione dato dal sensore
Microsoft Kinect V2.0 permette l’animazione e l’impostazione della postura dell’uti-
lizzatore. La profondità (spostamento dell’utilizzatore lungo l’asse sagittale) è anche
6
CHI: Computer-Human Interaction conference
7
GMA: società tedesca di formazione medica
23
35. 2 – Stato dell’arte
utilizzata per far comparire e sparire delle strutture anatomiche e quindi navigare
intuitivamente all’interno delle conoscenze anatomiche.
Sintesi
Questa lista è esaustiva al momento della stesura della tesi e ricapitola i principali
sistemi che esistono sotto il termine di specchio anatomico interattivo. Si può notare
che la più parte di questi sistemi sono basati su dei sistemi di cattura del movimento
leggeri (vedere sezione 4.2). Questi sistemi sono spesso rilasciati insieme a un kit
di sviluppo, o SDK 8
, che garantisce un semplice accesso alle uscite del sensore. Gli
algoritmi e i tipi di dati che vengono forniti dipendono dal tipo di SDK ed è sempre
fornito un accesso sia alla mappa di profondità che a quella a colori.
2.4 Conclusione e discussione
In un primo tempo, questo capitolo introduce i diversi domini che utilizzano le
conoscenze anatomiche (vedere sezione 2.1.1). Si centra il contesto parlando dei
diversi supporti di conoscenza anatomica (vedere sezione 2.2) e facendo un breve
giro d’orizzonte sulle nuove tecnologie al servizio del settore medicale (vedere se-
zione 2.3). Si sono quindi introdotti, in sezione 2.3.2, i sistemi di tipo «specchio
interattivo» utilizzati nell’ambito del medicale, simili al sistema AnatoMimo che si
vuole sviluppare.
8
SDK: Software Development Kit
24
37. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
3.1 Anatomia umana
Nel corso degli anni, sono venuti alla luce una grande quantità di studi sul corpo
umano. Alcuni trattando il corpo nel suo insieme attraverso delle conoscenze generali
e altri più specifici, trattando di una sola regione del corpo o di una patologia. Ci
si interessa in questo caso allo studio del morfotipo: studio e descrizione del corpo
a partire dalla sua apparenza esteriore (anatomia delle forme esterne).
3.1.1 Terminologia anatomica
Per assicurare una buona comprensione delle descrizioni anatomiche da parte di tutti
gli interessati al settore e per convenzione, è stata pubblicata una standardizzazione
della terminologia utilizzata in anatomia e fisiologia umana, per la prima volta nel
1998 dalla Federazione Internazionale delle Associazioni degli Anatomisti (IFAA).
Il sistema di riferimento anatomico definisce, a partire da una postura anatomica
di riferimento1
, diverse posizioni e direzioni nello spazio. Queste dichiarazioni per-
mettono di esprimere la posizione e l’orientamento di elementi anatomici rispetto
allo spazio del corpo stesso e quindi astrarre il punto di vista dell’osservatore. Questa
postura anatomica di riferimento (vedere figura 3.1a) viene descritta nel seguente
modo: il soggetto si trova in una postura eretta, i gomiti accostati ai fianchi, i palmi
delle mani rivolti all’osservatore, i piedi avvicinati, leggermente divaricati in punta.
Per eseguire un’analisi descrittiva di una postura o di un movimento del corpo nella
sua totalità, sono stati definiti 3 piani (vedere figura 3.1b) passanti per il centro di
gravità del corpo umano e perpendicolari tra loro:
• il piano sagittale passa per la linea mediana del corpo e divide in due parti
simmetriche: la parte destra e quella sinistra. È in questo piano che si studiano
i movimenti come il cammino o la corsa.
• il piano frontale divide il corpo in una parte anteriore e una parte posteriore.
È in questo piano che si studiano i movimenti come le rotazioni interne o
esterne della caviglia.
• il piano trasversale divide il corpo in due parti: superiore e inferiore. È in
questo piano che si può studiare per esempio la torsione delle spalle rispetto
alle anche.
Sono ugualmente definiti tre assi (vedere figura 3.1c), rette che rappresentano una
direzione o intorno alle quali avviene una rotazione, ciascuno dei quali si situa
all’intersezione tra due piani:
1
Nota: a non confondere con la postura di riferimento fisiologico che differisce leggermente
26
38. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
• l’asse trasversale è situato all’intersezione del piano frontale con quello
trasversale ed è perpendicolare al piano sagittale.
• l’asse antero-posteriore è situato all’intersezione del piano sagittale con
quello trasversale ed è perpendicolare al piano frontale.
• l’asse longitudinale è situato all’intersezione del piano frontale con quello
sagittale ed è perpendicolare al piano trasversale.
(a) (b) (c)
Figura 3.1: Riferimenti anatomici. (a) Postura anatomica di riferimento. (b) Tre
piani anatomici: il piano sagittale (in verde), il piano frontale (in rosso) e il piano
trasversale (in blu). (c) Tre assi anatomici principali: l’asse trasversale (in rosso),
l’asse antero-posteriore (in blu) e l’asse longitudinale (in verde).
La profondità anatomica permette di definire una posizione relativa di una strut-
tura in esame rispetto alla superficie esterna della pelle. Il termine superficiale in-
dica le strutture vicine alla superficie del corpo (ad es.: la pelle è superficiale rispetto
ai muscoli). Al contrario, il termine profondo indica le strutture lontani dalla su-
perficie. La traslazione di un piano rispetto al proprio asse permette un percorso di
strato in strato del corpo: da quello più superficiale al piano più profondo.
Per una descrizione più specifica, il corpo umano può essere scomposto in un
insieme di segmenti: testa, collo, tronco, arti superiori (braccio, avambraccio e mano)
e arti inferiori (coscia, gamba e piede). Questi segmenti sono uniti gli uni agli altri
attraverso le principali articolazioni del corpo umano. Si può quindi migliorare la
descrizione anatomica attraverso termini di direzione e orientamento come i seguenti:
27
39. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
anteriore e posteriore, inferiore e superiore, medio e laterale e infine prossimale e
distale.
(a) (b) (c)
(d)
Figura 3.2: Principali direzioni anatomiche. (a) Anteriore e posteriore. (b)
Superiore e inferiore. (c) Mediale e laterale. (d) Prossimale e distale.
• Si considera come anteriore (vedere figura 3.2a) qualsiasi struttura situata
davanti rispetto ad un’altra in relazione all’asse sagittale (ad es.: gli occhi sono
anteriori rispetto al cervello); mentre si dice che una struttura è posteriore
se questa si trova dietro ad un’altra seguendo l’asse sagittale (ad es.: i reni
sono posteriori rispetto al fegato).
• Si considera come superiore (vedere figura 3.2b) qualsiasi struttura situata
sopra rispetto ad un’altra in relazione all’asse longitudinale (ad es.: il cuore è
superiore rispetto allo stomaco); mentre si dice che una struttura è inferiore
se questa si trova sotto ad un’altra seguendo l’asse longitudinale (ad es.: il
polpaccio è inferiore rispetto alla coscia).
• Si considera come mediale (vedere figura 3.2c) qualsiasi struttura situata
vicino rispetto all’asse longitudinale del corpo (ad es.: gli occhi sono mediali
rispetto alle orecchie); mentre si dice che una struttura è laterale se questa si
trova lontana ad un’altra rispetto all’asse longitudinale (ad es.: gli occhi sono
laterali rispetto al naso).
28
40. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
• Si considera come prossimale (vedere figura 3.2d) qualsiasi struttura situata
vicino rispetto al centro di gravità del corpo (baricentro) in termini di artico-
lazioni (ad es.: il gomito è prossimale rispetto al polso); mentre si dice che una
struttura è distale se questa si trova lontana dal centro di gravità del corpo in
termini di articolazioni (ad es.: le caviglie sono distali rispetto alle ginocchia).
3.1.2 Strutture anatomiche
Il corpo umano è composto da un insieme di strutture anatomiche, ciascuna delle
quali avente una funzione ben precisa. Per esempio il sistema cardiovascolare è un
sistema circolatorio a circuito chiuso che assicura il trasporto di sangue dal cuore
verso le estremità e i vari organi. Il sistema respiratorio permette lo scambio di gas
tra il corpo e l’ambiente esterno. Il sistema nervoso permette una comunicazione
rapida tra le diverse parti del corpo attraverso una trasmissione di un potenziale
elettrico.
Il lavoro svolto in questa tesi si basa sull’anatomia in movimento e in primo
luogo ci si concentrerà sull’apparato muscolo-scheletrico, chiamato anche apparato
locomotore e composto dal sistema scheletrico, articolare e muscolare (vedere figura
3.3).
(a) (b) (c)
Figura 3.3: Apparato locomotore o sistema muscolo scheletrico. (a) Sistema
scheletrico. (b) Sistema articolare. (c) Sistema muscolare.
29
41. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
Il sistema scheletrico
Lo scheletro è una struttura solida che sostiene il corpo e protegge gli organi interni
ma anche mobile, giocando un ruolo importante nella mobilità del corpo. All’età
adulta, lo scheletro è composto da 206 ossa in media, nella più parte costituiscono
mani e piedi. Ogni osso ha una forma propria e che è stata modellizzata nel corso
dei secoli dalla sua funzione e dal suo posizionamento nel corpo. A seguito di una
classificazione morfologica delle ossa, esistono quattro grandi tipi di ossa:
• le ossa corte presentano dimensioni nelle tre direzioni pressocché uguali (ad
es.: le ossa del carpo che costituiscono il polso).
• le ossa piatte presentano due dimensioni predominanti sulla terza (ad es.: la
scapola).
• le ossa lunghe presentano una dimensione predominante sulle altre due (ad
es.: il femore).
• le ossa irregolari sono tutte le ossa che non rientrano nelle categorie prece-
denti, come la mandibola o le vertebre.
Il sistema articolare
Le zone di contatto tra due ossa o tra un osso e della cartilagine sono chiamate
articolazioni. Nel corpo umano sono presenti circa 360 articolazioni: 86 per il cranio,
6 per la laringe, 66 per la gabbia toracica, 76 per la colonna vertebrale e il bacino,
64 per gli arti superiori e 62 per gli arti inferiori. Ci si interesserà unicamente alle
articolazioni tra due ossa. Queste articolazioni sono più o meno mobili in funzione
della loro forma e struttura anatomica circostante. Le articolazioni sono costituite
da osso e da tessuto connettivo che permette la stabilizzazione dell’articolazione e
moderano passivamente le forze trasmesse da una struttura all’altra.
In base al movimento che riescono ad esprimere, le articolazioni si suddividono
in sinartrosi (superfici articolari immobili), anfiartrosi (articolazioni semi-mobili) e
diartrosi (articolazioni che permettono ampi movimenti). Le diartrosi sono quelle
di interesse e si possono suddividere a loro volta in cinque forme:
• la trocleoartrosi consente movimenti di flessione ed estensione attraverso
una rotazione attorno ad un asse (1 g.d.l.); il suo equivalente meccanico è
rappresentato da un giunto rotoidale ed è presente nelle articolazioni di gomito,
ginocchio, caviglia e interfalangee.
• la trocoide consente movimenti di pronazione e supinazione attraverso una
rotazione attorno ad un asse (1 g.d.l.); il suo equivalente meccanico è rappre-
sentato da un giunto rotoidale ed è presente nell’accoppiamento tra capitello
del radio e ulna.
30
42. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
• l’articolazione a sella consente movimenti di flessione, estensione, abduzio-
ne e adduzione attraverso un movimento angolare (2 g.d.l.); il suo equiva-
lente meccanico è rappresentato da un giunto cardanico ed è presente negli
accoppiamenti di carpo-metacarpo del pollice e sterno-clavicola.
• la condiloartrosi consente movimenti di flessione, estensione, abduzione e
adduzione attraverso un movimento angolare (2 g.d.l.); il suo equivalente mec-
canico è rappresentato da un giunto cardanico ed è presente nell’accoppiamento
radio-carpo.
• l’enartrosi consente movimenti di flessione, estensione, abduzione, adduzione
e rotazione attraverso un movimento angolare più una rotazione (3 g.d.l.); il
suo equivalente meccanico è rappresentato da un giunto sferico ed è presente
nell’articolazione dell’anca e nell’accoppiamento scapola-omero.
Figura 3.4: I diversi tipi di articolazione nel corpo umano: 1. Trocleoartrosi, 2.
Trocoide, 3. Enartrosi, 4. Condiloartrosi, 5. Articolazione a sella
Il sistema muscolare
Il muscolo, o tessuto muscolare, è un tessuto attivo che permette, attraverso la sua
contrazione, il movimento e il mantenimento della postura. In funzione della loro
fisiologia, si possono distinguere tre grandi gruppi di muscoli:
• I muscoli scheletrici che permettono il movimento vero e proprio
31
43. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
• I muscoli lisci che ricoprono generalmente gli organi interni
• Il muscolo cardiaco, caso particolare di muscolo scheletrico
Il sistema muscolare, composto da circa 600 muscoli, è l’insieme dei muscoli
scheletrici. Per il seguito di questo documento, quando si parlerà di muscoli si
intenderà muscoli scheletrici, non avendo utilizzato gli altri tipi di muscoli nel corso
del lavoro.
Un muscolo scheletrico è diviso in tre parti: il tendine di origine attaccato al-
l’osso fisso, il centro costituito da fibre muscolari e il tendine d’inserzione attaccato
all’osso mobile. Sulla superficie dell’osso si possono distinguere dei piccoli solchi che
permettono l’attacamento dei muscoli.
3.1.3 Terminologia di movimento
Nel seguito della tesi, ci si interesserà particolarmente dei corpi in movimento. Nella
parte del sistema articolare della sezione 3.1.2, si è parlato dei diversi tipi di arti-
colazioni nel corpo umano. Una terminologia specifica è stata messa in pratica per
descrivere i movimenti di queste articolazioni e le figure 3.5 e 3.6 illustrano l’insieme
di questi movimenti.
Figura 3.5: I diversi tipi di movimenti nel corpo umano: 1. Flessione, 2. Esten-
sione, 3. Abduzione, 4. Adduzione, 5. Circonduzione, 6. Rotazione, 7. Rotazione
esterna, 8. Rotazione interna.
La flessione permette di piegare un segmento del corpo su un altro attraver-
so la diminuzione dell’angolo a livello dell’articolazione tra i due segmenti presi in
considerazione. Si prenderà come esempio la flessione del ginocchio che consiste
nella dimuzione dell’angolo formato tra la coscia e la gamba. L’estensione permet-
te a due segmenti consecutivi di essere uno il prolungamento dell’altro attraverso
32
44. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
l’allungamento dell’angolo a livello dell’articolazione. Si prenderà come esempio l’e-
stensione del gomito che consiste nell’aumento dell’angolo formato tra il braccio e
l’avambraccio, che ha come effetto l’allineamento dell’ulna e dell’omero. In funzione
dell’articolazione, è possibile che i termini siano invertiti: per esempio nell’estensione
e flessione della spalla si parlerà di antepulsione e retropulsione.
Guardando il corpo nel piano frontale, si definisce con abduzione il movimento
di rotazione laterale quando i segmenti si allontanano dall’asse longitudinale. Si
può prendere come esempio l’abduzione del braccio. Al contrario, l’adduzione
corrisponde al movimento di rotazione laterale che permette il riavvicinamento dei
segmenti verso l’asse longitudinale. Si può prendere come esempio l’adduzione del
braccio.
La circonduzione è il movimento che permette all’estremità distale di un seg-
mento di descrivere un cerchio, combinando flessione/estensione e abduzione/addu-
zione dell’articolazione. Le articolazioni che permettono la circonduzione sono di
tipo sferico come l’articolazione della spalla o dell’anca.
Si parla di rotazione di un segmento anatomico quando questo gira intorno al
suo asse longitudinale. Quest’asse longitudinale attraversa il segmento da un capo
all’altro per collegare le due estremità del segmento. La rotazione esterna defini-
sce la rotazione secondo la quale l’osso si allontana della linea mediale del corpo. Si
può prendere come esempio la rotazione esterna dell’anca . Al contrario, la rota-
zione interna definisce la rotazione attraverso la quale l’osso si avvicina alla linea
mediale del corpo. Si può prendere come esempio la rotazione interna dell’anca. Nel
caso dell’articolazione della caviglia, il termine eversione è utilizzato per parlare
della rotazione esterna e il termine inversione è utilizzato per definire la rotazione
interna.
Il termine pronosupinazione identifica il movimento di rotazione di un seg-
mento del corpo rispetto ad un altro. Per l’avambraccio, si parla di pronazione
quando si effettua una rotazione interna e una supinazione quando si effettua una
rotazione esterna. L’esempio classico è quello dell’avambraccio infatti il movimento
relativo tra il radio e l’ulna permette la pronazione e la supinazione della mano.
3.2 Rappresentazione anatomica
Nel contesto del progetto AnatoMimo, la possibilità di poter interagire attivamente e
illimitatamente con il modello portatore di conoscenze anatomiche impone l’utilizzo
di un modello anatomico digitale. I progressi dell’informatica sia a livello dei concetti
che della loro messa in opera hanno suscitato lo sviluppo di numerose applicazioni
destinate ai ricercatori, medici o al grande pubblico.
33
45. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
Figura 3.6: I diversi tipi di movimenti nel corpo umano: 1. Inversione, 2.
Eversione, 3. Pronazione, 4. Supinazione.
In questa sezione verranno approfonditi i concetti di modello anatomico digitale,
le sue possibili rappresentazioni e quale tra queste è stata scelta nel corso dello
svolgimento della tesi.
3.2.1 Modelli anatomici di riferimento
A seconda del settore e dello scopo ricercato, le necessità in termini di modello
anatomico di riferimento possono essere molto diverse: alcuni hanno bisogno di
uno strato superficiale di pelle e altri hanno bisogno anche dell’anatomia interna.
Dopo aver introdotto brevemente il concetto di «mesh», si presenteranno in seguito
i diversi modelli di riferimento corrispondenti a queste due necessità.
Mesh
Una mesh poligonale, anche detta maglia poligonale, è la discretizzazione spa-
ziale di un corpo continuo, o anche, una modellizzazione geometrica di un dominio
attraverso elementi finiti. L’obiettivo di realizzare una mesh è quello di procedere
ad una semplificazione di un sistema attraverso un modello che rappresenta tale
sistema ed eventualmente l’ambiente esterno, nell’ottica di simulazioni di calcolo o
di rappresentazioni grafiche. Una mesh è definita dal suo sistema di riferimento,
dai vertici che la costituiscono (caratterizzati da coordinate) e da un politopo2
che
2
Politopo d-dimensionale: è l’analogo di un poligono nel piano (d=2) e di un poliedro nello
spazio (d=3)
34
46. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
attraverso i suoi spigoli unisce n diversi vertici. Una mesh può essere caratterizza-
ta dalla sua dimensione (tipicamente 2D o 3D), dal suo volume, dalla sua finezza
(superficie o volume medio dei poligoni che compongono la mesh), la geometria dei
politopi (triangoli, parallelogrammi, rettangoli, quadrati per i poligoni in 2D e te-
traedri, prismi, parallelepipedi, cubi per i poliedri in 3D) e il grado dell’elemento
(grado del polinomio che viene utilizzato per descrivere gli spigoli degli elementi; nel
caso di elementi finiti, rappresenta anche il grado dei polinomi di interpolazione).
Nel caso in cui i politopi abbiano spigoli rettilinei e facce piane, si parla di mesh
«lineari», mentre si chiamano mesh «quadratiche» nel caso in cui gli spigoli siano
curve (definite da tre punti: i due estremi e il punto medio). Le mesh quadratiche
permettono di descrivere più fedelmente la frontiera dell’oggetto ma si aumenta il
numero di vertici necessari. Si parla di mesh «cubiche», nel caso in cui gli spigoli
siano costituiti da tre segmenti. Si può vedere in figura 3.7a un esempio che riassume
questi concetti.
La discretizzazione del dominio attraverso geometrie primitive definisce la forma
di un oggetto poliedrico in computer grafica e nell’analisi agli elementi finiti, appros-
simando cosi il comportamento del solido con quello dei poliedri che lo compongono.
Nel contesto di AnatoMimo, le mesh, che sono state utilizzate, hanno unicamente
lo scopo di fungere da rappresentazioni grafiche digitali dei vari tessuti umani. Non
sono state eseguite analisi agli elementi finiti per dedurre il comportamento degli
elementi in gioco. In figura 3.7b viene rappresentato un cuore in modalità wireframe,
ovvero un tipo di visualizzazione che evidenzia solo gli spigoli di un solido, rendendo
trasparente tutto il resto.
(a) (b)
Figura 3.7: Esempi di mesh. (a) Diversi tipi di elementi che compongono le mesh.
(b) Mesh di un cuore in wireframe.
35
47. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
Strato superficiale di pelle
Esistono diversi metodi per ottenere una superficie esterna di pelle: creazione di
mesh alla mano o per generazione automatica. Per la creazione alla mano, dei sof-
ware di modellizzazione 3D (tra i quali Blender [32]) o di scultura (tra i quali ZBrush
[31]) sono utilizzati. Per la generazione automatica si tratta spesso di scannerizzare
una persona e ricostruire la sua pelle a partire da i dati recuperati (pelle parziale,
nuvola di punti, ecc.)
Esistono diversi sistemi, più o meno pesanti, per scannerizzare la pelle di un
utilizzatore. Ciascun tipo di sistema di acquisizione fornisce dei risultati più o meno
realistici, spesso in funzione del numero e della qualità dei sensori di acquisizione.
(a) (b)
Figura 3.8: Scanner di un utilizzatore: pelle user-specific. (a) Light Stage 6 [33].
(b) Scanner a partire di un sensore leggero.
In figura 3.8a viene presentato il sistema Light Stage 6 [33], composto da teleca-
mere ad alta risoluzione e un insieme di sorgenti luminose che permettono la cattura
di un utilizzatore (corpo intero o semplicemente solo il viso) sotto diverse condizioni
di illuminamento. Questo permette di creare un campo d’illuminamento della pelle
che renderà possibile ottenere una texture3
della pelle fotorealistica [34].
La figura 3.8b presenta una soluzione per scannerizzare il corpo di un utilizzatore
attraverso l’uso di un sensore di profondità. Quattro nuvole di punti parziali (posi-
zioni 3D e colori) sono catturati e poi assemblati per generare una mesh texturata
del corpo intero dell’utilizzatore.
Per ottenere delle mesh più generiche, sono nati degli approcci con delle basi
di dati. Questi permettono, a partire da un gran numero di mesh, di generare dei
modelli statistici, basati su delle misure antropomorfiche indotte.
3
Texture: un’immagine bidimensionale che viene riprodotta su una o più facce di un modello
poligonale tridimensionale
36
48. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
Nasce nel 2005 SCAPE [35], una delle prime basi di dati ma anche la più utilizzata
(vedere figura 3.9a). Raggruppa due set di dati: il primo è composto da 37 mesh di
persone diverse in posizioni simili; il secondo è composto da 70 mesh di una stessa
persona in diverse posizioni. La cattura della mesh si esegue grazie a 50-60 marker
e uno scanner Cyberware WBX corpo intero che cattura simultaneamente quattro
nuvole di punti parziali.
La base di dati Dyna [36] è un’estensione di SCAPE e permette la deformazione
del corpo intero basandosi non più su delle posizioni statiche ma su dei dati dinamici,
prendendo in considerazione la deformazione dei tessuti molli sottostanti alla pelle.
Si può anche citare la base di dati FAUST [37], composta da 300 mesh di 10
persone in posizioni molto diverse (vedere figura 3.9b). Un approccio multi camera
è stato utilizzato per catturare la geometria.
(a) (b)
Figura 3.9: Database di dati composti da un insieme di mesh della superficie della
pelle. (a) Database SCAPE [35]. (b) Database FAUST
Anatomia interna
Esistono diversi modi per ottenere un modello di riferimento dell’anatomia inter-
na: utilizzando direttamente il corpo (con preparati istologici), utilizzando delle
immagini mediche o utilizzando delle opere anatomiche (illustrazioni, foto).
Si chiama preparato istologico una porzione di tessuto animale o vegetale adatta
ad essere analizzata tramite microscopio ottico o elettronico. Dopo il taglio, le strisce
sottilissime vengono colorate e fissate con della resina o della formalina per evitare la
decomposizione. Si può citare la costruzione e la messa in opera di «Visible Human
Project» [38] negli Stati Uniti, il progetto di atlante radiologico «VOXEL MAN 3D
Navigator» [39] e il progetto coreano «Visible Korean Human».
Alcuni metodi sfruttano le immagini mediche per ricostruire dei corpi completi
o dei sistemi specifici [40]. Si tratta spesso, in un primo momento, di segmentare le
immagini mediche per separare le strutture anatomiche le une dalle altre e quindi
ottenere il contorno delle strutture. Questo settore è molto vasto in termini di
metodi ma il fatto di segmentare automaticamente immagini mediche risulta ancora
molto difficile.
37
49. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
Sim4Life [41] è un insieme di strumenti per la simulazione. Utilizza come modelli
di riferimento la popolazione virtuale VIP 3.0 [42], composta da modelli di ogni tipo
(donne e uomini medi, bambini, obesi, ecc.) Questi modelli di riferimento sono stati
costruiti a partire da immagini mediche.
La soluzione che utilizza opere anatomiche consiste nel modellizzare alla mano
l’insieme della geometria attraverso software di modellizzazione 3D come Blender
[32] o di scultura 3D come ZBrush [31].
Per esempio si può prendere come esempio lo Zygote [43], modello di riferimento
completo che propone un modello femminile e maschile (vedere figura 3.10a). Il
modello Adrienne [44], proposto dall’azienda Ziva Dynamics per la realizzazione
di animazioni foto-realistiche nel settore del cinema (vedere figura 3.10b), contiene
tutte le strutture anatomiche necessarie per definire la forma e il movimento del
personaggio: sistema scheletrico, muscolare, pelle, tessuti connettivi. Per creare la
geometria dell’anatomia interna gli autori si basano su dei dati MRI come standard
di riferimento. Per quanto riguarda la superficie della pelle e della sua texture,
utilizzano un sistema di cattura. Un sistema di allineamento è utilizzato per far
combaciare l’anatomia interna con la struttura della pelle esterna.
(a) (b)
Figura 3.10: Modellizzazione di modelli anatomici alla mano. (a) Modello Zygote
[43]. (b) Modello Adrienne [44].
3.2.2 Tipi di dati e livello di dettaglio
Nella sezione 2.2, si è discusso dei diversi tipi di supporto per le conoscenze anatomi-
che. Si è potuto vedere che i tipi di dati presentati sono dipendenti dalle conoscenze
che si vuole comunicare.
38
50. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
Per definire il formato ottimale dei dati anatomici, si sono determinati due punti
critici: la postura e l’orientamento del corpo in funzione del punto di visto dell’osser-
vatore ma anche la postura e l’orientamento dei segmenti che compongono il corpo
in funzione della posizione di riferimento, descritta in sezione 3.1.
Nel caso di una visualizzazione statica, un modello di riferimento 2D è auspi-
cabile. Per limitare la complessità, è sufficiente limitare il numero di posture e di
orientamenti del corpo e dei segmenti. Nel caso di questo lavoro, ci si propone di
proporre all’utilizzatore una visualizzazione anatomica in movimento che è portata
a cambiare postura e orientamento tanto quanto il corpo ne permette. Si è quindi
scelto di utilizzare un modello anatomico di riferimento in 3D.
In funzione dell’utilizzazione che se ne si vuole fare, è possibile rappresentare
l’anatomia secondo diversi criteri di qualità dal punto di vista della forma e della
resa delle geometrie:
• l’esattezza nella forma fa riferimento al modo di rappresentare un ogget-
to permettendo ad altri di poterlo poi riconoscere e identificare. Il livello di
esattezza può essere più importante in alcune zone di interesse (ad es: intorno
alle articolazioni). Rispetto alla forma, si possono notare qualche elementi im-
portanti: curve al limite, volumi, buchi, punte e punti di contatto tra oggetti.
L’esattezza nella forma può impattare i seguenti criteri: livello di dettaglio,
risoluzione geometrica e complessità topologica.
• il livello di dettaglio è più o meno importante in funzione dell’applicazione
che si vuole fare. Per esempio, se si vuole mostrare lo scheletro completo, non
è necessario visualizzare i pori delle ossa. Tuttavia, nel caso di un primo piano
su un singolo osso questi dettagli potrebbero essere interessanti. In alcune
alcune applicazioni, può essere necessario cambiare il livello di dettaglio in
funzione della distanza di un oggetto. Il livello di dettaglio può impattare i
seguenti criteri: risoluzione geometrica e complessità topologica.
• ad alta risoluzione, la mesh è voluminosa e sarà difficile utilizzarla per delle
applicazioni in tempo reale. Tuttavia, una tale risoluzione geometrica per-
mette di avere della finezza nella mesh e quindi ottenere dei degli interessanti.
La complessità topologica si riferisce alla consistenza della geometria di un
oggetto: presenza o meno di buchi nella geometria che non dovrebbero esiste-
re (artefatti). La risoluzione geometrica e la complessità topologica possono
impattare i seguenti criteri: esattezza della forma e livello di dettaglio.
• il realismo e il contesto visivo fanno riferimento all’oggetto rispetto quelli
che lo circondano e alla resa di questo. Si hanno per esempio i criteri di messa
in scala o di piazzamento nello spazio rispetto al contesto. La resa può esse-
re diversa in funzione dell’applicazione alla quale l’oggetto è destinato. Per
39
51. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
esempio, si utilizzerà una rappresentazione schematica per spiegare un mecca-
nismo, si darà risalto ad alcuni oggetti colorandoli in maniera non realistica
per rappresentare una nozione pedagogiche e si utilizzerà un oggetto texturato
con una gestione delle ombre per rendere l’oggetto foto-realistico.
(a) (b) (c)
Figura 3.11: Diversi criteri di astrazione per il sistema scheletrico. (a) Vi-
sualizzazione dei volumi, attraverso il mooc FOVEA [45]. (b) Il modello di
riferimento utilizzato. (c) Schema descrittivo dei tessuti connettivi del bacino
(http://www.corpshumain.ca).
Ogni rappresentazione è adattata alla visualizzazione o all’apprendimento di no-
zioni diverse. La rappresentazione scelta è quindi funzione delle informazioni che si
vuole trasmettere. Si può vedere questo concetto messo in atto in figura 3.11 che rap-
presenta diversi livelli di astrazione per il sistema scheletrico. La rappresentazione
schematica proposta in figura 3.11a da [45, 46] permette una visualizzazione globale
delle forme e delle loro orientazioni, e quindi offre una migliore comprensione dei
volumi. La visualizzazione realistica semplificata proposta in figura 3.11b è quella
che si è scelto di adottare poiché mostra sufficientemente dettagli per capire punte
e buchi delle mesh. Nel frattempo rimane sufficientemente semplice per essere facil-
mente manipolabile sempre rimanendo sufficientemente precisa per lo studio delle
forme delle strutture anatomiche e della loro morfologia. La figura 3.11c propone
una resa foto-realistica dove si può osservare il lato rugoso dell’osso dovuto alle sue
asperità.
Ci si concentra ora sui diversi livelli di astrazione possibili per il sistema muscola-
re (vedere figura 3.12). La rappresentazione dei muscoli attraverso le linee di azione
(muscoli 1D) (presentato in figura 3.12a) permette una visualizzazione dei muscoli
superficiali e dei muscoli profondi insieme alle loro posizioni di inserzione sullo sche-
letro. I muscoli semplificati proposti da Maya Muscle [47, 48] (vedere figura 3.12b),
che permettono la visualizzazione dei volumi muscolari, sono utilizzati per ricreare le
deformazioni muscolari e applicarle alla superficie della pelle. Le figure 3.12c e 3.12d
40
52. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
forniscono una visualizzazione un po’ più realistica sottolineando le fibre muscolari
o ancora permettendo la visualizzazione delle diverse parti del muscolo. Si è scelto
come per il sistema scheletrico di presentare i muscoli nella loro forma più realista
ma lasciando una topologia semplice (geometria liscia) per guadagnare velocità nel
ritorno visivo.
(a) (b) (c) (d)
Figura 3.12: Diversi criteri di astrazione per il sistema muscolare. (a) Rappre-
sentazione dei muscoli attraverso le linee di azione. (b) Muscoli Maya, dell’artista
Jonathan Chien su Behance. (c) Modello di riferimento utilizzato. (d) Modello
Zygote a cui sono assegnate delle texture.
3.2.3 Il modello anatomico di riferimento utilizzato
Ottenere un modello anatomico completo di riferimento è un compito difficile. Si è
parlato nella sezione 3.2.1 di un insieme di modelli esistenti. Per il modello utilizza-
to in questo progetto, si è scelto l’utilizzo di Zygote [43], un modello di riferimento
completo modellizzato da degli artisti. È composto da un modello di sesso maschile
e da uno di sesso femminile. Dal punto di vista anatomico, esiste un insieme di
differenze tra l’uomo e la donna, soprattutto differenze a livello delle strutture ana-
tomiche, che influenzano le proporzioni globali delle parti del corpo. Per semplificare
il lavoro, è stato scelto di fare un’astrazione da queste diversità tra i due modelli,
andando a lavorare su un modello anatomico unisex. Il modello anatomico utiliz-
zato è costituito da un sistema muscolo-scheletrico, da diversi organi, dal sistema
cardiovascolare e dalla pelle (vedere 3.13).
41
53. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
(a) (b) (c) (d) (e)
Figura 3.13: Diversi strati anatomici del modello di riferimento utilizzato. (a)
Pelle. (b) Sistema muscolare. (c) Sistema scheletrico e articolare. (d) Organi. (e)
Sistema cardio-vascolare.
Tra i diversi criteri di qualità evocati in sezione 3.2.2, si è scelto di diminuire
la risoluzione geometrica per ottenere una mesh più leggera e quindi più facile a
utilizzare, permettendo una visualizzazione tempo reale degli strati anatomici del
corpo intero.
Numero di vertici
Zygote Modello utilizzato
Sistema scheletrico 326 012 86 315
Sistema muscolare 326 970 89 665
Sistema vascolare 459 047 51 801
Pelle 45 079 28 515
Organi 123 273 43 172
Tabella 3.1: Complessità geometrica del modello 3D utilizzato rispetto al Zygote
La tabella 3.1 fornisce qualche numero per conoscere l’ordine di grandezza del-
le mesh che costituiscono gli strati anatomici. Si può vedere che la diminuzione
della risoluzione delle mesh permette di dividere per 5 circa il numero di punti e
triangoli per il modello completo. Questi ordini di grandezza sono dipendenti dalla
complessità topologica: si è scelto di diminuire la risoluzione geometrica fino a che
42
54. 3 – Anatomia: conoscenze anatomiche e modelli 3D
le modifiche eccessive nella complessità topologica non erano visibili ad occhio nu-
do. La topologia del sistema cardiovascolare è molto complessa e questo spiega la
semplificazione minimalista apportata alla sua risoluzione geometrica.
43
56. 4 – Cattura e resa del movimento
Per la creazione di uno specchio anatomico interattivo, si vuole poter studiare e
visualizzare la dimensione dinamica dell’anatomia attraverso dei fenomeni anatomici
specifici come movimenti relativi tra due ossa unite in una stessa articolazione.
Questo capitolo inizia con una sezione che introduce come in computer grafica viene
definito il movimento e gli elementi necessari per riprodurlo. Nel seguito verranno
specificati i metodi che sono stati utilizzati, nel contesto del progetto AnatoMimo,
per trasmettere dinamicità al modello anatomico 3D.
4.1 Movimenti e deformazioni in computer grafi-
ca
In computer grafica, è possibile indurre il movimento in due modi:
• con una sequenza di oggetti: mostrare un oggetto diverso per ogni passo tem-
porale fornisce l’idea di movimento. Questo approccio è basato sull’idea di
ricostruire la mesh ad ogni passo di integrazione.
• con un solo oggetto: spostare o deformare un oggetto a ogni passo temporale
e seguendo uno schema ben preciso. Esistono due tipi di corpi: i corpi rigidi
come le ossa e i corpi molli come i muscoli. Nel caso di un corpo rigido,
uno stesso vettore di spostamento (6D: 3 traslazioni e 3 rotazioni) si applica a
tutto l’oggetto mentre nel caso di un corpo molle alcune sottoparti dell’oggetto
possono spostarsi le une rispetto alle altre.
Nel seguito del capitolo si continuerà unicamente con la trattazione dell’induzione del
movimento con un solo oggetto. In computer grafica, per definire un movimento,
sono essenziali tre elementi: la struttura di controllo, l’algoritmo di skinning e il
metodo per indurre il movimento.
4.1.1 Struttura di controllo
Per legare delle sottoparti di un oggetto o diversi oggetti tra di loro, sono stati
messi in atto delle strutture di controllo che permettono di definire dei percorsi di
movimento in maniera semplice e intuitiva. Esistono diversi tipi di struttura di
controllo tra le quali si possono citare:
• le scheletro di controllo, è la struttura più utilizzata in animazione 3D per ma-
nipolare degli animali o dei personaggi umanoidi. La sua struttura è costituita
da un insieme di sistemi di riferimento articolari (posizione e orientamento)
3D attaccati gli uni agli altri con un ordine gerarchico, come in robotica (ad
es: l’articolazione del gomito è figlia dell’articolazione della spalla). Per una
45
57. 4 – Cattura e resa del movimento
(a) (b) (c) (d)
Figura 4.1: Diverse strutture di controllo del movimento. (a) Scheletro di ani-
mazione [49]. (b) Curve di deformazione. (c) Linee d’azione. (d) Gabbia di
controllo.
migliore visualizzazione della gerarchia, i legami tra i sistemi di riferimento
sono spesso rappresentati in maniera schematica con dei bastoncini. Si noti
che la complessità della struttura, come la quantità dei sotto-oggetti necessari,
è dipendente della precisione dei movimenti che si vuole poter ottenere. Per
esempio, la figura 4.1a rappresenta una struttura articolare che non permette
il piegamento delle dita. La struttura si utilizza andando ad applicare delle
rotazioni a livello dei sistemi di riferimento articolari e viene spesso definita
manualmente, riferimento dopo riferimento.
• la curva di controllo, o curva di deformazione, è una struttura che si sta sem-
pre più sviluppando. Si tratta di definire una curva in 3D (composta da un
insieme di maniglie di deformazioni). Il numero di maniglie è dipendente dal-
la precisione voluta nella deformazione. La figura 4.1b presenta questa curva
permettendo di deformare la schiena e la testa di un personaggio. La ridefini-
zione di questa curva e la preservazione di volume fanno in modo di indurre il
movimento.
La figura 4.1c raffigura un altro tipo di curva di controllo che viene chiamata
linea d’azione e rappresenta la linea che percorre il personaggio e definisce la
sua dinamica.
• la gabbia di controllo, o griglia di deformazione, è utilizzata per dare degli
effetti elastici ai personaggi applicando deformazioni volumetriche. Come mo-
strato in figura 4.1d, viene presentata sotto forma di una struttura topologica
semplice e deformabile. Più la struttura è complessa e più permetterà de-
formazioni dettagliate. Per controllare la struttura, basterà all’utilizzatore di
tirare su uno o più vertici di questa.
46
58. 4 – Cattura e resa del movimento
4.1.2 Skinning
Con il termine skinning si definisce il metodo impiegato per associare le strutture
di controllo e le sottoparti di un oggetto insieme. L’idea è quella di definire come
le modifiche applicate alla struttura di controllo si ripercuoteranno sulla geometria
dell’oggetto. I primi metodi di skinning geometrico in tempo reale che sono stati
sviluppati sono dei metodi molto semplici, come il metodo molto conosciuto del «Li-
near Blend Skinning» (LBS) [50, 51] che associa a ciascuna sottoparte di un oggetto
da uno a quattro elementi della struttura di controllo in modo da poter anima-
re l’oggetto (vedere figura 4.2b). Tuttavia questa tecnica comporta degli artefatti
ben conosciuti come l’effetto carta di caramella (riduzione della mesh in un punto
quando la mesh si torce) e il crollo del gomito (perdita di volume a livello di una
articolazione).
L’approccio sviluppato da Kavan e colleghi [52], il «Dual Quaternion Skinning»
(DQS), permette grazie alla sua non linearità di evitare alcuni artefatti del LBS
(vedere figura 4.2c). In più questo approccio è facile da implementare ed è facile
passare da LBS a DQS.
I metodi di skinning pseudo-fisico si basano su delle proprietà fisiche della pelle
umana (materiale elastico) per ottenere delle deformazioni più realistiche. Questi
metodi danno dei risultati molto soddisfacenti ma impiegano spesso molto più tempo
di calcolo.
(a) (b) (c)
Figura 4.2: Diversi metodi di skinning geometrico. (a) Definizione di pesi dello
skinning rispetto alla struttura di controllo. (b) Metodo del linear blend skinning
(LBS). (c) Metodo del dual quaternion skinning (DQS).
Definizione dei pesi dello skinning
Si chiamano pesi dello skinning la ponderazione che definisce per ciascun punto
di una mesh, gli elementi della struttura di controllo che andranno a controllarlo
e in che misura (vedere figura 4.2a). Un punto può essere influenzato da uno o
47
59. 4 – Cattura e resa del movimento
più elementi della struttura e per semplificare le ponderazioni, si associa spesso un
vertice della mesh ad un massimo di quattro elementi della struttura.
Queste influenze possono essere definite alla mano o automaticamente con diversi
algoritmi, molti dei quali si basano sulla distanza dei punti della mesh dalle strutture
di controllo. Per esempio, nel software di modellizzazione Blender, l’influenza di
ciascun controllore può essere definita automaticamente e viene presentata sotto
forma di una texture modificabile in una scala a colori: in rosso i punti che sono
totalmente influenzati e in blu quelli che non lo sono per nulla.
4.1.3 Induzione del movimento
Nel quadro del corpo umano, esistono due tipi di effettori motori che permettono
di coprire i modi di espressione e movimenti corporali: i corpi articolati e i corpi
deformabili.
Questi concetti, che inducono il movimento, utilizzano il tempo come unità di
misura.
• Si definisce «corpo articolato», l’insieme di più elementi di controllo (spesso
dei corpi rigidi 6D) in movimento, legati da delle articolazioni. Si chiama
«articolazione» il legame che limita il movimento relativo tra due segmenti del
corpo; i diversi tipi di articolazione sono presentati in sezione 3.1.2.
• Si definisce «corpo in movimento», un corpo che si sposta rispetto ad un
punto fisso dello spazio (spostamento assoluto) o rispetto ad un altro corpo
(spostamento relativo).
• Si definisce «corpo deformabile» un’entità anatomica che cambia forma in
funzione della postura del corpo umano: fenomeno dello scivolamento delle
entità (organi, muscoli, etc.) gli uni sugli altri.
A seconda del settore di interesse, i bisogni in termini di movimento non sono
gli stessi: per le applicazioni biomedicali si cerca di riprodurre e validare i fenomeni
anatomici specifici mentre nel settore del cinema si cerca piuttosto a modellizzare
l’effetto visivo del fenomeno, per ottenere una deformazione realistica della pelle. Ne
è il caso, per esempio, del fenomeno della contrazione muscolare, spesso utilizzata
per ottenere e migliorare le deformazioni della superficie della pelle.
4.2 Motion capture attraverso telecamere RGB-
D
Si presenterà qui più in dettaglio quello che riguarda il metodo della «cattura del
movimento», poiché utilizzato in questo progetto.
48
