Dalla ricerca bibliografica è emersa l’importanza della valutazione funzionale nell’indagine del recupero funzionale di soggetti sottoposti a intervento di protesi totale dell’anca (PTA). Gli studi svolti finora hanno focalizzato l’attenzione su pazienti protesizzati a livello monolaterale e/o bilaterale nel periodo di medio o tardo post- operatorio.
Questo studio ha avuto lo scopo di capire se l’intervento bilaterale è sicuro quanto quello monolaterale. I pazienti di PTA sono stati monitorati il giorno precedente l’intervento e a 3 e 7 giorni dopo lo stesso. Queste tre giornate sperimentali, per comodità, sono state denominate nel seguente modo: “T0” il giorno precedente l’intervento, “T1” il terzo giorno post-operatorio e “T2” il settimo giorno post-operatorio.
Gli obiettivi primari sono stati: la definizione di un protocollo di calcolo per l’Analisi Posturale, il test Stand to Sit (STS), l’Analisi del Cammino (Gait Analysis), il test Timed Up and Go (TUG), la valutazione del livello di kinesiophobia e di percezione del dolore. La peculiarità di questo lavoro è focalizzare l’attenzione sulle capacità motorie e funzionali del paziente nell’immediato post-operatorio ed esaminare se esistono e quali sono le differenze tra i soggetti operati a livello monolaterale e quelli operati a livello bilaterale. Con questi criteri di analisi si vuole arrivare a capire se uno dei due interventi è più sicuro in termini di risultati perioperatori o se le due tecniche danno esiti comparabili. L’auspicio è che i risultati di tale studio possano, in futuro, incentivare nel migliore dei modi le strategie cliniche, riabilitative e gestionali al fine di garantire una buona qualità della vita (QoL).
Nel seguito di questo capitolo vengono presentati tutti gli elementi e i criteri utilizzati durante lo svolgimento del lavoro, ovvero i materiali e i metodi dello studio.
Tutte le fasi sperimentali di preparazione dei pazienti e di acquisizione dei dati sono state svolte nel laboratorio di Analisi del Movimento del Centro di Clinica e Ricerca Humanitas di Rozzano (MI), istituto nel quale i pazienti sono stati operati e dove sono stati ricoverati durante tutto il periodo perioperatorio. La fase di elaborazione dei dati è stata svolta invece in parte nel suddetto laboratorio di Analisi del Movimento e in parte in collaborazione con il Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di Milano.
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3.1 – Strumentazione
Nel laboratorio di Analisi del Movimento, per acquisire i dati relativi a tutte le prove biomeccaniche sono stati utilizzati 3 sistemi:
1. Il sistema optoelettronico
2. Il sistema per il rilevamento delle forze
3. Il sistema per il rilevamento dell’attività muscolare
3.1.1 – Il sistema optoelettronico
L’Analisi del Movimento è stata svolta mediante l’utilizzo di un sistema optoelettronico composto da telecamere che lavorano nel NIR (Near InfraRed).
Figura 5: Telecamere (NIR SMART DX BTS)
Queste non rilevano la misura diretta dei parametri cinematici, ma ne forniscono una stima molto accurata. Il funzionamento del sistema optoelettronico prevede l’utilizzo di markers catarifrangenti passivi, ovvero marcatori sferici di plastica rivestiti di materiale
catarifrangente e posizionati sulla cute del soggetto (in corrispondenza dei punti di repere anatomico) con nastro biadesivo. Questi markers vengono colpiti dai raggi infrarossi provenienti dalla corona circolare di Led coassiale all’obiettivo della telecamera. Essendo catarifrangenti, i markers riflettono questi raggi che verranno quindi catturati dalle telecamere del sistema.
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Attraverso questo meccanismo, il sistema ricostruisce le coordinate 3D dei marcatori e ne restituisce quindi la posizione e la traiettoria del movimento nello spazio. Il marker viene localizzato nel centroide dell’area luminosa da esso prodotta e catturata da almeno due telecamere contemporaneamente.
Inoltre è essenziale ricordare che per avere un’accurata misura da parte del sistema optoelettronico è necessario fare una buona calibrazione dello spazio di acquisizione. Nel laboratorio di Analisi del Movimento del Centro di Clinica e Ricerca Humanitas è stato utilizzato il sistema (BTS SMART DX, Italy) a sei telecamere a infrarossi con frequenza di campionamento di 200 Hz.
Figura 6: Laboratorio di Analisi del Movimento in Humanitas
3.1.2 – Il sistema per il rilevamento delle forze
Le piattaforme di forza sono i sistemi che registrano la forza che il paziente scambia con il terreno nelle tre direzioni e valutano la posizione del centro di pressione. Esse hanno una elevata accuratezza, ma devono essere installate e trattate con attenzione poiché generano le misure di interesse attraverso 4 sensori.
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Il centro di pressione (Centre of Pressure, COP) è il punto di applicazione della risultante delle forze scambiate tra il terreno e il soggetto. Esso viene individuato nel centroide delle pressioni applicate alla base d’appoggio. Come si può evincere dal paragrafo relativo al protocollo di calcolo della postura, non è importante valutare solo la posizione del COP, ma anche le sue oscillazioni nel tempo e la lunghezza della sua traccia.
Nel laboratorio di Humanitas sono state usate due piattaforme di forza (P-6000 BTS SpA), di dimensioni 40 x 60 cm, mostrate in figura.
Figura 7: Piattaforma di forza (P-6000 BTS)
3.1.3 – Il sistema per il rilevamento dell’attività muscolare
Al fine di avere maggiore completezza nella gamma di dati acquisiti è stata rilevata l’attività muscolare attraverso delle sonde EMG di superficie (FREEEMG 1000 BTS, it). Questa tecnologia è in grado di registrare anche i segnali più deboli, sfrutta la connessione wireless e comunica con il PC attraverso un device USB. Inoltre le sonde risultano essere molto pratiche, date le piccole dimensioni (41.5 x 24.8 x 14 mm per l’elettrodo madre, 16 x 12 mm per l’elettrodo satellite) e il ridotto peso (13 grammi inclusa la batteria). Per le prove di Gait sono state utilizzate 8 sonde (4 per gamba) poste sui seguenti muscoli: Tibiale Anteriore, Gastrocnemio Mediale, Retto Femorale e Medio Gluteo. Per le prove di
Standing sono state utilizzate solo le 4 sonde per i muscoli Tibiale Anteriore e Gastrocnemio Mediale. I segnali elettromiografici sono stati elaborati e poi
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Figura 8: Sonda (FREEEMG 1000 BTS)
3.2 - Soggetti
In questo studio sono stati analizzati i dati relativi a un totale di 40 pazienti, di cui 20 trattati con intervento monolaterale PTA e 20 con intervento simultaneo bilaterale PTA. Per tutti i soggetti la causa di protesizzazione è stata l’osteoartite. Questa patologia consiste nel progressivo consumo e nella conseguente perdita della cartilagine articolare. I disagi che ne derivano e che portano alla decisione di impiantare la protesi sono: dolore acuto, rigidità articolare, deformità e gonfiore.
Nella tabella seguente vengono riportati i valori medi di: età, altezza e peso dei pazienti reclutati.
Età [anni] Altezza [cm] Peso [Kg]
52.13±6.48 173.67±8.62 79.96±13.08
Tabella 1: Età, peso e altezza medi
Tutti i soggetti sono stati operati presso il Dipartimento di Ortopedia dell’Istituto Clinico Humanitas di Rozzano (MI) con la tecnica chirurgica basata sull’approccio posterolaterale. Dopo l’operazione tutti i pazienti sono stati sottoposti allo stesso programma riabilitativo supervisionato da tre fisioterapisti della clinica. Nello specifico, la riabilitazione prevedeva due sedute giornaliere finalizzate a: incrementare progressivamente la resistenza, aumentare il Range of Motion (RoM) delle articolazioni, stabilire equilibrio e funzionalità in attività come camminare e alzarsi dalla sedia con l’aiuto delle stampelle.
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Come detto in precedenza, per l’esecuzione dei test sperimentali i pazienti sono stati portati nel Laboratorio di Analisi del Movimento del Centro di Clinica e Ricerca di Humanitas. Lo studio è stato approvato dal Comitato Etico Interno.
3.2.1 – Criteri di inclusione/esclusione
Sono stati arruolati pazienti sottoposti a un intervento PTA primario, aventi tra i 45 e i 65 anni di età e affetti da artrite. Essi dovevano inoltre essere in grado di percorrere 50 metri a piedi senza ausili.
I criteri di esclusione dallo studio sono stati: pazienti operati a causa di una severa displasia (Crowe III e IV) o di anchilosi dell’anca, pazienti che hanno avuto eventi traumatici precedenti, pazienti che in passato erano già stati sottoposti a osteotomia femorale o pelvica, pazienti sottoposti a PTA di revisione. Sono stati esclusi anche i soggetti aventi una differenza tra la lunghezza della gamba sinistra e quella della gamba destra maggiore di 1 cm. In ultimo non sono state ammesse persone con disturbi neurologici e/o muscoloscheletrici in grado di interferire nel recupero motorio e funzionale.
3.3 – Valutazioni
3.3.1 – Valutazione clinica
In parallelo ai test biomeccanici è stata fatta un valutazione clinica sul livello di kinesiophobia (paura del movimento) e il livello di percezione del dolore.
Il livello di kinesiophobia è stato quantificato mediante la scala Tampa (TSK). Si tratta di un questionario in cui il paziente deve dare la propria opinione su come si sente, dal punto di vista fisico e psicologico, nello svolgimento di attività della vita quotidiana. Il punteggio utilizzato varia da 17 a 68 e maggiore è il risultato maggiore è il livello di kinesiophobia. Di seguito vengono riportate le domande proposte dalla scala Tampa.
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Per quanto riguarda invece la quantificazione del dolore percepito dai pazienti è stata utilizzata la Numeric Rating Scale (NRS). Questa scala rappresenta una misura
unidimensionale del livello di dolore negli adulti. Essa include 11 livelli che vanno da 0 (assenza di dolore) a 10 (massimo dolore possibile).
Figura 10: Scala NRS
Sia per i dati ottenuti nella TSK sia per quelli emersi dalla NRS sono stati fatti dei confronti tra i due gruppi di pazienti, utilizzando test statistici che verranno descritti nel seguito.
I tre confronti scelti sono:
1. Monolaterali vs bilaterali a T0 2. Monolaterali vs bilaterali a T1 3. Monolaterali vs bilaterali a T2
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3.3.2 – Valutazione biomeccanica
La valutazione biomeccanica è stata l’argomento di maggior interesse e ha previsto, come anticipato precedentemente, le seguenti prove:
Prove di Standing
Prove di Stand to Sit (STS) Prove di Gait Analysis Timed Up and Go test (TUG)
Tutti questi test verranno descritti in modo dettagliato negli appositi paragrafi del capitolo. Le prove biomeccaniche sono state organizzate nelle tre giornate sperimentali nel modo più favorevole sia per l’attività di ricerca sia per i pazienti. Gli individui hanno svolto le prove di Standing a occhi aperti e a occhi chiusi e le prove di Stand to Sit in tutte e tre le giornate. Invece la Gait Analysis e il TUG non sono stati effettuati nella terza giornata post-operatoria in quanto risultavano attività troppo faticose in un istante temporale così vicino all’intervento, che i soggetti avrebbero dovuto svolgere queste prove utilizzando le stampelle e producendo quindi dati forvianti per l’obiettivo dello studio.
Nella figura seguente viene presentato lo schema del processo sperimentale, in modo da riassumere l’organizzazione generale delle valutazioni cliniche e biomeccaniche effettuate.
Figura 12: Schema del processo sperimentale
•Standing •STS •Gait Analysis •TUG •TAMPA •NRS
T0
•Standing •STS •TAMPA •NRST1
•Standing •STS •Gait Analysis •TUG •TAMPA •NRST2
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3.3.3 – Posizionamento dei marcatori
Per tutte le prove biomeccaniche, sui pazienti sono stati posizionati i marcatori secondo il protocollo Davis. Sono stati utilizzati 22 marcatori passivi catarifrangenti di diametro 10 mm. Questi sono stati fissati con un apposito nastro biadesivo alla cute del paziente in corrispondenza dei punti di repere anatomici. Il protocollo infatti prevede che l’operatore individui i punti anatomici di interesse mediante palpazione; questo procedimento deve essere eseguito con massima precisione in quanto un errato posizionamento dei marcatori comporta misure distorte delle coordinate dei punti di repere anatomico. I markers sono stati posizionati nel seguente modo:
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c7: a livello della settima vertebra cervicale
rshould e lshould: in corrispondenza dell’acromion destro e sinistro sacrum: in corrispondenza del sacro
rasis e lasis: in corrispondenza delle asis (anterior superior iliac spine) destra e sinistra
rthigh e lthigh: in corrispondenza delle cosce destra e sinistra rbar 1 e lbar 1: a livello di metà lunghezza del femore
rknee 1 e lknee 1: in corrispondenza del ginocchio destro e sinistro rknee 2 e lknee 2: in corrispondenza del ginocchio destro e sinistro rbar 2 e lbar 2: a livello di metà lunghezza della tibia rmall e lmall: in corrispondenza del malleolo destro e sinistro rhell e lhell: in corrispondenza del tallone destro e sinistro rmet e lmet: in corrispondenza del metatarso destro e sinistro
3.3.4 – Software utilizzati
I dati di Standing, di STS e di Gait acquisiti dal sistema optoelettronico sono le coordinate 3D dei centriodi dei markers applicati sulla cute dei soggetti. A questi marcatori è stato assegnato il nome, in gergo tecnico si dice che i markers sono stati etichettati o trackati. Il software utilizzato per questa prima elaborazione è lo SMART- Tracker (BTS, it).
Successivamente le prove trackate sono state processate sulla piattaforma SMART- Analyzer (BTS, it) applicando per i diversi tipi di prove i seguenti protocolli:
- Prove di Standing: protocollo di analisi posturale descritto nella sezione 3.4.3 - Prove di STS: protocollo ad hoc ideato nel Laboratorio Humanitas
36 Figura 14: Software SMART-Tracker
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In ultimo sono stati estratti i Report Clinici relativi alle prove di Standing e di Gait. Nello specifico, per le prove di Standing sono stati stampati i report ideati esclusivamente per lo studio (vedi Appendice), mentre per le prove di Gait sono stati stampati i report con l’impostazione del “Rep_Cammino+IndiciCammino.exp” fornito da BTS. Nella fase di reportistica è stato utilizzato il software SMART-Report (BTS, it).
Figura 16: Software SMART-Report
Va ricordato che l’accesso ai 3 software può essere fatto passando direttamente dalla piattaforma di SMART-Clinic (BTS,it), la quale permette di etichettare, processare ed estrarre i report collegandosi direttamente ai programmi sopraccitati.
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3.4 – Analisi Posturale
L’Analisi della Postura è uno degli argomenti cardine di questo lavoro e ha restituito i risultati più interessanti del confronto tra i pazienti sottoposti a intervento bilaterale e quelli trattati con il monolaterale. Questo tipo di analisi biomeccanica comprende le tecniche, i test e gli strumenti dedicati alla valutazione del soggetto in fase di Standing. Si studia quali sono i meccanismi che permettono al soggetto di mantenersi fermo in posizione eretta e cosa può interferire sul controllo posturale.
Il termine postura indica la posizione o l’assetto corporeo mantenuto per un certo intervallo di tempo. I due principali tipi di postura sono la stazione eretta (comprendente anche la sua variante in posizione assisa) e la stazione orizzontale, ovvero il decubito.
Un soggetto in posizione eretta a riposo non è mai in equilibrio statico, ma in una condizione di continuo adattamento, regolato dal sistema nervoso centrale, in modo da definire un rapporto di stabilità tra il corpo e l’ambiente circostante che perturba l’assetto posturale. Le informazioni di propriocezione ed esterocezione provenienti dai recettori sensoriali sono elaborate dal SNC. Esso controlla la mobilità e l’equilibrio della complessa catena cinematica del corpo umano composta da: ossa, articolazioni e muscoli,
rappresentabili rispettivamente con: aste, cerniere e molle.
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La postura è quindi il risultato del connubio di tre concetti: spazialità, antigravità,
equilibrio. La spazialità indica la posizione che il corpo assume nello spazio, l’antigravità è invece la reazione dell’organismo alla forza di gravità. L’equilibrio infine è il rapporto ottimale che il soggetto deve instaurare tra lui stesso e l’ambiente circostante, istante per istante e in condizioni sia statiche sia dinamiche, per ottenere la postura migliore a seconda delle richieste ambientali e degli obiettivi motori prefissati.
Il complesso sinergismo dei sistemi coinvolti nel mantenimento della postura è stato descritto dettagliatamente da Maki e Mcllory nel 1996. Nello specifico si ha che il sistema muscoloscheletrico, durante il mantenimento della postura, è coordinato dal sistema nervoso centrale e da altri tre sistemi: somatosensoriale, vestibolare e visivo. Il SNC, come è ormai noto, è indispensabile per la gestione di qualsiasi attività umana. Gli altri tre sistemi coinvolti, devono collaborare e nel caso in cui uno di questi venga a mancare, gli altri devono sopperire a questo deficit. Come verrà riportato in seguito, nei casi di patologie, non sempre i sistemi somatosensoriale, vestibolare e visivo riescono a compensare gli scompensi e quindi l’assetto posturale subisce alterazioni importanti. Nello schema sotto riportato si può vedere che il SNC, oltre a produrre comandi volontari di movimento e comandi posturali, produce un’immagine sensoriale predittiva
(feedforward) ed effettua delle correzioni in base alle informazioni che riceve come feedback dai sistemi somatosensoriale, vestibolare e visivo. Tutte queste azioni sono coordinate per ottenere lo stato posturale desiderato.
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Attraverso il modello biomeccanico, si ragiona sui rapporti che vi sono tra i movimenti corporei e le forze di gravità. Nello specifico si studia l’organizzazione delle catene cinetiche e dei segmenti scheletrici in relazione ai meccanismi antigravitari e ai riflessi spinali e vestibolari. In questo modo si possono interpretare possibili squilibri posturali, che si manifestano soprattutto attraverso deficit a livello statico e biomeccanico. Le alterazioni statiche consistono nella perdita di rapporti armonici tra i segmenti scheletrici nei tre piani dello spazio, mentre quelle biomeccaniche si manifestano con l’interruzione delle sinergie muscolari equilibratrici. Le problematiche che affliggono il controllo
posturale interessano le catene articolari, collegate attraverso strutture capsulo-legamentose alle catene muscolari. Anche queste ultime vengono danneggiate e di conseguenza la generazione del movimento, l’intensità e l’ampiezza subiscono alterazioni.
Infatti quando una perturbazione localizzata provoca uno sbilanciamento articolare e poi muscolare, in risposta si ha l’organizzazione di un nuovo equilibrio adattativo che, nella maggior parte dei casi comporta asimmetrie delle masse corporee e delle funzioni cinetiche.
Molto spesso per l’analisi posturale viene utilizzato il modello biomeccanico del “Pendolo inverso” di Winter DA, 1995. Questo permette di studiare il comportamento del centro di pressione (COP), cioè il punto di applicazione della risultante delle forze scambiate tra il piede del soggetto e il terreno. Il COP è analizzato sia sul piano sagittale (direzione antero- posteriore) sia sul piano frontale (direzione medio-laterale). In direzione antero-posteriore il controllo dell’equilibrio è garantito dai muscoli planterflessori e dorsiflessori della caviglia. Invece in direzione medio-laterale il maggiore controllo neuromuscolare è dato dai muscoli adduttori e abduttori dell’anca, che compiono continui cicli di carico-scarico. Per l’interpretazione dei risultati di Postura ottenuti in questo studio è stato utilizzato invece un altro modello biomeccanico trovato in letteratura.
3.4.1- Revisione della letteratura sulla Postura
Il modello biomeccanico di Vette et alUna buona spiegazione dei fenomeni coinvolti nel controllo posturale, utile anche
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2010. Essi hanno presentato un modello biomeccanico basato su un feedback neuro-
meccanico in grado di generare torsioni fisiologiche della caviglia durante la condizione di Standing. Infatti la prima cosa che deve prevedere un sistema di controllo della postura è un momento torcente della caviglia che resista all’effetto della gravità agente sul corpo e che permetta al Centro di Massa (COM) del soggetto di rimanere in equilibrio. Il COM è un punto dello spazio che rappresenta il baricentro delle forze peso reagenti su tutti i segmenti corporei.
Il momento torcente relativo all’articolazione della caviglia ha una componente passiva e una attiva. La prima dipende dalle proprietà meccaniche intrinseche dell’articolazione, dei muscoli e dei legamenti, mentre la seconda è definita dalle contrazioni dei muscoli della caviglia, prodotte dal SNC. Componente attiva e componente passiva collaborano quindi per prevenire la caduta del soggetto. Il fenomeno più difficile da spiegare è come il SNC riesca ad attivare in precisi istanti di tempo la contrazione muscolare (componente attiva del momento torcente dell’anca), dato che nel meccanismo di controllo neurale c’è un lungo ritardo sensori-motorio. Questo ritardo è dovuto al tempo necessario alla
trasmissione dell’informazione e al momento torcente già in corso nell’istante considerato, perché appunto al fine del mantenimento della postura c’è bisogno di momenti torcenti continui e discreti nel tempo.
Il complicato meccanismo di controllo neurale è stato rappresentato da Vette e gli altri attraverso un sistema avente un controllore proporzionale e derivativo.
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Come si può vedere in figura, la componente passiva del momento torcente è data da rigidezza e capacità di smorzamento (proprietà intrinseche di articolazioni, muscoli, tendini e legamenti). Essa è il controllore meccanico del sistema. La componente attiva invece consiste nelle contrazioni muscolari modulate dal SNC in base alla cinematica e alla dinamica delle oscillazioni del corpo. Questa è il controllore neurale del modello.
Il feedback neurale è affetto da un ritardo composto da tre fattori:
- : Il tempo necessario per la trasmissione dell’informazione dal sistema somatosensoriale della caviglia al cervello
- : Il tempo impiegato per il processamento dell’informazione sensorimotoria nel SNC e per la trasmissione neurale dal SNC ai muscoli flessori plantari
- : Il ritardo elettromeccanico, ovvero il tempo che intercorre tra l’attivazione dei muscoli e la generazione del momento torcente della caviglia.
Il risultato finale del meccanismo è quindi il momento torcente della caviglia, indispensabile all’uomo per mantenere la posizione eretta.
La validità di questo modello biomeccanico è stata verificata nel corso dello studio implementando delle opportune funzioni di trasferimento che potessero predire l’entità del