L’analisi del movimento è stata largamente utilizzata per valutare le prestazioni funzionali dei pazienti in seguito all’impianto di PTG [52]–[54] e le tre attività di vita quotidiana più indagate sono la camminata su superficie piana, la salita e la discesa dalle scale, l’alzata e la seduta dalla sedia [55]. L’analisi di questo studio sarà centrata quindi su queste tre attività.
I parametri spazio-temporali del cammino sono misure caratterizzanti per il pattern motorio e spesso sono utilizzati per valutare la qualità della vita, lo stato di salute e le funzioni fisiche [56]. Diversi studi hanno evidenziato come cinematica e dinamica siano influenzate dalla velocità di cammino [57]–[62]. Per poter confrontare le prestazioni biomeccaniche dei pazienti con protesi differenti è necessario quindi ottenere i parametri spazio-temporali del cammino:
• Lunghezza del ciclo [m] • Lunghezza del passo [m] • Larghezza del passo [m] • Tempo del ciclo [s] • Tempo di appoggio [s] • Tempo di volo [s]
• Tempo di doppio appoggio [s] • Tempo di singolo appoggio [s] • Velocità [m/s]
• Cadenza [passi/minuto]
I tempi sono stati inoltre normalizzati rispetto alla percentuale del ciclo di passo [%GC]. Escludendo larghezza del passo, velocità e cadenza, tutti i parametri sono stati selezionati per
entrambi gli arti, suddividendoli tra sano e operato per i pazienti e tra destro e sinistro per il gruppo di controllo.
Cinematica e dinamica forniscono rispettivamente informazioni sui movimenti articolari e sui carichi che agiscono su di esse nei tre piani cardinali:
• piano sagittale, movimenti di flesso-estensione; • piano frontale, movimenti di ab-adduzione;
• piano trasversale, movimenti di intra-extra rotazione.
Diversi studi in letteratura hanno analizzato le prestazioni biomeccaniche degli impianti protesici durante il cammino, estraendo valori puntuali dagli andamenti cinematici e dinamici normalizzati sul ciclo di passo, come massimi e minimi. In questo modo è possibile risalire ai range di movimento articolare e stimare i carichi massimi che gli impianti devono supportare ciclicamente [52]–[54].
Per questi motivi, sono state selezionate le informazioni di cinematica e dinamica del ginocchio nei tre piani:
• Piano sagittale
▪ Massima flessione ginocchio [gradi] ▪ Massima estensione ginocchio [gradi] ▪ Range di flesso-estensione [gradi]
▪ Massima flessione durante accettazione del carico [gradi] ▪ Massima estensione durante l’appoggio [gradi]
▪ Range di flesso-estensione durante l’appoggio [gradi] ▪ Massima flessione durante fase di volo [gradi] ▪ Massima estensione durante fase di volo [gradi] ▪ Range di flesso-estensione durante fase di volo [gradi] ▪ Flesso-estensione al contatto iniziale [gradi]
▪ Flesso-estensione al distacco del piede [gradi]
▪ Flesso-estensione al massimo momento estensorio [gradi] ▪ Flesso-estensione al massimo momento flessorio [gradi] • Piano frontale
▪ Massimo varismo [gradi] ▪ Massimo valgismo [gradi] ▪ Range di varo-valgo [gradi]
▪ Massimo varismo durante l’appoggio [gradi] ▪ Massimo valgismo durante l’appoggio [gradi] ▪ Range di varo-valgo durante l’appoggio [gradi] ▪ Massimo varismo durante fase di volo [gradi] ▪ Massimo valgismo durante fase di volo [gradi] ▪ Range di varo-valgo durante fase di volo [gradi]
▪ Angolo di varo-valgo al massimo momento abduttorio [gradi] • Piano trasversale
▪ Massima intra-rotazione [gradi] ▪ Massima extra-rotazione [gradi] ▪ Range di intra-extra rotazione [gradi]
▪ Massima intra-rotazione durante l’appoggio [gradi] ▪ Massima extra-rotazione durante l’appoggio [gradi] ▪ Range di intra-extra rotazione durante l’appoggio [gradi] ▪ Massima intra-rotazione durante fase di volo [gradi] ▪ Massima extra-rotazione durante fase di volo [gradi] ▪ Range di intra-extra rotazione durante fase di volo [gradi]
Sono stati inoltre selezionati i dati delle articolazioni di anca e caviglia per evidenziare eventuali meccanismi di compensazione dei pazienti in seguito all’impianto della protesi:
• Anca
▪ Massima flessione [gradi] ▪ Massima estensione [gradi] ▪ Range di flesso-estensione [gradi] ▪ Massima adduzione [gradi] ▪ Massima abduzione [gradi] ▪ Range di ab-adduzione [gradi] • Caviglia
▪ Massima dorsi-flessione [gradi] ▪ Massima plantar-flessione [gradi] ▪ Range di dorsi-plantar flessione [gradi] ▪ Massima inversione [gradi]
▪ Massima eversione [gradi]
▪ Range di inversione-eversione [gradi]
Come per i dati spazio-temporali, anche i parametri cinematici saranno suddivisisi tra arto operato e arto sano, per i pazienti, e tra destro e sinistro per il gruppo di controllo.
L’usura del piatto in polietilene è tra le principali cause di fallimento delle PTG, con conseguente revisione dell’impianto. Secondo la ISO 14243-3, i parametri dinamici, come forze e momenti, sono alla base del processo che porta all’usura del piatto tibiale [63], [64]. Per questo motivo, allo stesso modo della cinematica, saranno valutati i picchi dei momenti che agiscono sul ginocchio. Saranno presi in considerazione inoltre le forze di reazione al suolo grezze, per valutare l’appoggio dei piedi durante le fasi di accettazione del carico e propulsione, e i momenti che agiscono su anca e caviglia per comprendere eventuali meccanismi di compensazione dei pazienti:
• Forze di reazione al suolo grezze
▪ Picco di accettazione del carico [N/Bw] ▪ Picco di propulsione [N/Bw]
▪ Picco anteriore [N/Bw] ▪ Picco posteriore [N/Bw] ▪ Picco mediale [N/Bw] ▪ Picco laterale [N/Bw] • Piano sagittale ginocchio
▪ Massimo momento estensorio [Nm/kg] ▪ Massimo momento flessorio [Nm/kg]
• Piano frontale ginocchio
▪ Massimo momento abduttorio [Nm/kg] ▪ Massimo momento adduttorio [Nm/kg]
▪ Ampiezza picco-picco del momento ab-adduttorio [Nm/kg] • Piano trasversale ginocchio
▪ Massimo momento extra-rotatorio [Nm/kg] ▪ Massimo momento intra-rotatorio [Nm/kg]
▪ Ampiezza picco-picco del momento intra-extra rotatorio [Nm/kg] • Anca
▪ Massimo momento estensorio [Nm/kg] ▪ Massimo momento flessorio [Nm/kg]
▪ Ampiezza picco-picco del momento flesso-estensorio [Nm/kg] ▪ Massimo momento abduttorio [Nm/kg]
▪ Massimo momento adduttorio [Nm/kg]
▪ Ampiezza picco-picco del momento ab-adduttorio [Nm/kg] • Caviglia
▪ Massimo momento di plantar-flessione [Nm/kg] ▪ Massimo momento di dorsi-flessione [Nm/kg]
▪ Ampiezza picco-picco del momento di plantar-dorsi flessione [Nm/kg] ▪ Massimo momento di eversione [Nm/kg]
▪ Massimo momento di inversione [Nm/kg]
▪ Ampiezza picco-picco del momento di eversione-inversione [Nm/kg] Considerando che forze e momenti dipendono anche dal peso corporeo, per poter confrontare i risultati di questi parametri tra diversi soggetti, quindi tra i tre gruppi inclusi nello studio, è stata applicata una normalizzazione rispetto al peso corporeo.
L’impianto di una protesi determina delle modifiche nelle strutture muscolo-scheletriche dell’arto operato. L’integrazione, l’efficienza e la durata dell’impianto dipendono pertanto anche dal controllo muscolare. Tra i parametri derivabili dai segnali elettromiografici, quantificare la durata dell’attivazione muscolare rientra tra le analisi maggiormente utilizzate perché consente di valutare le strategie del controllo motorio ed eventuali co-attivazioni che si possono tradurre in termini di dispendio energetico e fatica muscolare. Il timing di attivazione è stato utilizzato per valutare pazienti con PTG [12], [65]–[68], durante diverse attività di vita quotidiana (cammino, salita e discesa scale, alzata e seduta sedia), e pazienti con PTA (protesi totale di anca) [69]. Per questi motivi sono stati selezionati i muscoli coinvolti nel controllo del ginocchio, quali retto femorale e vasto mediale, tra i muscoli estensori, e bicipite femorale come muscolo flessore. Saranno presi in considerazione i muscoli dell’arto sano e dell’arto operato. Di questi muscoli sarà calcolata la durata dell’attivazione, in percentuale rispetto al ciclo del passo, a cavallo dell’appoggio del piede per valutare la domanda muscolare necessaria alla stabilizzazione del ginocchio.
L’intenzione iniziale era quella di analizzare in ampiezza i segnali elettromiografici oltre a calcolare il timing muscolare. Per questo tipo di valutazione era però necessario normalizzare i segnali EMG in ampiezza con l’attività media dei segnali ottenuti da una massima contrazione volontaria. Non è stato possibile compiere questo tipo di analisi perché non tutti i pazienti sono stati in grado di eseguire e mantenere per il tempo necessario la contrazione massimale.
I parametri spazio-temporali, cinematici, dinamici ed elettromiografici appena descritti sono stati selezionati per tutte le attività analizzate in questo studio. Per la salita e la discesa delle scale non è stato possibile risalire alla dinamica articolare poiché, non essendo strumentate, la mancanza dei dati relativi alle forze di reazione al suolo ha impedito l’applicazione della dinamica inversa per la stima di forze e momenti articolari. È stata comunque progettata una soluzione low-cost per rilevare le componenti di forza nei tre piani, basata su un sistema di estensimetri che andrà a poggiare su una struttura fissata al telaio delle scale. Saranno acquistate inoltre tutte le componenti elettroniche per integrare e sincronizzare la registrazione di questi segnali con il resto della strumentazione.
La normalizzazione del ciclo di passo durante questa attività sarà realizzata sempre con i due appoggi consecutivi dello stesso tallone, come per il cammino. La struttura è stata progettata e costruita con quattro gradini, pertanto il primo ciclo di passo verrà eseguito dal primo al terzo gradino mentre il secondo ciclo di passo dal secondo al quarto gradino.
L’alzata e la seduta dalla sedia è un’attività ben diversa dal cammino e dalle scale. In questo caso la normalizzazione temporale verrà eseguita considerando gli stati “paziente alzato” e “paziente seduto”. Un ciclo sarà quindi composto da due eventi di alzata e uno di seduta.