SINTESI LAVORO DI TESI
L'obiettivo della tesi è lo sviluppo di un metodo per l’analisi del cammino umano che impiega dati provenienti da un accelerometro triassiale da apporre in prossimità del centro di massa corporeo, identificato in prima approssimazione in corrispondenza della vertebra L3. Parte dell’attività di tesi concerne lo studio e la validazione del metodo, attraverso l’impiego di un sistema optoelettronico Vicon 460 per la generazione dei dati di riferimento necessari per il confronto con i dati elaborati e uno specifico studio statistico di affidabilità test-retest.
Per analisi del cammino nel contesto di questo lavoro di tesi s’intende fare riferimento ai seguenti punti:
1. stimare alcuni parametri temporali del cammino, in particolare stride time,
cadence, right step time, left step time;
2. stimare spostamenti/velocità/accelerazioni del punto di repere L3 nelle tre direzioni antero-posteriore, mediale-laterale, rostro-caudale;
3. effettuare l’analisi ergonometrica del cammino, attraverso la determinazione di indici di efficienza della deambulazione, riferiti sia all’arto destro sia all’arto sinistro del soggetto deambulante, al fine di valutare quantitativamente eventuali asimmetrie del cammino.
Il protocollo sperimentale prevedeva l’acquisizione di dati cinematici da un gruppo di 6 soggetti adulti normali, impegnati in compiti di deambulazione su treadmill a velocità variabili da 2 km/h a 8 km/h (passo: 1 km/h) per la durata di 2 minuti. Il protocollo Davis è stato impiegato per l’acquisizione dei dati di riferimento, mentre, opportunamente sincronizzati ai dati del sistema Vicon, venivano acquisiti anche i dati dall’accelerometro triassiale in posizione L3 (frequenza di campionamento: 100 Hz).
I dati di riferimento sono stati elaborati utilizzando metodi proposti in letteratura per la soluzione del problema 11. Per quanto concerne i dati accelerometrici, il metodo
1 I P Pappas, M R Popovic, T Keller, V Dietz, and M Morari. A reliable gait phase detection system. IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering : a publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
di analisi che è stato implementato in questa tesi ha consentito non solo di individuare gli istanti di contatto del tallone con il suolo, utili alla determinazione dei parametri temporali stride time, cadence, right step time, left step time, ma anche di accedere a informazioni di maggior dettaglio concernenti l'appoggio destro e sinistro, sfruttando il fatto che la torsione del bacino provoca un’accelerazione nella direzione medio-laterale opposta rispetto al lato di appoggio2. Mediante tecniche di filtraggio e doppia-integrazione si è proceduto infine alla soluzione dei problemi inerenti il punto 2.
Per quanto concerne il punto 3, le informazioni relativi agli spostamenti e alle velocità nelle direzioni principali ha consentito di effettuare un tipo di analisi nota in letteratura con il termine analisi ergonometrica del cammino, introdotta dal fisiologo italiano Alberto Cavagna già a partire dagli anni ’60. L’analisi ergonometrica del cammino si basa sull’assunzione che il movimento dell’arto inferiore durante il cammino possa essere assimilato a quello di un pendolo inverso, con la differenza sostanziale che, mentre nel pendolo si ha la completa conversione tra energia cinetica e potenziale durante il moto (efficienza energetica: 100%), nell'uomo il meccanismo di scambio è necessariamente imperfetto, risultando in efficienze energetiche inferiori (ad esempio, il valore massimo dell’efficienza risulta 65% in corrispondenza della velocità di cammino liberamente scelta dall’individuo)3.
I metodi statistici utilizzati per confrontare le stime puntuali dei parametri temporali del cammino ovvero i pattern motori ricostruiti utilizzando, da un lato il sensore accelerometrico, dall’altro il sistema optoelettronico Vicon sono stati basati su classici t-test a campioni appaiati (stime puntuali dei parametri d’interesse), e calcolo dei coefficienti di correlazione (confronto dei pattern motori). Non sono state rilevate differenze statisticamente significative per quanto concerne le stime puntuali dei parametri temporali del cammino (p < 0.01), mentre i valori dei coefficienti di correlazione sono sempre risultati superiori a 0.9. Tuttavia, si è
2 Wiebren Zijlstra and At L Hof. Assessment of spatio-temporal gait parameters from trunk accelerations during human walking
3 G A Cavagna, F P Saibene, and R Margaria. External work in walking. Journal of Applied Physiology, 1963.
evidenziato un potenziale problema legato alla sovrastima dei valori picco-picco degli spostamenti ricostruiti dalla doppia integrazione del dato accelerometrico rispetto ai dati di riferimento, a partire da velocità di cammino superiori a 4 km/h. Al fine di compensare il conseguente errore sistematico, si sono introdotti opportuni fattori correttivi delle stime degli spostamenti ricostruiti dalla doppia integrazione del dato accelerometrico, così che anche le stime puntuali delle efficienze energetiche non hanno mostrato differenze statisticamente significative rispetto ai dati di riferimento.
In una seconda fase del lavoro di tesi si sono utilizzati i metodi di analisi proposti per l’elaborazione del dato accelerometrico in test di cammino overground, una situazione sperimentale nella quale è venuto pertanto a mancare il contributo informativo dei dati di riferimento dal sistema optoelettronico Vicon. Il protocollo sperimentale prevedeva l’acquisizione di dati accelerometrici (frequenza di campionamento: 100 Hz) da un gruppo di 25 soggetti adulti normali, impegnati in compiti di deambulazione lungo un corridoio della lunghezza di 45 m a velocità liberamente scelta (4-6 km/h); sono state previste due sessioni sperimentali in giorni consecutivi, così da permettere un’analisi di affidabilità test-retest. Il metodo statistico adottato per l’analisi ha consentito di evidenziare quantitativamente fattori di variabilità dei dati intra e inter-sessione attraverso l’introduzione di opportuni coefficienti di correlazione interclasse ICC, e di procedere alla stima di altri parametri statistici, in particolare il parametro SEM (Standard Error of Measurement), utile per avere una valutazione globale delle prestazioni di un sistema di misura nella stima di specifici parametri di analisi (nel presente contesto: stride time, cadence, right step
time, left step time, efficienze energetiche dell’arto destro e sinistro). In particolare, i
valori di ICC ottenuti (ICC > 0.804) sono da ritenere indizio di un’ottima affidabilità del metodo accelerometrico. Come nel caso dei test di cammino su treadmill, così anche nei test di cammino overground, nessuno dei soggetti ha evidenziato differenze statisticamente significative per quanto concerne l’arto destro e l’arto sinistro, indizio di assenza di asimmetrie del cammino (al livello d’indagine scelto).
4 J L Fleiss. Sampling method I. Naturalistic or cross-sectional studies (Chapter 5). In Statistical methods for rates and proportions. John Wiley and Sons, 1981.
Ulteriori test di cammino overground sono stati condotti su un soggetto il cui cammino presentava un’evidente asimmetria di deambulazione, che è risultata confermata dai risultati dell’analisi relativa agli step times e alle efficienze energetiche. In previsione di una possibile applicazione del metodo al caso di cammino patologico, è stato infine eseguito uno studio preliminare del cammino in 4 soggetti patologici ai quali è stato chiesto di camminare lungo un corridoio della lunghezza di 28 metri. In questo caso i soggetti indossavano anche due unità inerziali in corrispondenza del collo del piede per la stima della velocità istantanea del cammino. In questo caso, l’analisi dei dati non ha evidenziato differenze percettibili tra arto destro e sinistro. Rispetto ai dati di cammino normale disponibili alla stessa velocità (2-3 km/h) – peraltro relativi al solo caso di cammino su treadmill – si sono evidenziate differenze percettibili per quanto concerne i valori picco-picco degli spostamenti L3 nelle tre direzioni principali, il cui significato è attualmente oggetto di indagine.
