INTRODUZIONE Capitolo 1

Capitolo 1

INTRODUZIONE

Premessa

Non è difficile notare come l’intelligenza umana stia raggiungendo livelli sempre più elevati in termini di complessità, dando vita a scenari che fino a poco tempo fa dimoravano esclusivamente nell’immaginario collettivo. Negli ultimi decenni abbiamo assistito a sviluppi sempre più complessi di tecnologie elettroniche ed informatiche, che stanno entrando a far parte di ogni sfera della vita quotidiana di ogni individuo. Anche il campo della medicina cresce e si sviluppa parallelamente alla loro applicazione, nei più svariati ambiti, dove le conoscenze vengono usate al fine di migliorare la qualità della vita. Tutto ciò consente maggiori controlli sulla salute grazie al ruolo crescente dell’innovazione tecnologica e dell’uso di sistemi avanzati. In ambito biomedico, il settore della Gait Analysis si pone come obiettivo quello di capire l’intima natura del movimento umano attraverso l’analisi e la quantizzazione del fenomeno stesso, resa possibile oggi grazie allo sviluppo delle nanotecnologie, della sensoristica e di tecniche computazionali sempre più avanzate. Tali ricerche si stanno dimostrando preziose nell’arricchire ed integrare i tradizionali metodi di valutazione di funzionalità e, in molti casi, possono fornire informazioni ed indici di grande utilità nella scelta e nel controllo dei percorsi terapeutici ottimi.

In particolare, il settore della riabilitazione viene individuato tra quelli che necessitano di maggiori sviluppo (in termini di strutture, operatori,attrezzature,..) e contestualmente viene segnalato il ruolo crescente dell’innovazione tecnologica e dell’uso di sistemi avanzati. Lo studio delle alterazioni del movimento in pazienti con problemi motori può dare informazioni molto importanti per conoscere il livello di limitazione funzionale conseguente alla patologia e del suo evolversi nel tempo. Inoltre fornisce importanti elementi di valutazione dell’efficacia degli interventi riabilitativi nel recupero delle alterazioni conseguenti allo stato patologico.

Risulta quindi di fondamentale importanza soprattutto per questi pazienti potersi avvalere di tecniche innovative e strumentazioni all’avanguardia che permettano di descrivere, quantificare e valutare il movimento. Uno dei movimenti particolarmente significativo della situazione motoria del paziente è la deambulazione, movimento molto complesso che vede coinvolte sinergicamente diverse articolazioni e risultato di interazioni estremamente raffinate tra i diversi muscoli e le diverse articolazioni.

fornire al personale clinico informazioni quantitative dettagliate in grado di caratterizzare la deambulazione di un soggetto patologico.

Questo è l’obiettivo della Gait Analysis o analisi computerizzata della deambulazione. Mediante questa analisi si ha la possibilità di definire, attraverso l’uso di apparecchiature sofisticate, integrate tra di loro, il pattern deambulatorio del soggetto in esame. Grazie ad alcune sue importanti proprietà, quali la non invasività, la possibilità di ripetere l’esame più volte in un arco di tempo ridotto, il carattere quantitativo e la tridimensionalità dei dati forniti, essa si pone come fondamentale strumento di indagine nell’analisi del movimento umano. Attualmente i sistemi di Gait Analysis forniscono informazioni cinematiche (velocità e accelerazione degli arti), dinamiche (momenti e potenze delle articolazioni) ed elettromiografiche (attivazione e disattivazione muscolare).

Nel primo capitolo è stato introdotto lo scenario di Gait Analysis in cui si inserisce il seguente lavoro di Tesi, si riporta un breve accenno circa la storia dell’analisi del movimento, seguito da una descrizione dei diversi sistemi di monitoraggio utilizzati attualmente, quali sistemi optoelettronici, sistemi dinamici con piattaforme di forza, sistemi elettromiografici e sistemi portatili, focalizzando l’attenzione sull’utilizzo della Gait Analysis in ambito clinico. Il secondo capitolo descrive in dettaglio l’analisi del cammino condotta tramite utilizzo di sensori inerziali indossabili, il posizionamento dei dispositivi, il protocollo sperimentale e gli algoritmi per l’elaborazione dei segnali. Nel terzo capitolo è stato tracciato un quadro esaustivo dei segnali acquisiti, dei parametri estratti e dei risultati ottenuti. Nel quarto ed ultimo capitolo vengono discussi i risultati in un’ottica mirata a possibili sviluppi futuri.

1.1.

L’analisi del movimento

«Qualunque aspetto del movimento umano si voglia studiare, per prima cosa occorre osservarlo» (G.Galilei)

Camminare è una delle più importanti attività fisiche nella vita di tutti i giorni ed è uno dei fattori principali che determina la qualità della vita di un individuo. In persone anziane e pazienti affetti da varie patologie la valutazione clinica della funzione cammino è importante per rivelare potenziali alterazioni indotte dall'invecchiamento e/o da patologie neurologiche/ortopediche, ma anche per dimostrare i vantaggi funzionali di un trattamento e indirizzare le terapie verso una maggiore percentuale di successo. Analizzando attentamente la deambulazione, è possibile individuare i segni tipici della patologia e inquadrare il cammino del paziente all’interno di classi funzionali prognostiche. L’analisi del movimento è quella disciplina scientifica che si occupa della valutazione

del movimento umano e comprende l’acquisizione di dati sperimentali, la loro elaborazione e l’interpretazione dei risultati. L’analisi del movimento umano costituisce un settore biomedico in forte espansione e di grande interesse dal punto di vista clinico, in quanto la postura ed il movimento sono il risultato dell’interazione di tre principali sistemi fisiologici: il sistema nervoso, il sistema muscolo-scheletrico ed il sistema sensoriale. La valutazione delle caratteristiche della postura e del movimento, nonché delle loro variazioni rispetto ad una situazione di normalità, possono essere di enorme utilità in campo clinico per la diagnosi di particolari patologie a carico di uno dei sistemi coinvolti, così come per la pianificazione ed il controllo di specifici trattamenti riabilitativi; in particolare è utile una valutazione quantitativa del movimento che può essere effettuata solo utilizzando metodologie e tecnologie ‘ad hoc’.

1.2

Storia

ed evoluzione dell’ analisi del movimento

L’analisi del movimento è una tecnica applicata a diversi ambiti che vanno dalla ricerca scientifica, alla clinica, all’intrattenimento e solo negli ultimi anni ha conosciuto uno sviluppo esponenziale. Consente la misurazione e descrizione di differenti aspetti di un atto locomotorio ed è finalizzata al miglioramento della prestazione motoria, all’approfondimento delle conoscenze fisiologiche, alla valutazione post-infortunio e molti altri ambiti.

Tra i primi scritti documentati troviamo quelli di Aristotele (384-322 a. C.), il famoso filosofo greco, che ha descritto e analizzato qualitativamente il movimento degli animali nel 344 a.C. nel suo libro “De motu animalium”. Egli descrive la locomozione animale, tentando di analizzare il fenomeno geometricamente. Progettò anche un modello della meccanica animale con giunti e parti del corpo animale incluso le loro funzioni. Galeno, medico dei gladiatori nell’antica Grecia, anche se non direttamente, si è occupato della misurazione nel “De motu muscolorum”. Per lungo tempo non sono stati rinvenuti documenti scritti nel campo della locomozione umana fino all’epoca di Leonardo da Vinci (1452-1519), pittore, scultore, costruttore e scienziato, che ha cercato di capire e spiegare il fenomeno del movimento. Nello studio dell’anatomia umana ha creato disegni precisi di muscoli scheletrici e il modo in cui sono attaccati allo scheletro sulla base di dissezioni post-mortem. Le opere di Galileo Galilei (1564-1642), fisico, astronomo, e matematico, e di Isaac Newton (1642-1727), matematico inglese, fisico, astronomo e filosofo, hanno posto le basi teoriche e sperimentali per l’analisi del movimento basata su principi fisici.

La misurazione e l’analisi della locomozione in maniera più oggettiva e quantitativa cominciarono, però, con l’allievo di Galileo, lo scienziato Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679), fisiologo e astronomo, è stato il principale rappresentante della iatromeccanica, una teoria medica che vedeva l’organismo umano come una macchina assemblata, in cui ciascuna struttura aveva un compito definito (“De motu animalium”, 1680).

Borelli fu il primo ad applicare il metodo

scientifico di Galileo al fenomeno del movimento e quindi può essere considerato l’iniziatore della bio-dinamica e della bio-cinematica di locomozione e, quindi, il fondatore della biomeccanica. Egli considerava le ossa come leve meccaniche mosse da muscoli secondo i principi matematici. Nel 1798, il medico francese Paul Joseph Barthez (1734-1806) ha presentato una più completa teoria sul movimento degli uomini e degli animali dal titolo “Nouvelle mechanique des movements de l’homme et des animaux”, 1798. La scoperta della bioelettricità di Luigi Galvani (1737- 1798), fisico e medico, segna l’inizio della storia dell’elettrofisiologia e del monitoraggio delle funzioni dei muscoli scheletrici, che risultano essere importanti per la registrazione e lo studio della locomozione. L’applicazione pratica di questa scoperta nello studio del moto e della locomozione, tuttavia, ha avuto luogo agli inizi del XX secolo con lo sviluppo di una tecnica per la registrazione dei fenomeni bioelettrici. I fratelli Weber, Wilhelm Eduard (1804-1891), fisico, ed Ernst Heinrich (1806- 1871), medico, e Eduard Friedrich, condussero studi fisici e fisiologici del cammino, utilizzando le tecniche di osservazione del tempo: cronografo, metro, e uno strumento ottico, le diottrie. Sono stati i primi a pubblicare un trattato scientifico sul passo, misurato sistematicamente con mezzi ottici, prima della scoperta della fotografia (Weber, W. & E., “Die Mechanik der menschlichen Gehwerkzeuge, Eine anatomisch-physiologische Untersuchung” Gottingen, 1836). Gli stessi hanno usato cronografici sviluppati nella seconda metà del XVII secolo, rendendo possibile la misurazione del tempo trascorso. In questo modo, era possibile calcolare la lunghezza del passo e la velocità del cammino. Sono stati i primi a studiare la fase di supporto del passo in fase statica e dinamica, così come il rapporto tra tempo e

lunghezza del passo. Dopo aver rappresentato il movimento oscillatorio della gamba come un doppio pendolo invertito, hanno condotto i calcoli numerici per questo modello. La scoperta della fotografia di Louis Jacques Mandé Daguerre (1787-1852), pittore francese, nel 1839 è stato un evento epocale. Il primo metodo fotografico è chiamato, dopo Daguerre, dagherrotipo. Un altro evento importante nella storia della fotografia è stata la scoperta della singola esposizione flash fotografico di William

Henry Talbot (1800- 1877), un fisico e chimico inglese, nel 1859. La misurazione della locomozione in senso moderno, però, è dovuta soprattutto a Eadweard

Muybridge (1830-1904, vero nome Edward James Muggeridge), un fotografo britannico che, lavorando negli Stati Uniti, ha segnato l’inizio dello studio della locomozione come un fenomeno dinamico naturale mediante l’applicazione della fotografia, determinando così l’approccio quantitativo. Muybridge iniziò la carriera come libraio e editore, poi s’interessò alla fotografia realizzando delle bellissime immagini naturalistiche. Le immagini furono pubblicate con lo pseudonimo di “Helios”. Nel 1872 l’uomo d’affari e governatore della California Leland Stanford chiese a Muybridge di confermare una sua ipotesi, ovvero che durante il galoppo di un cavallo esiste un istante in cui tutte le zampe sono sollevate da terra. Nel 1878, Muybridge fotografò con successo un cavallo in corsa utilizzando ventiquattro fotocamere, sistemate parallelamente lungo il tracciato, ogni macchina era attivata da un filo colpito dagli zoccoli del cavallo.

Etienne - Jules Marey (1830-1904), fisiologo francese, basandosi sul lavoro effettuato da Muybridge, nel 1888 creò la “cronofotografia”. Non utilizzò un sistema di camere multiple, ma un’unica macchina fotografica con cui otteneva immagini multiple. Fu il primo a utilizzare un sistema di ‘marker’ per la determinazione del movimento, i suoi soggetti indossavano una tuta nera con strisce o bottoni bianchi all’altezza delle articolazioni. Per la registrazione dei processi variabili, tra cui quello locomotore, egli ha realizzato il primo metodo grafico attraverso un tubo di trasporto pneumatico e uno stilo. Il nome dato a questo dispositivo,

costituito da un tamburo rotante e uno stilo, era l’“odograph”. Durante la loro ricerca, prima dell’applicazione della fotografia, Marey e Carlet hanno misurato la locomozione utilizzando il summenzionato metodo grafico e dispositivi di misurazione appositamente costruiti. Il metodo consiste nel rilevare, attraverso un principio basilare pneumatico, l’azione del piede sul piano di contatto. La suola della scarpa è composta di uno spesso strato di gomma con una camera cava. Questa cavità comunica con il tamburo di registrazione attraverso un lungo tubo flessibile. In questo modo, un cambiamento nella pressione nella camera spinge l’aria attraverso il tubo che arriva al tamburo che registra con una stilo le variazioni. Carlet (1872) ha applicato il metodo per registrare una sequenza. La misurazione si è svolta su un percorso circolare, con un diametro di 20 m. Al soggetto è stato richiesto di portare un meccanismo piuttosto massiccio che serve per trasmettere il cambiamento al sito di registrazione. Marey ha modificato il metodo, rendendo il registratore portatile (1873). Questo era un chimografo, un tamburo rotante rivestito da carta affumicata, che ruotava con una velocità costante mentre la stilo registrava un dato evento fisiologico, tracciando il grafico di tale evento.

E’ a Marey che dobbiamo lo sviluppo della cronofotografia. In questo metodo, una piastra fissa fotosensibile è esposta a intermittenza (il meccanismo è controllato da un orologio) e oggetti in movimento sono mostrati attraverso posizioni successive. L’utilizzo di un disco rotante con una o più aperture di fronte alla lente della fotocamera, consente di esporre una fotografia dopo l’altra in modo intermittente, registrando un soggetto vestito di bianco su uno sfondo nero. In questo modo è stato possibile registrare le fasi successive del cammino, del correre, del saltare, ecc.

Figura 4. Chimografo per la registrazione del cammino: i tubi di gomma collegano le camere d’aria nelle scarpe al chimografo per il grafico. Il soggetto indossa un accelerometro sul capo e tiene una lampadina per avviare il symograph nella mano sisnistra.

Marey lavorò per migliorare il metodo Muybridge in due modi. Il primo fu la creazione del fucile fotografico. Il principio di funzionamento è il seguente: una lastra fotosensibile costituita da dodici parti di emulsione fotografica, che ruotate con alta velocità, con tappe intermedie, dava una serie di esposizioni in 1 s con 1/720 s di apertura di tempo. Con quest’apparato Marey poteva scattare 12 foto al secondo. Questa soluzione tecnica è considerata come l’antesignano della cinematografia.

Figura 6.Fucile fotografico.

Marey divulga queste ricerche in diverse pubblicazioni: “Le mouvement” (1899), “La photographie du mouvement” (1891), “La chronophotographie” (1899) e altre. Le immagini di Marey sono divulgate già dal 1893 dalla rivista ‘’La Nature’’. La scoperta della fotografia dei fratelli Lumière e

dell’invenzione del “Cinèmatographe” da un’idea di Leon Bouly del 1982 avvenne tre anni dopo. L’uscita del primo film realizzato nel 1895 definito anche il primo documentario dal titolo “L’uscita

dalle officine Lumière” (La sortie des usines Lumière), fu mostrato pubblicamente all’Eden, la prima e più antica sala cinematografica del mondo il 28 settembre del 1895. Marey è stato il primo a combinare la cinematica e la cinetica per avere informazioni e misurare la locomozione, usando la stereofotografia è riuscito a fornire osservazioni tridimensionali di movimento. Due tedeschi, l’anatomista Braune Wilhelm (1830-1892) e il fisico Otto Fischer (1861-1917), hanno dato un’impronta decisiva nello studio della locomozione a Lipsia nel 1895. Essi avevano percepito il corpo umano come una forma rigida dotata di una serie di collegamenti dinamici. Hanno poi applicato la fotografia e avviato la stereometria. Nel loro lavoro, hanno unito gli esperimenti su cadaveri, con l’obiettivo di determinare le proprietà essenziali dei segmenti corporei, con misure fotografiche e cinematiche dei soldati. L’opera di Nikolaj A. Bernstein (1896-1966) a Mosca fu di grande importanza. Ha sviluppato e applicato precise procedure per la misurazione della cinematica umana utilizzando la “cyclography”, una fotocamera a pellicola, e uno specchio. Muovendo lentamente la pellicola attraverso la macchina fotografica in caso di movimenti ripetitivi, ha ottenuto ciò che è noto come

kymo-cyclography. Con l’introduzione della piattaforma di forza (avviata da Jules Amar nel 1916 e successivamente diffusa da Eberhard nel 1947) e di altri strumenti, è stato possibile studiare il movimento umano con maggiore obiettività. Il predecessore di questo dispositivo è la piattaforma dynamographic di Marey. All’inizio del 20° secolo, l’elettromiografia (EMG) è stata usata come tecnica da applicare nel campo della misurazione della locomozione, processo che è stato facilitato dall’invenzione del galvanometro. R. Platone Schwartz dell’Università di Rochester, Minnesota, è, probabilmente, il primo medico che ha sviluppato metodi per l’analisi dell’andatura, la misurazione e la valutazione clinica, raccogliendo e analizzando sistematicamente i dati di misura del passo. Egli ha anche ipotizzato i requisiti fondamentali per il metodo di misurazione dell’andatura. Ha, infatti, misurato un gran numero di pazienti trattati con un dispositivo simile a quello di Carlet, ma il suo dispositivo era dotato di tre camere d’aria.

Figura 7. Dispositivo di Carlet.

Nella metà del 1940, il gruppo guidato da Saunders, Inman Eberhart e Sutherland ha iniziato l’attività presso il Laboratorio di Biomeccanica dell’Università della California a Berkeley. Il loro campo era la riabilitazione ortopedica dei soldati feriti nella seconda guerra mondiale e che in primo luogo avevano bisogno di protesi per le loro estremità. Hanno sviluppato diverse tecniche di misurazione del movimento: cinematica, cinetica ed elettromiografia. Nelle misure cinematiche attraverso la fotografia, hanno utilizzato un metodo molto più pratico di quelli usati da Braune e Fischer e poi da Bernstein. Il metodo, non invasivo, consiste nel filmare un’andatura con telecamere da 16 mm poste su entrambi i lati del percorso pedonale e nel piano frontale, con una velocità di 10/s.

Figura 8. Misura di locomozione umana ( Saunders, Eberhart, Inman, 1953).

La fotografia stroboscopica con esposizioni multiple e la cinematografia sono state le tecniche dominanti per misurare la cinematica umana fin dal 1970. La perfezione della fotografia stroboscopica come tecnica può essere illustrata con un esempio ( Figura 9) tratto dalla raccolta di Harold E. Edgerton (1903- 1990), eminente esperto in questa tecnica presso il MIT a Cambridge, Massachusetts. Egli è famoso per aver trasformato lo stroboscopio da oscuro elemento da laboratorio a dispositivo d’uso comune. Grazie a questo, nel 1932 Edgerton mise a punto la suddetta tecnica, che consiste nel registrare su pellicola una successione di movimenti ravvicinati, tradotti in immagini multiple con l’ausilio di numerosi lampeggiatori elettronici sincronizzati che scattano varie volte al secondo in un ambiente buio.

Figura 9. Immagini tratte dalla raccolta di Harold Edgerton.

Un ulteriore sviluppo dei sistemi di misura della locomozione umana è stato caratterizzato da un’influenza sempre maggiore della tecnologia e dell’ingegneria. Nel 1970, attraverso l’introduzione

dei computer digitali, le procedure di misurazione automatizzata sono state migliorate in misura significativa, diventando sempre più efficienti. Lo sviluppo e la produzione nei campi dei semiconduttori, dell’elettronica, delle tecnologie di misurazione, del controllo automatico, della telemetria, dei sistemi video, dell’informatica e della computer grafica hanno fornito un continuo contributo a nuove soluzioni di misurazione, di valutazione quantitativa e diagnostica della locomozione. Lo sviluppo in questo campo è stato segnato anche dalla formazione di associazioni professionali internazionali, tra cui ricordiamo la Società Internazionale per la Biomeccanica, la nascita e la diffusione di riveste e pubblicazioni di professionisti dei settori riguardanti, le conferenze internazionali, i congressi mondiali e la continua ricerca effettuata presso tutte le Università del Mondo. [1]

1.3

L’analisi del movimento oggi

L’analisi del movimento è quella disciplina scientifica che si occupa della valutazione del movimento umano e comprende l’acquisizione di dati sperimentali, la loro elaborazione e l’interpretazione dei risultati. L’analisi del movimento negli ultimi anni si è sviluppata grazie all’evoluzione di nuove tecnologie e agli studi bioingegneristici. Le nuove tecnologie permettono di ricavare in modo non invasivo informazioni dettagliate e quantificate sulla funzionalità del nostro apparato locomotore. I nuovi sistemi permettono di effettuare analisi multifattoriali statiche e dinamiche del cammino, mediante le quali si possono evidenziare e quantificare le alterazioni del gesto motorio rispetto ai pattern fisiologici di movimento, le asimmetrie e le anomali correlazioni tra grandezza biomeccaniche e attività muscolare. Uno dei punti forti di queste tecniche è la possibilità di poter confrontare quantitativamente le condizioni funzionali di un paziente nelle varie fasi di studio di patologie o trattamenti riabilitativi [1]. L’adozione di tecniche e metodologie oggettive, ripetibili, misurabili, confrontabili e riproducibili, può aiutare a superare le difficoltà d’interpretazione e valutazione diagnostica in diversi campi di applicazione (neurofisiologia, ortopedia, riabilitazione) e consentire una più dettagliata diagnosi funzionale e un più adeguato trattamento terapeutico.

L’analisi del movimento prevede due tipi di analisi: qualitativa (analisi visiva e videoregistrata) e quantitativa (analisi strumentale). Il sistema di valutazione da utilizzare si sceglie in base a:

 Natura del moto che si deve analizzare;

 Ambiente e condizioni in cui il moto si svolge;

 Risorse economiche e umane disponibili;

 Caratteristiche dello strumento di misura.

Nell’analisi visiva si valuta il movimento per mezzo dell’osservazione diretta, questa tecnica richiede la conoscenza delle corrette dinamiche del movimento che si sta analizzando, una

perfetta conoscenza anatomica e fisiologica per cogliere gli eventuali cambiamenti rispetto alla normalità. Il movimento, tenendo conto delle articolazioni coinvolte e della loro posizione spaziale, deve essere valutato sui tre piani ( sagittale, frontale, coronale).

 Vantaggi: è un sistema semplice ed economico, che non richiede particolari attrezzature tecnologiche e costose.

 Svantaggi: l’analisi del movimento risulta parziale e condizionata dall’esperienza del personale clinico che esegue l’osservazione su un unico piano alla volta. La valutazione globale è generica, limitata ai macromovimenti e tralasciando quelli minimi. Questa tecnica risulta poco oggettiva e verificabile, con l’impossibilità di rivedere il movimento e confrontarlo con altri movimenti o soggetti diversi.

Nell’analisi videoregistrata, si registra con strumenti video il movimento che in seguito viene analizzato. Questa tecnica consente la valutazione del movimento sui tre piani e la possibilità di rivedere il movimento per approfondire l’analisi.

 Vantaggi: studio a-posteriori con possibilità di osservazioni multiple e costi relativamente economici.

 Svantaggi: la valutazione è qualitativa, spesso effettuata con una sola ripresa video da una sola angolazione, quindi rimane generica e si limita ai movimenti più evidenti.

Nell’analisi strumentale si esegue un’analisi del movimento che ci dà informazioni relative alla cinematica, alla dinamica e all’attività muscolare. Gli strumenti per l’analisi possono essere ottici (con o senza marker) e non ottici (magnetici, inerziali, elettromeccanici).

 Vantaggi: valutazione quantitativa de movimento, con studio a-posteriori e possibilità di avere informazioni provenienti dai tre piani anatomici.

 Svantaggi: costi elevati delle attrezzature, necessità di avere laboratori dedicati e personale tecnico competente.

1.4

I segnali biomedicali e la loro acquisizione

Possiamo definire segnale una qualsiasi grandezza fisica che nel tempo trasporta informazioni. Quando queste informazioni sono emesse da una fonte vivente, parliamo di segnali biologici. L’analisi di questi segnali richiede svariate competenze che vanno dalle ingegneristiche alle informatiche a quelle statistiche e matematiche e non ultime a quelle mediche. Lo scopo fondamentale dell’analisi di questi segnali è di estrarre le informazioni contenute e facilitarne l’interpretazione. Si può affermare, quindi, che tutti gli esseri viventi emettono segnali di vario tipo e che questi segnali sono, attraverso le strumentazioni tecnologiche, misurabili. I segnali possono essere così suddivisi:

• elettrici; • meccanici.

Questi segnali biologici sono chiamati segnali biomedicali o più semplicemente biosegnali. Con questo termine vengono, quindi, denominati una grande vastità di segnali riguardanti i più disparati aspetti dell’organismo umano. Normalmente il medico è chiamato a decifrare e ad attribuire un significato a un segnale biologico risultante da un’analisi effettuata direttamente sul paziente. I biosegnali possono fornire una serie di utili informazioni, misurando aspetti non esaminabili in altro modo. Il processo di elaborazione racchiude in sé quelle operazioni destinate alla trasformazione di un biosegnale, per poterlo migliorare ed interpretare. Al processo di elaborazione segue quello di analisi, con operazioni mirate all’estrazione dei parametri e delle caratteristiche del biosegnale elaborato.[1]

La rilevazione dei dati in uno studio in ambito motorio comporta una serie di problematiche legate all’acquisizione dei segnali. Queste difficoltà sono dovute a una serie di fattori per lo più durante la fase di acquisizione funzionale del segnale e quella successiva di elaborazione prettamente matematica e/o ingegneristica. E’ proprio in questa fase che si rende necessario e fondamentale una corretta acquisizione sia per la necessità di ottenere un’attendibilità statistica dei dati rilevati, sia nell’ottica di un’elaborazione e studio da compiere a posteriori. In questa fase, per garantire un’esattezza e completezza dei risultati, è indispensabile che la diagnostica sia caratterizzata da criteri di oggettività e ripetibilità. I test devono essere specifici e riguardare espressamente la qualità fisiologica della zona da indagare e facilmente comprensibili dal soggetto preposto all’esecuzione della prova. Normalmente nell’esecuzione dei test è predisposto o applicato un protocollo che definisce minuziosamente le modalità di svolgimento delle prove: la sua applicazione consente di effettuare lo stesso test con altri soggetti e confrontare i risultati ottenuti in altre ricerche e in strutture differenti. L’uso dei protocolli consente ai ricercatori di validarne l’affidabilità attraverso la somministrazione a un numero elevato di soggetti che permette una standardizzazione dei risultati rilevati statisticamente. Il protocollo clinico in riabilitazione prevede, normalmente, visite periodiche in specifici laboratori, dove avviene la somministrazione delle terapie. La registrazione di dati, di biosegnali, si è rivelata un utile strumento per la valutazione dell’efficacia delle terapie, quantificando e seguendo l’evoluzione di dati nel tempo si riesce ad oggettivizzare un fenomeno, personalizzare il percorso riabilitativo.

Il compito del progettista nella fase di elaborazione è di creare un algoritmo che sarà modellato per elaborare il tipo di segnale che ci si aspetta di incontrare. Si deve tener conto delle problematiche legate alla fase di acquisizione, si devono infatti considerare i fattori derivanti direttamente dalla registrazione dei segnali, quali l’accuratezza della rilevazione, l’ambiente in cui è effettuata, il rumore

insito nelle apparecchiature, eventuali disturbi interi ed esterni e in genere tutto ciò che può rappresentare un disturbo del segnale. E’ evidente, quindi, l’importanza ricoperta dal sistema di acquisizione, nonché le modalità con cui questa viene svolta.

L’acquisizione dei dati è svolta da apparecchiature elettroniche opportunamente tarate e realizzate per specifiche applicazioni. Le caratteristiche tecniche di tali strumentazioni rappresentano il punto di partenza fondamentale per poter effettuare l’analisi dei dati e lo studio degli stessi. La registrazione dei dati varia,chiaramente, secondo il tipo di test da effettuare e, soprattutto, dal tipo di attrezzatura di cui si dispone. L’acquisizione dei dati può avvenire:

 in tempo reale, consentendo un’immediata visualizzazione dei risultati e una prima stima qualitativa;

 direttamente su calcolatore, comportando un’immediata archiviazione dei dati;

 su strumentazioni elettroniche che consentono esclusivamente una registrazione dei dati, che solo in fase successiva vengono riportati e archiviati su calcolatore.

1.5

L’analisi del cammino

L’analisi del passo è quell’analisi che consente di valutare analiticamente e globalmente il movimento del cammino umano. La combinazione della mobilità articolare, della forza muscolare, del controllo nervoso e dell’energia determinano la velocità naturale del cammino, la lunghezza del passo e la frequenza del passo. Questi fattori spazio-temporali, in combinazione con la durata dei periodi di oscillazione e di appoggio, costituiscono le caratteristiche del passo del soggetto e rappresentano la capacità di camminare specifica dell’individuo. Esistono diverse tecniche di analisi del movimento e del cammino, che possono essere classificate in base alla strumentazione utilizzata: ottiche, dinamometriche, elettromiografiche, sistemi portatili. [2]

Di seguito si riporta una panoramica dei sistemi attualmente utilizzati presso specifici laboratori i cui vengono effettuati i test.

1.5.1

SISTEMI OTTICI

 Sistemi di ripresa video: con la ripresa video del paziente il clinico ha la possibilità di osservare il gesto motorio da un punto di vista qualitativo, e dai grafici relativi alla cinematica alla dinamica e alla elettromiografia avere delle informazioni dettagliate multifattoriali relative al movimento che si sta analizzando. La ripresa video però presenta alcuni limiti: innanzitutto è possibile effettuare delle considerazioni solo di tipo qualitativo del movimento oggetto della video, è possibile, per esempio, evidenziare una determinata strategia motoria ma è assai difficile rispondere all’esigenza di quantificare alcuni aspetti della strategia osservata. Inoltre nella valutazione video anche la soggettività della interpretazione del

pattern locomotorio è elemento da considerare. Solo occhi esperti riescono ad individuare aspetti motori che possono facilmente sfuggire ad occhi meno esperti. Inoltre la videoregistrazione dà la possibilità di effettuare delle considerazioni solo relativamente ad un piano (quindi nel bidimensionale) evidenziando il comportamento motorio nel piano sagittale del soggetto qualora la telecamera sia posta lateralmente rispetto al soggetto, nel piano frontale del soggetto qualora la telecamera venga posta di fronte al soggetto. Nel piano orizzontale è chiaramente assai difficile evidenziare atteggiamenti e strategie motorie in quanto si avrebbe la necessità di posizionare una telecamera sopra al soggetto in movimento. Se quindi la ripresa video fornisce delle informazioni, seppure qualitative e bidimensionali della cinematica del movimento non è assolutamente in grado di fornire alcuna informazione a riguardo della dinamica del movimento (per esempio a riguardo delle forze scambiate al terreno conseguenti a quel determinato appoggio) ed alla attivazione muscolare associata a quel determinato gesto motorio. Proprio da queste limitazioni deriva la necessità di introdurre una valutazione strumentale in grado di fornire al clinico informazioni quantitative, tridimensionali, sia relative alla cinematica ma anche alla dinamica ed alla attivazione muscolare del movimento.

 Sistemi optoelettronici: variante dei sistemi video, utilizzano piccole luci per attivare le telecamere, fisse e calibrate (numero minimo 2). Sono sistemi in grado di misurare le coordinate spaziali di opportuni marcatori (marker), elementi di materiale catarifrangente che vengono apposti sul corpo del soggetto in determinati punti di repere, producendo dati digitali forniti direttamente al computer. I marker possono essere passivi (semisfere ricoperte di carta adesiva riflettente, illuminate ad intervalli regolari da una sorgente a luce in prossimità dell’infrarosso) o attivi (diodi che emettono luce). Il riflesso, nel primo caso, o la luce emessa,nel secondo, viene ripreso dalla telecamera, coassiale alla sorgente di luce, il sistema è assolutamente non invasivo. Il sistema optoelettronico combina le immagini bidimensionali provenienti da ogni telecamera ed elabora immagini tridimensionali secondo una tecnica detta triangolazione. Misura, cioè, le coordinate tridimensionali (XYZ) dei marker posizionati sul corpo del paziente ed un opportuno programma, partendo da queste coordinate, calcola traiettorie, grandezze angolari (angoli di flesso estensione, abdo-adduzione, extra-intra rotazione delle principali articolazioni, anca, ginocchio e caviglia), velocità, accelerazioni ed è possibile quindi conoscere in dettaglio la cinematica del movimento del segmento corporeo sul quale sono stati posizionati i marker, che in genere vengono apposti sul corpo del soggetto mediante l’uso di semplice biadesivo. Vantaggi di questi sistemi sono l’ elevata accuratezza e il fatto che i marker non ostacolano i movimenti,

ma gli svantaggi di essere costosi, nonché sistemi fissi che necessitano di un certo spazio, i marker inoltre possono essere occlusi alla vista delle videocamere.

Figura 10.

a) Posizionamento dei marker sul paziente; b) marker;

c) telecamera.

1.5.2 SISTEMI DINAMOMETRICI

 Piattaforme o pedane di forza: sono sistemi in grado di misurare le forze scambiate col terreno: si tratta di matrici di sensori di dimensioni variabili che, appoggiate su una superficie o inseriti in una scarpa, registrano la pressione o la forza esercitata dalla parte del corpo con cui vengono in contatto. Conoscendo il sistema di forze ed acquisita la cinematica mediante i sistemi optoelettronici è possibile calcolare i momenti e le potenze alle diverse articolazioni. Le pedane di forza misurano le tre componenti ortogonali delle forze lungo i tre assi coordinati, permettono l’analisi di ogni componente o la composizione delle tre sotto forma di un vettore risultante. Ne esistono di due tipi, a sensori piezoelettrici e a strain gauge (estensimetro) e sono capaci di analizzare in fase statica e dinamica l’equilibrio e la deambulazione per effettuare l’analisi dell’andatura, l’analisi statica e l’analisi della distribuzione delle forze pressorie, il carico esercitato dalla parte sinistra/destra del corpo e nella parte anteriore/posteriore del piede consentendo la visualizzazione grafica e numerica dei valori.

Figura 11. Nella foto a destra è possibile osservare le due piattaforme di forza sotto i piedi del paziente, sulla sinistra la figura rappresenta il vettogramma generato durante l’appoggio del piede sulla piattaforma di forza nella camminata.

1.5.3 TECNICHE ELETTROMIOGRAFICHE

 Elettromiografi: sistemi in grado di acquisire il segnale elettrico associato alla contrazione muscolare. Il termine elettromiografia (EMG) indica un particolare esame che, attraverso l’uso di elettrodi posti sulla superficie cutanea, amplifica, raffigura e registra l’attività elettrica di un muscolo volontario (muscolatura striata), attività che consente la contrazione del muscolo stesso. In un muscolo a riposo, non c’è alcuna attività elettrica: il cervello, non ricevendo segnali interni o esterni, non trasmette impulsi nervosi, quindi non esiste nessun passaggio di corrente elettrica all’interno del muscolo. Quando il muscolo riceve un input per eseguire un movimento volontario graduato, si registrano il passaggio di corrente elettrica e un’attività sempre più complessa. L’elettromiografia, fornisce un’indicazione indiretta della funzione muscolare che non può essere misurata direttamente dal momento che si verifica al di sotto della cute e dei tessuti sottocutanei. I segnali elettrici che accompagnano la stimolazione chimica delle fibre muscolari viaggiano attraverso i muscoli e i tessuti molli adiacenti. I muscoli composti da migliaia di elementi contrattili (fibre muscolare) sono controllati dal sistema neurale. La contrazione muscolare è determinata dal numero di unità motorie attivate e da altri fattori come la dimensione, il tipo delle fibre e la meccanica intramuscolare ed esterna. Questi fattori sono importanti per una corretta definizione della risposta dei diversi muscoli e della relativa lettura attraverso EMG. L’esame elettromiografico evidenzia, attraverso il campionamento digitale, l’attività all’interno del muscolo ovvero le variazioni di potenziale delle unità motorie attivate durante il movimento, quando si passa da una fase di rilasciamento a una di contrazione. L’esame consente anche di stabilire se il danno è di tipo neurogeno (atrofia neurogena, provocata dalla lesione del motoneurone, della radice o del nervo) o muscolare (atrofia miogena, provocata dal danneggiamento di alcune fibre muscolari

Figura 12. L’elettromiografo ZeroWire è un innovativo sistema EMG completamente wireless. Ciascun elettrodo è dotato di un’unità miniaturizzata di processamento e trasmissione del segnale.

1.5.4

TECNICHE PORTATILI

 Sensori inerziali: ci si riferisce a quella tipologia di sensori che sfruttano l’inerzia di una massa contenuta al loro interno per misurare accelerazioni lineari (accelerometro, inerzia al moto lineare) o velocità angolari (giroscopi, inerzia il movimento angolare). Il sensore viene posizionato direttamente sul corpo e misura direttamente variabili cinematiche legate al movimento del soggetto, per questo si limita la scelta a dispositivi di dimensioni e peso tali da non perturbare tale movimento. La tecnologia attuale offre sensori miniaturizzati, di basso costo e di buone prestazioni per la misura di numerose variabili cinematiche. I sensori utilizzati in questi dispositivi portatili sono accelerometri, giroscopi, inclinometri, magnetometri. I sensori inerziali hanno il vantaggio di essere economici, poco ingombranti, ma soprattutto superare i limiti correlati al cablaggio delle apparecchiature e integrabili in dispositivi indossabili (wearable). L’uso di sensori indossabili consente il monitoraggio del paziente al di fuori dell’ ambiente clinico, si parla di tele-monitoraggio, in quanto i dati registrati dai sensori potranno essere inviati al personale clinico in un secondo momento, successivo alla registrazione, tramite tecnologia wireless.

1.6

Analisi biomeccanica del cammino

Camminare è l’attività fisica più comune per l’uomo e gioca un ruolo importantissimo nelle attività di vita quotidiana. L’atto del cammino si basa su due requisiti:

• movimento periodico di ogni piede da una posizione di supporto alla successiva; • sufficiente forza di reazione di terra, per sostenere il corpo.

Questi due elementi sono necessari per ogni tipo di bipede che cammina. Il movimento periodico della gamba è essenziale per il ciclo del passo umano, che rappresenta l’unità funzionale di riferimento nell’analisi del cammino. Il ciclo del cammino o Gait Cycle è il periodo di tempo che intercorre tra due appoggi successivi dello stesso arto al terreno.

Ogni ciclo è diviso in due fasi distinte:

• appoggio (o stance): durante la quale il piede rimane a contatto con il terreno;

• oscillazione (o swing): il piede non è più a contatto con il terreno, la gamba è oscillante, in preparazione per il passo successivo.

Figura 13. Gait Cycle

Nella normale deambulazione la fase di swing occupa circa il 60% del ciclo del passo, diminuendo sensibilmente con la corsa fino ad arrivare al 35/37 % con la corsa veloce.

La fase di stance a sua volta si suddivide in tre sottofasi separate:

• doppio appoggio iniziale: entrambi i piedi sono a contatto con il suolo e il soggetto ha massima stabilità;

• singolo appoggio, durante il quale il piede destro è a contatto con il suolo ed il piede sinistro è oscillante;

Figura 14. Gait Cycle

La nomenclatura qui descritta si riferisce alla parte destra del corpo, ma vale analogamente per la parte sinistra: il doppio appoggio iniziale per la parte destra corrisponde al doppio appoggio terminale della parte sinistra. In un passo considerato normale, esiste una simmetria tra la fase di stance e la fase di swing. La durata del periodo di contatto con il terreno varia in base alla velocità di avanzamento della persona. Tale periodo è, quindi, inversamente correlato alla velocità del cammino; pertanto, sia la fase di appoggio che quella di oscillazione, risultano ridotte con l’aumento della velocità.

Il ciclo del passo viene poi suddiviso in otto eventi o periodi (gait events), i primi cinque si verificano durante la fase di stance e gli ultimi tre appartengono alla fase di swing:

• contatto tallone (o heel-strike): con cui inizia e finisce un normale ciclo di passo. Rappresenta il momento in cui il centro di gravità è nella posizione più bassa;

• piede in contatto con il suolo (o foot-flat): ora la pianta del piede è completamente a contatto con il suolo;

Periodi di contatto al suolo

Appoggio 60%

Doppio appoggio iniziale 10% Appoggio singolo 40% Doppio appoggio terminale 10%

• appoggio intermedio (o mid-stance): durante il quale il piede oscillante supera il piede in appoggio. Rappresenta il punto in cui il centro di gravità è nella posizione più alta;

• distacco tallone (o heel-off): fase in cui il tallone perde il contatto con il suolo; • distacco dita (o toe-off): ora termina la fase di stance ed il piede si stacca dal suolo;

• accelerazione: ha inizio quando il piede non è più a contatto con il suolo. Si attivano, ora, i muscoli flessori dell’anca per accelerare la gamba in avanti;

• oscillazione intermedia (o mid-swing): periodo in cui l’arto si sposta da una posizione posteriore del corpo ad una anteriore;

• decelerazione: periodo in cui l’azione dei muscoli rallenta la gamba e stabilizza il piede in preparazione per il prossimo foot-strike.

Suddetta descrizione è stata sviluppata per un soggetto valutato normale. Nel caso, invece, che ci si debba confrontare con un soggetto patologico, potrebbe dimostrarsi inappropriata, in particolare per i soggetti che presentino importanti patologie che influenzano la deambulazione. Consideriamo, ad esempio, pazienti affetti da paralisi o altri disturbi: come detto, l’inizio dell’appoggio viene comunemente chiamato “contatto del tallone”; tuttavia, il paziente potrebbe non avere mai contatto con il terreno o averlo tardivamente nell’ambito del ciclo del passo. Per evitare queste incongruenze, Jacqueline Perry, nel Rancho Los Amigos Hospital in California, ha sviluppato una terminologia appropriata per le fasi funzionali del cammino. L’analisi dello schema del cammino di un individuo identifica il significato funzionale dei diversi movimenti a livello delle singole articolazioni. Il significato relativo di una articolazione, confrontato con quello delle altre, varia nell’ambito delle fasi del passo. Le fasi del ciclo del passo, secondo Perry [4], sono otto:

• contatto iniziale • risposta al carico • appoggio intermedio • appoggio finale • preoscillazione • oscillazione iniziale • oscillazione intermedia • oscillazione terminale

1. accettazione del carico: tempo che caratterizza l’inizio del periodo di appoggio e utilizza le prime due fasi del passo (contatto iniziale e risposta al carico). L’arto principale, che ha dato inizio al ciclo, prende in carico il peso del corpo;

2. appoggio singolo: comprende le due fasi successive (appoggio intermedio e appoggio terminale);

3. avanzamento dell’arto: inizia nella fase finale dell’appoggio (preoscillazione) e continua attraverso le tre fasi dell’oscillazione (oscillazione iniziale, oscillazione intermedia e oscillazione terminale);

Contatto iniziale

Intervallo: 0-2 % del ciclo del passo;

Obiettivo: l’arto è posizionato in modo da iniziare l’appoggio con il rotolamento del calcagno. Questa fase comprende il momento in cui il piede viene a contatto con il suolo: ciò avviene attraverso il tallone. Durante il contatto iniziale, l’anca è flessa ed il ginocchio è esteso. La tibiotarsica è flessa dorsalmente ed è posizionata a 90° (posizione neutra) in modo da determinare un’inclinazione ottimale dell’avampiede verso l’alto. L’arto scuro in figura indica l’arto di riferimento. Quello chiaro si trova alla fine della fase di appoggio. Per quanto riguarda l’attività muscolare, in questa fase sono attivi sia il quadricipite che i muscoli pretibiali e ischiocrurali (ovvero semimembranoso, semitendinoso e capo lungo del bicipite).

Figura 15.

a)Contatto iniziale; b) Risposta al carico.

Risposta al carico

Intervallo: 0-10 % del ciclo del passo;

Obiettivi: assorbimento dell’impatto, stabilità sotto carico e conservazione della progressione.

Questa fase inizia con il contatto iniziale al suolo e continua finché l’altro piede non viene sollevato per l’oscillazione. Nella risposta al carico, il peso del corpo è trasferito sull’arto che avanza. Utilizzando il rotolamento del calcagno, il ginocchio è flesso per assorbire l’impatto. La flessione della tibiotarsica limita il rotolamento del calcagno mediante il contatto dell’avampiede con il suolo. L’arto opposto (chiaro) è in fase di preoscillazione. In questa fase sono attivi il grande gluteo e il quadricipite.

Appoggio intermedio

Intervallo: 10-30 % del ciclo del passo;

Obiettivi: progressione sul piede in appoggio e stabilità del tronco e dell’arto.

Questa fase inizia nel momento in cui il piede controlaterale viene sollevato e continua fino a quando il peso del corpo non risulta allineato sull’avampiede. Nella prima metà della fase di appoggio singolo, l’arto (ombreggiato) avanza oltre il piede in appoggio mediante la flessione dorsale della tibiotarsica, mentre il ginocchio e l’anca si estendono. L’arto opposto (chiaro) sta avanzando nella sua fase di oscillazione intermedia. In questa fase, troviamo il soleo ed il gastrocnemio, che sono gli unici muscoli flessori plantari attivi.

Figura 16.

a)Appoggio intermedio; b) Appoggio terminale.

Appoggio terminale

Intervallo: 30-50 % del ciclo del passo;

Obiettivo: progressione del corpo oltre il piede in appoggio.

Questa fase inizia con il sollevamento del tallone e continua finché l’altro piede non appoggia al suolo. Durante questa fase, il peso del corpo viene trasferito oltre l’avampiede, il calcagno si solleva e l’arto (ombreggiato) avanza per il rotolamento dell’avampiede. Il ginocchio continua ad estendersi per poi flettersi leggermente. L’aumento della tensione dell’anca pone l’arto in una posizione di 18 maggiore avanzamento. L’altro arto (chiaro) si trova nella fase di oscillazione terminale. Il soleo ed il gastrocnemio sono muscoli flessori plantari attivi.

Preoscillazione

Intervallo: 50-60 % del ciclo del passo;

Obiettivo: posizionamento dell’arto per l’oscillazione.

Questa fase va dal momento in cui si verifica il contatto iniziale dell’arto controlaterale fino al distacco della dita omolaterali. L’arto di riferimento (ombreggiato) risponde con un aumento della flessione plantare della tibiotarsica, un aumento della flessione del ginocchio e una diminuzione dell’estensione dell’anca. L’arto opposto (chiaro) si trova nella fase di risposta al carico. Per quanto riguarda l’attività muscolare, agiscono l’adduttore lungo ed il retto femorale. Si ha una debole azione dei muscoli del polpaccio.

Figura 17.

a)Preoscillazione; b) Oscillazione iniziale.

Oscillazione iniziale

Intervallo: 60-73 % del ciclo del passo;

Obiettivi: avanzamento dell’arto e sollevamento del piede dal suolo;

Questa fase inizia con il sollevamento del piede dal terreno e termina quando l’arto oscillante si trova parallelo al piede di appoggio. Il piede è sollevato e l’arto avanza mediante la flessione dell’anca e la flessione del ginocchio. La tibiotarsica risulta parzialmente dorsiflessa. L’altro arto (chiaro) si trova nella fase iniziale di appoggio intermedio. Sono attivi i muscoli pretibiali, l’iliaco e il capo breve del bicipite.

Oscillazione intermedia

Intervallo: 73-87 % del ciclo del passo;

Obiettivi: avanzamento dell’arto e sollevamento del piede dal suolo;

Questa fase inizia quando l’arto oscillante si trova in posizione opposta all’arto in carico. Termina quando l’arto in oscillazione avanza e la tibia risulta verticale. L’avanzamento dell’arto (ombreggiato) davanti alla linea di gravità si ottiene mediante una flessione

dell’anca. Al ginocchio è permesso di estendersi in risposta alla gravità, mentre la tibiotarsica continua la dorsiflessione fino alla posizione neutra. L’altro arto (chiaro) di trova nella fase terminale di appoggio intermedio. Per quanto riguarda i muscoli, si verifica un’azione continua i flessori dell’anca e i flessori dorsali della tibiotarsica.

Figura 18.

a)Oscillazione intermedia; b) Oscillazione terminale.

Oscillazione terminale

Intervallo: 87-100 % del ciclo del passo;

Obiettivi: completo avanzamento dell’arto e preparazione dell’arto per l’appoggio;

Questa fase finale dell’oscillazione inizia con la tibia verticale e termina quando il piede prende contatto con il terreno. L’avanzamento completo dell’arto si ha nel momento in cui la gamba si trova davanti la coscia. Questo avanzamento è completato dall’estensione del ginocchio (ombreggiato). L’anca mantiene la sua iniziale flessione e la tibiotarsica rimane dorsiflessa fino alla posizione neutra. L’altro arto (chiaro) si trova nella fase di appoggio terminale. Sono attivi i muscoli pretibiali, ischiocrurali (ovvero semimembranoso, semitendinoso e capo lungo del bicipite) ed il quadricipite.

1.7

Parametri spazio-temporali

Il cammino può essere descritto in termini temporali e spaziali: i parametri temporali sono i periodi di tempo in cui avvengono le diverse fasi; i parametri spaziali si riferiscono a posizione e orientamento di arti e giunti durante il movimento [1]. Nell’ambito del ciclo del passo si definiscono i principali parametri spazio-temporali di riferimento:

• lunghezza del passo (stride length), è la distanza tra due appoggi iniziali consecutivi dello stesso piede; viene anche definita come la lunghezza del piede più la distanza coperta in fase di oscillazione. generalmente viene normalizzata all’altezza del soggetto o alla lunghezza dell’arto inferiore ed è espressa in metri;

• durata del passo (stride period), è l’intervallo di tempo tra due successivi contatti iniziali dello stesso arto con il terreno. E’ espressa in secondi;

• lunghezza del semipasso(step length), è definita come la distanza, tra l’appoggio di un piede (generalmente il tallone) e l’appoggio della stessa parte del piede controlaterale; la lunghezza del semipasso destro è la distanza tra il tallone del piede sinistro e il tallone del piede destro, nel momento in cui entrambi i piedi vengono a contatto con il suolo. E’ espressa in metri;

• durata del semipasso (step period), definito come l’intervallo compreso tra il contatto iniziale dei due piedi. E’ misurata in secondi;

• larghezza del passo, definita come la distanza mediolaterale tra i piedi, oppure definita come la distanza del tallone rispetto alla linea mediana di avanzamento. Ha un valore che oscilla dai 5 ai 7 cm per un soggetto normale.

• cadenza (cadence), corrisponde al numero di passi nell’unità di tempo ed è l’inverso della durata del ciclo.

• velocità (velocity or speed of progression), è la velocità di spostamento lineare lungo la direzione di progressione. E’ il prodotto della lunghezza media del passo per la frequenza media del passo. Per la

normalizzazione delle fasi del passo i vari eventi del ciclo del passo sono normalmente espressi in percentuale (0-100%) della durata dell’intero ciclo.

Figura 19. Parametri spaziali del passo

La lunghezza dello step destro sommata a quella dello step sinistro mi danno la lunghezza dello stride. In un soggetto normale, i due semipassi sono uguali tra loro, dando così origine al cammino simmetrico. Nel caso di un cammino patologico questo non si verifica: noteremo, infatti, una certa asimmetria tra la parte destra e la parte sinistra. Un altro parametro interessante da considerare è la cadenza, intesa come il numero di semipassi nell’unità di tempo (minuti) [4].

1.8

Applicazioni Gait Analysis

 Analisi del cammino a scopo clinico: l’analisi del cammino è effettuata sul singolo paziente con lo scopo di arrecare beneficio a quel singolo paziente per il processo decisionale clinico;

o riabilitazione (livello di disabilità, follow-up, effetto trattamenti); o geriatria (equilibrio dell’anziano, prevenzione delle cadute); o medicina legale (grado di invalidità);

 Analisi del cammino a scopo scientifico: per migliorare le nostre conoscenze di alcuni aspetti del cammino, sia normale che patologico. L’applicazione a scopo scientifico si trova sia nella ricerca clinica che nella ricerca di base.

 Ricerca clinica: coinvolge i pazienti, che non necessariamente arrecherà beneficio agli stessi pazienti, ma ad altri pazienti in futuro.

 Ricerca di base: finalizzata ad altre conoscenze (metodi di misura, biomeccanica, prestazione umana, fisiologia);

 Medicina del lavoro ed ergonomia (salute e comfort sui luoghi di lavoro);

1.9

Gait Analysis in ambito clinico

L’analisi strumentale del cammino trova grande impiego in ambito clinico in quanto permette di monitorare il movimento del soggetto in esame e permette una dettagliata valutazione dell’efficacia del trattamento effettuato sul paziente. In particolare permette di misurare quantitativamente aspetti della deambulazione che diventano fondamentali nella valutazione della limitazione funzionale del soggetto. Avere la possibilità di monitorare quantitativamente il movimento del paziente porta alla possibilità di misurare quantitativamente gli effetti prodotti da una determinata tecnica farmacologia, chirurgica, riabilitativa. Inoltre avere a disposizione questa metodica dà la possibilità di evidenziare l’efficacia dell’uso di particolare ortesi o meglio di valutare quanto una ortesi sia più adeguata per quello specifico paziente. La semplicità dell’esame e l’assoluta non invasività permette di effettuare l’acquisizione anche in pazienti poco collaboranti o caratterizzati da deambulazioni particolari. In ambito clinico è importante monitorare il movimento del soggetto in esame e l’impiego dell’ analisi strumentale del cammino offre numerosi vantaggi, sotto diversi aspetti.

 nella fase pre-trattamento le informazioni fornite dalla Gait Analysis risultano di fondamentale importanza per avere una valutazione più precisa e completa della limitazione funzionale del soggetto, elemento di fondamentale importanza per la scelta del trattamento più adeguato del paziente;

 nella fase post-trattamento le informazioni fornite dalla Gait Analysis permettono di effettuare una accurata analisi dei risultati ottenuti dal trattamento effettuato. In particolare vi è la necessità di studiare in modo dettagliato l’efficacia del trattamento così come l’effetto nel tempo del trattamento stesso, evidenziando quanto sia importante personalizzare la cura per il paziente e seguirlo nel corso del processo riabilitativo, allo scopo di rendere minimo il deficit e massimo il reinserimento sociale. La Gait Analysis è una metodica molto interessante in ambito clinico-riabilitativo in quanto permette di misurare quantitativamente non solo gli aspetti di cinematica del movimento umano ma anche aspetti dinamici ed elettromiografici di fondamentale importanza nella valutazione del movimento e delle variazioni in caso di situazioni patologiche. Questo porta il clinico ad una visione più dettagliata della situazione del paziente e conseguentemente all’analisi di un percorso riabilitativo più mirato alla esigenza del paziente. Inoltre l’analisi del cammino fornisce la possibilità di monitorare in modo assolutamente oggettivo l’efficacia di determinati trattamenti.Avere a disposizione degli strumenti validati per Gait Analysis dà ai clinici la possibilità di conoscere meglio la limitazione funzionale del paziente, di conoscere l’efficacia di determinati percorsi terapeutici e conseguentemente di ottimizzare la scelta del trattamento più idoneo al singolo paziente.

1.10 Gait Analysis in riabilitazione

Le definizioni di riabilitazione sono molteplici ma per noi è importante richiamare in primis quella dell'OMS, secondo la quale la riabilitazione è l'uso coordinato di risorse mediche, professionali e sociali per riportare il soggetto al recupero di abilità normali.

La stazione eretta, tipica della specie umana, è un processo intrinsecamente instabile, la proiezione del vettore «gravità corporea» si mantiene all’interno di una superficie più piccola di 1 cm2 (meno dell1% della superficie di appoggio disponibile). Si deve allora concludere che il corpo umano dispone di una regolazione fine ed efficace del suo equilibrio che gli assicura un ampio margine di sicurezza. Il mantenimento della stazione eretta, anche in condizioni di quiete, implica continui aggiustamenti posturali dei segmenti corporei (testa, tronco e arti), rispetto alla direzione verticale. Come per ogni altro movimento, anche il controllo della postura vede coinvolto un sistema di forze e momenti che tende al bilanciamento e all’equilibrio (instabile) contro le azioni perturbanti interne (respirazione, pompa cardiaca) ed esterne (interazione con l’ambiente). Per mantenere l’equilibrio nella posizione ortostatica, il sistema di controllo centrale integra le informazioni afferenti dai sistemi vestibolare, visivo e somato-sensoriale. Se uno di questi sistemi è alterato, il sistema di controllo è costretto a gestire in modo diverso le informazioni fornite dai vari ingressi sensoriali al fine di continuare a svolgere il compito motorio con un livello di affidabilità accettabile. [5]

La diagnosi nelle patologie dell’apparato locomotore avviene mediante valutazione clinica, che si avvale di strumenti diagnostici e verifiche funzionali. La valutazione funzionale si può realizzare attraverso test di performance, scale a punteggio, analisi quantitativa strumentale del movimento (cinematica, dinamica, emg, consumo energetico...).

La Gait Analysis è una metodologia che consente lo studio dei movimenti corporei e delle posture: è possibile misurare "come cammina" il paziente sia da un punto di vista qualitativo che quantitativo evidenziando eventuali limitazioni funzionali e consentendo ai medici di valutare l'efficacia di determinati percorsi terapeutici. I risultati della Gait Analysis consentono di calibrare al meglio gli esercizi fisici - riabilitativi e l'utilizzo di terapie. La Gait analysis misura da un punto di vista quantitativo le alterazioni motorie conseguenti alla malattia o al trauma subito dalla persona, fornendo informazioni dettagliate relative alla cinematica (velocità, accelerazioni, traiettorie), alla dinamica (forze e potenze articolari) e all’attività muscolare. Quando si esegue l’analisi del cammino, è importante considerare sia i parametri temporali che quelli spaziali, poiché a seguito di traumi, malattie, deficit, la deambulazione può subire compromissioni, possono essere influenzate indipendentemente le due componenti e i pazienti hanno spesso bisogno di riabilitazione e rieducazione motoria.

Ad esempio, i pazienti post-ictus soffrono del cosiddetto ‘piede cadente’ e non sono in grado di esplicare la dorsiflessione del piede, sollevandolo dal terreno durante il cammino. La correzione del deficit può essere supportata da terapie con elettrostimolazione funzionale (FES), che è diventata un metodo riabilitativo efficace e largamente diffuso [6]. Uno dei primi sistemi per la correzione del piede cadente (dropped foot) è stato sviluppato nel 1961 [7] e molti altri negli anni avvenire[8]. Vantaggi della Gait Analysis:

 Analisi multifattoriale del movimento;

 Condurre ricerche di base sulla biomeccanica del cammino normale, per una migliore conoscenza dei meccanismi che lo controllano;

 Applicare questa conoscenza alla valutazione del cammino patologico;

 Offrire alle unità riabilitative del territorio un supporto diagnostico e valutativo, dove Fisiatri, Ortopedici, ecc.., possano valutare casi difficili e migliorare le loro competenze cliniche;  Documentazione oggettiva dei deficit e dei compensi;

 Verifica dell’ efficacia dei trattamenti;  Possibilità di confronto con dati precedenti. E ancora, nell’ottica della Riabilitazione:

 valutazione della deficit e della disabilità;  individuazione dei meccanismi alterati;  monitoraggio dei progressi del paziente;  validazione delle tecniche riabilitative;

 valutazione degli effetti dei trattamenti medici-chirurgici;  Valutazione dell’ efficacia di protesi/ortesi.

Una corretta diagnosi riabilitativa è fondamentale per una corretta prognosi riabilitativa. Svantaggi:

 Costi;

 Formazione del personale;  Errore di misura;

 Non facile applicazione clinica (tanti dati da gestire);  Tempi non sempre veloci;

1.11 Test clinici

Un test clinico è un test condotto al fine di scegliere tra differenti opzioni di gestione per un paziente (compresa la possibilità di non intervenire). Il motivo di un test clinico va dal prendere decisioni cliniche per il singolo paziente al conoscere una condizione che colpisce un gruppo di pazienti o l’effetto di un intervento. Richard Brand ha proposto quattro ragioni per l'esecuzione di qualsiasi test clinico [10-11 ] :

1. distinguere tra entità patologiche (diagnosi); 2. determinare la gravità della malattia;

3. selezionare e valutare le opzioni di trattamento; 4. predire la prognosi.

Brand ha proposto, inoltre, una serie di criteri per valutare l'utilità di misure biomeccaniche in generale che, con alcune modifiche, possono essere utilizzate come criterio per l'utilità di tutte le analisi cliniche del cammino.

Criteri per misure biomeccaniche

 Riproducibile

 Stabile (indipendente da umore, motivazione e dolore)  Preciso

 Opportunamente convalidato

 In grado di distinguere tra normale e anormale  Non deve alterare la funzione che si sta misurando  Riportato in forma analoga a concetti clinici standard  Costo effettivo (conveniente)

 Non osservabile da clinico esperto

Il primo requisito di qualsiasi misurazione clinica è che dovrebbe caratterizzare il paziente, cioè se il paziente la effettua in due diverse occasioni,tra cui la sua condizione potrebbe essere considerata stabile, le misure effettuate devono essere simili. Al fine di eseguire una funzione diagnostica è necessario per le misurazioni che siano in grado di distinguere il movimento normale dal patologico e anche discriminare le caratteristiche appartenenti all’una o all’altra malattia. Ci sono due aspetti allora da considerare: il primo è avere sistemi di misura capaci di lavorare con un'adeguata precisione. Il secondo è una conoscenza di ciò che caratterizza la normale deambulazione o particolari entità della malattia. Le misurazioni devono quindi essere sufficientemente precise per rivelare differenze clinicamente importanti tra i pazienti con la stessa diagnosi. Per misurazioni finalizzate al monitoraggio devono essere sufficientemente precise per poter determinare se le

condizioni di un paziente siano stabili, o stiano migliorando/peggiorando. La tecnica di misurazione non dovrebbe pregiudicare la funzione che sta misurando. Il cammino svolto in un laboratorio di analisi d’altronde, con il paziente concentrato su ciò che sta facendo in un ambiente idealizzato, non è necessariamente rappresentativo del suo modo normale di camminare. Almeno questo deve essere preso in considerazione quando si interpretano i risultati.

Metodi di misurazione clinica in analisi del cammino

La misura è un processo che dà luogo all’assegnazione di caratteristiche che consentono di classificare, ordinare o contare oggetti o individui (Wade, 1992).

Vediamo alcune definizioni utili alla nostra descrizione:

Misura: descrizione quantitativa degli aspetti di un fenomeno fisico.

Valutazione: interpretazione delle misure, orientata a conclusioni e scelte operative.

Valutazione funzionale: riguarda una funzione e le relative prestazioni (es. deambulazione).

Esiste una gamma molto diversificata di esami che si possono eseguire per valutare la capacità funzionale di un paziente. Il metodo più semplice è rappresentato dalla somministrazione di un questionario volto a stabilire quanto lavoro esso è ancora in grado di svolgere. A titolo di esempio al paziente si può chiedere: "Quante scale è ancora in grado di salire o per quanti metri può camminare?" A parere di molti chirurghi, per esempio, se un paziente può camminare su 2-3 rampe di scale, sarà anche in grado di sopravvivere ad un intervento chirurgico. Ma i pazienti non sono sempre in grado di ricordare questo tipo di informazioni e possono sovrastimare o sottostimare la loro reale capacità funzionale. Per questo motivo si tende a preferire un test che offra una misura obiettiva (test del cammino) piuttosto che la somministrazione di un questionario.

Valutazione Soggettiva Oggettiva

Qualitativa Descrizione basata sull’osservazione Ripresa video

Quantitativa Scale di valutazione Analisi strumentale del movimento

Scale qualitative o semi-quantitative

La scala di valutazione può essere definita come un “insieme di misure rilevanti per una valutazione in un dato contesto”. Si basa su questionari e/o sull’osservazione del soggetto. I questionari sono costituiti da una raccolta di risposte, a cui viene associato un sistema di punteggi o una classificazione. Tipicamente si applica alla valutazione dei disordini motori in relazione all’autonomia del soggetto. E’ opportuno che la scala garantisca facilità d’uso e breve durata del test.