TECNICHE BAROPODOMETRICHE PER LA VALUTAZIONE QUANTITATIVA DEL RAPPORTO PIEDE-TERRENO

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1 Dipartimento di Ingegneria Meccanica Chimica e dei Materiali Università di Cagliari Massimiliano Pau TECNICHE BAROPODOMETRICHE PER LA VALUTAZIONE QUANTITATIVA DEL RAPPORTO PIEDE-TERRENO

2 Presentazione Laboratorio di Biomeccanica ed Ergonomia Industriale Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali (DIMCM) Università di Cagliari Attività didattica: Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica (moduli Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica, Bioingegneria Meccanica, Laboratorio di Analisi del Movimento ) Attività di ricerca: Analisi della Postura e del Movimento in campo Ergonomico, Clinico e Sportivo

3 Struttura del seminario Parte 1 Concetti introduttivi (la baropodometria nell analisi del movimento) Cenni su anatomia e funzioni del piede Parametri di riferimento per la caratterizzazione dell interfaccia piedeterreno e della morfologia dell appoggio a terra (aree e pressioni di contatto, Arch Index) Tecniche di misura per l analisi di aree e pressioni plantari (gli strumenti) Tipologia e caratteristiche dei sensori baropodometrici Parte 2 Esempi di applicazione della baropodometria in campo sportivo ed ergonomico Esercitazioni pratiche

4 L Analisi del movimento E 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 Valutazione Soggettiva Oggettiva Qualitativa Descrizione basata sull osservazione Ripresa video Quantitativa Scale di valutazione (Barthel, FIM, Wisconsin gait scale,...) Analisi strumentale del movimento

5 Analisi strumentale del movimento Strumenti di acquisizione Si basa su: Modelli per il calcolo di variabili non misurabili Sistemi optoelettronici Piattaforme di forza Elettromiografi Elettrogoniometri Sistemi a sensori inerziali Sistemi baropodometrici Coordinate 3D di punti anatomici Forze di reazione al terreno Potenziali mioelettrici Angoli articolari Accelerazioni, velocità angolari Pressioni all interfaccia piede-terreno

6 L interfaccia piede-terreno La regione plantare rappresenta di fatto l interfaccia tra il corpo ed il mondo esterno La sua funzione e quella di trasmettere in modo efficace ed ottimale i carichi generati dalle attività fisiologiche (locomozione in primis) Strumenti di acquisizione Sistemi optoelettronici Piattaforme dinamometriche Elettromiografi Elettrogoniometri Sistemi a sensori inerziali Sistemi baropodometrici Le distribuzioni di pressione che si generano possono essere estremamente variabili in funzione dell attività svolta, ma anche di eventuali patologie E importante disporre di strumenti che consentano una valutazione oggettiva e quantitativa delle pressioni di contatto e del tipo di appoggio al terreno Per valutare tali pressioni si utilizzano le tecniche baropodometriche

7 Definizioni... Con il termine baropodometria (etimologicamente «misura delle pressioni del piede/plantari») si identifica una tecnica in grado di misurare «punto per punto» le pressioni esercitate dal piede sul suolo, sia in posizione eretta (baropodometria statica) sia durante il cammino (baropodometria dinamica) PLANTAR PRESSURE MEASUREMENT DEVICES (PMD) Even the discipline itself is now referred to by a plethora of names: baropodometry, pedobarometry, and pedobarography. The team is pushing for adoption of the less convoluted pedography instead. STATICA DINAMICA

8 Definizioni... Con il termine baropodometria (etimologicamente «misura delle pressioni del piede/plantari») si identifica una tecnica in grado di misurare «punto per punto» le pressioni esercitate dal piede sul suolo, sia in posizione eretta (baropodometria statica) sia durante il cammino (baropodometria dinamica) La baropodometria statica consente: l identificazione della morfologia del piede (cavo, piatto, etc.). la valutazione della distribuzione delle pressioni plantari con identificazione delle zone di concentrazione delle pressioni la visualizzazione della posizione del COP e della sua evoluzione nel tempo (stabilometria) Il tipico output di un esame baropodometrico è rappresentato da una mappa in scala di falsi colori

9 Definizioni... Con il termine baropodometria (etimologicamente «misura delle pressioni del piede/plantari») si identifica una tecnica in grado di misurare «punto per punto» le pressioni esercitate dal piede sul suolo, sia in posizione eretta (baropodometria statica) sia durante il cammino (baropodometria dinamica) La baropodometria dinamica consente la valutazione: dell appoggio del piede durante la dinamica del passo; delle caratteristiche del cammino (es. la lunghezza del passo, tempo di contatto ecc.); della progressione del COP

10 A cosa serve? Progettazione calzature (sportive, ergonomiche, quotidiane...) Progettazione supporti ortesici (plantari) Studio della biomeccanica del cammino e delle sue variazioni in funzione di fattori quali età, genere, razza ecc. Studio patologie: Piede diabetico (ulcerazioni causate da stress eccessivi in combinazione con problematiche circolatorie e neuropatie) Valutazione biomeccanica degli effetti di trattamenti chirurgici o riabilitativi Monitoraggio di tutte le patologie che comportano alterazioni posturali

11 Il piede Il piede rappresenta il punto fisso al suolo su cui grava l intero peso corporeo. E una struttura alla base del sistema di controllo antigravitario (sistema posturale e di equilibrio) che consente all uomo di mantenere la sua posizione eretta e di spostarsi nello spazio. Esso è sia effettore che recettore in quanto riceve ed esegue comandi tramite i muscoli ed è in grado di interagire con il resto del corpo fornendo informazioni attraverso i recettori presenti sulla regione plantare,muscoli, tendini e articolazioni. Inoltre il piede è un importante pompa circolatoria oltre che una struttura portante e un sistema propulsivo e di sostegno per l intero corpo umano.

12 Il piede È un organo complesso costituito da numerose articolazioni che ne rendono possibile il movimento e l adattabilità a tutte le superfici. Nel piede troviamo 26 ossa variamente articolate, numerosi muscoli e tronchi nervosi che rendono possibili le funzioni motorie e sensitive. E possibile distinguere tre regioni fondamentali: Retropiede: rappresenta la regione che per prima è sottoposta al contatto (impulsivo) del piede al suolo durante la deambulazione. In esso si trovano l astragalo e il calcagno. Mesopiede, il cui compito è quello di ammortizzare la spinta dovuta al movimento. Nel mesopiede sono localizzati l osso cuboideo, i tre cuneiformi e lo scafoide tarsale. (navicolare) Avampiede: rappresenta la struttura principalmente coinvolta nella spinta locomotoria. In essa trovano collocazione le ossa delle falangi e dei metatarsi.

13 Gli archi plantari La volta plantare è caratterizzata dalla presenza di archi longitudinali e trasversali Distribuiscono il carico Proteggono vasi sanguigni e nervi da un eccessiva compressione Sono dinamici e flessibili (si deformano sotto carico ma poi riprendono la loro configurazione originale (effetto «molla») Arco longitdinale MEDIALE Semplicemente definito «l arco plantare» Più alto (non compare nell impronta) Assorbe la maggior parte degli urti durante cammino/corsa/salti Arco longitudinale LATERALE Più rigido Sostiene il peso corporeo prima che entri in gioco l arco mediale

14 Morfologia dell appoggio La configurazione geometrica e la funzionalità dell arco plantare consentono di definire alcune morfologie di «piede tipo». In particolare si distinguono: Piede cavo («high arched foot», «cavus foot», «pes cavus») Piede piatto («low arched foot», «flat foot», «pes planus»)

15 Arch Index Proposto da Cavanagh & Rodgers (1987) permette una rapida caratterizzazione della morfologia plantare. Procedura: 1. Si traccia una linea che unisce il centro del secondo dito al centro del tallone (pternion) 2. L asse così ottenuto viene diviso in tre parti uguali che definiscono la posizione di avampiede (A), mesopiede (B) e retropiede (C). 3. L Arch Index (AI) è dato dal rapporto tra area del mesopiede ed area totale del piede (dita escluse) AI < <AI<0.26 AI > 0.26 PIEDE CAVO PIEDE NORMALE PIEDE PIATTO AI B = A + B + C

16 Arch Index Il valore dell Arch Index è ben correlato con le caratteristiche anatomiche del piede (altezza dell osso scafoide tarsale/navicolare) rilevate mediante immagini radiografiche (r=0.71)

17 Piede cavo e piatto AI = 0.05 Le forme lievi di piede cavo sono generalmente asintomatiche, mentre le forme più gravi possono originare: fasciti plantari talloniti tendiniti achillee callosità dolorose difficoltà ad indossare calzature gravi deformità artrosi dolorosa AI = 0.28 Il piede piatto si presenta inizialmente come asintomatico. Successivamente possono insorgere dolore e difficoltà nella deambulazione

18 Il piede nella postura eretta... Costituisce la base di appoggio, requisito fondamentale per garantire la stabilità della postura eretta ed impedire cadute Trasmette il carico corporeo al terreno. Tipicamente la ripartizione è la seguente: 30% avampiede, 10% mesopiede, 60% retropiede. Le dita svolgono un ruolo minimale nella sopportazione del carico Regione Plantare Superficie (mm 2 ) P media (kpa) Pmassima (kpa) Retropiede Mesopiede Avampiede

19 Il piede nella locomozione Accetta il carico verticale durante la fase di heel strike (contatto al suolo con il tallone) 2. Assorbe e dissipa le forze generate dal movimento mediante strutture flessibili (mesopiede e avampiede) durante la fase di pronazione tipica del del mid-stance 3. Fornisce la necessaria propulsione per l avanzamento corporeo nel momento in cui si comporta da leva rigida nel toe-off ❶ ❷ ❸

20 Pressioni di contatto dinamiche Il trasferimento del carico corporeo sul piede di supporto, genera l insorgere di livelli differenti di pressione sulle strutture plantari Inizialmente il carico e applicato rapidamente (0.05 s) su una piccola area postero-laterale e la pressione raggiunge valori fino a 400 kpa L avanzamento aumenta l area e riduce la pressione a kpa Può essere presente un contatto medio-laterale ma a bassi livelli di pressione Le pressioni metatarsali sono generalmente superiori tra 2 e 3 metatarso La fine del contatto avviene con l alluce e i valori di pressione registrati possono essere piuttosto elevati

21 Aree di supporto durante il passo Le differenze nel tempo di contatto del tallone e dell avampiede con il terreno, determinano differenti schemi di supporto del piede. La sequenza alla velocità di cammino usuale (4-5 km/h) 1.RETROPIEDE 2.PIANTA (tallone+avampiede) 3.AVAMPIEDE

22 Tecniche di misura Capacitivi Baropodometria Resistivi Su piattaforma (piede nudo o scarpa su terreno) In-sole/shoes (piede nudo su interno scarpa) Capacitivi Resistivi Estensimetrici Ottici

23 Un po di storia 1882 Beely (calchi di gesso) 1939 Elftman ( barograph ) 1930 Morton ( kinetograph ) 1947 Harris & Beath mat

24 Sistema Harris Harris-Beath Mat: matrice di gomma morbida imbevuta di inchiostro Possono essere ottenute informazioni anche di tipo semi-quantitativo su aree e pressioni Molto utilizzato nei paesi «poveri»

25 Impronte Harris

26 Sistemi ottici: il podoscopio Il podoscopio è uno strumento costituito da una struttura portante (metallo, plastica) con un piano superiore trasparente (vetro-plastica) retro-illuminato Il soggetto esaminato sale a piedi nudi sul piano e viene invitato a mantenere una posizione rilassata per alcuni minuti. Il piano sottostante alla superficie di appoggio è costituito da uno specchio inclinato in grado di riflettere l'immagine delle piante dei piedi consentendone la visualizzazione e, quindi, la valutazione in condizione statica. La pedana consente anche la valutazione visiva della distribuzione dei carichi sui due piedi, evidenziata dalla differente intensità luminosa dell'impronta plantare sotto carico eventualmente anche attraverso una successiva elaborazione grafica digitale delle immagini.

27 Sistemi ottici: il podoscopio Piede Cavo Piede Piatto

28 Caratteristiche dei sensori Isteresi: valutabile dall osservazione dell andamento del segnale di uscita del sensore quando questo viene caricato e scaricato Linearità: massima discrepanza tra l andamento effettivo del segnale e una retta Drift: deriva del segnale a carico costante Range: massima pressione misurabile (burst pressure massima pressione misurabile prima del danno fisico). Dipende dall applicazione (standing: 0.15 MPa, walking: MPa). In genere varia tra MPa. Frequenza di acquisizione: più alta è meglio è tipicamente servono almeno 200 Hz per la corsa. Per il cammino bastano anche Hz

29 Frequenza di campionamento

30 Caratteristiche dei sensori Risoluzione: espressa in numero di sensori presenti per unità di superficie (tipicamente sensori/cm 2 ). Condiziona pesantemente il costo dello strumento Dimensione del sensore: Un sensore di grandi dimensioni può sottostimare I picchi di pressione. Dimensioni tipiche sono dell ordine dei 5-7 mm

31 Sensori capacitivi Un capacitore elettrico (condensatore) è composto da due armature, ossia due piastre conduttrici, disposte parallelamente l una rispetto all altra e separate da una distanza piccola se comparata con le dimensioni lineari delle piastre stesse. Lo spazio tra le armature è occupato da un materiale elastico non conduttivo (dielettrico). L applicazione di una forza normale (P) alla superficie (A) tende a ridurre la distanza tra le armature e origina una differenza di potenziale proporzionale alla pressione P/A

32 Sensori capacitivi Un esempio di realizzazione pratica Uno strato di elastomero comprimibile funge da supporto per le armature dei condensatori, che vengono accorpati in: r righe (sopra) e c colonne (sotto) e poi collegati all esterno. Quindi si ottiene un dispositivo (piattaforma o soletta) dotato di r*c capacitori Dielettrico Comprimibile Righe Colonne

33 Sensori resistivi/piezoresistivi Nei materiali piezoresistivi (e.g. semiconduttori), la resistività è influenzata dalla forza/sollecitazione esterna Per un conduttore realizzato con tali materiali, la resistenza elettrica è elevata in assenza di carico e tende a diminuire all aumentare del carico R = ρ l A

34 Es: i sensori Tekscan

35 Il sistema Footscan (RS-Scan)