LABORATORIO DI ANALISI DEL MOVIMENTO

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1 Dipartimento di Ingegneria Meccanica Chimica e dei Materiali Università di Cagliari Massimiliano Pau LABORATORIO DI ANALISI DEL MOVIMENTO LEZIONE 1 LO STUDIO DELLA POSTURA ERETTA

2 Struttura del seminario Teoria: Generalità sull analisi del movimento. Valutazioni quantitative e qualitative, soggettive ed oggettive. La postura eretta. Il sistema di controllo posturale, centro di massa e centro di pressione. La base di supporto. Lo sway posturale. Caratteristiche e variabilità in funzione di fattori intrinseci ed estrinseci Protocolli e metodi per la misura dello sway posturale Pratica: Utilizzo di piattaforme di forza «gold standard» e a basso costo per la realizzazione di posturografie statiche Analisi della variabilità dello sway posturale in presenza di riduzione della base di supporto ed alterazione degli input sensoriali

3 Alcune definizioni: POSTURA: posizione complessiva del corpo e degli arti e loro orientamento nello spazio EQUILIBRIO: La capacità di equilibrio è una qualità specifica che consente il mantenimento o il recupero di una determinata posizione statica o dinamica, assegnata o desiderata, funzionale per il soggetto nei confronti della forza di gravità ed adeguata al successo del task motorio da compiere STABILITA POSTURALE: capacità di controllare il centro della massa corporea in rapporto alla gravità e di stabilizzare segmenti corporei durante il movimento volontario

4 Principi di base Come trascorriamo il nostro tempo? 15% 5% 35% A letto/sdraiati Seduti 35% In piedi Camminando Il mantenimento della stazione eretta, anche in coindizioni 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).

5 Principi di base La stazione eretta, tipica della specie umana, è un processo intrinsecamente instabile. In tale posizione il corpo, lasciato a sé stesso, sarebbe inevitabilmente destinato a cadere. Tuttavia.non cadiamo! Anzi.la proiezione del vettore «gravità corporea» si mantiene all interno di una superficie più piccola di 1 cm 2 (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, tenendolo ben lontano da un uscita catastrofica dal suo stato

6 Principi di base Per mantenere l equilibrio nella posizione ortostatica, il sistema di controllo centrale integra le informazioni afferenti dai sistemi vestibolare, visivo e somatosensoriale 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. Le alterazioni possono essere di carattere patologico (es. cecità, patologie del SNC) ma possono anche essere introdotte artificialmente per comprendere le capacità di «ripesatura» dei segnali afferenti residui INTEGRAZIONE SNC INPUT VISIVO INFO COMANDO MOTORIO INFORMAZIONI VESTIBOLARI PROPRIOCEZIONE CONTATTO CUTANEO INFO VINCOLI ESTERNI BIOMECCANICI MOVIMENTI

7 Schema del sistema posturale INPUT Sistema Sensoriale Dove mi trovo? OUTPUT Sistema motorio Cosa faccio? Determinazione della posizione del corpo Scelta del movimento corporeo Confronto, selezione e combinazione delle informazioni sensoriali Selezione e controllo delle contrazioni muscolari Sistema Visivo Sistema Vestibolare Sistema Somato-sensoriale Caviglie Cosce Tronco Collo Occhi Testa Interazione con l ambiente Generazione del movimento

8 Principi di base Dunque il mantenimento della posizione eretta, non è un fenomeno statico, come potrebbe sembrare a prima vista, bensi dinamico Il corpo in posizione ortostatica oscilla per mantenere l equilibrio e le prestazioni del sistema di controllo (biomeccanico e recettoriale) sono valutabili misurando tali oscillazioni posturali (postural sway) La stabilometria (misura della stabilità) si occupa della caratterizzazione delle oscillazioni nella postura eretta in condizioni di quiete e in assenza di perturbazioni (spontaneous sway) L esame posturografico statico, se accompagnato da una analoga indagine dinamica permette di verificare le prestazioni del sistema di controllo posturale e, conseguentemente, di stabilie il livello di coordinamento motorio e le capacità di mantenimento dell equilibrio

9 La regolazione della postura.è un fenomeno complesso e coinvolge un flusso di informazione continuo sulle perturbazioni interne od esterne e sulla posizione reciproca dei vari segmenti corporei in rapporto alla gravità, all ambiente circostante ed alle superfici di supporto Il mantenimento dell equilibrio dipende dall grado di maturità e di ntegrità funzionale di diversi organi ed apparati e, quindi, disturbi dell equilibrio possono verificarsi per cause diverse di carattere otologico, neurologico, ecc. Inoltre, occorre tenere presenteche la stabilità posturale varia nelle diverse fasi della vita. In particolare: Migliora dall infanzia alla prima adolescenza Resta sostanzialmente stabile nella fascia anni declina fisiologicamente dopo i 40 anni (in rapporto alla ridotta efficienza delle funzioni vestibolare, visiva e propriocettiva).

10 Definizioni In linea di principio, la valutazione delle oscillazioni corporee dovrebbe essere effettuata monitorando istante per istante la posizione del Centro di massa (Center of Mass, COM), ossia di quel punto dello spazio in cui si situa il baricentro delle forze peso agenti su ogni parte del corpo. Nella postura eretta statica questo è di norma localizzato nel tronco all altezza della zona lombare Poiché questo non è tecnicamente semplice, si ricorre ad una misura indiretta, che consiste nel valutare la traiettoria del Centro di Pressione (Center of Pressure, COP), ossia del punto di applicazione della risultante delle forze scambiate tra corpo e terreno per il tramite delle regioni plantari. Occorre quindi uno strumento (piattaforma di forza, piattaforma baropodometrica) che sia in grado di calcolare la posizione del COP e di registrarla, con una certa frequenza, durante un test stabilometrico

11 La valutazione strumentale della postura L analisi delle oscillazioni posturali in condizioni di quiete e in assenza di perturbazioni esterne viene definita posturografia statica Studi sullo sway posturale sono stati condotti sin dalla fine dell 800 utilizzando sistemi semplici simili a quello mostrato in figura Attualmente il gold-standard per l analisi posturografica è rappresentato dalle piattaforme di forza, ossia dispositivi in grado di rilevare e quantificare le forze scambiate tra corpo e terreno per il tramite delle regioni plantari

12 La valutazione strumentale della postura

13 Protocollo di misura L esame posturografico viene condotto secondo protocolli standardizzati 1) Rimuovere le calzature 2) Posizionare i piedi sulla piattaforma: orientati a 30, distanza intramalleolare 8-10 cm 3) Braccia rilassate e disposte lungo i fianchi. Non deve esserci contatto tra arti superiori ed inferiori 4) Respirazione normale 5) Ogni gesto volontario deve essere evitato (no mordere labbra lungua, no chewing-gum) 6) Fissare un target disposto a 2-3 metri dal soggetto ad altezza degli occhi Durata del test: secondi (bipodalico) s (monopodalico) Frequenza di acquisizione: non meno di Hz

14 Test monopodalici Piede in contatto con il terreno con asse approssimativamente deposto secondo uno degli assi della piattaforma Non esiste una posizione dell arto sospeso codificata. In alcuni casi si poggia il dorso del piede sul cavo popliteo In altri si sospende l arto a livello del malleolo del piede d appoggio E importante che, qualunque posizione si scelga, sia ripetibile con facilità e senza ambiguità Durata del test: secondi Altre posizioni utilizzate: Tandem e Piedi uniti

15 Equilibrio dinamico Partenza in appoggio bipodalico, piedi paralleli disposti ad una distanza pari a circa quella delle spalle Salto submassimale (tipicamente 50% dell altezza massima di salto rilevata al Vertec) Atterraggio su un piede, ricerca e mantenimento della massima stabilità Calcolo del tempo di stabilizzazione (TTS), ossia il tempo necessario alla forza di reazione al terreno per raggiungere (e mantenersi) entro il 5% del peso corporeo Rilievo delle oscillazioni corporee nei 10 secondi successivi all atterraggio

16 Stabilogrammi e statokinesiogrammi La piattaforma di forza (o la piattaforma di pressione) registra istante per istante le due coordinate del COP riferite ad un sistema di assi cartesiani, definito sulla sua superficie Al termine della prova, dunque, si dispone tipicamente di un file contenente tre vettori Tempo COP x COP y L analisi dell andamento temporale della posizione del COP puo essere effettuata attraverso due tipi di rappresentazione, standardizzati dalla Societa Internazionale di Posturografia: Lo Stabilogramma (diagramma della coordinata x o y del COP nel tempo) Lo Statokinesiogramma (diagramma x vs. y del COP)

17 Statokinesiogramma Lo statokinesiogramma (gomitolo di sway) rappresenta, sul piano, il percorso effettuato dal COP sulla superficie orizzontale di appoggio nel corso della prova La coordinata medio-laterale del COP è rappresentata sull asse delle ascisse, mentre la coordinata antero-posteriore è rappresentata sull asse delle ordinate E un grafico qualitativo che esprime con immediatezza l andamento della traiettoria del COP Quali informazioni possiamo trarre a prima vista?

18 Statokinesiogramma Quale dei due soggetti oscilla meno?

19 Statokinesiogramma Direzione delle oscillazioni?

20 Lo sway evolve nel tempo.. La rappresentazione dello sway posturale mediante statokinesiogramma non tiene conto dell evoluzione temporale delle oscillazioni Tempo [frames] In maniera più completa, il diagramma dovrebbe essere tridimensionale, con terzo asse proprio il tempo (vedi figura a lato)

21 L ellisse di confidenza Dal gomitolo non è semplice estrarre informazioni quantitative univoche, quindi si ricorre alla definizione di una serie di parametri standardizzati L Ellisse di confidenza (o ellisse di sway o Area di sway) rappresenta una misura dell ampiezza della superficie descritta dall inviluppo delle posizioni del COP, e si definisce come la superficie che contiene (con il 95% di probabilità) i singoli punti che compongono il gomitolo Dell Ellisse di confidenza si valutano: Superficie (in mm 2 ) Inclinazione dell Asse Maggiore (gradi) Rapporto fra gli assi (eccentricità)

22 L ellisse di confidenza Alla luce di quanto visto, quale dei due soggetti appare dotato di migliori capacità di equilibrio statico?

23 Superficie E espressa in mm 2 e permette di valutare l ampiezza delle oscillazioni, evidenziando in tal modo il dispendio energetico che l individuo sopporta per mantenere la posizione ortostatica Generalmente ha valori inferiori a 1 cm 2 = 100 mm 2 Il confronto tra ellissi acquisite in condizioni differenti (es. occhi aperti, occhi chiusi) permette di valutare le prestazioni del sistema posturale in modo analitico ed immediato

24 L ellisse di confidenza Superficie? Lunghezza? Lunghezza per unità di superficie?

25 Eccentricità E calcolata come il rapporto percentuale tra i due semiassi dell ellisse In pratica rappresenta una misura di quanto l ellisse si discosta da una circonferenza (assi uguali) Più è alta l'eccentricità, più deformata risulterà l'ellisse, e pertanto più sarà evidente una direzione preferenziale di oscillazioni nel paziente Eccentricità = 0% Eccentricità media Eccentricità elevata

26 Altri parametri La lunghezza del gomitolo (COP Path Length) è la lunghezza totale della traiettoria percorsa dal COP = ( 1 ) +( +1 ) La velocità media (COP velocity) può essere calcolata con riferimento alla singola prova o come media delle velocità istantanee del COP (valori tipici sono compresi nel range 4-6 mm/sec) = ( 1 ) +( +1 ) 1 Entrambe le grandezze, che sono tra loro direttamente proporzionali, quantificano la strada percorsa dal COP e sono anch esse indicatori di dispendio energetico e del precario mantenimento dell equilibrio. L ampiezza massima degli spostamenti del COP in direzione AP o ML

27 Variazioni fisiologiche dello sway Le prestazioni del sistema di controllo posturale maturano con l individuo (prima nelle ragazze che nei ragazzi) fino ad un età di circa anni, restano stabili fino ai 30 circa poi declinano

28 Variazioni non fisiologiche: Sclerosi Multipla

29 Variazioni non fisiologiche: Sclerosi Multipla

30 Stabilogramma E il grafico delle coordinate del centro di pressione in funzione del tempo In particolare si distinguono: Uno stabilogramma antero-posteriore (coordinata degli spostamenti sull asse Y) Uno stabilogramma medio-laterale, come coordinata degli spostamenti sull asse X

31 Test di Romberg Un esempio è dato dal cosiddetto Test di Romberg, che ha lo scopo di verificare l influenza del sistema visivo sull equilibrio. L esame si esegue in ortostasi condizionata a 30 prima ad occhi aperti e poi ad occhi chiusi. Il test caratterizza l effetto stabilizzante del sistema visivo. Si considera positivo quando il soggetto perde l equilibrio (classico in neurologia) In generale, la stabilità posturale è migliore quando l input visivo è presente. Valori tipici del Quoziente di Romberg (Rapporto tra le aree di sway ad occhi chiusi ed aperti) sono nel range

32 Posturografia dinamica Fa uso di piattaforme mobili o rotanti in grado di generare diverse tipi di perturbazioni posturali, quali: Inclinazione (rotazione supporto sul piano sagittale) Traslazione (orizzontale in AP/ML o verticale) A volte si introducono perturbazioni visive

33 Alterazione degli input sensoriali Riduzione od eliminazione di un input Visione: occhi aperti / occhi chiusi Propriocezione: anestesia Distorsione di un input Visione: movimento dello sfondo, realtà virtuale Propriocezione: vibrazione Vestibolare: stimolazione (calore ecc.)

34 Applicazioni in campo clinico e sportivo

35 Verifica dell efficacia di un protocollo di «balance training» Allenamento propriocettivo (balance training) Allenamento della capacità di recupero dell equilibrio destabilizzato da componenti ambientali quali ad esempio: riduzione della base di appoggio instabilità della base di appoggio riduzione, o eliminazione delle informazioni visive. Funzione prevalentemente preventiva e riabilitativa nei confronti degli infortuni Non è del tutto chiaro il meccanismo d azione, né l effetto su soggetti sani È possibile migliorare la prestazione migliorando le capacità di equilibrio di base? Se il sistema integrato visivo-vestibolare-propriocettivo è adeguatamente condizionato, l organismo ha meno bisogno di occuparsi dei compiti di base e può dedicarsi con migliori risultati ad attività più complesse Perché l età giovanile ( )? Numerosi studi hanno riscontrato come le abilità posturali di base siano soggette a drastiche variazioni fino a 16 anni. Obiettivi generali della ricerca Somministrazione di un protocollo di balance training per sei settimane, valutazione strumentale prima e dopo di alcuni indicatori tipici dell equilibrio (sway area, massima escursione e velocità di spostamento del COP) in condizioni mono e bi-podaliche, in presenza e assenza di input visivo

36 Verifica dell efficacia di un protocollo di «balance training» Esercizi di base (sul terreno) Andature Appoggi monopodalici statici (occhi aperti e occhi chiusi) Con la palla (sul terreno) Lanci frontali e laterali (altobasso) in appoggio monopodalico Su tavoletta oscillante con e senza palla Ricerca della posizione di equilibrio (bipodalico) Lanci frontali (mimando gesti specifici della pallavolo) ricercando la posizione di equilibrio

37 Influenza della fatica sull equilibrio Obiettivo: valutare l effetto causato dalla fatica acuta (sprint ripetuti) in giovani calciatori

38 Influenza della fatica sull equilibrio Obiettivo: valutare l effetto causato dalla fatica acuta (sprint ripetuti) in giovani calciatori

39 Influenza della fatica sull equilibrio