CINETICA DELLA CORSA DI ATLETI AMPUTATI TRANSTIBIALI E CONFRONTO CON ATLETI NORMODOTATI

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1 UNIVERSITA DI PAVIA FACOLTA DI MEDICINA E CHIRURGIA Corso di Laurea in SCIENZE MOTORIE CINETICA DELLA CORSA DI ATLETI AMPUTATI TRANSTIBIALI E CONFRONTO CON ATLETI NORMODOTATI Tesi di Laurea di Matteo Zanetti Matricola: /32 Relatore: Prof. Decortes Francesco Correlatore: Ing. Bonacini Daniele Anno Accademico 2005/2006

2 SPORT PER DISABILI POLISPORTIVA MILANESE: società sportiva di disabili nel settore promozionale ma anche agonistico presso cui svolgo l attività di tecnico volontario atletica leggera disabili Principale compito del tecnico è individuare le strategie motorie e i meccanismi di compensazione del disabile per consentire l ottimizzazione della performance a livello agonistico. In questo contesto si inserisce l attività della tesi.

3 OGGETTO DELLA TESI E STRUMENTAZIONE L oggetto della tesi è l analisi cinetica della corsa lanciata di un campione di tre atleti paralimpici amputati sotto il ginocchio e di tre atleti normodotati di differente livello (amatoriale, medio ed alto agonistico) tramite il sistema optoelettronico VICON e pedane piezoelettriche KISTLER. Layout volume acquisizione 8 telecamere infrarosso Vicon Piattaforma di forza Kistler

4 I parametri antropometrici atleti secondo protocollo KADABA PARAMETRI ANTROPOMETRICI

5 PROTOCOLLO KADABA Il sistema optoelettronico VICON utilizza il protocollo Kadaba: Punti di repere anatomici dell arto inferiore su cui vengono posizionati i marker: 1.Bacino (RASI, LASI, LPSI, RPSI) 4 spine iliache dx sx anteriori e posteriori 2. Gamba (LKNE, LTHI, LANK, LTIB, RKNE,RTHI, RANK, RTIB) Epicondilo femorale dx e sx 1/3 del femore dx e sx Malleolo esterno dx e sx 1/3 della tibia dx e sx 3. Piede (LTOE, LHEE, RTOE, RHEE) secondo metatarso sx e dx calcagno sx e dx

6 ADATTAMENTI PROTOCOLLO Marker su protesi secondo metodo Bucley con l atleta sulle punte dei piedi : Epicondilo femorale sull invaso, malleolo virtuale sul piede, 1/3 della tibia virtuale sull attacco a T Due marker sul piede: tallone virtuale e secondo metatarso Altri due marker per valutare l allineamento invaso-piede: Un marker fissato in corrispondenza dell appoggio sottorotuleo sull invaso Un marker sul profilo del piede in corrispondenza dell attacco a T

7 ACQUISIZIONE : angoli delle articolazioni arto inferiore Valori positivi assegnati ai tre piani di riferimento: Piano Sagittale : 1. Dorsiflessione della caviglia 2. Flessione del ginocchio 3. Flessione dell anca 4. Anteroversione bacino Piano Orizzontale 1. Intrarotazione di ginocchio 2. Intrarotazione di bacino 3. Intrarotazione anca Piano Coronale 1. Adduzione di ginocchio 2. Adduzione di anca 3. Basculamento verso l alto del bacino PER CONVENZIONE SI CONSIDERA ZERO di RIFERIMENTO: segmenti coscia e gamba allineati e perpendicolari al terreno durante la fase di appoggio

8 ANALISI DEI DATI: parametri spazio-temporali Larghezza falcata maggiore amputato per ricercare equilibrio (dipende da lunghezza moncone) Lunghezza falcata inferiore ai normali perché ginocchio e anca flessione limitata e assenza plantarflessione articolazione tibio tarsica. Stance phase e tempo di contatto al terreno maggiore su protesi ( piede meccanico non ha una risposta veloce come piede sano) Cadenza e velocità dello sprint amputati sono inferiori ad atleti normali di alto e medio livello, ma superiori a atleti di livello amatoriale o semi- agonistico

9 MECCANISMI DI COMPENSAZIONE Il ginocchio dell arto sano: lieve anticipo nel raggiungimento del picco di massima della flessione (140 ) per flessione limitata arto con protesi Il grafico dell anca dell arto sano sui tre piani è abbastanza nella norma. Nel piano sagittale presenta, come nel caso del ginocchio, un anticipo nel raggiungimento della massima flessione dovuta ad una strategia di compensazione.

10 ANALISI DATI: Arto protesizzato Bacino Sistema di riferimento assoluto Il Range of Motion del pelvic tilt è proporzionale al consumo energetico dell atleta; infatti lo sprinter tende a mantenere il tronco inclinato in avanti e nel caso degi normali assume valori inferiori. Obliquity abbassamento lato protesi in fase di caricamento (principio molla) Extrarotazione in fase di stance e scarsa intrarotazione surante lo swing.

11 ANALISI DATI: Arto protesizzato Anca Lato protesi estensione prossima allo zero, minore rispetto ai normodotati (60 ) in corrispondenza del toe-off e un valore minore del picco di flessione durante la fase di swing (circa meno dei normali). Nel piano frontale durante la fase di contatto l anca dell arto amputato va, contrariamente all arto sano, in abduzione per compensare l intrarotazione del ginocchio Nel piano orizzontale durante lo swing va in extrarotazione (avanzamento).

12 ANALISI DATI: Arto protesizzato Ginocchio Il ginocchio dell arto amputato flessione limitata per vincoli invaso e estensione limitata per l allineamento tra invaso e piede che conserva sempre una certa flessione di circa Sul piano frontale in fase di stance presenta abduzione Sul piano orizzontale si presenta una costante intra-rotazione dovuta al scarsa lunghezza e alla morfologia del moncone (linea blu moncone più corto)

13 ANALISI DATI: Arto protesizzato Articolazione tibio-tarsica Arto protesizzato I atleta IC TO IC Arto protesizzato II atleta IC TO IC Arto protesizzato III atleta IC TO IC Angolo caviglia della protesi minore dorsiflessione dovuta alla forma e all elasticità del piede meccanico, un tratto quasi orizzontale durante la fase di volo dovuto al mantenimento dell angolo fissato dal profilo del piede.

14 FORZE SCARICATE AL TERRENO ARTO SANO Valori forza normalizzati al peso corporeo II atleta 2778 N III atleta 2450 N

15 FORZE SCARICATE AL TERRENO PROTESI Valori forza normalizzati al peso corporeo I atleta 2400 N II atleta 2530 N III atleta 2522 N

16 EFFICIENZA RISPOSTA PIEDI PROTESI Confronto ground reaction force con diversi piedi Piede sano Piede Springlite Analisi con uno stesso atleta : 1 arto sano (3234 N) 0,7 piede Springlite (2254 N) 0,6 piede Cheetah (1960 N) Piede Cheetah Forza scaricata al terreno : forza muscolare dell atleta forma atleta tipo di piede protesi classe piede protesi(rigidità)

17 CONCLUSIONI La corsa è il prodotto di diversi fattori: 1-L INFLUENZA DELLA PROTESI determinata dalle proprietà elastiche del piede, dalla forma del piede, dai vincoli esercitati dall invaso e dall allineamento tra invaso e piede. 2-LA STRATEGIA MOTORIA e quindi I MECCANISMI DI COMPENSAZIONE in funzione del comportamento dell arto protesico. 3-FATTORI AMBIENTALI in quanto le acquisizioni sono state effettuate durante il periodo di allenamento invernale legato quindi ad una performance non brillante degli atleti. sistema VICON-KISTLER consente di ottenere i parametri cinetici interessante poter ripetere le acquisizioni in periodi diversi dell allenamento (progetto CONI-CIP avvicinamento Pechino 2008) Futura realizzazione invaso ad hoc

18 ARTICOLI INTERNAZIONALI KINEMATICS OF SPRINTING: COMPARISON BETWEEN NORMAL AND AMPUTEES ATHLETES Cugini Umberto, Bertetti Massimiliano, Bonacini Daniele, Zanetti Matteo * Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Politecnico, Milano, Italia * Dip.Scienze Motorie, Facoltà di Medicina e Chirurgia,Pavia,Italia The paper introduces the initial activities of a project related to the kinetic analysis of amputees athletes running by means of dedicated orthopaedic prostheses. In this first session it has been analysed the kinematics of four athletes sample, three normal (the first a high-level pro, the second a junior and the third an amateur) and one unilateral below-knee paralympic amputee. Research objective is to analyse the kinematics of the amputee athlete and the differences in respect of normal athletes. It has to be considered that each normal athlete has its own way of running which depends on his anthropometrical parameters and on its motion strategy: an ideal biomechanics of running, which is a reference to optimise the performance of athlete, doesn't exist. First of all it has been described the running biomechanical phases of normal athletes and the structural components of a sprinting prosthesis; then the system to analyse human movement and finally the adopted protocol for acquisition. The kinematical parameters and the motion strategy adopted by amputee are different in comparison to normal athletes: it has been analysed the anthropometrical parameters, the time-space parameters and pelvis, hip, knee and ankle angles. The collected data will be applied to the design process of running prosthesis in the socket manufacturing and in the alignment of prosthetic components to optimise the performance of the athlete. KEY WORDS: motion capture, amputee running, prosthesis, sport performance

19 ARTICOLI INTERNAZIONALI Biomechanics of sprinting amputees athletes Cugini Umberto, Bertetti Massimiliano, Bonacini Daniele Department Mechanical Engineering, Politecnico of Milan, Italy The article presents the final part of an intense research activity related to the biomechanics analysis of sprinting amputates athletes by means of orthopaedic prostheses. The first session has been devoted to the comparison between the normal and amputee athletes in order to analyze to the positioning of the amputee inside the sample of normal ones at different competitive level (pro, junior and amateur): it has been compared the kinematics parameters. The second session regarded the behavioural elastic-mechanic analysis of different feet which are on the market. The final part of this research regards a deepened analysis related to the kinetic one of a wider sample: it is made of five amputee athletes between them four below-knee amputation and just one above-knee, all paralimpics athletes. Thanks to the optoelectronics Vicon system and the Kistler force plate, it has been possible to obtain the kinematics and the dynamics just in an only one acquisition. It has been examined the structural components of the prosthesis and their relative alignment in order to optimize the performance of the athlete related to the used prosthesis. The aim of the research is the analysis of the different patterns and the different human movement strategies adopted by the athlete related to his anthropometric parameters, the type of used foot and type of training session. The Davis protocol has to consider, in the positioning of the markers, the amputee athlete prosthesis, the differences between feet so as to define the key parameters of foot performance. The data gathered by the research will be used so as to optimize the performance of the athlete: the prosthesis has to be analyzed along the process of socket design and along the alignment components phase. It has to be considered as a functional evaluation tool in order to understand the athlete condition along the training session and in order to optimize the training type for Assen world championship 2006.

20 GRAZIE