ANALISI DEL CAMMINO: MATERIALI E METODI

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1 ANALISI DEL CAMMINO: MATERIALI E METODI 1.1. Criteri diagnostici Negli ultimi anni lo studio della postura e del movimento umano ha portato a delle innovazioni tecnologiche che permettono di ottimizzare i percorsi terapeutici e riabilitativi che interessano la deambulazione del soggetto patologico. Tale studio permette di analizzare dal punto di vista clinico la relazione dei sistemi fisiologici: il sistema muscolo-scheletrico, il sistema nervoso, il sistema sensoriale. Attraverso una attenta analisi dell'osservazione del passo, che coinvolge i diversi distretti articolari dagli arti inferiori al tronco, utili ad individuare le deviazioni del cammino. Una metodica diversa dell'osservazione visiva può essere l'analisi strumentale, determinante per documentare una quantità di informazioni dell'attività del paziente anche quelle non visibili essendo rapidi, e quindi stabilire un trattamento terapeutico-riabilitativo e di protesizzazione più idoneo. Per una accurata valutazione oggettiva sulla complessità del cammino si valutano diversi sistemi di misura che ci permettono di analizzare i parametri specifici alla funzione locomotoria: le tecniche di analisi cinematica del movimento che ci permettono di stabilire le caratteristiche spazio-temporali degli effetti della meccanica del cammino del paziente; l'elettromiografia dinamica tecnica che ci permette di misurare attraverso la registrazione con elettrodi di superficie (semg) l'attività dei muscoli durante il movimento. La piattaforma di forza consente di individuare qualitativamente il comportamento motorio del paziente durante il periodo di carico.

2 Importante è valutare l'andamento del consumo dell'ossigeno, delle energie in genere. Inoltre la ripresa video ci permette di avere informazioni qualitative di supporto all'indagine clinica. La scelta tra le differenti strumentazioni è in relazione al tipo di patologia da analizzare poiché ogni tecnica diagnostica valuta un aspetto specifico. Nel campo dell'analisi del cammino oggi si cerca di avere un approccio multifattoriale. Riassumendo, l'analisi multifattoriale del movimento comprende tutte le metodiche strumentali atte a fornire: quantità del movimento (cinematica), motivo del movimento (dinamica), parametri spazio-temporali, dati elettromiografici del paziente. Grazie all'acquisizione di strumenti e tecniche sempre più all'avanguardia è possibile avere una valutazione più precisa del paziente (Fig.1). Figura 1 Laboratorio di Neurofisiopatologia e Analisi del Movimento presso la Fondazione Don Gnocchi di Pozzolatico 2

3 1.2. Piani e assi di riferimento anatomici Nello studio del cammino oltre all'analisi del movimento e alla descrizione delle grandezze in gioco è importante definire i sistemi di riferimento più idonei. Quello più tradizionale è la proiezione sui tre piani di riferimento delle posizioni, degli spostamenti e degli angoli di una persona eretta: piano orizzontale o trasverso, che analizza i movimenti di rotazione interne ed esterne; piano frontale, che analizza i movimenti di adduzione e abduzione; piano sagittale, che analizza i movimenti di flesso estensione delle articolazioni. Nell'analisi del cammino le grandezze analizzate sono quelle riferite all'articolazione dell'anca, del ginocchio e della caviglia. Se si analizzano i movimenti riferiti alla cinematica del piede sui tre piani anatomici sopra descritti si avranno: sul piano trasversale i movimenti intra-extrarotazione; sul piano frontale i movimenti inversione-eversione; sul piano sagittale i movimenti dorsi-plantarflessione. In gait analysis, la rappresentazione cinematica è fortemente sensibile alla definizione degli assi coinvolti che dovrebbero essere scelti in modo tale che siano ripetibili e consentano una rappresentazione della cinematica articolare con le attese dell'esaminatore (il clinico ad esempio). I sistemi di riferimento anatomici sono ripetibili perchè dipendono solo dai punti di repere anatomici, e gli assi a cui si fa riferimento sono quelli anatomici (distale, prossimale, laterale, mediale, posteriore, flessione, abduzione), così i gradi di libertà del movimento sono chiamati in modo consistente con l'anatomia funzionale, per garantire un'interpretazione fisiologica e clinica oggettiva. Tutti i sistemi di quantificazione del movimento consentono la definizione delle escursioni e delle posizioni di ciascuna articolazione dal punto di vista numerico. La cinematica, dunque, è lo studio dei movimenti degli angoli articolari e delle 3

4 velocità angolar;. Descrive la posizione dei diversi segmenti del sistema muscolo scheletrico nello spazio (Fig.2) 1. Figura 2 Piani di riferimento anatomici 1.3. Cicli e fasi del passo Il cammino è il movimento determinato da un pattern di attività motoria ciclica degli arti inferiori del tronco che permette di trasferire il peso corporeo sull'arto di supporto e quindi di avanzare in avanti l'arto controlaterale. In questa fase possiamo evidenziare 2 funzioni: Il ciclo del passo Forze di reazione e contatto con il suolo 1 valentiniweb.com/piermo/documentazione/bio3.htm 4

5 Funzioni necessarie per una qualsiasi forma di cammino bipede. Il ciclo del passo si riferisce all'intervallo di tempo che intercorre tra due appoggi successivi dello stesso piede al terreno (stride). Tale intervallo è suddiviso in due fasi principali (Fig.3) 2 : La fase di stance o di appoggio, durante la quale il piede è a contatto con il suolo e occupa circa il 60% del ciclo. La fase di swing o di sospensione, oscillazione,durante la quale il piede è sollevato e portato in avanti per l'appoggio successivo e occupa circa il 40% del ciclo. Figura 3 Fase di appoggio e fase di volo J. Perry ha distinto otto intervalli funzionali, chiamate 'fasi', durante il ciclo del cammino. La combinazione in sequenza delle fasi permette all'arto di portare a termine tre compiti base: l'accettazione del carico (weight acceptance, WA), l'appoggio su un singolo arto, (single limb support SLS), l'avanzamento dell'arto (limb advancement LA). L'accettazione del carico (weight acceptance, WA) dà il via al periodo di appoggio e comprende le prime due fasi del ciclo: contatto iniziale (initial contact IC): in una percentuale del 0-2%; Comprende il momento in cui il piede, normalmente il tallone, tocca il pavimento. 2 Brochure 646A216 Harmony Informazione per tecnici ortopedici otto bock 5

6 risposta al carico (loading response LR): in una percentuale del 0-10%; Periodo di decelerazione durante il quale deve essere assorbito lo shock per il contatto con il suolo, corrisponde alla fase di primo doppio appoggio; L'appoggio singolo (single limb support SLS), che comprende altre due fasi successive del ciclo: appoggio intermedio (mid stance MS): in una percentuale del 10-30%; Inizia quando il piede controlaterale viene sollevato e termina quando il peso è sopportato dalle teste metatarsali e dalle dita del piede di interesse. In questa fase l arto supporta tutto il peso del corpo; appoggio terminale (terminal stance TS): in una percentuale del 30-50%; Questa fase conclude il singolo supporto e termina quando l arto controlaterale tocca il suolo. L'avanzamento dell'arto (limb advancement LA), l'ultima delle tre fasi comprende: pre-oscillazione (pre swing PS): fase finale dell'appoggio in una percentuale del 50-60%; è l ultimo periodo della fase di stance, corrisponde al secondo doppio supporto. Incomincia con il contatto iniziale del piede opposto e termina con il distacco delle dita dell arto in appoggio (toe-off). Oscillazione iniziale (initial swing Isw): in una percentuale del 60-73%; E il primo periodo della fase di swing: Il piede è sollevato dal terreno, l arto si muove in avanti. Il periodo termina quando l arto oscillante è parallelo al piede in appoggio. Oscillazione intermedia (mid swing Msw): in una percentuale del 73-87%; Comprende l avanzamento dell arto fino al punto in cui è davanti all altro. Oscillazione terminale (terminal swing Tsw): in una percentuale del %; L arto decelera per un corretto preposizionamento che lo prepari alla successiva fase di appoggio. Termina quando il tallone in esame tocca il suolo. [Perry J., 2005] 1.4. Analisi cinematica La cinematica, tramite un sistema optelettronico a raggi infrarossi, ci dà le informazioni sulle traiettorie dei punti, il calcolo degli angoli articolari nei tre piani principali e la velocità angolare. 6

7 La cinetica descrive i momenti e le forze che agiscono sui vari segmenti e ne causano i movimenti e le potenze. Il sistema utilizza software diversi; Smart Capture: esegue la calibratura del sistema per la visualizzazione realtime e per l'acquisizione delle immagini ( statiche o dinamiche) per poi analizzarle. Smart-Tracker: ci dà la ricostruzione tridimensionale di ogni marker a delle immagini acquisite dallo Smart-Capture. Smart-Viewer: ci consente di visualizzare e riprodurre i dati delle immagini acquisite. Smart-Analyzer: ci permette di fare l'analisi dei dati acquisiti e la loro elaborazione grafica. E' cosi possibile estrarre le variabili che nell'ambito del ciclo del passo definiscono i parametri spazio-temporali di riferimento. I parametri spaziali sono: la lunghezza del passo(stride) data dalla lunghezza del piede più la distanza coperta in fase di oscillazione; la distanza, invece, tra l appoggio di un piede (generalmente il tallone) e l appoggio della stessa parte del piede controlaterale viene definita semipasso (step); la larghezza del passo è la distanza sul piano frontale del tallone dalla linea mediana di avanzamento; la lunghezza del ciclo, la distanza coperta durante un passo misurato dal contatto iniziale di un piede fino al prossimo contatto dello stesso piede, in soggetti normali la lunghezza dx sn è simmetrica; la velocità. I parametri temporali sono: la durata del passo: il tempo misurato dal contatto iniziale di un piede fino al contatto iniziale dell'altro; la durata del ciclo: il tempo misurato dal contatto iniziale di un piede fino al prossimo contatto iniziale dello stesso piede; la fase di appoggio,la fase di volo, il doppio supporto,la cadenza ( numero di step nell unità di tempo). 7

8 Strumentazione BTS ELITE La Gait Analysis (analisi computerizzata) è uno strumento diagnostico che ci permette di studiare meglio gli aspetti della deambulazione del soggetto ( nel nostro caso amputato ), per impostare un percorso terapeutico ottimale. Strumento utile anche nel campo ortopedico, neurologico e sportivo. I dati digitali vengono prodotti da dei sistemi di analisi automatica sotto forma di immagini. I sistemi di base sono: i video con marker passivo, formati da piccole sfere di plastica riflettenti rivestite da catarifrangenti in polvere di alluminio,detti sistemi video automatici. i video con marker attivo con diodi emettitori luminosi, detti sistemi optoelettronici. Tutto il sistema è organizzato su due livelli di intelligenza diversi per il tipo e numero di operazioni da compiere. Il primo livello è una struttura hardware dedicata. Il secondo livello di intelligenza è formato da: software di base e applicazione software. Il software di base serve a ricevere le coordinate tridimensionali dei marker posizionati sul soggetto collegati alle informazioni provenienti dalle piattaforme dinamometriche e dai dispositivi elettromiografici. Dall'unione di tutti questi parametri abbiamo una ricostruzione tridimensionale del movimento secondo tecniche stereometriche che ci permettono di ricostruire un'immagine schematica del soggetto in movimento (Fig.4). Figura 4 Rappresentazione tridimensionale dei marker 8

9 Il sistema ELITE ( elaborazione di immagini televisive ) è il sistema più innovativo che ci fornisce in tempo reale la elaborazione dell'immagine televisiva mediante algoritmi di cross-correlazione che utilizza piccoli makers passivi che vengono applicati sul corpo del soggetto in determinati punti di repere. Questo sistema non invasivo consente al soggetto durante l'analisi del movimento un minimo ingombro e quindi ne agevolano i movimenti. Come abbiamo visto in precedenza questi makers, costituiti da piccole sfere di plastica rivestite da catarifrangenti in polvere di alluminio, con il loro riflesso ci danno le coordinate tridimensionali di ogni singolo punto. I dati vengono acquisiti da un sistema optoelettronico a raggi infrarossi formato da telecamere dotate di un sensore CCD sensibile alla radiazione luminosa infrarossa (Fig.5). Figura 5 la registrazione della posizione dei marker nello spazio, mediante telecamere sensibili alla radiazione infrarossa, viene restituita sottoforma di un file tridimensionale dopo l elaborazione stereoscopica del sistema. 9

10 I dati elaborati da software di base vengono utilizzati dalle applicazioni software per calcolare le variabili connesse alla dinamica ed alla cinematica: le traiettorie dei diversi punti, gli angoli tra i segmenti, la velocità, le accelerazioni, i momenti muscolari alle varie articolazioni, i tracciati elettromiografici, i diagrammi vettoriali, la lunghezza muscolare istantanea. L'analisi elettromiografica assieme a quella cinematica sono di notevole importanza per poter stimare il tono muscolare prima e dopo il trattamento e le sinergie dei muscoli in un movimento ecc Analisi cinetica Questo tipo di analisi serve ad mettere in evidenza le aree di contatto, il grado e l orientamento delle pressioni distribuite dai piedi alla pedana durante tutto il ciclo del cammino. Determinare la presenza di asimmetrie nell andamento dell arto protesizzato e controlaterale. Esaminare quantitativamente e qualitativamente lo esecuzione delle forze applicate sulla pedana durante il ciclo del cammino. Il soggetto viene fatto camminare sulla pedana baropodometrica la quale grazie alla presenza di cristalli piezoelettrici è in grado di catalogare le forze impresse al suolo durante il passo e le variazioni spaziali dei punti di appoggio Piattaforme di forza BTS-SMART Le piattaforme di forza sono delle pedane multicomponenti collegate a dei personal computers che ricevono ed elaborano i dati relativi alle 3 componenti x,y e z delle forze (taglio, postero-anteriore, verticale) le coordinate del centro di pressione (Px,Py) e il momento torcente Mz, (previa elaborazione dati del software BTS). Le piattaforme di forza a sensori piezoelettrici forniscono segnali elettrici che variano proporzionalmente al peso applicato (Fig.6). 10

11 BTS-SMART-CLINIC (BTS Bioengineering) impiegata per la valutazione clinica del movimento umano. Basata su protocolli validati dalla comunità scientifica internazionale è uno strumento avanzato, potente per l'analisi simultanea del movimento del corpo intero o singole parti del corpo grazie all'elevata risoluzione di acquisizione. Parametri valutabili con l'analisi cinematica: descrizione grafica dei risultati elaborati dal software BTS-SMART Figura 6 I sensori piezoelettrici della piattaforma di forza forniscono come risultato delle forze scambiate al momento dell'impatto del soggetto 1.6. Preparazione acquisizione dati e legenda La procedura di calibrazione del sistema optoelettronico BTS-Smart per l'analisi del cammino prevede l'acquisizione di alcune sequenze speciali in un ordine prestabilito: Un Axes sequence: bisogna posizionare una struttura con tre assi di riferimento, (Fig.7) fornita dal sistema, all'origine del volume che si vuole calibrare e poi acquisire, mediante il software Smart capture, un centinaio di frame. 11

12 Figura 7 Struttura a tre assi di riferimento per la calibrazione del sistema optoelettronico a marker passivi Una plate sequence: è necessario posizionare due assi a livello della piattaforma di forza ed acquisire la sequenza. Una Wand sequence: in questa fase il tecnico, con un'asse con due marker fornito dal sistema, deve percorrere l'intero volume che si vuole calibrare muovendo l'asse in diverse direzioni mentre il sistema è in acquisizione, in particolare è necessario tenere la bacchetta parallela ai tre assi durante i diversi movimenti che si eseguono. Una volta completate ed acquisite queste sequenze specifiche, sull'interfaccia del software compare una finestra che permette di avviare la calibrazione, se non ci sono stati errori. Una volta salvati i parametri computati in un file di calibrazione, è possibile iniziare le registrazioni. Ad accogliere il paziente vi è uno staff medico e tecnico e fin da subito parte l'analisi osservazionale, si focalizza l'attenzione sul come il soggetto si muove e cammina. Il paziente viene fatto accomodare e si inizia a stabilire una relazione che punta a metterlo a proprio agio. 12

13 La prova di deambulazione deve essere eseguita con il minor numero di indumenti possibili, viene spiegato al paziente o fatto vedere quali materiali vengono posizionati sulla cute, e all'incirca qual è la durata dell'esame. Si procede quindi con l'anamnesi. A questo punto si chiede al paziente di spogliarsi e si inizia con il rilevare le misure con strumenti di precisione come calibri e squadre (Fig.8). Figura 8 strumenti di misura utilizzati Ogni registrazione inizia con una fase di standing di riferimento per le fasi di walking; per l'acquisizione della fase di standing si chiede al paziente di stare fermo in posizione eretta (Fig.9). 13

14 Figura 9 Fase di standing Seguono le fasi di walking e il paziente inizia a camminare lungo la pedana quando gli viene dato il via, (l'operatore in postazione inizia a registrare), senza fermarsi fino a quando non gli viene dato lo stop (Fig.10). 14

15 Figura 10 Fase di Walking I risultati dell'analisi del cammino come più volte detto riguardano l'integrazione di più variabili biomeccaniche rilevate che possono essere visualizzate graficamente alla fine della registrazione registrazione e dell'analisi dei dati in un unico referto che nel prossimo capitolo analizzeremo dettagliatamente. Nei dati riportati nel prossimo capitolo, i parametri in rosso si riferiscono all arto protesizzato, i parametri in verde si riferiscono all arto controlaterale e la fascia grigia ai riferimenti di normalità secondo il protocollo Davis. 15

16 Bibliografia 16