Dott. Mario Turani Dott. Mario Fusco Ing. Simone Turani Dr.ssa Alessandra Vangeri Gemini Lab. - Ricerca e Sviluppo Poliambulatorio Gemini - Bergamo
3D Motion Gait Analysis La Gait Analysis (Gait=passo) è una tecnica che permette tramite analisi computerizzata di monitorare i movimenti del corpo umano con particolare attenzione alle fasi durante il cammino. Lo studio del movimento viene registrato attraverso apposite telecamere a infrarossi (solitamente in numero di 6) e opportuni marker catarifrangenti generando un sistema indiretto che pertanto risulta essere non invasivo e indolore. Tale tecnica consente un’analisi non solo di tipo qualitativo ma anche di tipo quantitativo spesso di enorme importanza nei casi in cui gli aspetti della mobilità diventano fondamentali nella valutazione della limitazione funzionale di un paziente.
Foto : Principali markers da cui viene poi misurato e definito il movimento delle articolazioni
Allo studio del movimento in 3D la Gait associa anche un’indagine sia di tipo dinamico (con piattaforme di forza in grado di misurare le forze durante l’appoggio) che relativa all’attività muscolare intercorrente durante il movimento (attraverso sistemi elettromiografici). La Gait Analysis (GA) si sofferma sulla camminata in quanto rappresenta uno dei movimenti fondamentali della situazione motoria del paziente dove interazioni muscolo-nervo-scheletriche agiscono in maniera sinergica su differenti articolazioni. Pertanto lo studio del cammino e la sua evoluzione temporale può dare informazioni importanti sia sulla situazione attuale del paziente che sulla bontà di determinate cure o trattamenti riabilitativi. La possibilità di un indagine oggettiva e ben ripetibile che analizzi il movimento in 3D delle singole articolazioni si presenta pertanto come uno strumento altamente specifico capace di focalizzare l’attenzione di un particolare movimento (o articolazione) nello spazio.
Fig.1: Movimenti del bacino visti dai tre piani principali;
Fig.2: Movimenti delle anche e del ginocchio visti dal piano sagittale;
Un tempo questo strumento era sostituito da una semplice videoregistrazione del cammino che inevitabilmente riguardava due sole delle tre dimensioni possibili, e quasi mai quella trasversale (dall’alto). Il soggetto veniva quindi sempre analizzato ad un livello bidimensionale e l’indagine che ne emergeva era essenzialmente qualitativa e comunque ben poco confrontabile.
Tale tecnica non permetteva comunque un indagine di tipo dinamico (ad esempio relativa alle forze scambiate a terra a seguito di un determinato appoggio) né tantomeno dava informazioni sull’attività muscolare delle singole articolazioni. Un laboratorio di GA è costituito principalmente da: - Sistemi optoelettronici: sono dispositivi costituiti da emettitori di luce IR (infrarosso) con telecamere coassiali capaci di captare la luce riflessa dai marker catarifrangenti (solidali con i punti principali delle articolazioni o reperee) ad intervalli regolari (foto 1). La posizione degli emettitori/telecamere nello spazio circostante l’area di deambulazione permette una successiva ricostruzione 3D del movimento sia del corpo che delle sue principali articolazioni (e quindi determinare angoli di flesso-estensione, abdo-adduzione e extra-intra rotazione delle principali articolazioni, velocità e accelerazioni);
Foto 2: Esempio di laboratorio di Gait Analysis (sx) con marker (b) e camera (c).
- Piattaforme di forza:sono sostanzialmente delle pedane in grado di misurare il sistema di forze scambiate al terreno. Lo sforzo generato durante l’appoggio viene scomposto dinamicamente nelle sue 3 componenti spaziali (pressione, sforzo laterale e ant-post) attraverso sensori piezoelettrici che rispondono differentemente a seconda della direzione di carico. L’abbinamento di misure di forza con misure cinematiche di movimento permette di risalire a parametri cinetici come momenti angolari e potenze delle varie articolazioni.
Foto 3: Vettogramma generato durante l’appoggio del piede sulla piattaforma di forza nella camminata. La piattaforma possiede dispositivi piezoelettrici in grado di misurare sforzi nelle 3 direzioni principali.
Il protocollo di prova utilizzato in questo progetto è quello di Davis (Davis, 1991) che prevede innanzitutto la rilevazione dei parametri antropometrici del soggetto (altezza, peso, lunghezza della tibia del soggetto, distanza tra i condili femorali o diametro del ginocchio, distanza tra i malleoli o diametro della caviglia, distanza tra le creste iliache anteriori e spessore del bacino). Di seguito al soggetto vengono apposti sulla cute gli elementi di materiale catarifrangente (marker) nei determinati punti di repere (Figura 1). Come prima operazione si richiede al paziente di mantenere la posizione eretta indifferente per circa 5 sec da cui si determina la fase di "standing". Di seguito al soggetto viene chiesto di camminare con una velocità da lui ritenuta normale, partendo da un punto, che viene di volta in volta fissato, che gli consenta di appoggiare un solo piede su ciascuna piattaforma di forza. In genere vengono eseguiti 3 passaggi per arto.
Dalle prove di Gait Analysis si ottengono 3 diverse informazioni: - dati di cinematica: e piĂš in particolare angoli di flesso-estensione, abdo/adduzione e extra/intrarotazione delle principali articolazioni (anca ginocchio caviglia e bacino);
Fig.3: Esempi di rappresentazione grafica dei cinematismi delle articolazioni riprodotti dalla GA (sagittale)
- dati cinetici e dinamici: e piÚ in particolare momenti e potenze alle articolazioni di anca ginocchio e caviglia (particolarmente significativa è la dinamica nel piano sagittale);
Fig.4: Esempi di rappresentazione grafica delle grandezze cinetiche riprodotti dalla GA (caviglia);
Fig.5: Esempi di rappresentazione grafica delle forze scambiate con il suolo;
- dati elettromiografici: e più in particolare attivazione e disattivazione muscolare;
Fig.6: Esempi elettromiogramma misurato durante un’acquisizione GA.
In questo progetto i dati di tipo EMG sono stati esclusi in quanto non interessanti ai fini del progetto stesso. I dati cinematici vengono visualizzati a seconda del piano di osservazione (frontale, sagittale e trasversale) in grafici relativi al comportamento di flesso/estensione, Abdo/adduzione ed extra e intra rotazione dell’arto destro (linea in blu) e dell’arto sinistro (linea rossa) (Fig. 6b). Le bande grigie rappresentano il range di normalità che varia a seconda della tipologia del soggetto (età, sesso) e provengono da statistiche su campioni affini al soggetto. Le grandezze cinematiche (angoli) sono rappresentate in funzione della % del ciclo del passo (asse x) pertanto i parametri angolari degli arto dx e sx sono relativi plottati sulla medesima coordinata. Un ciclo del passo viene definito dall’istante di contatto di un piede al terreno fino al contatto successivo dello stesso piede.
Fig.7: Rappresentazione schematica del ciclo del passo.
In aggiunta ai dati sopramenzionati si utilizza spesso il parametro GGI (Gillette Gait Index) ossia un indice sintetico in grado di quantificare globalmente il pattern deambulatorio del soggetto (Schutte 2000). Viene calcolato come la distanza tra un set di 16 variabili discrete che descrivono il cammino di un soggetto e una media di tali variabili calcolata dai dati di persone price vi patologie.
Fig.8: Bouquet di variabili cinematiche che determinano il GGI.