L'utilizzo della principal component analysis nella caratterizzazione dei pattern cinematici dei bambini con diplegia

Walking is one of the most compromised functions in Cerebral Palsy. The incidence is 2-3 per 1000 born alive. Classical gait analysis enables to identify typical features of children with Cerebral Palsy (CP): shorter strides, slower speed, reduced joints range of motion. These measures are useful in clinical practice to help in therapeutic decisions, but provide little information on how the coordination between body segments is controlled. Principal component analysis (PCA) has emerged as a technique that can help in understanding motion patterns through decomposing movements into its fundamental structures, called Principal Movements (PMs). Thus, the aim of the present study was to quantitatively characterize the functional connections between multi-joint gait patterns in CP. This would allow a better understanding of the pathological motor schemes, and will provide the clinicians an objective tool to assess patients’ functional behavior. The group of patients, named Cerebral Palsy (CP), was composed of 65 children with spastic diplegia (38 males, 27 females) aged 10,5 (standard deviation 3,6). They participated in standardized gait analysis trials prior to any surgical intervention. A control group of 31 physically healthy children (19 males, 12 females), aged 12,6 (4,3) named Typically Developing (TD), was also tested. Data derived from Gait Analysis acquisition and elaborated in EliteClinic (BTS Bioengeneering, Milano, Italy), were transformed in text files, with Mokka (Arnaud Barré, BTK, France) and then passed in Matlab (Mathworks Inc., Natwick, USA). The raw coordinates in these files were filtered with low-pass, zero-lag, 2nd order Butterworth filter. The marker configuration in a precise time was named “posture”. After postures registration, a matrix was assembled containing the 3D instantaneous positions of lower limbs joint centers and trunk landmarks (Davis protocol) during the gait cycle. After coordinates resampling over 100 frames and postures registration, individual matrices, P, were submitted to PCA. Residual Variance (RV) was computed as the relative amount of variance expressed by Principal Components (PCs) in the residual pattern, constituted by the PCs of order higher than 4. Higher values of RV indicated higher dimensionality (activation of more movement patterns). Subsequently, a second PCA was performed on the covariance matrix of all participants’ postures, obtaining a set of PMs. To account for the impact of each PM on the overall motion we introduced the Relative Amplitude (RA). We also divided CP in two main group: CR, patient with knee flexion higher than 5 degree and HE, patient with knee extension lower than –5 degree. Assumptions of normality was verified for each variable using the Jarque-Bera test. Data are presented as means and standard deviations. For the Residual Variance and the Relative Amplitude of each PM, a 1-way ANOVA was performed to test the difference between CR, HE and TD groups. Where appropriate, post-hoc Tukey Honest Significant Difference tests were applied. The significance level was set at = 0.05 for all analyses. PM1 represented the posture variation due to anterior-posterior leg swing; PM2 the synchronous flexion-extension of both knees with an in-phase vertical movement of the upper body; PM3 the asynchronous knees flexion with an in-phase medial shift of the upper body (and thus body weight) onto the stance leg; PM4 the in-phase hip adduction with trunk inclination. PM4 and PM5 introduced lateral movements that can be mainly observed on the frontal plane. PM6 referred to a further refinement of movement regarding pelvic tilt. RV was significantly higher in both CP groups than in TD. In CR, RA was lower in PM1 (10%) and higher in PM4-6 (respectively 5, 6, and 4 times higher) than TD. In HE, RA was lower PM1-2 (8%, 20%) and higher in PM5 (6 times higher). Studying changes in posture through PCA allowed to quantify how a functional movement is impaired or a compensatory movement is activated in PCI. The results allow, not only, to underline differences between the pathological and normal gait pattern, but also to identify the main and secondary motor strategies. It was also possible underline the global way to organize the gait task in the pathological subjects. The RV allows to characterize the global dimensionality of movement, meanwhile the RA enables to identify the joints synergy variation among the groups. Although the inherent importance of classic gait evaluation, this technique does not offer the possibility to directly identify the joints synergies. Isolating, resynthesizing and comparing coordinative patterns, this approach provides a framework to develop visual objective and direct tools, assisting therapists in optimizing the intervention in the rehabilitation process.

Il cammino è una delle funzioni più compromesse nei pazienti affetti da Paralisi Cerebrale Infantile. L’incidenza risulta essere 2-3 per 1000 nati vivi. I risultati delle procedure di analisi del cammino permettono di individuare caratteristiche tipiche rispetto ai parametri spazio-temporali, quali ad esempio la lunghezza del passo e la velocità di locomozione, così come l’ampiezza e l’andamento nel tempo dei movimenti articolari (Bourgeois et al. 2014). Da queste si può notare che, pur presentandosi caratteristiche eterogenee all’interno dei pazienti affetti da PCI, esistono comunque caratteristiche del cammino specifiche della patologia, quali: ridotta lunghezza del passo, bassa velocità di cammino, ridotto Range of Motion delle articolazioni e cinematica della caviglia alterata (Russell et al. 2011). L’analisi classica del cammino consente, quindi, di identificare le compromissioni funzionali principali dei soggetti affetti da questa patologia. Queste misure risultano utili nella pratica clinica per agevolare le decisioni terapeutiche, ma non forniscono informazioni immediate su come vengono coordinati tra loro i vari segmenti corporei. Nel presente studio sono stati utilizzati dati misurati su un campione di 65 pazienti (38 maschi e 27 femmine - gruppo denominato Cerebral Palsy (CP)) affetti da Paralisi Cerebrale, in particolar modo la diagnosi è diplegia spastica, con una media d’età di 10,5 (deviazione standard 3,6) e dati di 31 soggetti sani (19 maschi e 12 femmine), gruppo denominato Typically Developing (TD), con età media di 12,6 (4,3). I dati provenienti dalle acquisizioni elaborate con il programma EliteClinic (BTS Bioengeneering, Milano, Italy) sono stati, successivamente, esportati come file testo grazie all’applicativo Mokka (Arnaud Barré, BTK, France) e infine importati in ambiente Matlab (Mathworks Inc., Natwick, USA). Le coordinate grezze sono state filtrate con un filtro Butterworth passa-basso del secondo ordine (frequenza di taglio pari a 15 Hz). Le coordinate definite nel ciclo del passo sono state ricampionate su 100 frames, e poi espresse in un nuovo sistema di riferimento solidale al soggetto. La configurazione dei marker in un determinato istante temporale è stata definita “postura”. Ogni prova è quindi descritta da una matrice P. Ciascuna matrice delle posture è stata analizzata attraverso la tecnica della PCA. La dimensionalità del movimento è stata calcolata attraverso la Residual Variance (RV), ovvero la quantità relativa di varianza nei Principal Components (PC) di ordine maggiore al quarto, cioè quelli che costituiscono il pattern residuo. È stata eseguita una seconda PCA sulla matrice globale delle posture Pglobal di ciascun soggetto, al fine di caratterizzare i movimenti principali (Principal Movement, PM), cioè la proiezione di ciascun autovettore della matrice di covarianza di Pglobal nello spazio originale. Per valutare il contributo di ciascun componente sul movimento globale si è calcolata la Relative Amplitude. Un ulteriore raggruppamento dei soggetti patologici è stato effettuato a partire dalla postura in fase di standing. In particolare si sono definiti due gruppi principali: Crouch Group (CR) e knee Hyperextension group (HE). La classificazione è stata utilizzata, poi, per effettuare confronti tra i gruppi. L’Analisi della Varianza (ANOVA) a una via è stata utilizzata per verificare eventuali differenze nei valori di Relative Variance e Relative Amplitude; nel secondo caso l’analisi è stata ripetuta per ciascun PC. Ove le differenze sono risultate significative, sono stati eseguiti dei test post-hoc (Tukey Honest Significant Differences). Il livello di significatività è stato posto al 5% (= 0.05). La percentuale di varianza spiegata dalla prima componente è maggiore nei TD rispetto ai CP. Al contrario, valori maggiori di varianza spiegata sono stati misurati nelle componenti successive nei CP rispetto ai TD. Le prime quattro componenti rappresentano circa il 99% della varianza globale. In particolar modo, i primi tre movimenti principali si svolgono principalmente sul piano sagittale e riguardano rispettivamente oscillazione delle gambe (PM1), flesso-estensione sincrona delle ginocchia (PM2), flesso-estensione asincrona delle ginocchia (PM3). I PM4 e PM5 introducono dei movimenti latero-laterali, in particolar modo riguardanti l’articolazione dell’anca con movimenti del tronco, che si svolgono principalmente sul piano frontale. Infine, il PM6 rappresenta il movimento di tilt pelvico. I pazienti sono stati suddivisi in gruppi in base alla loro postura di partenza in standing. 34 (52.4%) pazienti sono stati attribuiti al gruppo con flessione del ginocchio maggiore di 5 gradi (CR), 9 (13.8%) pazienti sono stati attribuiti al gruppo con estensione del ginocchio minore di –5 gradi (HE) e 15 (13.6%) pazienti sono stati attribuiti al gruppo con una compromissione asimmetrica dei due arti (AS). La RV calcolata è risultata essere più alta nei gruppi CR e HE che nel gruppo TD (p < 0.01). In particolare, i valori di RA per quanto riguarda il PM1 sono risultati significativamente minori in CR rispetto a quelli di TD (10 %), mentre i valori di RA in PM4-6 per CR sono significativamente maggiori (rispettivamente 5, 6, 4 volte tanto). Infine, i valori di RA sono risultati significativamente minori in HE rispetto a quelli di TD per quanto riguarda PM1-2 (8, 20 %); invece i valori di RA per il PM5 sono apparsi significativamente maggiori in HE rispetto a TD (6 volte tanto). La novità principale del lavoro svolto risiede nell’identificazione dei pattern motori dei soggetti affetti da Paralisi Cerebrale Infantile. Dai risultati ottenuti è stato possibile non solo sottolineare le differenze tra il pattern motorio patologico e quello sano, ma si sono anche individuate le strategie motorie principali e quelle secondarie. Si è evidenziato come in questa tipologia di soggetti patologici viene organizzato globalmente il cammino. Il calcolo della RV ci ha permesso di valutare la dimensionalità globale del movimento, mentre il calcolo della RA ha permesso di identificare le variazioni di sinergie alle articolazioni nei diversi gruppi. Nonostante la grande importanza della valutazione della cinematica articolare tradizionale, questa tipologia di analisi non rende direttamente possibile lo studio delle sinergie alle diverse articolazioni. I PM, quindi, rappresentano un metodo diretto per quantificare la cinematica multi-articolare, rendendone l’interpretazione meno dipendente dalla presenza di un operatore esperto.