Indici dinamici per la valutazione del cammino in bambini con diplegia

Cerebral Palsy (CP) is a non-progressive neurological pathology that may occur before, during or in the first months after birth for several causes. Brain lesions mainly affect the areas of motion control, making it the most common pathological disorder in children in both developing and developed countries. Nevertheless, more than 70% of children with PCI are able to walk although there are different disability and severity of the disease, which can be evaluated in a subjective manner using the clinical scales of which the gold standard is the Gross Motor Functional Classification System (GMFCS) and, objectively, with Gait Analysis. Gait Analysis is a analysis method that allows for the quantitative acquisition of space-time parameters, kinematic and kinetic graphs in the three dimensions, providing a large amount of output values. Implementation of output data in synthetic indices was necessary to simplify the understanding and interpretation of the large amount of data obtained. The major global indices in literature are based on kinematics and are Normality Index, the Gait Deviation Index, and the Gait Profile Score. The main disadvantage of the listed indices is the lack of consideration of kinetic information. The analysis of GRF data and the implementation of synthetic platform indices to discriminate against several conditions has been performed for several pathologies, but there are no examples to be considered CP patients. The first objective of the current thesis is to characterize the pathological condition of bilateral spasticity in children with PCI compared to healthy one, by implementing synthetic platform indices based on the timing and on the strength value of significant points of the antero-posterior and vertical component of the GRF, beyond the value of the area calculated. The values of the indices implemented were normalized with respect walking speed of the path of each subject. The second objective is to characterize, through the same platform indices, the different severity of the disease, by examining which of them are able to characterize the classes of GMFCS. The last goal is to evaluate the existing correlations between platform indices and the GPS kinematic index, considering both the entire diplegic group and each GMFCS class. The subjects considered for this study were 58 children with diplegia affected by PCI (age range: 4 to 17 years), and 13 healthy subjects (9 to 20 years). . The implementation of the platform indices was carried out by MatLab by which the timing, strength values of the characteristic points and areas of the two components of the GRF analyzed were extracted. Through specific relationships between timing, forces and areas 23 indices were calculated. These 23 indices are the “Platform Symmetry Indices” (P_SI). These indices were then split into three classes based on the parameter used for their implementation. For each class, the weighted average was calculated, considered as a new global index. Thus, the global index of time, strength and area was calculated with the aim of summarizing the data and providing a clearer and more immediate understanding of the pathological condition analyzed. In the diplegic group, the platform indices that were normalized with respect to the gait velocity were significantly different from the same indices in which this operation was not conducted. In the control group, however, no statistical differences was observed between platform indices normalized and non-normalized respect to the gait velocity. The results of the first experimental question showed that platform indices, once normalized, are able to characterize the diplegic condition with respect to the healthy situation and are able to discriminate between the first three classes of GMFCS from the class with the grade of the greatest severity considered in this study, the fourth. Global time, area, and strength platform indices were also able of detecting a diplegic situation from a normal condition by disrupting GMFCS class IV patients from the previous three classes. The correlations of normalized platform indices, considering the entire diplegic group, with GPS are moderate and, especially for the indices derived from the parameters extracted from the vertical component of the GRF, very significant. In conclusion, this work has characterized, through the synthetic platform indices, the diplegic condition, even its severity, compared to the normal condition by highlighting the major correlations with the kinematic indices. Possible future developments are the use of the Support Vector Machine to investigate pattern characteristics, also calculating the accuracy, sensitivity, and specificity and, in addition, the use of the Principal Component Analysis, thus considering the entire information coming from GRF and not just the punctual values for an overall evaluation of the pattern.

La Paralisi Cerebrale Infantile (PCI), o Cerebral Palsy (PCI), è una patologia neurologica non progressiva che può scaturire prima, durante o nei primi mesi dopo il parto per diverse cause. La lesione a livello cerebrale colpisce principalmente le aree deputate al controllo dei movimenti, rendendola la patologia che più frequentemente comporta delle disabilità motorie nei bambini, sia nei Paesi in via di sviluppo che in quelli più sviluppati. Nonostante ciò, più del 70% dei bambini affetti da PCI è in grado di camminare, benché esistano differenti condizioni di disabilità e severità della stessa. La condizione patologica può essere valutata, in modo soggettivo, utilizzando delle scale cliniche, di cui il gold standard per quanto riguarda i pazienti con PCI è la Gross Motor Functional Classification System (GMFCS) e, in modo oggettivo, con la Gait Analysis. La Gait Analysis è un metodo d’indagine che permette l’acquisizione quantitativa dei parametri spazio - temporali e di ottenere grafici cinematici e cinetici nelle tre dimensioni. L’implementazione in indici sintetici dei dati in uscita è necessaria per semplificare la comprensione e l’interpretazione dei dati stessi. I principali indici globali presenti in letteratura sono basati sulle informazioni dei dati cinematici come il Normality Index, il Gait Deviation Index e il Gait Profile Score. Il principale svantaggio degli indici elencati è la mancata considerazione di informazioni cinetiche. Per quanto riguarda indici sintetici basati su dati cinetici in letteratura diversi esempi, come il Required Coefficient of Friction (rCOF) che è stato valutato in diverse patologie, ma lavori in cui vengano considerati soggetti affetti da PCI sono carenti. Il primo obiettivo di questa tesi è la determinazione di indici dinamici attraverso l’individuazione di punti significativi della componente antero - posteriore e verticale della Ground Reaction Force (GRF) con l’obiettivo di caratterizzare la condizione di spasticità bilaterale in soggetti affetti da PCI rispetto ad una condizione sana. Il secondo obiettivo è la caratterizzazione, attraverso gli indici di piattaforma implementati, della severità della patologia identificate, benché in modo non oggettivo, dalla classe I fino alla classe IV, a disabilità crescente, della GMFCS a cui i soggetti con diplegia appartengono. L’ultimo obiettivo è la valutazione delle correlazioni esistenti tra gli indici dinamici e l’indice cinematico GPS sia nell’intero gruppo diplegico sia in ogni classe della GMFCS. I soggetti considerati per questo studio sono stati 58 bambini con diplegia, affetti da PCI, di età compresa tra i 4 e i 17 anni, e 13 soggetti sani con un’età tra i 9 e 20 anni. L’implementazione degli indici dinamici è stata effettuata in MatLab, con il quale sono stati estratti i punti necessari per questa operazione. Tramite specifici rapporti tra i timing, le forze dei punti significativi e tra le aree calcolate delle componenti analizzate, trovati in letteratura, sono stati implementati 23 indici di piattaforma a cui ci si riferisce, nell’insieme, come ai “Platform Symmetry Indices” (P_SI). Gli indici implementati sono stati successivamente divisi in tre classi in base al parametro utilizzato per la loro implementazione e, per ogni classe, si è calcolata la media pesata, considerata come nuovo indice globale. Si è calcolato, quindi, l’indice globale di tempo, di forza e di area, non presenti in letteratura, con l’obiettivo di riassumere maggiormente i dati e di fornire una comprensione più chiara ed immediata della situazione patologica analizzata. Per tutte le prove di Gait Analysis elaborate è stata tenuta in considerazione la velocità del cammino del paziente e ne è stata valutata la media nei due gruppi in analisi. La velocità del cammino nel gruppo di controllo è pari a v = 1,00 (0,13) m/s mentre nel gruppo diplegico è uguale a v = 0,69 (0,22) m/s. Questo parametro, inoltre, diminuisce all’aumentare della severità della patologia; nella classe I della GMFCS è pari a 0,82 (0,23) m/s fino ad arrivare a 0,42 (0,10) m/s nella classe IV. Pertanto l’operazione di normalizzazione degli indici dinamici implementati rispetto alla velocità del cammino è risultata necessaria. Quindi sono stati considerati gli indici di piattaforma normalizzati rispetto a questo parametro per calcolare gli indici globali di tempo, forza ed area ed effettuare i diversi confronti statistici. I risultati hanno mostrato che gli indici di piattaforma identificati in questo lavoro sono significativamente diversi nella condizione di diplegia rispetto alla situazione sana. Tutti gli indici dinamici implementati per il gruppo di controllo hanno un valore sempre molto vicino al valore unitario, mentre gli indici del gruppo diplegico presentano dei valori anche superiori a due; ad esempio, il rapporto tra la forza del picco propulsivo dell’arto destro e dell’arto sinistro della componente anteriore - posteriore della GRF è pari a 2,07 (1,37) nei soggetti con diplegia rispetto ad un valore 1,10 (0,16) nei soggetti sani. Questo risultato risulta essere molto significativo (p-value < 0,01) ed identifica una forte asimmetria di questo parametro nel gruppo patologico. Per quanto riguarda gli indici globali di tempo, forza ed area anch’essi hanno dei valori più vicini a quello unitario nel gruppo di controllo rispetto al gruppo diplegico. L’indice globale di forza, in particolare, presenta una differenza statistica molto significativa (p-value < 0,001) tra il gruppo di controllo (GI_forza = 1,01 (0,14)) ed il gruppo diplegico (GI_forza = 1,43 (0,45)). I valori degli indici dinamici implementati aumentano all’aumentare della severità della patologia indicando un’asimmetria del cammino maggiore nei pazienti con una condizione più grave. I risultati indicano che questi indici implementati, per la maggior parte, siano significativamente diversi nelle prime tre classi della GMFCS rispetto alla classe quarta, mentre sono state trovate poche differenze statistiche considerando solo le prime tre classi. Solamente il rapporto tra il tempo di stance ed il rapporto tra il timing della valle della componente verticale dell’arto destro rispetto all’arto sinistro sono diversi tra la classe III e la classe I (p-value < 0,01). Per quanto riguarda gli indici globali calcolati anch’essi aumentano dalla classe I alla classe IV e caratterizzano la classe IV rispetto alle altre (p-value < 0,05); solamente l’indice globale di tempo è diverso tra la classe III e la classe I. Le correlazioni tra gli indici di piattaforma implementati ed il GPS sono moderate ( 0,3 < ρ di Spearman < 0,7) e molto significative (p-value < 0,01) se si considera l’intero gruppo diplegico. Le correlazioni trovate tra gli indici dinamici delle classi di GMFCS ed il GPS non sono numerose, se non per la classe I in cui si trovano solamente delle correlazioni con gli indici dinamici relativi ai punti della componente verticale della GRF, ma la numerosità dei dati in ogni classe non è elevata, quindi potrebbe influenzare i risultati. Per quanto riguarda gli indici globali la correlazione maggiore è tra l’indice di tempo ed il GPS (ρ = 0,429, p-value < 0,01), ma anche per quanto riguarda gli altri due indici calcolati la significatività della correlazione è molto elevata (p-value < 0,01). In conclusione, questo lavoro ha mostrato delle differenze significative tra indici sintetici di piattaforma relativi ad una situazione di diplegia, anche nei diversi gradi di severità, rispetto alla condizione normale evidenziando diverse correlazioni con il GPS. Alla luce dei risultati ottenuti si potrebbe condurre una Stepwise Discriminant Analysis per valutare quali tra gli indici dinamici calcolati possano essere dei riconoscitori della condizione di diplegia. I possibili sviluppi futuri sono l’utilizzo del metodo Support Vector Machine per la caratterizzazione del pattern del cammino, calcolando anche l’accuratezza, la sensitività e la specificità del metodo, e l’utilizzo della Principal Component Analysis, considerando così l’intero grafico della GRF e non solamente dei valori puntuali per una valutazione complessiva del pattern del cammino.