Validazione e messa in funzione di una scala strumentata per applicazioni in ambito clinico

Stair climbing is a common daily-living activity more demanding from the musculoskeletal system point of view than level walking: its biomechanical analysis can be considered a clinical tool for the investigation of motor functions diseases. The aim of this project is validating and putting into operation an instrumented staircase which gives us some information about angles, moments, and powers patterns of the most important joints of the lower limbs during ascent and descent. The staircase is integrated into the experimental set-up of a gait analysis laboratory which is composed by an optoelectronic system with 8 cameras, a force platform, a PC and some A/D conversion boards which act on the signals coming from the force transducers hidden under 2 steps. Furthermore, some Matlab script help us to define the Center of Pressure (COP) coordinates and the Ground Reaction Force (GRF) vector on each instrumented step. Firstly, all the transducers were calibrated using some gym weights and a dynamometer alternating loading and unloading phases. Secondly, COP and GRF accuracy was tested with a rigid rod providing minimum errors for both of them. Then, in order to validate a future clinical use of the whole system, 2 healthy voluntary people were tested: they were asked to ascent and descent the staircase in 3 different ways (uncontrolled speed, controlled speed and step-by-step walking). Spherical reflective markers were applied to the body to identify specific anatomical landmarks according to the Davis protocol restricted to the lower limbs; this protocol is required by the software (SmartAnalyzer) chosen to process the tridimensional coordinates of the markers detected by the cameras, anthropometric measurements of the person and the GRF vector given by Matlab. Comparing our results to the literature, it was possible to demonstrate that the instrumented staircase is an efficient tool to assess the kinematic and kinetic biomechanical behavior in the sagittal plane both ascending and descending stairs, but it isn’t reliable in the frontal and transverse planes probably because of the protocol used to reconstruct the joint rotational centers and axis. The certification and the CE marking will be necessary to use the staircase on pathologic patients in order to understand the most suitable rehab treatment for each person analyzing the biomechanical data which this tool is able to provide.

La salita e la discesa di scale sono atti motori comunemente eseguiti nella vita di tutti i giorni che impegnano in maniera più consistente l’apparato muscolo-scheletrico rispetto al cammino in piano: l’analisi biomeccanica di tali attività può essere, quindi, considerata probante in ambito medico per valutare eventuali limitazioni della funzionalità motoria che colpiscono gli arti inferiori. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato validare e mettere in funzione una scala strumentata con appositi sensori di forza inseriti nel telaio di 2 suoi gradini dalla quale ottenere informazioni sull’andamento di angoli, momenti e potenze delle principali articolazioni degli arti inferiori durante la salita e discesa. Questo strumento è stato integrato nel set-up sperimentale tipico di un laboratorio di analisi del movimento che comprende un sistema optoelettronico fornito di telecamere di ripresa, una piattaforma dinamometrica, un PC collegato al sistema stesso e delle schede di conversione analogico-digitale dei segnali provenienti dalle celle di carico. Oltre a ciò, sono stati implementati degli appositi script in Matlab attraverso i quali definire le coordinate del centro di pressione (COP) e il vettore di forza di reazione vincolare all’appoggio del piede (GRF) su ciascuno dei gradini sensorizzati. In primo luogo, è stata calibrata, singolarmente, ciascuna cella di carico ricorrendo all’utilizzo di pesi da palestra e di un dinamometro con cui alternare fasi di sollecitazione a periodi di riposo. In seguito, sono state condotte delle specifiche prove per stimare l’accuratezza delle coordinate del COP e della direzione della GRF individuando un errore contenuto per entrambe le grandezze. Per validare il sistema a un suo futuro utilizzo in ambito clinico-riabilitativo, sono stati testati 2 soggetti sani volontari a cui è stato chiesto di compiere 3 differenti tipologie di prove di camminata su scala (a velocità non controllata, a velocità controllata e a piedi appaiati). Nelle fasi di acquisizione, sono stati applicati sui soggetti dei marcatori sferici retroflettenti posizionati in corrispondenza di specifici punti anatomici secondo il protocollo Davis, limitandolo ai soli arti inferiori, richiesto dal programma software (SmartAnalyzer) scelto per l’elaborazione dei risultati a partire dalle coordinate spaziali di quest’ultimi, dalle misure antropometriche della persona e dalle componenti della GRF ottenute in Matlab. Dal confronto dell’andamento delle variabili indagate con quanto riportato in letteratura, è stato possibile concludere che il nostro sistema rappresenti un efficiente strumento per la valutazione del comportamento cinematico e cinetico nel piano sagittale sia in salita sia in discesa, ma presenti delle lacune nella descrizione del movimento negli altri 2 piani, dovute probabilmente al modello di identificazione dei centri e degli assi di rotazione articolare. Infine, sarà necessario procedere alla certificazione della scala strumentata e al conseguimento della marcatura CE volendola impiegare su pazienti patologici per comprendere quale sia la terapia clinico-riabilitativa ottimale da seguire sulla base dell’analisi biomeccanica che essa ci consente di effettuare.