Valutazione dell'attività mioelettrica durante la deambulazione in pazienti con artroprotesi bilaterale e monolaterale d'anca

The present thesis project focuses on the analysis of the myoelectric activity during walking in patients with unilateral and bilateral total hip replacement. The main cause of total hip arthroplasty is osteoarthritis, which is a progressive degeneration of the articular cartilage resulting in pain, swelling, joint stiffness and in some cases immobilization. Posture and movement are the result of the interaction of nervous system, sensory system and musculoskeletal system, for this reason the study of motor alterations is a topic of great interest from a rehabilitative point of view. The Gait Analysis is a tool able to provide detailed quantitative information for the characterization of walking in pathological subjects. It consists in the 3D detection of kinematic, dynamic and electromyographic quantities during the execution of a specific motor task, with the aim of measuring quantitatively the key aspects of walking that are used to study the functional impairment of a given subject. The aim of this work, born from the collaboration between the “Luigi Divieti” Laboratory of DEIB and the Movement Analysis Laboratory of Humanitas (Rozzano) directed by Prof. Roberto Gatti, is to study, through the use of an appropriate parameter, the myoelectric activity of patients undergoing unilateral and bilateral total hip replacement surgery. The chosen parameter is the frequency of occurrence (OF), defined as a percentage number of gait cycle, with respect to the total, in which a specific number n of activation intervals is observed. Recently, the OF has been proposed as a suitable parameter to evaluate the variability of myoelectric activity during walking. In the current literature there are no studies examining the myoelectric activation scheme both in subjects operated bilaterally and monolaterally, but most of them generally focus on patients that underwent unilateral surgery with assessments carried out months or even years later from the procedure. The originality of this work lies in the fact that we compared the electromyographic data of two different groups of patients and we extracted the data the day before the procedure and 7 days later, so in the immediate post-operative period. In this way it is possible to obtain valuable information that may be useful to better tailor rehabilitation programs on the specific patients’ needs. For the study the data of 34 patients between 45 and 65 years old were analysed, 18 of them have had unilateral total hip arthroplasty and the other 16 simultaneous bilateral THA. All the patients performed the same tests in two experimental sessions: one day before surgery (T0) and 7 days later (T2). The data were acquired through an optoelectonic system with six cameras (BTS SMART DX, Italy), two force platforms (P-6000 BTS Spa) and eight surface electromyographic probes (FREEEMG 1000 BTS,Italy). The electromyographic data related to Tibialis anterior, Gastrocnemius medialis, Rectus femoris end Gluteus medium were analysed thanks to the development of a protocol using SMARTAnalyzer software (BTS,IT), based on a method published in literature [1], in which the properly processed signal is segmented according to the events of the gait cycle and the muscular activation instants are defined. The OF is defined as the frequency whereby each activation occurs,quantified by the number of gait cycles in which the given muscle is recruited with that specific activation modalidy. It can be expressed as: Typically, in each gait cycle, 1 to 5 activation intervals n can be observed. The obtained results show that the operated subjects, both with unilateral and bilateral THA, prefer a more simplified muscle activation pattern than the control group, i.e. with fewer activations. In fact, if we compare the values of the two pathological groups with those of the control one, we can see, for the operated subjects, a motor pattern with a smaller number of activations at the expense of those with a high number of activations. Comparisons were also made between the two operated groups, unilateral vs bilateral, and within the same group during pre- and post- surgery periods. As regards to the comparison between the two pathological groups, it can be seen that the patients that underwent to bilateral surgery have a simpler muscle activation pattern than that of the unilateral patients, i.e. show the tendency to activate the muscles a fewer number of times. Comparing the values found within the same group but in the two different experimental sessions, the behaviour of the unilateral and bilateral patients is very similar. Both groups, after the surgery, tend to increase the number of gait cycles, therefore the OF, with fewer activations at the expense of those with more activations, namely they generally show a lower number of activations and a simpler muscle activation pattern. From the comparison of the occurrence frequency in pre- and post-surgery periods, in both the operated groups, an important information is obtained: the differences between Tibialis anterior and Gastrocnemius medialis before and after the surgical procedure are not statistically significant. This fact could indicate that these two muscles are not as impaired as the Rectus femoris and Gluteus medius after the surgery and that as a result the patient could start an almost immediate rehabilitation process returning as soon as possible to its daily activities. The tendency to show a fewer number of activations also appears in the contralateral side of unilateral patients; this feature may be linked to the presence of long-lasting compensation strategies actuated by the patients. In the light of the obtained results, we can hypothesize that the use of this simplified motor strategy by the pathological subjects may be related to the proprioceptive loss following the THA procedure and to the consequent search by the patients of a new effective walking scheme. The use of these information can be of help not only to physicians, but alto to physiotherapists during the planning of physiotherapy sessions, so that patients can achieve a rapid and successful functional recovery.

Il presente lavoro di tesi si concentra sull’analisi dell’attività mioelettrica durante il cammino in pazienti con protesi totale d’anca sia a livello monolaterale che a livello bilaterale mediante elettromiografia di superficie. La causa primaria della protesizzazione totale è l’osteoartrite, ossia la progressiva degenerazione della cartilagine articolare con conseguente dolore, gonfiore, rigidità articolare e in alcuni casi immobilizzazione. Postura e movimento sono il risultato dell’interazione di sistema nervoso, sistema sensoriale e sistema muscolo-scheletrico, per questo motivo lo studio delle alterazioni motorie è un argomento di grande interesse dal punto di vista riabilitativo. La Gait Analysis, cioè l’analisi del cammino, è uno strumento in grado di fornire informazioni quantitative dettagliate per la caratterizzazione della deambulazione di soggetti patologici. Consiste nella rilevazione 3D di grandezze cinematiche, dinamiche ed elettromiografiche durante l’esecuzione di un task motorio, con il fine di misurare in modo quantitativo gli aspetti chiave della deambulazione che servono per studiare le limitazioni funzionali di un dato soggetto. L’obbiettivo di questo lavoro di tesi nato dalla collaborazione tra il Laboratorio “Luigi Divieti” del DEIB e il Laboratorio di analisi del movimento diretto dal Prof Roberto Gatti di Humanitas di Rozzano è quello di studiare, mediante l’uso di un opportuno parametro,l’attività mioelettrica di pazienti sottoposti ad intervento di protesi totale d’anca siamonolaterale che bilaterale. Il parametro scelto è la Frequenza di Occorrenza (OF), definita come percentuale del numero dei cicli del passo, rispetto al totale, in cui uno specifico numero n di intervalli di attivazione è osservato. Recentemente, la OF, è stata proposta come indice adeguato alla valutazione della variabilità dell’attività mioelettrica durante il cammino. In letteratura non sono presenti studi che esaminano lo schema di attivazione mioelettrica sia in soggetti operati bilateralmente che monolateralmente, ma la maggior parte di essi si focalizza generalmente su pazienti operati a livello monolaterale con valutazioni svolte a distanza di mesi, se non anni, dalla procedura. L’originalità di questo lavoro sta nel fatto di aver confrontato i dati elettromiografici di due diversi gruppi di pazienti e di aver estratto i dati il giorno prima dell’intervento e 7 giorni dopo, quindi nell’immediato postoperatorio. In questo modo si possono ricavare informazioni utili per la stesura di un adeguato protocollo riabilitativo. Per lo studio sono stati elaborati i dati di 34 pazienti di età compresa tra i 45 e i 65 anni, 18 di questi hanno subito un intervento di protesi totale d’anca monolaterale e 16 un intervento di protesi totale d’anca bilaterale simultaneo. Tutti i pazienti hanno svolto gli stessi test in due giornate sperimentali: un giorno prima dell’intervento (T0) e 7 giorni dopo (T2). I dati sono stati acquisiti tramite un sistema optoelettronico a sei telecamere a (BTS SMART DX, Italy), due piattaforme di forza (P-6000 BTS Spa) e otto sonde elettromiografiche superficiali (FREEEMG 1000 BTS, Italy). I dati elettromiografici relativi ai muscoli Tibiale anteriore, Gastrocnemio mediale, Retto femorale e Gluteo medio sono stati elaborati grazie allo sviluppo di un protocollo tramite il software SMARTAnalyzer (BTS, IT), basato su un metodo pubblicato in letteratura, in cui il segnale opportunamente elaborato viene segmentato in base agli eventi del ciclo del passo e vengono definiti gli istanti di attivazione muscolare. Al termine di questa fase, i dati ottenuti vengono usati per il calcolo del parametro scelto, la frequenza di occorrenza, e mediante test statistici sono stati eseguiti i confronti fra i diversi gruppi. La OF è definita come la frequenza con cui avviene ogni attivazione muscolare, quantificata dal numero di passi in cui il dato muscolo è reclutato con quella specifica modalità di attivazione. Tipicamente, in ogni ciclo del passo, posso essere osservati da 1 a 5 intervalli di attivazione n. I risultati ottenuti mostrano che i soggetti protesizzati, sia a livello monolaterale che a livello bilaterale, prediligono un pattern di attivazione muscolare più semplificato rispetto a quello del gruppo sano, ossia con un minor numero di attivazioni. Infatti, se si comparano i valori dei due gruppi patologici con quelli del gruppo di controllo, si può notare, per i soggetti operati,un pattern motorio con un minor numero di attivazioni a discapito di uno con un maggior numero di attivazioni. Le comparazioni sono state fatte anche tra i due gruppi operati, monolaterali vs bilaterali, e all’interno dello stesso gruppo nel pre e post-operatorio. Per quanto riguarda la comparazione tra i due gruppi patologici si evince che i pazienti operati in entrambi gli arti hanno uno schema di attivazione muscolare più semplice rispetto a quello dei pazienti monolaterali, cioè mostrano la tendenza di attivare il muscolo per un minor numero di volte. Confrontando invece i valori trovati all’interno dello stesso gruppo ma nelle due giornate sperimentali diverse, il comportamento dei monolaterali e bilaterali è molto simile. Entrambi i gruppi dopo l’intervento tendono a incrementare il numero di cicli, quindi la OF, con meno attivazioni a discapito di quelli con più attivazioni, ossia mostrano in generale un minor numero di attivazioni ed uno schema di attivazione muscolare più semplice. Dal confronto della frequenza di occorrenza nel pre- e post- intervento, in entrambi i gruppi protesizzati, si ricava un’informazione importante: le differenze tra Tibiale anteriore e Gastrocnemio mediale prima e dopo la procedura chirurgica non risultano statisticamente significative. Questo aspetto potrebbe indicare che questi due muscoli non siano compromessi quanto il Retto femorale e Gluteo medio dopo l’operazione e che di conseguenza il paziente potrebbe iniziare un percorso riabilitativo quasi immediato tornando al più presto a svolgere le attività quotidiane. La tendenza di mostrare un minor numero di attivazioni appare anche nell’arto non operato dei pazienti monolaterali; questa caratteristica potrebbe essere collegata alla presenza di strategie di compensazione motoria attuate dal soggetto nel lungo periodo prima dell’intervento. Alla luce dei risultati ottenuti possiamo ipotizzare che l’uso di questa strategia motoria semplificata da parte dei soggetti protesizzati, può essere collegata alla perdita propriocettiva a seguito dell’intervento di THA e alla conseguente ricerca da parte dei pazienti di un nuovo schema di deambulazione efficiente. L’uso di queste informazioni può essere di aiuto non solo ai medici, ma anche ai fisioterapisti durante le decisioni di programmazione delle sedute fisioterapiche, cosicché i soggetti possano conseguire un rapido ed adeguato recupero funzionale.