Applicazione clinica di un nuovo metodo di calcolo di potenza ed energia del piede e adattamento ai diversi protocolli per l'analisi del cammino

The present work, carried out at the Laboratory for the analysis of movement in children (LAMB) of the University of Milan and the Laboratory of bio-engineering of movement (BiomovLab) of the University of Padua, aims at adaptation of the "Distal Shank" method (DS) to several protocols through simple modifications relating to the absolute reference system and the layout of the markers. The method used in literature for calculating the power and energy of the foot is called the "Ankle Joint method" (AJ). This method of calculation considers the foot as a rigid body and it excludes the presence of deformations during walking. This simplification influences the power emitted and absorbed by the complex foot-ankle that it is expressed by the product between the torque and the angular velocity of the foot around the ankle rotation axis. For this reason, it is considered only the relative movement of the foot with respect to the tibia. The development of the DF method has allowed us to overcome this problem because now the effects of the foot’s deformations and the rotations of the foot are intrinsically considered because the power of the foot is considered as the sum of two components: rotational and translational power. The first is given by the scalar product of the moment applied to the tibia for the angular velocity of the tibia itself, while the second is given by the scalar product of the force applied to the base of the tibia, in correspondence with the ankle, and the translation speed of this point Some approximations are however necessary for modelling the foot and this explains why the foot weight and the force and the moments of inertia are neglected, but this has no significant effects, given that the mass of the foot is relatively small and the calculation is carried out during the phase of resting on the ground, and therefore the accelerations are negligible. The method considered uses a protocol called TBM which involves the placement of six passive markers on each limb and in particular on both the epicondyles and the malleoli (medial and lateral) and on the first and fifth metatarsal heads. Therefore, the step of making the method available to different clinical situations required a careful study of the experimental set-up with evaluation of each laboratory and protocol used. The DS method is firstly adapted to the LAMB protocol, used in the homonym laboratory, and secondly it is adapted to the IOR gait protocol, used in BiomovLab. In the first case, the modifications relating to the different laboratory characteristics were first made keeping the TBM protocol as protocol and kinematic and dynamic data relating to the walking of a subject 24-year-old adult a subject were acquired. The goal of these first acquisitions want to show repeatability of the results that was obtained with TBM protocol. The adaptation of the method to the LAMB laboratory involved the transition from a single dynamometric platform to a double one and the introduction of a different absolute reference system position. Once the expected results were obtained, we then moved on to adapt the DS method to different protocols. In detail, the LAMB total body protocol does not consider the presence of passive marker on the medial landmarks of malleolus and epicondyle and for this reason it has been necessary an extra calculation of articular knee centre and articular ankle centre. This calculation has been possible through the anthropometric measurement of the subjects which they have been calculated in automatically way through an acquisition that consider 37 passive markers called “anatomical calibration”. Once the adaptation was complete, in LAMB laboratory it has been possible to analyse healthy and pathological children. It has been acquired 11 healthy children and 11 pathological children suffering from cerebellar congenital ataxia through a movement analysis system (Smart-E, BTS, Italy) which includes 8 cameras (frequency of acquisition of 60 Hz) and two dynamometric platforms (Kistler, 9286AA, Switzerland, acquisition frequency of 960Hz). All the tests for both pathological and healthy subjects were conducted at barefoot condition and a spontaneous velocity and for every subject it has been considered both forward and backward walks with respect to the absolute reference system. After that, the positive results obtained for the LAMB protocol, it has been possible to extend the work to the BiomovLab and to the IOR gait protocol. The acquisitions at the BiomovLab provided data on 10 healthy elderly subjects and 7 neuropathic elderly subjects affected by diabetes. The motion analysis system in this laboratory is characterized by 6 cameras (acquisition frequency of 60 Hz) and two dynamometric platforms (Bertec, acquisition frequency of 960 Hz) but always with the same acquisition frequency equal to 960 Hz. All walking tests have been done at barefoot condition and the walking velocity was spontaneous but with respect to LAMB acquisition, in this case, it has been considered only the forward walk. Once we had the acquisition of healthy children and elderly subjects, the acquisitions made at the MCMB laboratory referred to healthy adult subjects were also recovered so that a comparison can be made not only between the different laboratories and protocols but also between the three different age groups of the subjects under examination. The descriptive comparison between the curves considering among the three population of interest displayed differences in terms of first minimum of power absorption, maximum value of power and value of final energy. It has been observed that as the age increases, the parameters of interest display a reduction of absolute value (Figure D). Subsequently, it has been done the comparison between the pathological subjects and healthy subjects of the same age control group. As regards ataxic children, a reduction in the first minimum of absorption of power and its maximum value was observed with respect to healthy subjects (Figure F, graph on the left). Similarly, the final energy value was lower in the pathological case (Figure F, graph on the right). Despite the ataxia do not change the shape of the foot, it is notable how motor imbalances due to the cerebellum malformations, can still be found in the evaluation of foot power and energy. These statistically significant differences to the application of the t-test could be due to an abnormal pathway of ataxic children characterized by wide steps of reduced length, postural instability and lack of coordination. The third step of analysis was to consider healthy and diabetic elderly subjects. The comparison between these two analysis groups did not show significant differences as regards the power and energy curves (Figure E). Diabetic neuropathy is a disease that leads to pain and numbness in both feet with gradual progression along the legs, therefore this result at first analysis would be in opposition to what was expected. In fact, from a more in-depth analysis, it emerged that, for these subjects, the pathology is not responsible for an alteration of the walking pattern which therefore appears to be preserved and comparable with that of healthy subjects of the same age. In conclusion, the results obtained from this master thesis work can be considered a starting point in order to obtain the DS method applicable to every motion analysis laboratory and every protocol. Because of this method considers the deformation of the soft tissue of the foot during walking, it could find application in the validation of pathology that are characterized by alteration of shape of the foot like diabetic ulcers or flat foot. Future clinical applications will therefore be able to guarantee a more detailed identification of the alterations in power and energy which, together with the kinematic and electromyographic parameters, can help identify the best specific rehabilitation treatment for each pathology.

Il presente lavoro di tesi, svolto presso il Laboratorio per l’analisi del movimento nel bambino (LAMB) dell’Università degli studi di Milano e il Laboratorio di bioingegneria del movimento (BiomovLab) dell’Università degli Studi di Padova, ha come fine l’adattamento del metodo “Distal Shank” (DS), precedentemente sviluppato presso il Laboratorio Movement Biomechanic and Motor Control (MBMC), a diversi laboratori di analisi del movimento caratterizzati dall’uso di differenti protocolli e da una diversa disposizione e tipologia del sistema di acquisizione (telecamere e piattaforme). Il metodo comunemente utilizzato in letteratura per il calcolo della potenza e dell’energia del piede, denominato “Ankle Joint method” (AJ), considera il piede come un corpo rigido escludendo erroneamente la presenza di sue deformazioni durante il cammino. Questa semplificazione influenza in modo significativo la stima della potenza generata e assorbita dal complesso piede-caviglia che viene espresso mediante il prodotto tra il momento e la velocità angolare del piede attorno all’asse di rotazione della caviglia. In tal caso quindi risulta essere considerato solo il movimento relativo del piede rispetto alla tibia. Lo sviluppo del metodo DS ha permesso di superare questo problema, poiché gli effetti delle deformazioni e delle rotazioni del piede sono intrinsecamente considerati mediante un calcolo della potenza come somma di due componenti: potenza rotazionale e potenza traslazionale. La prima è data dal prodotto scalare del momento applicato alla tibia per la velocità angolare della tibia stessa, mentre la seconda è data dal prodotto scalare tra la forza applicata alla base della tibia, in corrispondenza della caviglia, e la velocità di traslazione di questo punto. Alcune approssimazioni sono comunque necessarie per la modellizzazione del piede, infatti il peso del piede e le forze e i momenti di inerzia vengono trascurati, ma ciò non ha effetti significativi, dato che la massa del piede è relativamente piccola e il calcolo viene effettuato durante la fase di appoggio al terreno, e quindi le accelerazioni sono trascurabili. Il metodo in questione inoltre utilizza un protocollo chiamato TBM che prevede il posizionamento di sei marcatori passivi su ciascun arto e, in particolare, su entrambi gli epicondili e i malleoli (mediale e laterale) e su prima e quinta testa metatarsale. Pertanto, il passaggio di rendere il metodo disponibile a differenti realtà cliniche ha richiesto un attento studio del set-up sperimentale con valutazione di ciascun laboratorio e protocollo utilizzato. In particolare, il metodo DS è stato in primo luogo adattato al protocollo LAMB, utilizzato nell’omonimo laboratorio, e successivamente al protocollo IOR gait, utilizzato nel BiomovLab dell’Università di Padova. Nel primo caso, sono state prima apportate le modifiche relative alle diverse caratteristiche di laboratorio mantenendo come protocollo il protocollo TBM e sono stati acquisiti dati cinematici e dinamici relativi al cammino di un soggetto adulto di 24 anni (tester). Queste prime acquisizioni avevano lo scopo di mostrare ripetibilità di risultati con quanto precedentemente ottenuto nel laboratorio MBMC. L’adattamento prevedeva il passaggio da una singola a una doppia piattaforma dinamometrica e l’introduzione di una diversa posizione del sistema di riferimento assoluto del laboratorio. Ottenuti i risultati aspettati, si è poi passati all’adattamento al differente protocollo. Nel dettaglio, il protocollo total body LAMB, non avendo marker posizionati sui punti di repere mediali di epicondilo e malleolo, ha richiesto un calcolo aggiuntivo dei centri articolari di caviglia e ginocchio. Questo passaggio è stato possibile grazie alle misure antropometriche dei soggetti calcolate in modo automatico mediante un’acquisizione a 37 marcatori chiamata “calibrazione anatomica”. Terminate le modifiche relative al differente laboratorio e protocollo è stato possibile analizzare il cammino di bambini sani e patologici. Sono stati quindi acquisiti 11 bambini sani e 11 bambini affetti da atassia cerebellare congenita attraverso un sistema di analisi del movimento (Smart-E, BTS, Italia) dotato di 8 telecamere (frequenza di acquisizione 60 Hz) e due piattaforme dinamometriche (Kistler, 9286AA, Svizzera, frequenza di acquisizione di 960 Hz). Tutte le prove, sia per i patologici che per i sani, sono state condotte a piedi nudi e a velocità scelta dal soggetto. Inoltre, sono state considerate sia camminate di andata che di ritorno rispetto al sistema di riferimento assoluto. I buoni risultati ottenuti dall’applicazione del metodo DS al protocollo LAMB hanno reso possibile l’estensione del lavoro anche al laboratorio BiomovLab dell’Università di Padova e al protocollo IOR gait. Le acquisizioni presso il BiomovLab hanno fornito dati relativi a 10 anziani sani e 7 affetti da diabete neuropatico mediante un sistema optoelettronico (SMART-E, BTS, Italia) con 6 telecamere ad infrarossi (frequenza di acquisizione 60 Hz) e due piattaforme dinamometriche (Bertec, FP4060, USA, frequenza di acquisizione 960 Hz). Anche in questo caso, tutte le prove sono state effettuate a piede nudo e ad una velocità scelta dal soggetto, ma, rispetto alle acquisizioni LAMB, tutte le prove di cammino erano riferite solo ad una direzione di cammino, ovvero quello di andata. Avendo a disposizione dati di bambini e anziani, sono state recuperate anche le acquisizioni effettuate presso il laboratorio MBMC riferite a soggetti sani adulti in modo tale da poter effettuare un confronto non solo tra i diversi laboratori e protocolli, ma anche tra le tre differenti fasce di età dei soggetti in esame. Il confronto descrittivo delle curve considerate tra le tre popolazioni di interesse ha mostrato differenze in termini di primo minimo di assorbimento della potenza, il suo massimo valore raggiunto e il valore finale di energia. In particolare, ad un aumento dell’età è stata riscontrata una riduzione, in termini di valore assoluto, dei parametri di interesse precedentemente citati (figura A). Successivamente è stato effettuato il confronto tra soggetti patologici e il rispettivo gruppo di controllo di età comparabile. Per quanto riguarda i bambini atassici è stata osservata una riduzione del primo minimo di assorbimento di potenza e del suo massimo valore rispetto ai soggetti sani (Figura B, grafico a sinistra). Analogamente, il valore finale di energia è risultato inferiore nel caso patologico (Figura B, grafico a destra). Nonostante l’atassia non sia responsabile di una alterazione della forma del piede, appare evidente come gli scompensi motori dovuti alle malformazioni del cervelletto siano comunque riscontrabili anche nella valutazione di potenza ed energia del piede. Tali differenze, statisticamente significative all’applicazione del t-test, potrebbero essere dovute ad un cammino anomalo dei bambini atassici caratterizzato da passi larghi di lunghezza ridotta, instabilità posturale e mancanza di coordinazione. Al contrario, dal confronto tra i soggetti anziani con diabete e rispettivo gruppo di controllo non sono emerse differenze statisticamente significative dal momento che anche gli andamenti delle curve di potenza ed energia sono quasi perfettamente sovrapponibili (Figura C). La neuropatia diabetica è una patologia che comporta dolore e insensibilità in ambedue i piedi con progressione graduale lungo le gambe, pertanto questo risultato, in prima analisi, sarebbe in opposizione a quanto atteso. In realtà, da un’analisi approfondita, è emerso come, per questi soggetti, la patologia non sia responsabile di un’alterazione del pattern di cammino che appare quindi preservato e comparabile con quello dei soggetti sani di pari età. In conclusione, i risultati ottenuti da questo lavoro di tesi magistrale costituiscono un punto di partenza al fine di ottenere il metodo DS applicabile ad ogni laboratorio di analisi del movimento e ad ogni protocollo di acquisizione. Poiché il metodo in questione tiene conto delle deformazioni del piede durante il cammino, questo potrà assumere particolare importanza per l’analisi di patologie che lo interessano direttamente, come nel caso di ulcere diabetiche oppure come nel caso di piede piatto o cavo. Future applicazioni del metodo DS in ambito clinico potranno quindi garantire un’identificazione più dettagliata delle alterazioni dei parametri di potenza ed energia che, insieme ai parametri cinematici ed elettromiografici, potranno aiutare ad identificare il miglior trattamento riabilitativo specifico per ciascuna patologia.