Sviluppo e implementazione su piattaforma commerciale di un nuovo modello di calcolo della cinematica segmentale (MCCS) per l'analisi del movimento

The computerized analysis of walking, also called Gait Analysis, provides the possibility to record, quantify and monitor the principle kinematic and kinetic variables to evaluate human motor abilities. A standardized analysis requires the use of a protocol in order to establish the modality of acquisition, collection, elaboration and a summary of the interesting parameters. Among the available protocols, the Davis Protocol is considered as the gold standard of the movement’s analysis: nevertheless, like other protocols that use optical markers supported by wands fixed on the anatomical segments (extended markers), it is affected by soft tissue artefacts and by possible incorrect placement of the markers. These errors mainly influence the estimation of the internal/external rotations and the adduction/abduction of the joints. The aim of this study is the implementation of a new calculation model for segmental kinematic on a commercial platform utilized in most of the labs for movement analysis, the platform SMARTanalyzer. Modello Di Calcolo Della Cinematica Segmentale (MCCS) calculates the kinematic variables and joint moments of the lower limbs by avoiding the use of extended markers. It utilises the same data acquired using Davis Protocol through stereophotogrammetric systems and employs the previous elaboration of the data for obtaining the estimation of the joint centres of the hip, knee and ankle. The MCCS doesn’t provide the joint rotation angles in the strict sense but the orientation of the anatomical segments with respect to their proximal segment. It defines 3 local reference systems for the lower limb, one for each considered anatomical segment (pelvis, thigh, shank and foot) whose origins are located on the estimated joint centres (hip, knee and ankle respectively). The reference systems’ axes are defined with respect to the pelvis and only by using the segment’s longitudinal axis to which they refer; for this reason, the result obtained from the calculation of the relative rotation between reference systems doesn’t represent the commonly understood joint kinematic but it provides the quantification of what’s possible to be observed visually which is of great clinical interest: the spatial relative movement of the different anatomical segments. By analogy with the joint kinematic definitions, also the analysed movements are defined as flexion/extension, adduction/abduction and internal/external rotation but they have to be considered as anatomical segment movements around specific functional axes. MCCS has been used for analysing the acquisitions of 10 subjects: 5 during level walking, among which there are 2 healthy subjects and 3 with pathological conditions or history of surgical treatments, and 5 healthy subjects during stairs ascending. A comparison was made between MCCS’s segmental and Davis Protocol’s joint kinematic variables. There are some correspondences such as the flexion/extension and the adduction/abduction of the thigh on the pelvis (MCCS) and the hip angles (Davis), the flexion/extension of the shank on the thigh (MCCS) and the knee angles (Davis) and also the dorsi/plantarflexion of the foot on the shank (MCCS) and the ankle angle (Davis). The main differences are related to abduction/adduction and internal/external rotation knee angles: the new method shows ranges of motion that better comply with that in a clinical setting and it allows to get results more similar to the physiological values. Nevertheless, it’s important to understand the meaning of the angles computed using MCCS. In particular, referring to the internal/external rotation hip angle (Davis) and thigh on pelvis movement (MCCS), the calculation method used requires that the flexion angle of the knee is at least 20°; in fact, when the shank is nearly aligned with the thigh the calculation becomes unreliable and particularly influenced by valgus/varus knee. As a result, the pattern of this curve was not considered significant therefore not compared to the gold standard’s one. The dynamic parameters obtained, internal joint moments, have an overall similarity between the two methodologies in terms of both pattern of the curve and values’ range. However, there are unexpected oscillations that affect the pattern of the obtained curves: the reason for this anomaly is still unidentified and it should be considered as future development. The new model also allows to compute joint moments around the foot eversion/inversion and adduction/abduction axes: given the absence of these data among Davis Protocol’s results, it wasn’t possible to compare them; anyway these patterns are reflected throughout the Ferrari et al. study. An overall analysis of the results using the MCCS on level walking acquisition shows its reliability in kinematic and kinetic variables description also for pathologic subjects. Furthermore, it was used to analyze stair ascending acquisition in which usually soft tissue artefacts are bigger because of the higher range of motion. The obtained results confirm what has been already discussed for level walking modality and they match the patterns and ROMs from Riener et al., Nadeau et al. and Lin et al. studies.

L’analisi computerizzata della deambulazione, detta Gait Analysis, offre la possibilità di registrare, quantizzare e monitorare le principali variabili cinematiche e cinetiche per valutare le capacità motorie di un soggetto. Al fine di ottenere un’analisi standardizzata è necessario l’utilizzo di un protocollo il quale stabilisce la modalità di acquisizione, raccolta, elaborazione e riepilogo dei parametri di interesse. Fra i vari protocolli a disposizione, il Protocollo Davis rappresenta il gold standard nell’analisi del movimento: esso, tuttavia, al pari di altri protocolli che utilizzano marcatori ottici supportati da sbarrette fissate ai segmenti anatomici (marcatori estesi), risente di artefatti da tessuto molle e di eventuali posizionamenti scorretti dei marcatori. Questi errori inficiano in particolar modo la stima delle rotazioni interne/esterne e l’adduzione/abduzione delle articolazioni. Scopo del presente lavoro è l’implementazione di un nuovo modello di calcolo della cinematica segmentale su una piattaforma commerciale utilizzata in numerosi laboratori di analisi del movimento, la piattaforma SMARTanalyser. Il Modello di Calcolo della Cinematica Segmentale (MCCS) computa le variabili cinematiche e i momenti articolari degli arti inferiori senza l’utilizzo dei marcatori estesi. Esso utilizza gli stessi dati acquisiti con il Protocollo Davis mediante sistemi stereo-fotogrammetrici e sfrutta la preventiva elaborazione dei dati atta a fornire la stima dei centri articolari di anca, ginocchio e caviglia. Il MCCS non fornisce gli angoli di rotazione delle articolazioni in senso stretto ma l’orientamento dei segmenti anatomici in relazione al loro segmento prossimale. Esso prevede la definizione di sistemi di riferimento locali solidali con ciascun segmento corporeo (bacino, coscia, gamba e piede) i quali hanno origine nei centri articolari stimati (rispettivamente anca, ginocchio e caviglia). Gli assi di tali sistemi sono definiti in riferimento al bacino e con l’utilizzo del solo asse longitudinale del segmento a cui essi si riferiscono; per questo motivo il risultato che si ottiene calcolando le rotazioni relative tra i sistemi di riferimento non rappresenta la cinematica articolare come comunemente intesa, ma fornisce la quantificazione di ciò che appare visivamente e che è di grande interesse clinico: il movimento relativo spaziale dei vari segmenti anatomici. Per analogia con le definizioni della cinematica articolare, anche i movimenti analizzati sono definiti come flesso/estensione, adduzione/abduzione e rotazione interna/esterna ma vanno intesi come movimenti di segmenti anatomici attorno a specifici assi funzionali. Il Modello di Calcolo della Cinematica Segmentale è stato utilizzato per l’analisi delle prove di 10 soggetti: 5 durante il cammino in piano, dei quali 2 soggetti sani e 3 patologici o con precedenti trattamenti chirurgici, e 5 soggetti sani durante la salita di una scala. E’ stato effettuato il confronto fra le variabili della cinematica segmentale ottenuta con il MCCS e la cinematica articolare derivante dal Protocollo Davis: vi è corrispondenza fra l’andamento dell’angolo di flesso/estensione e adduzione/abduzione dell’anca (Davis) e della coscia rispetto al bacino (MCCS), di flesso/estensione del ginocchio (Davis) e della gamba rispetto alla coscia (MCCS) e di dorsi/plantarflessione della caviglia (Davis) e del piede rispetto alla gamba (MCCS). Le principali differenze emergono in riferimento agli angoli di abdo/adduzione e rotazione interna/esterna del ginocchio: il modello di calcolo proposto riporta dei range di movimento più conformi ai limiti di movimento fisiologico e a ciò che si osserva clinicamente. Tuttavia, nell’interpretazione dei dati occorre tener conto del significato degli angoli calcolati con il MCCS. In particolare, in riferimento all’angolo di intra/extrarotazione dell’anca (Davis) e della coscia rispetto al bacino (MCCS), il metodo di calcolo utilizzato prevede che l’angolo di flessione del ginocchio sia almeno superiore ai 20°; infatti, quando la gamba si avvicina all’allineamento con la coscia il calcolo dell’angolo diviene instabile e particolarmente influenzato dal valgismo/varismo del ginocchio. Di conseguenza l’andamento ottenuto è ritenuto poco significativo e per tali ragioni non è stato comparato con quello proveniente dal gold standard. I parametri dinamici ottenuti, i momenti articolari interni, hanno complessivamente riportato maggiori similitudini tra le due metodologie sia in termini di andamento che di ampiezza dei valori. Tuttavia, si presentano delle oscillazioni inattese che inficiano la qualità della curva ottenuta: il motivo di tale anomalia non è stato ancora provato e verrà preso in considerazione negli sviluppi futuri. Il MCCS consente inoltre di ottenere i momenti articolari attorno agli assi di eversione/inversione e adduzione/abduzione del piede: data l’assenza di tali variabili fra quelle ottenute con il Protocollo Davis, non è stato possibile effettuare il confronto; tali andamenti hanno comunque trovato riscontro nello studio di Ferrari et al. Da un’analisi complessiva dei risultati ottenuti applicando il MCCS alle prove di cammino in piano emerge la sua affidabilità nella descrizione dei parametri cinematici e cinetici anche nel caso di soggetti patologici. Inoltre il suo utilizzo è stato esteso all’analisi di prove di cammino su scala dove gli errori causati dagli artefatti da tessuto molle generalmente si accentuano a causa della maggiore escursione del movimento. I risultati hanno confermato quanto già evidenziato nella modalità di cammino in piano e hanno trovato buon riscontro con gli andamenti e i ROM presenti negli studi di Riener et al., Nadeau et al. e Lin et al. .