Calcolo della potenza e dell'energia del piede diabetico durante il cammino con il metodo Distal Shank

The aim of the present work is the clinical application of the Distal Shank (DS), a method for calculating the power and work of the foot during walking. Since the DS method has originally been implemented in Matlab, the first step of this work aims at transferring the calculation procedure into SMART Analyzer, a software that is more suitable for clinical practice. The DS raises particular interest because it considers the effect of foot deformations during walking and the movement of the foot in the three anatomical planes, while other methods that have already being implemented to compute power at the ankle joint consider the foot as a rigid body. The DS calculates the power at the ankle as the sum of two terms: rotational and translational. The former is obtained by performing the scalar product of the ankle joint moment and the angular velocity of the shank, while the latter is the result of the scalar product of the Ground Reaction Force (GRF), applied at the base of the shank, and the linear velocity of the ankle joint centre. In order to point out the differences between the DS and the other methods, the DS has been compared to the Inverse Dynamics method (INV), which is widely used in literature. A population of 11 healthy subjects (mean age 59 ± 5 years) has been selected and their acquisitions have been analysed.The comparison between the curves highlights a few differences that are all consistent with previous findings in literature [1]: the first peak of power absorption is greater in the DS method, while there are no other significant differences in the remaining part of the curve. Regarding the work curve, it is evident that the absorption peak is greater in the DS and the final value is significantly different between the two methods: it is close to zero in Inverse Dynamics, while it is negative in the DS. These discrepancies are caused by the fact that the DS takes into account foot deformations during the stance phase that are necessary to evaluate the phases of absorption and production of power and work by the ankle joint. The second part of the study focused on the analysis of pathological subjects in order to assess the clinical applicability of the DS method. This was possible thanks to the BioMovLab at University of Padova, that provided walking trials of 11 healthy subjects, who were considered the control group, as well as 40 diabetic subjects, 24 of whom developed peripheral neuropathy as a complication of diabetes. The control group, composed of the same individuals used for the comparison between the DS and INV methods, was age-matched with the pathological groups (control group 59 years, diabetic group 64 years, diabetic neuropathic group 64 years) in order to make a comparison among the three populations. Diabetes, in particular when associated with the complication of peripheral neuropathy, is a disease that can result in gait alterations, mainly caused by pain, instability and loss of tactile perception starting at the sole of the foot. The study of power and work exchanged between the foot and the ground during the stance phase allows to quantify these alterations. Walking trials of each group have been acquired through the typical experimental setup of a movement analysis laboratory, which included an optoelectronic system and force platforms. The protocol that defines marker placement adopted in the BioMovLab is the IOR Gait; therefore, the definition of joint centres in the implementation of the DS in SMART Analyzer was based on the IOR Gait protocol. The subjects involved in the study were asked to walk barefoot at their preferred speed, only in one walking directions. All the trials have only one walking direction. In total, three trials for each subject were taken into account, and from each trial, the data regarding the stance phase of both the right and the left foot was acquired. The power and work curves were normalized to the body mass of the subject and time was normalized as a percentage of the stance phase, the time in which the foot is in contact with the ground. Trials which presented anomalies in comparison with the rest of the group were excluded from further analysis. As no significant differences were observed between the right and the left foot, the average of power and work curves was computed for each subject. After that, the main parameters characterizing the quantities of interest were obtained. The statistical analysis carried out on these parameters highlighted some significant differences among the groups (healthy, diabetic, diabetic neuropathic subjects). Power curves show no differences in the first absorption peak, while the second absorption peak is slightly lower and anticipated in the diabetic group. The peak of power generation is greater in the diabetic neuropathic group, and the difference is significant when compared to the diabetic group. This difference in peak power generation has been observed in literature [2], and it may be correlated to a compensation pattern that affects the foot during midstance and push-off. Plantar flexors, weakened by the progression of neuropathy, do not produce enough power to push the leg forward and initiate the swing phase. Consequently, the foot tends to store elastic energy in the Achilles tendon in the midstance, when the foot is in dorsiflexion, and then release that energy during push-off, producing an amount of power that is similar to healthy subjects. However, this pattern may have long-term negative consequences because the overloading of the tendon can result in damage to the connective tissue. The diabetic group has a lower peak of power absorption than the healthy group. That can be seen a sign of a cautious gait, with the aim of minimising instability and preventing the risk of falls. Regarding the ankle work, the curves are fairly similar among the groups, even though the peak of work absorption in the healthy and diabetic neuropathic group is slightly greater than in the diabetic group. However, the statistical analysis has not pointed out a significant difference. In conclusion, the results achieved in this work can be considered as a first promising step towards the application of the DS in clinical practice, which is crucial for a quantitative analysis of power and work at the ankle joint in pathological individuals. In a future perspective, it would be interesting to propose the DS for a wider use in clinics, which would involve its application to other Gait Analysis protocols and to other pathologies. Regarding the comparison among groups, a further investigation of the diabetic population should be carried out, considering a distinction between mild and severe neuropathy. Such distinction could provide a better understanding of the gait characteristics that are altered because of the pathology. Moreover, it could lead clinicians towards a better formulation of the therapy, that can be tailored for the specific situation of the patient.

Il presente lavoro di tesi ha come obiettivo finale il trasferimento in ambito clinico di un metodo di calcolo della potenza e dell’energia generate e assorbite dal piede durante il cammino, e la sua successiva applicazione nella valutazione di soggetti patologici. Lo studio è stato quindi diviso in due principali fasi. Come primo step ci si è concentrati sulla conversione della procedura di calcolo, denominata Distal Shank (DS), dall’originaria forma implementata nel software Matlab in SMART Analyzer, un software più indicato per l’utilizzo in ambito clinico. Questo metodo di calcolo è di particolare interesse clinico perché, al contrario degli altri metodi già utilizzati per il calcolo della potenza alla caviglia che considerano il piede come un corpo rigido, il DS considera anche gli effetti delle deformazioni del piede e dei suoi movimenti nei tre piani anatomici durante il cammino. Questo è possibile perché nel calcolo della potenza sono compresi due fattori: potenza rotazionale e potenza traslazionale. Il primo termine è calcolato tramite il prodotto scalare del momento applicato alla tibia per la velocità angolare della tibia stessa, mentre il secondo è definito dal prodotto scalare tra la forza applicata alla base della tibia, in corrispondenza del centro della caviglia, e la velocità di traslazione di questo punto. Il metodo DS implementato nel presente lavoro è stato poi messo a confronto con il classico metodo di calcolo basato sulla risoluzione del Problema Dinamico Inverso (INV), proprio per evidenziare le differenze sopra citate. Per questo confronto sono stati utilizzati i dati di locomozione di una popolazione di 11 soggetti sani (età media 59 ± 5 anni). Come è possibile notare dal confronto tra le curve, sono presenti alcune differenze, in linea con gli studi presenti in letteratura [1]: nella curva di potenza con il metodo DS il primo picco di assorbimento di potenza è notevolmente più accentuato, mentre non ci sono differenze significative per il resto della curva. Per quanto riguarda l’energia, si può notare come il picco di massimo assorbimento sia più evidente nel caso del metodo DS e che il valore dell’energia finale è differente per i due metodi: è infatti prossimo a zero nel caso del Problema Dinamico Inverso e presenta un valore negativo nel caso del Distal Shank. Queste differenze, come detto in precedenza, sono dovute proprio al contributo delle deformazioni del piede durante il cammino tenute in considerazione nel metodo DS, funzionali alla valutazione delle fasi di assorbimento di potenza e di energia. Successivamente, per testare l’efficacia del protocollo in SMART Analyzer, si è passati all’analisi di soggetti patologici, resa possibile grazie al laboratorio di Bioingegneria del Movimento dell’Università degli studi di Padova (BioMovLab), che ha fornito le prove di cammino di 11 soggetti di controllo, 16 soggetti diabetici e 24 soggetti diabetici affetti da neuropatia periferica. Il gruppo di controllo, costituito dagli stessi soggetti presi in considerazione per il confronto tra i metodi, è stato ritenuto confrontabile alle popolazioni di soggetti patologici sulla base dell’età media dei partecipanti (controlli 59 anni, diabetici 64 anni, neuropatici 64 anni). Il diabete, e in particolare la complicanza della neuropatia, è una patologia che può comportare alterazioni del cammino, dettate dal dolore e dall’instabilità in entrambi gli arti e dalla perdita di sensibilità in entrambi i piedi. Queste alterazioni sono quantificabili proprio con lo studio della potenza e dell’energia scambiate tra il piede e il terreno. Le prove di cammino dei soggetti esaminati sono state raccolte tramite l’uso di un’apposita strumentazione (sistemi optoelettronici e piattaforme di forza), presente nei laboratori di analisi del movimento, e tramite il protocollo di posizionamento dei marcatori proprio del BioMovLab, lo IOR Gait, sul quale ci si è basati per il calcolo dei centri articolari necessari alla stesura del protocollo in SMART Analyzer. Le acquisizioni fornite dal BioMovLab sono prove di cammino a piedi scalzi a velocità spontanea, in una sola direzione di avanzamento. Da ogni prova è stato possibile ricavare un appoggio singolo del piede destro e uno del piede sinistro. In totale, per ogni soggetto sono state elaborate almeno tre prove dell’arto destro e tre dell’arto sinistro. Queste ultime sono state poi normalizzate rispetto al peso di ogni soggetto e il loro andamento normalizzato in percentuale rispetto al tempo di stance, ovvero la fase di appoggio del piede durante un singolo passo. Sono state poi escluse dalla successiva analisi le prove che presentavano morfologia o valori anomali rispetto al resto della popolazione. Le curve dei due arti sono risultate comparabili ed è stata quindi ricavata una curva media caratteristica per ogni soggetto. Dalle curve medie di potenza e di energia dei soggetti sono stati ricavati i parametri caratteristici temporali e non temporali. Tramite l’analisi statistica di questi parametri sono state ricavate le differenze significative tra i tre gruppi di soggetti (controlli, diabetici e diabetici neuropatici). L’andamento della curva di potenza è sovrapponibile per i tre gruppi in corrispondenza del primo picco di assorbimento; il secondo picco di assorbimento è meno accentuato e in anticipo nei soggetti diabetici, mentre il picco di generazione di potenza è maggiore nei soggetti neuropatici. Quest’ultima differenza è risultata essere significativa tra i soggetti diabetici e quelli diabetici neuropatici, aspetto che trova conferma in letteratura [2]. Una possibile spiegazione del maggiore picco massimo di potenza dei neuropatici è l’instaurarsi di un meccanismo di compensazione che riguarda il piede nelle fasi di midstance e push-off. I muscoli flessori plantari, indeboliti dalla neuropatia, non producono abbastanza potenza per sollevare la gamba e iniziare la fase di swing, quindi il piede è costretto a immagazzinare energia elastica nel tendine d’Achille nel midstance, sfruttando il fatto che in questa fase si ha un aumento della dorsiflessione, per poi restituirla nella fase di push-off. Questo meccanismo a carico del tendine d’Achille però, se prolungato nel tempo, potrebbe comportare conseguenze deleterie proprio per il tessuto connettivo del tendine. Il picco di produzione di potenza più basso nei diabetici, invece, può essere indice di un cammino più prudente, atto ad evitare possibili cadute. Per quanto riguarda l’energia, si può notare come l’andamento delle curve sia simile per i tre gruppi; il picco di assorbimento è più accentuato nel caso dei soggetti di controllo e dei neuropatici, ma senza differenze significative. In conclusione, i risultati ottenuti in questo lavoro di tesi sono un primo passo verso la diffusione dell’uso del metodo Distal Shank in ambito clinico per lo studio quantitativo della potenza e dell’energia della caviglia in soggetti patologici. In futuro, sarebbe interessante estendere l’uso di tale protocollo a più laboratori di analisi del movimento, applicarlo ai principali protocolli di Gait Analysis e allo studio di patologie differenti da quella diabetica. Sarebbe inoltre opportuno soffermarsi in modo più approfondito sui soggetti diabetici neuropatici, attuando ad esempio una distinzione tra diabetici neuropatici lievi e gravi, in modo da capire se ci sono differenze significative all’interno dello stesso gruppo di soggetti sulla base della severità della complicazione. Questo potrebbe aiutare il personale clinico in una più approfondita comprensione della patologia e nell’identificazione di un trattamento riabilitativo specifico sulla base della severità della malattia.