Analisi del superamento di un rialzo durante il cammino : raccolta di dati di riferimento per la valutazione funzionale di pazienti con patologie dell'anca

This thesis deals with the clinical context of the functional analysis of patients with hip pathologies that require total hip replacement (THR). Osteoarthritis is the leading cause forcing patients to opt for this type of prosthetic implant. This pathology is characterized by the progressive degeneration of the hip and the joint components interacting with it. This degeneration causes acute pain in patients, and it leads to swelling and consequent joint stiffness, preventing those affected from carrying out even the simplest daily motor gestures. The following thesis is based on a study carried out at the “Luigi Divieti” Posture and Movement Analysis Laboratory of the Department of Electronics, Information and Bioengineering (DEIB) of the Politecnico di Milano. In the study, data from healthy subjects were collected both during gait execution and gait with footblock execution (a motor task where patients are required to step on a higher platform while walking); later, from the execution of these tasks it was possible to extract kinematic, kinetic and spatial/temporal parameters. The Galeazzi Orthopedic Institute of Milan supported the decision to carry out the study; together we outlined the most interesting aspects to observe during the functional analysis. The Galeazzi Institute has, indeed, a Movement Analysis Laboratory where it is possible to monitor the functional parameters of patients undergoing surgery. Although, in the literature, there are some gait analysis studies evaluating the variation in motor and functional skills of patients with hip prostheses, the introduction of the footblock task is a first and it allows the analysis of a more complex motor act, that patients can still perform both during the pre-operative stage and the functional recovery in the post-operative period. In this way, it is possible to assess biomechanical aspects that are not displayed during the act of walking. The study involved 20 subjects (10 men and 10 women) aged between 45 and 75, all without pre-existing conditions and with healthy weight. The subjects repeated the gait and footblock motor task in three valid tests for each task to assess the naturalness of the motor performance of each subject. For data acquisition, an optoelectronic system with 8 infrared cameras (BTS SMART DX) and a system with two dynamometric platforms for force detection (AMTI, USA) were used. Data were subsequently processed with the SMARTClinic (BTS) software. Normal ranges were then defined calculating the average of the data obtained from normal subjects for both the gait and the footblock task. Several functional aspects were examined, even comparing data from the two tasks and the subgroups male/female. Furthermore, a simulation of hip pathology is carried out, acquired and extrapolated for its analysis, to highlight the stages that most differ from normality. The goal was indeed to create a collection of data from healthy patients that may be used to make comparisons with patients affected by hip diseases. This comparison is useful for evaluating functional recovery during the rehabilitation period after the intervention. In this way, the aim is to obtain useful information not only for doctors, but also for operators in charge of the patients’ rehabilitation and care. All data collected in this study were subject to statistical tests, firstly, to determine if data are normally distributed in a specific population (Shapiro-Wilk test) and secondly, to identify any significant discrepancies observed during the comparison between two populations (T-test). The main results obtained are statistical evidence of the difference between the gait and footblock tasks; the results showed that in the latter the patient requires a greater angular range of motion, managing a higher load on the joints of the limb resting on the step, greater power generation and developing more potential energy. The main differences – in both tasks – emerged from the comparison between men and women are: increased oscillation of the pelvic obliquity among women, greater pelvic anteversion in men, an adduction of the hip in the loading phase increased among women, greater internal rotation of the hip in women, a higher medial component of ground reaction force in men, a longer internal hip flexion phase among women, greater power in the loading phase among men and more power absorbed during higher mid-stance in women. Considering the results obtained, two different normal range for each test were defined, one for men and another one for women, to make the functional analysis more precise depending on the sex of the patient under analysis. In this way, the influence of sex-related factors and the anatomy of the patient’s body can be overlooked in the biomechanical evaluation, the latter will instead be centered on the clinical status of the patient, although probably influenced by the type of intervention, surgical approach, and overall health of the patient under examination. The paper also included an example of the use of the normal range for the analysis of functional alterations of two patients during the pre-operative stage and the post-operative period. Since the data used were acquired and archived by the Movement Biomechanics and Motor Control Lab of DEIB, it was possible to confront that data with the normality band of the gait task, as the footblock tasks were not acquired yet. By introducing this test, data obtained will be useful for planning patients' physiotherapy during the rehabilitation period.

Il contesto clinico in cui si pone questo lavoro di tesi è quello dell’analisi funzionale di pazienti con patologie dell’anca candidati all’intervento chirurgico di sostituzione dell’articolazione coxofemorale tramite protesi totale d’anca (PTA). La causa principale che conduce alla necessità di un impianto protesico di questo tipo è l’osteoartrosi. Tale patologia consiste nella degenerazione progressiva dell’osso e delle componenti articolari che interagiscono con esso. Da ciò deriva una percezione di dolore acuto, con insorgenza di tumefazioni, gonfiore e conseguente rigidità articolare, la quale conduce all’impedimento nell’effettuare anche i più semplici gesti motori della vita quotidiana. Il seguente lavoro di tesi è stato svolto presso il Laboratorio di Analisi della Postura e del Movimento “Luigi Divieti” del dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria (DEIB) del Politecnico di Milano. Tale studio prevede l’acquisizione di soggetti normali durante l’esecuzione di una prova di gait e una di footblock (task motorio in cui è richiesto di appoggiare un piede su di un rialzo durante il cammino) e la successiva estrazione dei dati cinematici, cinetici e dei parametri spazio-temporali. La decisione di effettuare tale studio è stata presa in collaborazione con l’Istituto Ortopedico Galeazzi di Milano, insieme al quale sono stati discussi quelli che sarebbero gli aspetti più interessanti da osservare grazie ad un’analisi funzionale. Tale Istituto dispone, infatti, di un Laboratorio di Analisi del Movimento all’interno del quale è possibile il monitoraggio degli aspetti funzionali dei pazienti sottoposti ad operazione chirurgica. In letteratura sono presenti alcuni studi di gait analysis, ovvero l’analisi del cammino, con l’obiettivo di valutare la variazione delle capacità motorie e funzionali di pazienti con protesi d’anca. È invece innovativa l’introduzione della prova di footblock (cammino si rialzo), che permette l’analisi di un atto motorio più complesso, ma attuabile dai pazienti sia nelle condizioni pre-intervento che durante il recupero funzionale nel periodo post-operatorio. In tal modo è possibile la valutazione di aspetti biomeccanici e limitazioni funzionali che non emergono invece durante l’atto del cammino. In questo studio sono stati analizzati 20 soggetti (10 uomini e 10 donne) di età compresa tra i 45 e i 75 anni, tutti normopeso e privi di patologie. I soggetti hanno svolto il task motorio di gait e di footblock eseguendo per ciascuna task un totale di tre prove valide, in modo da verificare la naturalezza dell’andamento motorio del singolo soggetto. Per l’acquisizione dei dati sono stati utilizzati: un sistema optoelettronico a 8 telecamere a infrarossi (BTS SMART DX) e un sistema comprendente due piattaforme dinamometriche per il rilevamento delle forze (AMTI, USA). I dati sono stati successivamente processati con il software SMARTClinic (BTS). Sono state poi create delle bande di normalità grazie alla media dei dati ottenuti dai soggetti normali sia per la prova di gait che per la prova di footblock. Vengono esaminati i molteplici aspetti funzionali, effettuando anche dei confronti tra i due diversi task e tra le sottocategorie uomo/donna. Inoltre, viene effettuata una simulazione di patologia all’anca, anch’essa acquisita ed estrapolata per la sua analisi, così da evidenziare le fasi in cui si denotano maggiori scostamenti rispetto alla norma. L’obiettivo è infatti quello di fornire una raccolta dati di normalità utilizzabile per effettuare confronti con pazienti aventi patologie dell’anca. Tale confronto risulta utile per la valutazione del recupero funzionale durante il periodo di riabilitazione che segue l’intervento. In questo modo si mira a ricavare informazioni utili non soltanto ai medici, ma anche agli operatori che si occupano della riabilitazione e della gestione dei pazienti. Tutti i dati ricavati da tale studio sono stati sottoposti a test statistici per verificare in primo luogo la normalità della distribuzione dei dati di una singola popolazione (test di Shapiro-Wilk) e successivamente le eventuali differenze significative emerse durante il confronto tra due diverse popolazioni (T-test). I principali risultati ottenuti sono un’evidenza statistica della diversità tra le prove di gait e di footblock, dove è emersa in quest’ultima la necessità di un maggiore range of motion angolare, un maggior carico alle articolazioni dell’arto che appoggia sul gradino, una maggiore generazione di potenza e lo sviluppo di una energia potenziale maggiore. Dal confronto tra uomini e donne, le principali differenze comuni all’esecuzione di tutte le prove sono: un’aumentata oscillazione dell’obliquità pelvica nelle donne, una maggiore antiversione pelvica negli uomini, un’adduzione dell’anca nella fase di loading maggiore nelle donne, una maggiore intrarotazione dell’anca nelle donne, una componente mediale della forza di reazione al terreno maggiore negli uomini, un momento interno di flessione dell’anca maggiore nelle donne, una potenza generata nella fase di loading maggiore negli uomini e una potenza assorbita durante la mid-stance maggiore nelle donne. Alla luce dei risultati ottenuti è stato pertanto deciso di creare due diverse bande di normalità per entrambe le tipologie di prova eseguite, una per gli uomini e un’altra per le donne, così da rendere l’analisi funzionale più corretta in dipendenza dal sesso del paziente in analisi. In questo modo si può escludere dalla valutazione biomeccanica l’influenza di dinamiche derivanti dal sesso e quindi dall’anatomia dei soggetti, concentrandosi sulla condizione clinica del paziente, sebbene condizionata probabilmente dalla tipologia di intervento, di approccio chirurgico ed al generale stato di salute del paziente in esame. Nella tesi è stato proposto anche un esempio di utilizzo delle bande di normalità per l’analisi delle alterazioni funzionali di due pazienti in fase di pre-intervento e in fasi successive post-intervento. Trattandosi di casi acquisiti e archiviati precedentemente presso il Movement Biomechanics and Motor Control Lab del DEIB, il confronto con i dati di normalità è stato possibile solo per la prova di gait, in quanto non erano ancora presenti in archivio dati relativi a prove di footblock. Con l’introduzione di tale prova i dati ottenuti potranno essere utili nelle decisioni di programmazione del trattamento riabilitativo dei pazienti da effettuare sia prima che successivamente all’intervento chirurgico.