Valutazione biomeccanica della corsa con e senza ortesi piede-caviglia in bambini con emiplegia

This dissertation is part of the GIFT- enGIneering Fort sporT for all project. This project is one of the winners of the Polisocial Award 2019, a contest that aims to reinvest the proceeds of the 5 x 1000 earmarked for the Politecnico di Milano in activities that promote the development of scientific research with a strong social impact and is aimed at improving the lives of children suffering from infantile cerebral palsy (CP). This project is intended to operate in two different areas. The first is the technical and scientific one, by designing new orthoses that meet specific requirements of use in the sporting field, as the orthoses currently on the market specify in the prescription for use that they are not suitable for sporting practice. The second area is the pedagogical and social one, by raising awareness among families, teachers, schoolmates and sports associations on the subject of disability and sport. This work is placed within the technical component of the project. Thanks to the ITOP Officine Ortopediche company, a new energy-storing foot-ankle sports orthosis has been developed. The aim of this thesis is to evaluate the biomechanics of running with and without orthoses in children with hemiplegia participating in the study. The clinical context of reference, concerning the pathology of CP, is initially presented. Subsequently, the motor act of running is described, both from a biomechanical point of view and by emphasising the importance of sport for physical and mental health. Data from academic literature regarding running in children with CP are then collected. Finally, an overview is given of the main types of ankle-foot orthosis (AFO) currently on the market for both walking and sporting activity. Subsequently, the subjects' characteristics taken into consideration in order to be included in the study, the instrumentation/equipment and protocol used for the tests performed and finally the method of processing and analysing the data extracted from the acquisitions, are illustrated. The data analysed in this thesis come from various gait analysis (GA) tests performed on a sample of 18 children, recruited through the I.R.C.C.S. Eugenio Medea Institute in Bosisio Parini (LC) according to the following inclusion criteria: − diagnosis of CP with hemiplegia (limitation prevalent in a lower limb) − degree of limitation level I or II of the GMFCS (Gross Motor Classification System); − age ≤ 11 years; − users of AFO without any time limit. The GA tests were carried out barefoot and wearing the orthosis developed for this project, together with personal footwear, upon delivery of the orthosis and after an adaptation period of approximately one month. During the acquisition, the modified Davis protocol was used. The tests were performed in motion analysis laboratories equipped with an optoelectronic system (BTS Smart DX 700), four force platforms (BTS P-6000), two video cameras (BTS), which allow the detection of kinematics, kinetics, space-time parameters and video recording. The acquired data were pre-processed and extracted using the SMART BTS software, in particular the packages SMART Analyzer and SMART Clinics. Later the kinematic and kinetic date were processed using the Matlab® software. A statistical analysis using Statistical Parametric Mapping (SPM) was performed, to compare kinematics and kinetics in tests with and without orthosis. In particular, given the non-normal nature of the data, a non-parametric bivariate ANOVA was implemented with an independent factor, i.e. the condition of the limb (affected and non-affected), and a repeated-measures factor, i.e. the condition of the test run (barefoot and with orthosis). Mann-Whitney tests were performed as post hoc. The space-time variables were instead analysed thanks to the Minitab software, through which a 3x2 ANOVA with Tukey's post hoc test was carried out. The results of the statistical analysis performed are then presented. The ANOVA and the subsequent post hoc allowed considerations on both the affected and the less affected side, regarding the effects of the use of the new AFO on the locomotor pattern of running compared to the barefoot scenario, but also regarding the possible effectiveness of an adaptation period in its use. Overall, the participants recruited show the typical deviation of the equinus foot, a common feature of CP, from the physiological kinematic and kinetic curves. During the barefoot test, the initial contact is in fact made with the forefoot instead of the heel and there is a prolonged plantarflexion during the entire gait cycle and a strength generation capacity in the propulsive phase that is on average 60% lower than in the physiological condition. The new orthosis developed has proven to be effective in correcting the foot position of the affected limb at initial contact and to significantly reduce ankle plantarflexion throughout the gait cycle, and along with it its RoM (Range of Motion). These features are consistent with the existing literature on orthoses currently on the market for walking. However, the new orthosis is not able to decrease the deficit that the pathology causes in the strength generation by the ankle plantar flexors during push-off, but rather leaves it unchanged. The gait orthoses currently on the market, on the other hand, appear to amplify this deficit during walking; due to the specification in the prescription for use, it is not possible to verify how these behave during running. Variations in the kinematic and kinetic curves between barefoot and orthotic tests are also observed on the non-affected side, which may result from changes in the compensatory strategies implemented. Regarding space-time parameters, the use of the new orthosis proves to be effective in both limbs (affected and unaffected) in increasing stride length, average speed, cycle length and duration and in decreasing the cadence. Overall, the elapse of an adaptation period does not seem to have significant effects on kinematics and kinetics. With regard to the space-time parameters, on the other hand, it contributes in both limbs to increasing cycle length, average speed and stride length. In conclusion, the limitations and future development of the research are highlighted. One of the main limitations is represented by the small population participating in the study, combined with the fact of not having a control group with which to carry out a statistical comparison. Another limiting aspect is represented by the particular historical period (Covid-19 pandemic) during which the study was carried out, which limited the participants in the use of the developed orthosis. Finally, to fully evaluate the real impact that the new orthosis has on running, it is of fundamental importance to estimate any improvements in energy economy, obtained for example by measuring oxygen consumption. In fact, although the new orthosis fails to increase power generation in the propulsive phase, it could still help reduce overall energy expenditure by doing most of the work of the ankle. The evaluations of possible improvements in the space-time parameters or in the correction of some pathological traits carried out in this thesis therefore offer only a partial overview of the effectiveness of the new foot-ankle orthosis developed.

Il presente lavoro di tesi si svolge all’interno del progetto GIFT– enGIneering Fort sporT for all. Questo progetto è tra i vincitori del Polisocial Award 2019, un contest che punta a reinvestire i proventi del 5 x 1000 destinati al Politecnico di Milano in attività che favoriscano lo sviluppo della ricerca scientifica con forte impatto sociale, ed è volto a migliorare la vita dei bambini affetti da paralisi celebrale infantile (PCI). Il progetto vuole intervenire su due fronti: il primo è quello tecnico e scientifico, andando a progettare delle nuove ortesi che rispondano ad esigenze specifiche di utilizzo in ambito sportivo, in quanto le ortesi attualmente sul mercato specificano nella prescrizione d’uso la loro non adeguatezza alla pratica sportiva; il secondo è quello pedagogico e sociale, andando a sensibilizzare famiglie, insegnanti, compagni di scuola e associazioni sportive sul tema disabilità e sport. Questo lavoro si colloca all’interno della componente tecnica del progetto. Grazie all’azienda ITOP Officine Ortopediche è stata sviluppata una nuova ortesi sportiva piede-caviglia di tipo energy-storing. Lo scopo di questa tesi è valutare la biomeccanica della corsa con e senza ortesi nei bambini affetti da emiplegia partecipanti allo studio. Inizialmente viene presentato il contesto clinico di riferimento, riguardante la patologia della PCI. Successivamente viene descritto l’atto motorio della corsa, sia dal punto di vista biomeccanico sia rimarcando l’importanza che lo sport ha per la salute fisica e mentale. Vengono poi raccolti i dati presenti in letteratura riguardo alla corsa in bambini affetti da PCI. Infine viene svolta una panoramica riguardo le principali tipologie di ortesi piede-caviglia (Ankle Foot Orthosis, AFO) attualmente in commercio sia per il cammino che per l’attività sportiva. In seguito vengono illustrate le caratteristiche dei soggetti considerate per l’inclusione allo studio, la strumentazione e il protocollo utilizzato per le prove realizzate e infine il metodo di elaborazione e analisi dei dati. I dati analizzati in questa tesi provengono da prove di Gait Analysis (GA) svolte su una popolazione di 18 bambini, reclutati grazie all’Istituto I.R.C.C.S. Eugenio Medea – Associazione La Nostra Famiglia di Bosisio Parini (LC) secondo i seguenti criteri di inclusione: − diagnosi di PCI con emiplegia (limitazione prevalente ad un arto inferiore); − grado di limitazione di livello I o II del GMFCS (Gross Motor Classification System); − età ≤ 11 anni; − utilizzatori di AFO senza alcun limite di tempo. Le prove di GA sono state svolte in condizione scalza e indossando l’ortesi sviluppata durante il progetto, insieme alla calzatura personale, al momento della consegna dell’ortesi e dopo un periodo di adattamento al dispositivo di circa un mese. Durante le acquisizioni è stato utilizzando il protocollo di Davis modificato. Le prove sono state svolte in un laboratorio di analisi del movimento equipaggiato con un sistema optoelettronico (BTS Smart DX 700), quattro piattaforme di forza (BTS P-6000), due videocamere (BTS), che permettono la rilevazione di cinematica, cinetica, variabili spazio-temporali e ripresa video. I dati sono stati pre-elaborati ed estratti utilizzando il software BTS SMART, nello specifico i pacchetti SMART Analyzer e SMART Clinics. I dati cinematici e cinetici sono stati successivamente elaborati attraverso il software Matlab®. È stata svolta un’analisi statistica mediante Statistical Parametric Mapping (SPM), per confrontare cinematica e cinetica nelle prove senza e con ortesi. In particolare, data la non normalità dei dati, è stata implementata un’ANOVA bivariata non parametrica con un fattore indipendente, ovvero la condizione dell’arto (affetto e non), e un fattore a misure ripetute, ovvero la condizione di esecuzione della prova (scalzo e con ortesi). Come post hoc sono stati eseguiti dei test di Mann-Whitney. Le variabili spazio-temporali sono state invece analizzate grazie al software Minitab, attraverso cui è stata svolta un’ANOVA 3x2 seguita da post hoc test di Tukey. Vengono poi riportati i risultati relativi all’analisi statistica svolta. L’ANOVA e i successivi post hoc hanno permesso di svolgere delle considerazioni, sia nel lato affetto che in quello meno affetto, riguardo agli effetti dell’utilizzo della nuova AFO sul pattern motorio della corsa rispetto al caso scalzo, ma anche riguardo all’eventuale efficacia di un periodo di adattamento nell’utilizzo della stessa. Complessivamente i pazienti reclutati mostrano uno scostamento tipico del piede equino, tratto caratteristico della PCI, dalle curve cinematiche e cinetiche fisiologiche. Durante la prova scalza il contatto iniziale viene infatti svolto con l’avampiede invece che con il tallone e si riscontra una prolungata plantarflessione durante tutto il ciclo del passo e una capacità di generazione di potenza in fase propulsiva mediamente inferiore del 60% rispetto al caso fisiologico. La nuova ortesi sviluppata ha dimostrato di essere efficace nel correggere la posizione del piede dell’arto affetto al contatto iniziale e di ridurre notevolmente la plantarflessione della caviglia durante tutto il ciclo del passo, e con essa il suo Range of Motion (RoM). Queste caratteristiche sono in linea con la letteratura riguardante le ortesi attualmente in commercio per il cammino. La nuova ortesi non è però in grado di intervenire diminuendo il deficit che la patologia causa nella generazione di potenza da parte dei plantaflessori della caviglia in fase di push-off, ma questa rimane invariata. Le ortesi per il cammino attualmente in commercio sembrano invece amplificare questo deficit durante il cammino; a causa della specifica nella prescrizione d’uso non è possibile verificare come queste si comportino durante la corsa. Vengono inoltre osservate variazioni nelle curve cinematiche e cinetiche tra prove scalze e con ortesi anche nel lato non affetto, le quali potrebbero derivare da cambiamenti delle strategie compensatorie attuate. Per quanto riguarda i parametri spazio-temporali, l’utilizzo della nuova ortesi si rivela efficace in entrambi gli arti (affetto e non affetto) nell’aumentare la lunghezza del passo, la velocità media, la lunghezza e la durata del ciclo e nel diminuire la cadenza. Complessivamente l’intercorrere di un periodo di adattamento non sembra avere effetti significativi su cinematica e cinetica. Relativamente ai parametri spazio-temporali invece contribuisce in entrambi gli arti ad aumentare la lunghezza del ciclo, la velocità media e la lunghezza del passo. In conclusione si evidenziano i limiti e gli sviluppi futuri della ricerca. Uno dei limiti principali è rappresentato dalla ridotta popolazione partecipante allo studio, unito al fatto di non avere un gruppo di controllo con cui svolgere un confronto statistico. Un altro aspetto limitante è rappresentato dal particolare periodo storico (pandemia Covid-19) durante il quale si è svolto lo studio, che ha limitato i partecipanti nell’utilizzo dell’ortesi sviluppata. Infine per valutare in modo completo il vero impatto che la nuova ortesi ha sulla corsa risulta di fondamentale importanza la stima di eventuali miglioramenti nell’economia energetica, ottenuta per esempio misurando il consumo di ossigeno. Infatti nonostante la nuova ortesi non riesca ad aumentare la generazione di potenza in fase propulsiva, potrebbe comunque contribuire a diminuire la spesa energetica complessiva compiendo gran parte del lavoro della caviglia. Le valutazioni di eventuali migliorie nei parametri spazio-temporali o nella correzione di alcuni tratti patologici svolte in questa tesi offrono quindi solo una panoramica parziale riguardo all’efficacia della nuova ortesi piede-caviglia sviluppata.