Analisi cinematica ed elettromiografica durante esercizi in acqua su soggetti sani e valutazione preliminare di un protocollo di idrochinesiterapia

Hydrokinesitherapy is the execution of rehabilitation exercises in water, gaining important benefits from the physical properties of this medium. Indeed, buoyancy allows to reduce joints load and the hydrodynamic resistance, to overcome during the movement in water, induces an increase in the energy expenditure and in the muscular tone. Moreover, hydrokinesitherapy combines to the rehabilitation exercise a recreational component and, consequently, it is more accepted by patients, especially paediatric ones, which are more confident in executing the required motor tasks, without being afraid of falling. Water rehabilitation is particularly recommended for children with Cerebral Palsy (CP) or affected by Acquired Brain Injury (ABI). These pathologies represent the principal cause of motor system alteration in paediatric patients and rehabilitation in hot water (33-35°C) allows to reduce muscular spasms and to increase joint mobility. The present thesis firstly aims to define a protocol for movement analysis in water. The protocol includes the simultaneous evaluation of hip, knee, and ankle angles in the sagittal plane and the electromyographic signal of rectus femoris in a control group (CG) consisting of eleven children (height 1.6 ± 0.1 m, age 13 ± 2.5 years). Subsequently, the thesis focuses on measuring and tracking the improvements of a patient with ABI mainly affected on the left side, who followed a hydrokinesitherapy program of one month. The project was done in collaboration with the rehabilitative pool located in the I.R.C.C.S. Eugenio Medea - Associazione La Nostra Famiglia in Bosisio Parini (LC). This institute rented seven inertial sensors IMU for the lower limbs and the lumbar area and two EMG probes for the rectus femoris from the ©Cometa S.r.l. company. Additionally, a waterproof camera GoPro HERO 10 was used to provide visual feedback throughout the whole acquisition sessions. In the protocol, approved by the Ethical Committee of the institute, only simple and repeatable motor tasks are included: on-land gait, underwater ii gait, squat and steps up on a platform located at the bottom of the pool. Before each acquisition, it is necessary to record the maximum voluntary contraction (MVC), to normalize the rectus femoris EMG signal acquired during each movement and allow a comparison between different subjects. Therefore, starting from the CG data, a multifactorial evaluation of the movement in water is developed and reference ranges for each analysed motor task are defined. Each CG child performs only one acquisition, while the patient undergoes three hydrokinesitherapy sessions: at the beginning (T0), halfway (T1) and at the end (T2) of the rehabilitation program. Afterwards, the collected data are analysed using MATLAB®. Specifically, the EMG signal is filtered (Butterworth filter of fourth order, cut frequencies 35-500 Hz), rectified, enveloped and normalized with respect to the MVC. Moreover, the analysis exploits a MATLAB® algorithm to sequence each movement and to calculate spatiotemporal parameters of interest, in order to characterize each motor task. For the CG the Statistical Parametric Mapping (SPM{t}) and a double-tailed parametric t-test (α = 0.05) allowed to highlight the statistically relevant differences between on-land and underwater gait regarding both joint angles and EMG signal. Hence, it is possible to understand how the aquatic medium influences gait. In water, the first peak of flexion of the knee during load acceptance phase is reduced while hip flexion is more evident during the swing phase, combined with a longer activation of the rectus femoris activation, which is hip flexor. Those differences may depend on the effects of buoyancy and water viscosity, that is higher than air and implies a greater hydrodynamic resistance to overcome during the swing phase. Moreover, the resistance opposed by water during foot thrust induces a more prolonged and anticipated plantarflexion than on-land gait. From the analysis of on-land and underwater stride cycle, squat and step of the CG, reference ranges are defined which are used to analyse patient data through a one sample t-test. Thus, it is possible to underline how the patient joint kinematic and EMG signal differ from the CG and qualitatively evaluate the improvements throughout the three sessions. The gait cycle in water of the pathological limb is characterised by a higher and postponed plantarflexion during the whole swing phase and a significant hip flexion combined with an extended rectus femoris activation. Asymmetries between the two limbs are noticeable, regarding joints kinematic, muscular activation and spatiotemporal parameters. Nevertheless, improvements are more evident in the execution of squat and step as the pathological ankle appears less rigid. This kind of exercises, indeed, is characterized by simpler and more repeatable motor patterns (kinematic closed chain) than gait cycle and physiotherapy can easily succeed in increasing joint mobility. On the other hand, gait motor pattern is more structured and complex; consequently, it is more difficult to appreciate improvements in one month of therapy. Nevertheless, a reduction of the toe walking (equinus foot), typical of this pathology, and a decreased plantarflexion in swing phase are recognisable in both environments. In conclusion, the present thesis allowed a simultaneous analysis of joint kinematics and electromyographic activity in water. Moreover, a preliminary assessment of the benefits of hydrokinesitherapy on a case study was done. This protocol could be used in the clinical practice to verify water rehabilitation results also in future patients of the institute, taking advantage of the reference ranges, developed in this research work. Further studies are necessary to quantify in a more accurate manner how motor tasks are modified in the aquatic environment, for example, investigating the activation of other muscles, besides the rectus femoris. This is essential since only with the complete comprehension and characterization of the movement in water of patients with these pathologies, it will be possible to develop personalised physiotherapeutic programs and maximize the hydrokinesitherapy efficacy.

Per idrochinesiterapia si intende l’esecuzione di esercizi riabilitativi in acqua, traendo beneficio dalle proprietà fisiche di questo mezzo. In particolare, il galleggiamento consente una riduzione del carico sulle articolazioni e la resistenza idrodinamica da vincere durante il movimento comporta un aumento del dispendio energetico e del tono muscolare. Non di meno, l’idrochinesiterapia associa all’esercizio riabilitativo una componente ludica ed è quindi più accettata dai pazienti, che riescono così ad eseguire gesti motori con maggior sicurezza e con minore paura di cadere. La riabilitazione in acqua è particolarmente consigliata nel caso di bambini con Paralisi Cerebrale Infantile (PCI) o affetti da Cerebrolesioni Acquisite (CLA). Queste patologie rappresentano la principale causa di alterazione del sistema motorio nei pazienti pediatrici e la riabilitazione in acqua calda (33-35°C) permette una riduzione degli spasmi muscolari e un aumento della mobilità articolare. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è stato dunque in un primo momento quello di definire un protocollo per l’analisi del movimento in acqua, che prevede la valutazione contestuale degli angoli articolari di anca, ginocchio e caviglia nel piano sagittale e del segnale elettromiografico del retto femorale su un gruppo di controllo (GC) composto da undici bambini (altezza 1.6 ± 0.1 m, età 13 ± 2.5 anni). Successivamente, invece, si è cercato di monitorare e quantificare i progressi di un paziente affetto da CLA con gravità maggiore per l’arto sinistro, che ha seguito un percorso di idrochinesiterapia della durata di un mese. Il progetto è stato svolto all’interno della piscina riabilitativa dell’I.R.C.C.S. Eugenio Medea – Associazione La Nostra Famiglia presso Bosisio Parini (LC). L’istituto ha noleggiato dall’azienda ©Cometa S.r.l. sette sensori inerziali IMU, da posizionare sugli arti inferiori e sul bacino, e due sonde EMG per il retto femorale. Inoltre, è stata impiegata una videocamera subacquea GoPro HERO 10 che ha permesso di avere un importante riscontro visivo durante le acquisizioni. Nel protocollo, approvato dal Comitato Etico della struttura, è stato deciso di considerare solo gesti motori ripetibili e semplici da eseguire per il paziente, in particolare: camminata fuori e dentro l’acqua, squat e salita e discesa da una pedana rialzata (step). Prima di ogni acquisizione, è stato necessario registrare la contrazione massima volontaria del muscolo quadricipite (MVC), così da poter successivamente normalizzare il segnale EMG rilevato durante i movimenti in esame e consentire un confronto tra soggetti. Quindi, a partire dai dati acquisiti dai bambini del GC, è stata svolta una valutazione multifattoriale del movimento in acqua e sono state definite delle bande di normalità per ciascuno dei gesti motori analizzati. In particolare, per ogni soggetto del GC è stata eseguita un’unica acquisizione in piscina mentre per il paziente sono state valutate tre sedute di idrochinesiterapia, all’inizio (T0), a metà (T1) e alla fine (T2) del programma di riabilitazione. I dati acquisiti sono stati processati successivamente in MATLAB®. Nello specifico, il segnale elettromiografico è stato sottoposto a filtraggio (filtro Butterworth del quarto ordine passa banda 35-500 Hz), rettifica, inviluppo e normalizzazione rispetto a MVC. Inoltre, sono stati implementati dei codici sia per il sequenziamento di ciascun movimento, sia per il calcolo di parametri spaziotemporali di interesse per la caratterizzazione di ogni gesto motorio. Per il GC sono state evidenziate le differenze statisticamente significative fra il cammino fuori e dentro l’acqua, sia per quanto riguarda gli angoli articolari e l’inviluppo del segnale EMG attraverso la Mappatura Statistica Parametrica (SPM{t}) ed in particolare un t-test parametrico a doppia coda (α = 0.05), così da evidenziare quanto il mezzo acquatico influenzi il movimento. In acqua si notano una riduzione del primo picco di flessione del ginocchio in fase di accettazione del carico e una flessione dell’anca più marcata in fase di volo accompagnata da un’attivazione più prolungata del retto femorale, coinvolto nella flessione dell’anca. Queste differenze potrebbero essere dovute agli effetti del galleggiamento e della viscosità dell’acqua maggiore di quella dell’aria, e vi quindi una maggiore resistenza idrodinamica da vincere durante la fase di volo. La maggiore resistenza opposta dall’acqua durante la spinta del piede comporta inoltre una plantarflessione più sostenuta e anticipata rispetto al cammino a terra. Dall’analisi del cammino a terra e in acqua, dello squat e dello step del GC sono state definite delle bande di normalità con cui comparare i dati del nostro caso studio attraverso un one sample t-test, ponendo in risalto laddove la cinematica articolare del paziente e il suo segnale EMG si discostino significativamente dal GC e valutando qualitativamente i miglioramenti nel corso delle tre acquisizioni. Per il paziente il ciclo del passo dell’arto patologico in acqua è caratterizzato da una maggiore e ritardata plantarflessione durante l’intera fase di volo e da una marcata flessione dell’anca, accompagnata da una sostenuta attivazione del retto femorale. È stato dunque possibile sottolineare le asimmetrie tra i due arti, per quanto riguarda la cinematica articolare, le attivazioni muscolari e i parametri spaziotemporali calcolati. Tuttavia, i miglioramenti più evidenti si notano nell’esecuzione di squat e step, dove la caviglia patologica risulta essere sensibilmente meno rigida. Questi esercizi, infatti, prevedono schemi motori più semplici e ripetibili (catena cinematica chiusa) rispetto al ciclo del passo e la fisioterapia consente un incremento della mobilità articolare. Il cammino, invece, è caratterizzato da un pattern motorio ben più complesso e strutturato e dunque è più difficile apprezzare miglioramenti in un solo mese di terapia. Ciononostante, sia in acqua che fuori, è osservabile una diminuzione dell’equinismo tipico di questa patologia e una riduzione della plantarflessione in fase di volo. Il presente lavoro di tesi ha permesso un’analisi contestuale di cinematica articolare e attività elettromiografica in acqua. Inoltre, è stata condotta una valutazione preliminare dell’efficacia dell’idrochinesiterapia in un paziente con CLA, coinvolto nel progetto come caso studio. Questo protocollo potrebbe essere utilizzato nella normale pratica clinica per verificare i risultati della riabilitazione in acqua anche in futuri pazienti in cura nell’istituto, servendosi delle bande di normalità da noi definite. Tuttavia, sono necessari ulteriori studi per quantificare in maniera più accurata come nell’ambiente acquatico i gesti motori siano modificati, ad esempio investigando l’attivazione di altri muscoli, oltre al retto femorale. Ciò è di primaria importanza poiché soltanto con la piena comprensione e caratterizzazione del movimento in acqua di pazienti con queste patologie si potranno definire dei protocolli fisioterapici personalizzati e massimizzare così l’efficacia dell’idrochinesiterapia stessa.