Gait adaptation in response to a virtual obstacle: comparison between young and elderly adults

The present study aims to apply an innovative experimental protocol in a controlled and immersive Virtual Reality (VR) environment on healthy, young and elderly subjects to study the biomechanical adaptation underlying gait modulation. The specific objectives of this work are the following: describing the biomechanical adaptation of gait in the case of a moving obstacle, with the possibility of having a complete characterization in a safe, stimulating and immersive Virtual Reality (VR) environment and with the use of a protocol that allows for the standardization of the moving obstacle and also to evaluate the presence of age-related obstacle adaptation strategies of the participants. Gait modulation in relation to an obstacle has been extensively studied by performing kinematic measurements in gait analysis laboratories to assess adaptation to fixed or dynamic obstacles. The presence of an obstacle along the path is not only a very common life scenario, but also represents a potential fall risk especially with advancing age or in the presence of neurological disorders. In fact, it has been estimated that approximately 33 per cent of individuals over the age of 65 undergoes falls, with 50 per cent of them falling more than once a year. A psychological phenomenon also associated with falls, especially in the elderly, is the 'fear of falling' that arises after the first episode of a fall and manifests itself in the form of anxiety and loss of confidence in carrying out daily activities. However, the limitation of the previous studies was that they did not provide a scenario very close to everyday life, as was proposed in this thesis work. In fact, the experimental setup in VR was designed to be as consistent as possible with a real-life scenario, such as the interruption of an individual’s walking trajectory by a pedestrian. This scenario was made possible by the presence of a virtual agent (VA), i.e. an animated character designed ad hoc by a computer, whose objective is to cross the participants' path with a trajectory and speed directly related to the subject's gait parameters, thus ensuring the standardisation of the obstacle presented. The acquisition protocol consists of three walking sessions of ten trials each: 1. Walking at a preferred real-world speed (RW). These trials were used as a baseline condition to assess unperturbed linear walking. 2. Walking at a preferred speed in the VR environment without disturbance. These trials were used to investigate the gait changes induced by VR itself. 3. Walking at preferred speed in the VR environment disrupted by the presence of the VA. Eight young [5 females and 3 males; years 23-33] and eight elderly adults [2 females and 6 males; years 58-73] without any neurological or musculoskeletal impairment, cardiovascular disease, diabetes or severe orthopaedic problems were recruited in the study. Kinematic data were recorded during acquisitions at the Gait Laboratory of the Parkinson's and Parkinsonisms Centre, ASST Gaetano Pini CTO, in Milan (Italy), using an optoelectronic system consisting of six cameras (SMART DX-400, BTS Bioengineering, Italy) with a sampling frequency of 100 Hz. Following the LAMB protocol, twenty-nine retro-reflective markers (1.5 cm diameter) were placed on each subject at anatomical landmarks. To allow participants to immerse themselves in the virtual environment, the HTC Vive Pro device was used. All devices were synchronised using Transistor-Transistor Logic (TTL) and, prior to processing the kinematic data, they underwent a pre-processing phase to be cleaned of any artefacts (e.g. due to soft tissue artefacts). The main spatiotemporal parameters such as duration, width, length and velocity stride were extracted from the first two conditions (RW and unperturbed VR). Concerning the perturbed VR condition, in order to assess the gait adaptation induced by the presence of VA, a specific time window of gait modulation was considered. This is the period in which participants responded to the VA by adapting their gait. This modulation window was defined as the time interval between the onset of VA movement and the time when the subject regained normal (preferred) gait speed after passing the VA. Within the modulation window, three consecutive stride, termed first, second and third modulator, were analysed to obtain a complete characterisation of the modulation of the gait pattern. For each subject, the calculation of normal gait speed was based on the gait speed during the unperturbed VR condition. The marker located at the midpoint between the postero-superior iliac spines (PSIS), which approximates the CoM, was used to monitor the subject's velocity. Thus, the spatiotemporal parameters extracted from the three aforementioned conditions were compared between the two age groups. In particular, the comparison between RW and unperturbed VR served to highlight any changes induced by the virtual environment per se. For the VR condition perturbed by the VA, the three modulators were compared with the spatiotemporal parameters of the RW and unperturbed VR conditions.

Il presente studio ha l’intento di applicare un protocollo sperimentale innovativo in un ambiente di realtà virtuale (VR) controllato e coinvolgente su soggetti sani, giovani e anziani, per studiare l’adattamento biomeccanico alla base della modulazione del cammino. Gli obiettivi specifici del presente lavoro sono: descrivere l'adattamento biomeccanico del cammino in caso di ostacolo in movimento, con la possibilità di avere una caratterizzazione completa in un ambiente sicuro, stimolante e immersivo di Realtà Virtuale (VR) e con l'utilizzo di un protocollo che permetta la standardizzazione dell'ostacolo in movimento ed inoltre valutare la presenza di strategie di adattamento all’ostacolo correlate all’età dei partecipanti. La modulazione del cammino in relazione ad un ostacolo, è stata ampiamente studiata eseguendo misurazioni cinematiche in laboratori di analisi del cammino per valutare l’adattamento ad ostacoli fissi o dinamici. La presenza di un ostacolo lungo il percorso, non solo risulta essere uno scenario di vita molto comune, ma rappresenta anche un potenziale rischio di caduta specialmente con l’avanzare dell’età o in presenza di disturbi neurologici. Infatti, è stato stimato che circa il 33% dei soggetti con un’età maggiore dei 65 anni vanno incontro a cadute, con il 50% di essi che cadono più di una volta all’anno. Un fenomeno psicologico inoltre associato alle cadute, specialmente negli anziani, è la “paura di cadere” conseguente al primo episodio di caduta e che si manifesta sottoforma di ansia e perdita di fiducia nello svolgimento delle proprie attività quotidiane. Il limite però dei precedenti studi è stato quello di non fornire uno scenario molto vicino alla vita quotidiana, come invece è stato proposto nel presente lavoro di tesi. Infatti, il setup sperimentale in VR è stato progettato per essere il più coerente possibile con un possibile scenario quotidiano, come ad esempio l’interruzione della propria traiettoria del cammino da parte di un passante. Questo scenario è stato reso possibile dalla presenza di un agente virtuale (VA), ovvero un personaggio animato e progettato ad hoc da un computer, che ha l’obiettivo di attraversare il percorso dei partecipanti con una traiettoria e una velocità direttamente correlate ai parametri dell'andatura del soggetto, garantendo così la standardizzazione dell'ostacolo presentato. Il protocollo di acquisizione consiste in tre sessioni di camminata di dieci prove ciascuna: 1. Camminare ad una velocità preferita nel mondo reale (RW). Queste prove sono state utilizzate come condizione base per valutare la camminata lineare non disturbata. 2. Camminare alla velocità preferita nell'ambiente VR senza perturbazioni. Queste prove sono state utilizzate per indagare i cambiamenti dell'andatura indotti dalla VR in sé. 3. Camminare alla velocità preferita nell'ambiente VR perturbato dalla presenza del VA. Nello studio sono stati reclutati otto giovani adulti [5 femmine e 3 maschi; anni 23-33] e otto anziani [2 femmine e 6 maschi; anni 58-73] senza alcuna compromissione neurologica o muscoloscheletrica, malattie cardiovascolari, diabete o gravi problemi ortopedici. I dati cinematici sono stati registrati durante le acquisizioni presso il Laboratorio di Analisi del Movimento del Centro Parkinson e Parkinsonismi, ASST Gaetano Pini CTO, a Milano (Italia), utilizzando un sistema optoelettronico costituito da sei telecamere (SMART DX-400, BTS Bioengineering, Italia) con una frequenza di campionamento di 100 Hz. Seguendo il protocollo LAMB, sono stati posizionati su ogni soggetto ventinove marcatori retroriflettenti (diametro di 1,5 cm), sui punti di riferimento anatomici. Per permettere ai partecipanti di immergersi nell’ambiente virtuale, è stato utilizzato il dispositivo HTC Vive Pro. Tutti i dispositivi sono stati sincronizzati con l'uso di una Logica Transistore - Transistore (TTL) e, prima dell’elaborazione dei dati cinematici, essi sono stati sottoposti ad una fase di preelaborazione per essere puliti da eventuali artefatti (ad esempio dovuti ad artefatti da tessuti molli). I principali parametri spazio temporali, quali la durata, la profondità, la lunghezza e la velocità del passo, sono stati estratti dalle prime due condizioni (RW e VR non perturbata). Relativamente alla condizione di VR perturbata, per poter valutare l'adattamento del cammino indotto dalla presenza del VA, è stata considerata una specifica finestra temporale di modulazione dell'andatura. Si tratta del periodo in cui i partecipanti hanno risposto alla VA adattando la loro andatura. Questa finestra di modulazione è stata definita come l'intervallo di tempo tra l'inizio del movimento del VA e il momento in cui il soggetto ha riacquistato la velocità normale (preferita) dell'andatura dopo aver superato il VA. All'interno della finestra di modulazione, sono stati analizzati tre passi consecutivi, denominati primo, secondo e terzo modulatore, per ottenere una caratterizzazione completa della modulazione del modello di andatura. Per ogni soggetto, il calcolo della velocità normale dell'andatura si è basato sulla velocità dell'andatura durante la condizione di VR non perturbata. Per monitorare la velocità del soggetto è stato utilizzato il marcatore posto nel punto medio tra le spine iliache postero-superiori (PSIS), che approssima il CoM. I parametri spaziotemporali estratti dunque dalle tre condizioni sopracitate sono stati confrontati tra loro, comparandoli nei due gruppi di età. In particolare, il confronto tra RW e VR non perturbata serviva per mettere in luce eventuali cambiamenti indotti dall’ambiente virtuale di per sé. Per la condizione di VR perturbata dal VA, sono stati confrontati i tre modulatori con i parametri spaziotemporali delle condizioni di RW e VR non perturbata.