Valutazione dell'equilibrio basata su sensori inerziali in bambini con disturbo dello spettro autistico sottoposti ad un trattamento in realtà virtuale

Posturo-graphic (or stabilometric) analysis is a non-invasive method for studying posture and balance. The gold standard for this type of examination is the stabilometric platform, an instrument that measures the position of the centre of pressure (CoP) over time and thus can assess the postural sway of the body. The results obtained with this instrument have good accuracy, but posturo-graphic platforms are excessively expensive and bulky, making them difficult to use in home circumstances. Therefore, there is a growing search for a cheaper and more transportable alternative, so that posturo-graphic examinations can be carried out at home, thus reaching more patients and simplifying the follow-up of a motor rehabilitation pathway. The solution has been identified in wearable inertial sensors, which can be an excellent alternative for clinical applications in the field of posture assessment, in order to make the investigation of the mechanisms responsible for maintaining balance and particular pathologies related to postural control more accessible to all. The main aim of this thesis is to evaluate a wearable inertial system, specifically the G-SENSOR, to see if it is an adequate substitute for the stabilometric platform. To this end, two groups of children were evaluated, the first consisting of 20 children with Autism Spectrum Disorder (ASD), for whom the presence of motor problems is known, and the second consisting of 19 neurotypical children as a control group, and a special protocol was drawn up for the various tests to compare the results obtained from the G-SENSOR and the GRAIL system force platform. All children performed 5 balance tests: 4 static balance tests and 1 dynamic balance test. During all tests, centre of pressure (CoP) and centre of mass (CoM) signals were collected. Posturo-graphic metrics extracted from the processing of the acceleration signal of the CoM acquired with the G-SENSOR, and from the processing of the displacement signal of the CoP acquired with the GRAIL platform were then calculated and correlated. Finally, generalised linear models were created between the parameters with high correlation of the CoM and CoP, thanks to which it is possible to estimate the value of the CoP metric, most used by clinicians, from the calculated CoM metric. The second objective is to evaluate whether training in an immersive environment, carried out using the GRAIL system, improves the postural control of children with ASD. For this purpose, 10 children with ASD underwent a training of 10 sessions lasting 45 minutes. At the end, the static and dynamic balance test was performed again on all children with ASD. The postural metrics obtained were compared with those obtained during the first balance assessment to assess whether the training was beneficial. With regard to the first objective, a moderate to strong correlation was found between the G-SENSOR and the strength platform for both the group of healthy children and the group of children with ASD, but the accuracy of the models found is moderate. Further studies are therefore needed to arrive at a validation of the G-SENSOR for posturo-graphic examination on children with ASD. The evaluation of GRAIL training for children with ASD, the second objective of this study, showed no significant effectiveness of the treatment, although a positive trend towards the reference values of healthy children was noted for some metrics. In conclusion, the development of algorithms capable of pre-processing CoP and CoM posturo-graphic signals and capable of extracting metrics was achieved during this thesis work. Furthermore, a preliminary comparison of the G-SENSOR and the construction of models to derive CoP metrics from CoM metrics was achieved.

L’analisi posturografica (o stabilometrica) è un metodo non invasivo per lo studio della postura e dell’equilibrio. Il gold standard per questo tipo di esame è la pedana stabilometrica, uno strumento che permette di misurare la posizione del centro di pressione (CoP) nel tempo e quindi in grado di valutare l’oscillamento posturale del corpo. I risultati che si ottengono con questo strumento hanno una buona precisione, ma le piattaforme posturografiche risultano essere eccessivamente costose e ingombranti, rendendo difficile l’utilizzo in circostanze domiciliari. È quindi in crescita la ricerca di un’alternativa più economica e trasportabile, in modo da avere la possibilità di svolgere gli esami posturografici a domicilio, raggiungendo così più pazienti e semplificando il follow-up di un percorso di riabilitazione motoria. La soluzione è stata identificata nei sensori inerziali indossabili, i quali possono essere un’ottima alternativa per applicazioni cliniche nell’ambito della valutazione della postura, al fine di rendere più accessibili a tutti l’indagine dei meccanismi responsabili del mantenimento dell’equilibrio e di particolari patologie legate al controllo posturale. Lo scopo principale di questa tesi è quello di valutare un sistema inerziale indossabile, nello specifico il G-SENSOR, per capire se è un adeguato sostituto della pedana stabilometrica. A questo fine sono stati valutati due gruppi di bambini, il primo formato da 20 bambini con il disturbo dello spettro autistico (ASD), per i quali è nota la presenza di problemi motori, il secondo da 19 bambini neurotipici come gruppo di controllo, ed è stato stilato un apposito protocollo per le varie prove per confrontare i risultati ottenuti dal G-SENSOR e dalla pedana di forza del sistema GRAIL. Tutti i bambini hanno svolto 5 prove di equilibrio: 4 di equilibrio statico e 1 di equilibrio dinamico. Durante tutte le prove sono stati raccolti i segnali del centro di pressione (CoP) e del centro di massa (CoM). Sono stati poi calcolati e correlati i parametri posturografici estratti dall’elaborazione del segnale di accelerazione del CoM acquisito con G-SENSOR, e dall’elaborazione del segnale di spostamento del CoP acquisito con la piattaforma del GRAIL. Infine, sono stati creati dei modelli lineari generalizzati tra i parametri con alta correlazione del CoM e CoP, grazie ai quali è possibile stimare il valore del parametro del CoP, più utilizzato dai clinici, dal parametro calcolato del CoM. Il secondo obiettivo è quello di valutare se l’allenamento in un ambiente immersivo, svolto tramite il sistema GRAIL, migliora il controllo posturale di bambini con ASD. A questo scopo 10 bambini con ASD hanno svolto un training di 10 sedute della durata di 45 minuti. Al termine è stato svolto di nuovo il test di equilibrio statico e dinamico a tutti i bambini con ASD. Le metriche posturali ricavate sono state confrontate con quelle ricavate durante la prima valutazione dell’equilibrio, per valutare se l’allenamento è stato benefico. Per quanto riguarda il primo obiettivo è stata trovata una correlazione da moderata a forte tra il sensore G-SENSOR e la pedana di forza sia per il gruppo di bambini sani che per il gruppo di bambini con ASD, ma l’accuratezza dei modelli trovati è discreta. Sono quindi necessari altri studi per arrivare ad una validazione del sensore G-SENSOR per l’esame posturografico su bambini con ASD. La valutazione del training su GRAIL per i bambini con ASD, secondo obiettivo di questo studio, non ha evidenziato nessuna efficacia significativa del trattamento, nonostante si sia notata una tendenza positiva verso i valori di riferimento dei bambini sani per alcuni parametri. In conclusione, durante questo lavoro di tesi si è arrivati allo sviluppo di algoritmi in grado di pre-elaborare segnali posturografici di CoP e CoM e in grado di estrarre metriche di interesse posturografico. Inoltre, si è arrivati ad una comparazione preliminare del sensore G-SENSOR e alla creazione di modelli per ricavare metriche del CoP da metriche del CoM.