Valutazione multifattoriale del movimento in acqua attraverso un metodo innovativo per l'elaborazione dei dati

Hydrokinesitherapy, or rehabilitation in water, stands as an effective therapeutic tool due to the physical properties of the aquatic medium, ensuring a safe environment and an increased patient engagement due to its recreational nature. Therefore, this type of therapy is highly recommended for pediatric patients with movement disorders, including children affected by Cerebral Palsy (CP) or Acquired Brain Injury (ABI). The aim of this study was to define, through the development of an innovative and automatic method for data processing, a protocol for the analysis of movement in water, involving the simultaneous study of joint kinematics and electromyographic activity in a control group (CG: 6 males, 6 females; age 13 ± 2.3 years; height 1.6 ± 0.1 m). Subsequently, the improvements of a case study affected by ABI, with greater severity on the left side, were monitored and quantified. This patient followed a one- month hydrokinesitherapy program. The project was carried out within the rehabilitation pool of I.R.C.C.S. Eugenio Medea – Associazione La Nostra Famiglia in Bosisio Parini (LC). Seven IMU sensors and two waterproof EMG probes, provided by ©Cometa s.r.l., were used to capture hip, knee, and ankle angles in the sagittal plane and electromyographic signal of the rectus femoris (RF) muscle, respectively. For visual feedback, all acquisitions were recorded using a waterproof GoPro Hero 10. Specifically, a single acquisition was performed for each CG subject, while three hydrokinesitherapy sessions were evaluated for the patient: at the beginning (T0), halfway (T1), and at the end (T2) of the program. The protocol, approved by the Ethics Committee of the institute, considered only motor tasks that were repeatable and simple for the patient to perform: walking on land and in water, squats, and steps up. Before each acquisition, the maximum voluntary contraction (MVC) of the quadriceps muscle was recorded, enabling comparison between different subjects. The acquired data were processed using a custom-made algorithm in MATLAB®, which is automated and user-friendly. Specifically, it has a README file with instructions for user and then proceeds with the analysis of the different motor tasks of the patient of interest. Results from the statistical analysis conducted on the gait cycle of the CG alone revealed how the physical properties of the aquatic medium affect movement: particularly in water, a more pronounced hip flexion was observed throughout the swing phase, accompanied by a prolonged activation of the RF, along with a reduction in the knee flexion peak typical of the loading response phase, and a decrease in the maximum flexion angle during the swing phase. Additionally, a greater and earlier plantarflexion of the ankle was observed in the phase preceding Toe Off (TO). These variations are likely due to the effects of water viscosity, greater than that of air, and buoyancy. Subsequently, after establishing the normal ranges for the CG, the patient's progress during the rehabilitation period was evaluated. In particular the reduction in stiffness of the pathological ankle was observed, especially in the squat and step exercises. These exercises involve simpler and more repeatable motor patterns compared to those of the gait cycle, which is much more complex and structured. Nonetheless, a reduction in toe walking (equinus foot), typical of this condition, and a decrease in plantarflexion during the swing phase were recognized. These improvements suggest that aquatic rehabilitation is an important support to conventional therapies. However, to maximize its beneficial effects, it will be essential to conduct further studies that allow a greater understanding and characterization of movement in water, through the development of a more comprehensive and in-depth code. For example, it could be useful to analyze trunk-pelvic kinematics by increasing the number of IMU sensors, investigate joint movement in the frontal plane, or use a greater number of EMG probes. This approach will enable the development of highly personalized physiotherapy protocols tailored to the specific needs of each patient.

L'idrochinesiterapia, o riabilitazione in acqua, si configura come un efficace strumento terapeutico grazie alle proprietà fisiche del mezzo acquatico, garantendo al contempo un ambiente sicuro e un maggior coinvolgimento da parte dei pazienti grazie alla sua natura ricreativa. Pertanto, questa tipologia di terapia è altamente consigliata per pazienti pediatrici con disturbi del movimento, tra cui i bambini affetti da Paralisi Cerebrale Infantile (PCI) o da Cerebrolesione Acquisita (CLA). L’obiettivo del presente lavoro è stato quello di definire, tramite lo sviluppo di un metodo innovativo ed automatico per l’elaborazione dei dati, un protocollo per l’analisi del movimento in acqua, che prevedesse lo studio simultaneo della cinematica articolare e dell’attività elettromiografica su un gruppo di controllo (GC: 6 M, 6 F; età 13.0 ± 2.3 anni; altezza 1.6 ± 0.1 m). Dopodichè, si è cercato di monitorare e quantificare i progressi di un caso studio affetto da CLA con gravità maggiore a sinistra, 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 a Bosisio Parini (LC). Sette sensori IMU e due sonde EMG impermeabili, forniti da ©Cometa s.r.l., sono stati utilizzati per acquisire rispettivamente gli angoli di anca, ginocchio e caviglia nel piano sagittale e il segnale EMG del retto femorale (RF). Per avere anche un feedback visivo, tutte le acquisizioni sono state registrate tramite una GoPro Hero 10 impermeabile. In particolare, per ogni soggetto del GC è stata eseguita un’unica acquisizione, mentre per il paziente sono state valutate tre sedute di idrochinesiterapia: all’inizio (T0), a metà (T1) e alla fine (T2) del percorso. Nel protocollo, approvato dal Comitato Etico della struttura, si è deciso di considerare solo gesti motori ripetibili e semplici da eseguire per il paziente: camminata fuori e dentro l’acqua, squat e salita e discesa da una pedana rialzata (step). Prima di ogni acquisizione, è stata registrata la massima contrazione volontaria del muscolo quadricipite (MVC), così da poter consentire un confronto tra diversi soggetti. I dati acquisiti sono stati processati con un algoritmo ad hoc in MATLAB®, automatizzato e user-friendly, che presenta un file README con le istruzioni d’uso per l’utente e, a seguire, analizza i diversi gesti motori del soggetto di interesse. Dai risultati dell’analisi statistica condotta sul ciclo del passo del solo GC è emerso come le proprietà fisiche del mezzo acquatico impattino il movimento: in particolare in acqua rispetto a terra si è notata una flessione più marcata dell’anca durante tutta la fase di volo, accompagnata da un’attivazione più prolungata del RF, una riduzione del picco di flessione del ginocchio, tipico della fase di risposta al carico, e dell’angolo di massima flessione della fase di volo, mentre per la caviglia si è osservata una plantar- flessione maggiore e anticipata nella fase precedente il Toe Off (TO). Queste variazioni sono probabilmente dovute agli effetti della viscosità dell’acqua, maggiore di quella dell’aria, e del galleggiamento. Dopodiché, delineate le bande di normalità del GC, sono stati valutati i progressi del paziente durante il periodo di riabilitazione, tra cui in particolare la riduzione della rigidità della caviglia patologica, che è stata osservata specialmente nell’esercizio dello squat e dello step. Questi esercizi, infatti, prevedono schemi motori più semplici e ripetibili rispetto al ciclo del passo che risulta molto più complesso e strutturato. È stata comunque riconosciuta una riduzione della deambulazione in punta (piede equino), tipica di questa patologia, e una diminuzione della plantar-flessione nella fase di oscillazione. Questi miglioramenti suggeriscono che la riabilitazione in acqua è un importante supporto alle terapie convenzionali, tuttavia, al fine di massimizzarne gli effetti benefici, sarà fondamentale condurre ulteriori studi che permettano una maggiore comprensione e caratterizzazione del movimento in acqua, tramite lo sviluppo di un codice più completo e approfondito. Ad esempio, potrebbe essere utile analizzare anche la cinematica tronco-pelvica incrementando il numero dei sensori IMU, indagare il movimento articolare anche nel piano frontale o utilizzare un maggior numero di sonde EMG. In questo modo sarà possibile sviluppare protocolli fisioterapici altamente personalizzati, mirati alle esigenze specifiche di ciascun paziente.