Effetto delle foot-transmitted vibrations sul cammino: analisi dei parametri spazio-temporali e della cinematica articolare

Foot-transmitted vibrations (FTV) are a specific form of whole-body vibrations (WBV) that propagate in the human body through foot contact with vibrating surfaces. The specific frequency range can result in a range of effects, including those affecting the vascular, neurological and musculoskeletal systems. In particular, in the case of vibrating floor surfaces, they can affect the stability and efficiency of walking in standing subjects. This study focuses on the effects of FTV on gait, with the aim of understanding the alterations induced in spatio-temporal parameters and joint kinematics. The study also intends to contribute to the current research on the protection of workers exposed to vibrations by filling the gaps in the current regulations. The aim of this study was to investigate the effect of vibrations on gait in a laboratory setting. A total of 31 healthy subjects (mean age 22 ± 5 years) were recruited for the study. Each subject was asked to walk on a treadmill mounted on a vibrating platform with three degrees of freedom. The movement was acquired using 20 passive markers placed on specific anatomical points and six infrared cameras. Each participant completed 50 walking Trials, two of which were conducted without perturbations (at speeds of 2.5 and 3.5 km/h) and the remaining in the presence of vibrations generated by a combination of four factors: speed (2.5 and 3.5 km/h), amplitude (4 and 8°/cm), direction (two rotational Roll and Pitch and one translational vertical Z) and frequency (0.25, 0.5, 0.7 and 1 Hz). The Vicon Nexus, SMART Analyzer and MATLAB software were used to extract and analyse spatio-temporal parameters (gait cycle, stance, swing, step width, cadence, symmetry indices) and joint angles (thorax, hip and knee flexion-extension, hip abduction-adduction, lateral flexion and rotation of the thorax and pelvis). To evaluate the vibration-induced changes compared to the unperturbed condition, a statistical analysis was conducted in Minitab and MATLAB, employing Design of Experiments (DOE), ANOVA with Tukey correction and Statistical Parametric Mapping (SPM) using three-way ANOVA and post-hoc t-test. The results of the study show that vibrations cause a reduction in gait cycle duration, an increase in cadence and step width, a reduction in stance phase, greater knee flexion, greater extension and reduced hip ab-adduction. The most significant changes occur in the presence of rotational vibrations (Pitch and Roll) through the combination of speed and amplitude, minimum (2.5 km/h and 4°/cm) or maximum (3.5 km/h and 8°/cm) and higher frequencies of 0.7 and 1 Hz. These combinations could therefore constitute a possible risk to the musculoskeletal health of workers exposed to FTV.

Le vibrazioni trasmesse ai piedi (Foot Trasmitted Vibration - FTV) sono una forma specifica di vibrazioni a corpo intero (WBV) che si propagano nel corpo umano attraverso il contatto del piede con superfici vibranti. Esse, a seconda del range di frequenza, possono provocare effetti vascolari, neurologici e muscolo-scheletrici. In particolare, nel caso di pavimenti vibranti, possono compromettere la stabilità e l'efficienza del cammino nei soggetti in piedi. Questo studio si concentra sugli effetti delle FTV sul cammino, con l'obiettivo di comprendere le alterazioni indotte nei parametri spazio-temporali e nella cinematica articolare, con lo scopo ultimo di colmare le lacune delle normative vigenti per la tutela dei lavoratori esposti a vibrazioni. Questo studio ha analizzato l'effetto delle vibrazioni sul cammino in 31 soggetti sani (età media 22 ± 5 anni) in un ambiente di laboratorio, tramite l’uso di un tapis roulant montato su una piattaforma vibrante a tre gradi di libertà. Grazie all’utilizzo di 20 marker passivi posizionati su punti anatomici specifici e sei telecamere ad infrarossi, è stata eseguita l'acquisizione del movimento. Ogni partecipante ha svolto 50 prove di cammino, di cui due senza perturbazioni (una a 2,5 e l’altra a 3,5 km/h) e tutte le altre in presenza di vibrazioni generate dalla combinazione di quattro fattori: velocità (2,5 e 3,5 km/h), ampiezza (4 e 8°/cm), direzione (due rotazionali Roll e Pitch e una traslazionale verticale Z) e frequenza (0,25, 0,5, 0,7 e 1 Hz). Mediante i software Vicon Nexus, SMART Analyzer e MATLAB sono stati estraratti ed elaborati i parametri spazio-temporali (gait cycle, stance, swing, step width, cadence, Symmetry Indices) e gli angoli articolari (flesso-estensione di torace, anca e ginocchio, abduzione-adduzione di anca, flessione laterale e rotazione di torace e bacino). Per valutare le alterazioni indotte dalle vibrazioni rispetto alla condizione non perturbata, è stata condotta un'analisi statistica in Minitab e MATLAB, impiegando il Design of Experiments (DOE), ANOVA con correzione di Tukey e Statistical Parametric Mapping (SPM) tramite ANOVA a tre vie e t-test post-hoc. I risultati dello studio evidenziano che le vibrazioni causano una riduzione della durata del gait cycle, aumento della cadence e della step width, diminuzione nella fase di stance, maggior flessione del ginocchio, maggiore estensione e ridotta ab-adduzione dell'anca. Le variazioni maggiori avvengono in presenza di vibrazioni rotazionali (Pitch e Roll), dalle combinazioni di velocità e ampiezza, minime (2,5 km/h e 4°/cm) o massime (3,5 km/h e 8°/cm) e dalle frequenze più alte di 0,7 e 1 Hz. Queste combinazioni potrebbero, pertanto, rappresentare un possibile rischio per la salute muscoloscheletrica dei lavoratori esposti a FTV.