Valutazione quantitativa del controllo motorio durante il superamento dell'ostacolo in adulti sani e con sindrome di Down

This thesis was carried out at the Department of Bioengineering of Politecnico di Milano, in collaboration with the institute IRCCS “San Raffaele Pisana” Tosinvest Sanità, of Rome. The aim of this work was an in-depth analysis of the obstacle avoidance task for young adults with Down’s Syndrome (DS). This task has been largely deepened during years by many researchers, especially in comparison with walking, becoming always more important; lately, this action, that has always been evaluated just from a biomechanical point of view, become to be studied to analyze the subject’s capabilities to integrate motor and cognitive fields in the execution of the task. Besides considering the parameters related to the lower limbs, as done in literature, in this work some characterizing parameters related to upper limbs and trunk are considered, in order to provide a complete evaluation of the different motor patterns implemented during the task. Partecipants were 21 adults with Down’s Syndrome (DS group) and 21 healthy subjects (CG group). Experimental set-up considered three different trial conditions, repeating each one three times consecutively: walking, walking with low obstacle (leaned on the ground) and walking with high obstacle (10% of subject’s height). The motion during the obstacle avoidance task was acquired by an opoelectronic system (ELITE 2002, BTS, Italy) of motion capture, composed of eight NIR (Near InfraRed) cameras. Passive markers were placed on anatomical landmarks, according to a modified Davis protocol; in this work several additional markers were considered (four for upper limbs and three for the head). Some ad hoc protocols were implemented for this task, in order to calculate kinematic and spatio-temporal parameters for the body segments. Among the most significant parameters appear :angles calculated for the upper limbs, the foot clearance, step length step width, hip intra- rotation, hip flexion, hip abduction and the distances between the foot and the obstacle. This work reveal that subjects with DS have a clumsy walking, with higher hip movements in horizontal plane (higher hip intrarotation), higher step width, lower step length and velocity, compared to healthy people During low obstacle avoidance task, healthy people don’t show variability by comparison with normal walking, whereas subjects with DS have hesitant movements, with higher hip intrarotation, flexion and abduction. For all that, more movements in frontal and horizontal planes are observed, and these can be the reasons of higher unbalance in DS group. Higher changes in high obstacle avoidance are recorded. Both groups decrease velocity and increase pelvic tilt, pelvic obliquity, knee flexion and foot clearance. Moreover, subjects with DS increase hip abduction, with more remarkable movement in frontal and horizontal planes. Data analysis, supported by statistical analysis, showed high variability in subjects with Down’s Syndrome during the obstacle avoidance, compared with normal walking, especially with high obstacle. These results can be explained with a different motor pattern in DS subjects during the task. Therefore, subjects with Down’s Syndrome choose different motor patterns to raise their own stability, as reducing trial velocity and step length, increasing step width and lifting up upper limbs. This thesis confirms the importance of the obstacle avoidance task in the evaluation of the motor system and the cognitive one, showing how the presence of an obstacle may lead to significant alteration of normal motor strategies in individual with cognitive deficits. Furthermore, the results obtained from this study show that the kinematic analysis of the upper limbs and trunk is relevant for the correct assessment of this task.

Il presente lavoro di tesi, svolto all’interno del Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di Milano ed in collaborazione con l’istituto IRCCS “Casa San Raffaele Pisana” Tosinvest Sanità di Roma, ha avuto come scopo la caratterizzazione del task del superamento dell’ostacolo in soggetti adulti con Sindrome di Down. Questo task è stato ampiamente approfondito negli anni da numerosi studiosi, soprattutto nel suo confronto diretto con il cammino, ricoprendo un’importanza sempre maggiore; negli ultimi tempi questo gesto, che è sempre stato valutato dal solo punto di vista biomeccanico, ha cominciato ad essere oggetto di studio per analizzare le capacità d’integrazione motorio-cognitive richieste al soggetto. Per valutare in modo esaustivo le strategie motorie attuate durante il task in questo studio, oltre a considerare i parametri cinematici relativi agli arti inferiori ritrovati spesso anche in letteratura, vengono analizzati anche alcuni parametri significativi relativi agli arti superiori ed al tronco. I partecipanti a questo studio erano 21 soggetti con Sindrome di Down (gruppo SD) e 21 soggetti sani (gruppo GC). Il set-up sperimentale prevedeva tre condizioni di prova, da ripetere per tre volte consecutivamente: cammino, cammino con ostacolo basso (appoggiato a terra) e cammino con ostacolo alto (10% dell’altezza del soggetto). L’analisi del movimento durante il task di superamento dell’ostacolo è stata effettuata tramite un sistema optoelettronico (ELITE 2002, BTS, Italy) costituito da otto telecamere operanti nella gamma di lunghezze d’onda NIR (Near InfraRed). Il protocollo di posizionamento dei marcatori passivi è stato ricavato a partire dal protocollo Davis, al quale sono stati aggiunti sette marcatori (quattro per gli arti superiori e tre per la testa). Attraverso alcuni protocolli implementati ad hoc per questo task, è stato possibile calcolare i parametri cinematici dei vari segmenti corporei ed i parametri spazio-temporali che caratterizzassero quantitativamente il movimento. Tra i più significativi compaiono gli angoli calcolati per gli arti superiori, la foot clearance, la lunghezza e la larghezza del passo, i movimenti di intrarotazione, flessione ed abduzione dell’anca e le distanze tra piede ed ostacolo. I risultati ottenuti in questo studio mostrano che durante il cammino normale, i soggetti con SD mostrano una locomozione instabile, con maggiori movimenti dell’anca nel piano orizzontale (maggiore intrarotazione), maggiore larghezza della base di appoggio, minore velocità e lunghezza del passo, rispetto ai sani. Durante il superamento dell’ostacolo basso, i soggetti sani non mostrano variabilità rispetto al cammino, mentre i soggetti con SD eseguono la prova con incertezza e con un aumento dell’intrarotazione, della flessione e dell’abduzione dell’anca. Ciò provoca maggiori movimenti nei piani frontale ed orizzontale, che conducono ad una maggiore instabilità. Le variazioni vengono ancora più accentuate durante la prova con l’ostacolo alto, dove entrambi i gruppi diminuiscono la velocità di esecuzione del task, aumentano l’obliquità pelvica, l’antiversione del bacino, la flessione del ginocchio e il margine di sicurezza verticale tra piede ed ostacolo. In più, nei soggetti con Sindrome di Down si ha un aumento dell’abduzione dell’anca e movimenti più marcati nei piani frontale ed orizzontale. A seguito dell’analisi statistica effettuata sui dati acquisiti durante le prove, nel passaggio da cammino a ostacolo basso, i soggetti con Sindrome di Down mostrano un’elevata variabilità (che aumenta ulteriormente in presenza dell’ostacolo alto), giustificabile attraverso l’adozione una diversa strategia motoria per effettuare il superamento dell’ostacolo. I soggetti con SD adottano quindi strategie motorie mirate ad aumentare la propria stabilità, quali riduzione della velocità e della lunghezza del passo, aumento della larghezza del passo ed elevazione delle braccia. Questo lavoro di tesi conferma l’importanza del task del superamento dell’ostacolo nella valutazione del sistema motorio e di quello cognitivo, evidenziando come la presenza di un ostacolo posto lungo il cammino di un soggetto con deficit cognitivi possa provocare significative alterazioni delle normali strategie motorie. Inoltre, i risultati ottenuti da questo studio mostrano come anche l’analisi cinematica degli arti superiori e del tronco sia rilevante per la corretta valutazione di questo task motorio.