Valutazione quantitativa del cammino mediante sistemi indossabili in adolescenti obesi

The aim of this thesis is to analyze the application of two types of wearable systems for gait analysis in obese adolescents: an inertial system and a pair of pressure insoles. Wearable systems can be an interesting alternative to the current gold standard, which is computerized gait analysis, to obtain objective measures about gait. Computerized gait analysis provides accurate, integrated and multifactorial informations, although it necessarily requires dedicated laboratory and specialized staff, that must be able to use the instrumentation and to apply the protocols. Besides, the above mentioned technologies are hardly portable, their applicability is limited to the laboratory and to the few steps that fall within the calibration volume of the optoelectronic system. In addition they are expensive, the preparation requires a long time and the test must be performed in underwear. Regarding obese subjects, there are also problems connected to the placement of the markers in those areas where the excess of adipose tissue makes it difficult to identify correctly the anatomical landmarks. Furthermore, the markers might result invisible to the cameras because of the excess of adipose tissue, which causes also an important soft tissue artifact. Wearable systems offer several interesting advantages: they cost less, they can be used outside the laboratory and can consider a greater number of steps and finally their application is simpler and faster. Inertial systems allow several kinds of analysis according to their placement on different anatomical districts. In this work an inertial system, fixed at the level of the lower trunk, was used to estimate spatiotemporal parameters. As reported by several studies, the estimation of these parameters requires the identification of gait events starting from the acceleration signal of the lower trunk. The pressure insoles instead, provide an alternative to baropodometric platforms for the measurement of plantar pressures. The platforms confine the analysis to the clinical laboratory and the test must be performed barefoot. The insoles, as a wearable system, allow, on the contrary, greater flexibility and in addition, they provide informations related to the actual pressure between the shoe and the foot. The two above mentioned devices have been applied to the study of gait in obese adolescents. Obesity is an increasingly important socio-economic problem, because of its high incidence in adults, children and adolescents. The consequences on health are many, they include almost all the human body systems, as well as the musculoskeletal and locomotor systems. Obesity, ultimately, causes diseases and degenerations associated with pain and functional limitations. Obese people show changes in the strategy of walking, highlighted also from the variation of spatiotemporal parameters and plantar pressure. The analysis of the spatiotemporal parameters plays an important role in the evaluation of gait and its alteration due to patological conditions. They reflect infact the capability of the subject to achieve the three fundamental purposes of walking: loading acceptance, support on a single limb and limb progression during the swing phase. The study of the plantar pressure is also very important, because the foot is the element of support and propulsion during walking and altered distributions of pressure can cause pain, deformity and functional limitations. Therefore, the study of gait in obeses provides informations about the variation of biomechanics during walking and allows evaluation of possible rehabilitation treatments or remedial exercise. From the studies reported, in obese people subjects the spatiotemporal parameters show differences compared to normal weight people. Their gait, infact, is characterized by an increased stance and double support duration. The main purpose was to evaluate if the inertial system could detect these changes and could estimate with an acceptable accuracy the spatiotemporal parameters. Before applying clinically this type of systems , a validation phase is required. In our study, the validation has been done by comparing the output of the inertial system to that of the optoelectronic system. To achieve this purpose, simultaneous acquisition has been performed with optoelectronic system and inertial system. Several walking tests of two groups of adolescents, 10 obese and 8 normal weight, has been acquired. A comparison of spatiotemporal parameters was then made between the output of the two systems. The analysis was done according to two modes of gait cycle definition in the optoelectronic system: by the events highlighted by the force platforms and defining the same gait cycles used by the inertial system. Statistical analysis shows that both systems measure a statistically significant difference in the duration of stance and double support between the two groups. Whereas the estimation of stance duration is accurate enough for both normal weight and obese, in the case of the duration of the double support, the inertial system tends to considerably overestimate the value, in a more important way in the obese adolescents. The inertial system can, therefore, characterize the gait of obese and normal weight adolescents and can measure correctly almost all the parameters. The parameter for which it shows more difficulties in the estimation is the double support duration. The other key aspect in this thesis was the evaluation of interface pressures between the foot and the shoe during the obese adolescents walking, in comparison to that of the normal weight.For the study of plantar pressure, the obese subjects and the control group were also equipped with pressure insoles inside their shoes to allow the acquisition of the pressures pattern during all the performed gait tests. The results show a significant increase in maximum force, contact area and both peak and mean pressure in obese adolescents, particulary pronounced in forefoot and midfoot areas. The arch index, defined as the midfoot contact area divided by the total contact area, shows a higher incidence of flat foot in obese adolescents. Beside, when the parameters of force and pressure are normalized to the weight, they show differences between the two groups in hallux and medial rearfoot, for all the normalized parameters; lateral rearfoot, for normalized mean pressure; lateral rearfoot and lateral midfoot, for normalized peak pressure. These parameters are characterized by lower values in the obese groups than in the normal weight group. The differences in the normalized parameters between obese and normal weight adolescents, indicate that, in some areas, there are biomechanical differences in the support phase during gait.

L'obiettivo della presente tesi è quello di analizzare l'applicazione di due tipologie di sistemi indossabili per analisi del cammino in adolescenti obesi: un sistema inerziale ed un paio di solette di pressione. L'interesse verso i sistemi indossabili nasce dal fatto che essi forniscono un'alternativa all'analisi computerizzata del cammino al fine di ottenere misure oggettive sui diversi aspetti della deambulazione. L'analisi computerizzata del cammino, che è l'attuale gold standard in questo ambito, fornisce informazioni precise, accurate, multifattoriali ed integrate, ma necessita l’utilizzo di un laboratorio dedicato e di personale specializzato in grado di utilizzare le tecnologie ed applicare i protocolli. Si tratta di sistemi difficilmente portabili, la cui applicabilità per l’analisi del cammino è limitata all’interno del laboratorio ed ai pochi passi che rientrano nel volume di calibrazione del sistema optoelettronico. Le strumentazioni sono inoltre costose, i tempi di preparazione sono lunghi e l’esecuzione della prova deve essere fatta in biancheria intima. A questi svantaggi, nel caso dei soggetti obesi, vanno aggiunte le problematiche dovute alla difficoltà di posizionamento dei marcatori in zone con molto tessuto adiposo, che può inoltre coprire i marker, rendendoli invisibili alle telecamere, e causare un elevato artefatto da tessuto molle. Le strumentazioni wearable, pur fornendo misure meno precise, sono interessanti sotto diversi aspetti: esse sono a minor costo, sono utilizzabili in ambienti esterni al laboratorio, considerano un numero di passi maggiore ed il loro utilizzo è molto più semplice e veloce. Per quanto riguarda i sistemi inerziali, essi consentono analisi diverse in funzione della loro collocazione sui diversi distretti corporei. Nel nostro caso, un sistema inerziale, posizionato a livello del basso tronco, è stato utilizzato per la stima dei parametri spaziotemporali del passo. Come riportato da diversi studi nel settore, la stima di tali parametri può essere fatta a partire dall’identificazione degli eventi del cammino nelle tracce di accelerazione del basso tronco, nelle tre dimensioni. In tali tracce si individuano infatti dei pattern che permettono il riconoscimento degli eventi del passo. Le solette pressorie, invece, forniscono un’alternativa rispetto alle pedane baropodometriche per la misura delle pressioni plantari. Le pedane limitano l’analisi al laboratorio clinico e richiedono l'esecuzione della prova a piedi nudi. Le solette, in quanto sistemi indossabili, consentono invece una maggiore flessibilità applicativa ed inoltre forniscono informazioni relative alle pressioni effettive tra scarpa e piede. I due dispositivi, oggetto di questo lavoro, sono stati applicati allo studio del cammino di adolescenti obesi. L'obesità è un problema socioeconomico sempre più rilevante, vista la sua crescente incidenza sia tra gli adulti che tra bambini ed adolescenti. Le conseguenze sulla salute associate ad essa sono molteplici e riguardano la quasi totalità degli apparati corporei, tra cui quello muscolo-scheletrico e locomotore. L'obesità causa infatti patologie e degenerazioni associate a dolori e limitazioni funzionali e, nelle persone obese, si evidenziano alterazioni della strategia di cammino, riscontrabili anche nella variazione di parametri spaziotemporali e pressioni plantari. L'analisi dei parametri spaziotemporali riveste un ruolo importante nella valutazione delle strategie motorie ed in particolare delle loro modificazioni a causa di situazioni patologiche; essi riflettono infatti l'abilità del soggetto di mettere in atto i tre elementi fondamentali che permettono il cammino, ossia accettazione del carico, supporto su un piede ed avanzamento dell'arto durante lo swing. Anche lo studio delle pressioni plantari risulta un aspetto molto importante, considerato che il piede è l’elemento di supporto e propulsione del cammino ed una alterata distribuzione di pressione può essere causa di dolori, deformità e quindi limitazioni funzionali. Lo studio della deambulazione delle persone obese può dunque portare informazioni sulla variazione della biomeccanica durante il cammino e consentire di valutare eventuali trattamenti riabilitativi o un corretto esercizio fisico. Dagli studi riportati in letteratura, nei soggetti obesi i parametri spaziotemporali mostrano delle differenze rispetto ai normopeso. In particolare, si evidenziano una fase di appoggio prolungata ed un aumento nella durata del doppio supporto. Si è voluto quindi valutare se il sistema inerziale fosse in grado di evidenziare tali variazioni e di stimare in modo sufficientemente accurato i suddetti parametri. Prima di applicare clinicamente questo tipo di sistemi è necessaria una fase di validazione. Tale validazione è stata fatta in questo caso mediante confronto con l’output del sistema optoelettronico. Per raggiungere questo scopo sono state acquisite contemporaneamente con sistema optoelettronico e sistema inerziale posto a livello di L5, più prove di cammino a velocità naturale, di un gruppo di 10 adolescenti obesi ed un gruppo di controllo di 8 adolescenti normopeso. Si è poi effettuato il confronto tra gli output dei due sistemi di misura in termini di parametri spaziotemporali. L’analisi è stata fatta secondo due modalità di definizione del ciclo del passo per quanto riguarda il sistema optoelettronico: mediante gli eventi evidenziati dalle piattaforme di forza ed andando a definire gli stessi cicli del passo utilizzati dal sistema inerziale. Dall’analisi statistica effettuata è emerso che entrambi i sistemi misurano una differenza statisticamente significativa nella durata della fase di appoggio e di doppio supporto tra i due gruppi. Mentre la stima della durata della fase di stance è abbastanza accurata sia per i normopeso che per gli obesi, nel caso della durata del doppio supporto il sistema inerziale tende a sovrastimarne il valore di una quantità rilevate, in modo molto più marcato nei soggetti obesi. Il sistema inerziale riesce quindi a caratterizzare il cammino degli adolescenti obesi e normopeso, misurandone correttamente quasi tutti i parametri. Il parametro per cui emergono maggiori difficoltà di stima da parte del sistema inerziale è la durata del doppio supporto. L’altro aspetto cardine in questa tesi è stata la valutazione delle pressioni di interfaccia tra piede e terreno durante la deambulazione di adolescenti obesi, mediante confronto con quelle rilevate per gli adolescenti normopeso. Per lo studio delle pressioni plantari, gli adolescenti obesi ed il gruppo di controllo sono stati equipaggiati anche con solette pressorie all’interno delle scarpe da ginnastica, per permettere l’acquisizione del pattern di pressioni durante tutte le prove di cammino effettuate. Dai risultati è emerso un importante aumento delle forze massime, dell’area di contatto e delle pressioni massime e medie negli adolescenti obesi, in modo particolarmente marcato per avampiede e mesopiede. Dal calcolo dell'arch index, definito come area di contatto del mesopiede su area di contatto totale, è emersa inoltre una maggior incidenza del piede piatto negli adolescenti obesi. Inoltre, normalizzando i parametri di forza e pressione rispetto al peso, si sono evidenziate differenze statistiche tra i valori di adolescenti obesi e normopeso nelle zone di alluce e retropiede mediale, per tutti i parametri normalizzati; retropiede laterale, per la pressione media; retropiede laterale e mesopiede laterale, per il picco di pressione. Per questi parametri sono stati riscontrati valori inferiori i nel gruppo degli obesi rispetto al gruppo dei normopeso. Le differenze riscontrate nei parametri normalizzati tra adolescenti obesi e normopeso, indicano che per alcune zone sono presenti differenze nella biomeccanica dell'appoggio.