Sviluppo del cammino durante la crescita: Confronto tra variabilità segmentale e variabilità del centro di massa

In letteratura è noto che la variabilità cinematica dei bambini durante il cammino è molto maggiore se confrontata con quella di soggetti adulti. Ciò rende difficile definire lo sviluppo del cammino basandosi sull'analisi di angoli articolari. In questo lavoro è stata valutata la traiettoria del centro di massa come possibile fattore caratterizzante la maturazione del cammino durante la crescita: l’ipotesi è che questa risulti, nei bambini, più ripetibile rispetto al pattern degli angoli articolari. È stata analizzata la cinematica del cammino di soggetti appartenenti a tre fasce di età differenti (4 anni, 6 anni, giovani adulti), mediante un sistema di stereofotogrammetria e marker riflettenti (protocollo Plug-in Gait). Lo studio è stato condotto avvalendosi di software per l’acquisizione, l’elaborazione (BTS Smart-DX) e l’analisi statistica (SPM1D) dei parametri d’interesse. La variabilità è stata analizzata secondo tre diverse modalità (Inter-subject, Intra-subject, Inter-test). È stato osservato un trend simile in termini di variabilità del centro di massa tra bambini e adulti. La variabilità cinematica degli angoli articolari è invece risultata più alta nei bambini, in maniera significativa per tutte e tre le modalità citate. L’ipotesi è stata confermata per i soggetti che hanno preso parte allo studio: i bambini, pur avendo raggiunto un relativo sviluppo del cammino, presentano una variabilità segmentale maggiore di quella degli adulti, mentre la variabilità della traiettoria del centro di massa è risultata essere simile a quella dei soggetti maturi.

Analisi della stabilità motoria durante il cammino: come gli indici di variabilità e stabilità dell'accelerazione del centro di massa sono influenzati da processi cognitivi (dual-task)

La valutazione strumentale del cammino è solitamente svolta chiedendo ai soggetti semplicemente di camminare (ST). Tale condizione non rappresenta la quotidianità. Infatti, nella vita di tutti i giorni la locomozione richiede di adattarsi alle necessità individuali e il coinvolgimento di attività cognitive. I paradigmi di Dual-Task (DT) sono utilizzati per valutare i cambiamenti nella strategia di controllo del cammino in situazioni di vita quotidiana. In particolare, gli indici di performance, di variabilità e di stabilità, utilizzati nella valutazione del controllo motorio, potrebbero essere utili per valutare le interferenze cognitive durante il cammino. L’obiettivo del lavoro è di valutare come tali indici cambiano durante il Dual-Task. Sono stati reclutati 16 studenti, giovani e sani, della Facoltà di Ingegneria Biomedica di Cesena, ai quali è stato chiesto di compiere un cammino rettilineo di 250 m, senza ostacoli, all’aperto, in due condizioni: svolgendo la sola attività di cammino (ST); aggiungendo al precedente task, una sottrazione consecutiva di 7 ad alta voce, partendo da un numero casuale (DT). Tramite tre sensori inerziali tri-assiali, posti sul tronco (L5) e sulle caviglie, sono stati acquisiti i segnali di accelerazione e velocità angolare. Dopo aver calcolato, a partire da tali dati, indici di performance (numero di passi, cadence, velocità e tempo di esecuzione del test), di variabilità (Standard Deviation, Coefficient of Variation, Index of the Variance, Nonstationary Index, Poincare 4 Plots) e di stabilità (Harmonic Ratio e Index of Harmonicity), nelle due condizioni (ST e DT), è stata eseguita un’analisi statistica tra i due task. Le analisi statistiche condotte su tali indici hanno evidenziato che il DT influenza prevalentemente gli indici di performance (numero di passi, cadence, velocità e tempo di esecuzione del test) e in grado minore gli indici di variabilità e stabilità.

Stabilità e variabilità del cammino in acqua

La camminata, sia in acqua sia a secco, è un esercizio praticato frequentemente in ambito riabilitativo. Lo scopo di questa tesi è di confrontare variabilità e stabilità del cammino dentro e fuori dall’acqua, al fine di comprendere le caratteristiche dei due tipi di cammino. L’analisi si è focalizzata sulla valutazione di misure di stabilità e variabilità che non erano mai state indagate prima per la camminata in acqua: Harmonic Ratio, Plot di Poincarè, moltiplicatori di Floquet, esponenti di Lyapunov, multiscale entropy, recurrence rate, determinism, averaged diagonal line length, maximum diagonal line length e divergenza. Gli indici sono stati calcolati su camminate di 30 e di 90 passi. Da questa analisi possiamo stimare anche quale parametro è già affidabile a 30 passi e non cambia se analizzato a 90 o se un parametro necessita di più passi per risultare affidabile. Inoltre è stata effettuata indagine statistica tramite test di Kruskal-Wallis. Dall'analisi è emerso che la camminata in acqua è più stabile, meno smooth, c’è un maggiore controllo posturale lungo gli assi antero-posteriore e medio-laterale e che il cammino è condotto in maniera meno automatica.

Sviluppo e caratterizzazione di algoritmi di segmentazione per l'analisi del cammino in acqua con tecnica markerless

Recenti studi hanno evidenziato come il cammino in ambiente acquatico possa portare a notevoli benefici nell’ambito di un processo riabilitativo: il cammino in acqua è infatti oggi considerato una delle principali terapie per pazienti con disturbi nella deambulazione, oltre ad essere impiegato per migliorare il recupero a seguito di interventi ed infortuni. Una caratterizzazione biomeccanica del cammino umano in acqua permetterebbe tuttavia di giungere a una conoscenza più approfondita degli effetti di quest’attività sul processo riabilitativo, e dunque a una sua prescrizione più mirata come parte delle terapie. Nonostante il crescente interesse, uno dei motivi per cui ancora pochi studi sono stati condotti in questo senso risiede nell’inadeguatezza di molti dei tradizionali sistemi di Motion Capture rispetto all’impiego subacqueo. La nuova branca della Markerless Motion Capture potrebbe invece in questo senso rappresentare una soluzione. In particolare, ci si occuperà in questo lavoro di tesi della tecnica markerless basata sulla ricostruzione del visual hull per retroproiezione delle silhouette. Il processo iniziale che permette di ottenere le silhouette dai video delle acquisizioni è detto segmentazione, la quale è anche una fase particolarmente importante per ottenere una buona accuratezza finale nella ricostruzione della cinematica articolare. Si sono pertanto sviluppati e caratterizzati in questo lavoro di tesi sette algoritmi di segmentazione, nati specificamente nell’ottica dell’analisi del cammino in acqua con tecnica markerless. Si mostrerà inoltre come determinate caratteristiche degli algoritmi influenzino la qualità finale della segmentazione, e sarà infine presentato un ulteriore algoritmo di post-processing per il miglioramento della qualità delle immagini segmentate.

Caratterizzazione del cammino in soggetti sani e patologici mediante accelerometria

Background: studi in letteratura mostrano come l'accelerometria stia diventando una pratica clinica (e non solo) molto utile sia in ambito diagnostico sia riabilitativo; molti di essi sfruttano i dati provenienti da più sensori inerziali posti su un soggetto e ne ricavano l'andamento accelerometrico dei vari segmenti corporei durante il movimento in esame. Obiettivo: caratterizzare il cammino di soggetti sani ed osservare quello di alcuni casi patologici, parametrizzando l'accelerazione Antero-Posteriore. Gli indici sono: il Range dell'accelerazione, la Simmetria sulle accelerazioni e sugli intervalli di tempo tra un appoggio al suolo ed il successivo, la Simmetria nel dominio delle frequenze. Strumenti e Metodi: 10 volontari clinicamente sani hanno svolto 5 prove a velocità Spontanea, Lenta e Lentissima con il sensore inerziale G-Walk (BTS Milano) all'altezza di L5. I dati, acquisiti mediante il software G-Studio, sono stati elaborati grazie a Matlab. Risultati: è definita una fascia di normalità per ogni velocità. Conclusioni: le differenze tra il cammino sano e quello patologico si manifestano nelle grandezze di Range ed Indice di Simmetria sulle accelerazioni. I due parametri che misurano la simmetria nel dominio dei tempi ed in quello delle frequenze sono invece sostanzialmente simili. Tale distinzione è importante in medicina, perchè permette di definire le cause di deficit motorio, il percorso chirurgico/riabilitativo da effettuare e l'entità del recupero funzionale.

Valutazione della stabilità motoria in soggetti post-stroke tramite misure inerziali

I test clinici e i questionari generalmente non sono in grado di fornire una valutazione predittiva e quantitativa della stabilità motoria. Permettono al clinico di esaminare la forza muscolare del paziente, il grado di spasticità, la funzionalità motoria e l'autonomia nello svolgimento delle normali attività, ma non di capire quanto il soggetto sia stabile. Sono stati esaminati diciotto pazienti con esiti di stroke in fase post acuta ed il 38% ha affermato di essere caduto almeno una volta nell'arco degli ultimi dodici mesi. Adottando una politica di prevenzione delle cadute si potrebbero limitare questi eventi che vanno ad aggravare un quadro clinico già compromesso. Per tale motivo sono attualmente oggetto di studio misure biomeccaniche, eseguite in laboratorio, atte a definire metodi con alta sensibilità e specificità per la valutazione della stabilità del cammino. Nel presente lavoro le misure strumentali sono state ottenute partendo dal segnale di accelerazione del centro di massa corporeo. Servendosi di un'unità inerziale munita di accelerometro triassiale è stato possibile, durante il cammino, ricavare l'andamento delle accelerazioni antero-posteriore, medio-laterale e verticale. Grazie ad un algoritmo, messo a punto nel Laboratorio di Bioingegneria della Facoltà di Cesena dall'Ing. Federico Riva, sono stati estrapolati gli indici strumentali. Il corpo centrale di questa tesi consiste nell'analisi statistica condotta tramite modelli di regressione lineare che mettono in correlazione parametri clinici (acquisiti per mezzo di test e questionari) abitualmente usati in ospedale e indici strumentali.

"Influence of lower-limb joint models on subject-specific musculoskeletal model predictions during gait" ( "modelli muscoloscheletrici personalizzati dell'arto inferiore: Analisi dell'effetto della modellazione dei giunti sulla predizione dei carichi agenti sul sistema scheletrico durante il cammino").

The aim of the present thesis was to investigate the influence of lower-limb joint models on musculoskeletal model predictions during gait. We started our analysis by using a baseline model, i.e., the state-of-the-art lower-limb model (spherical joint at the hip and hinge joints at the knee and ankle) created from MRI of a healthy subject in the Medical Technology Laboratory of the Rizzoli Orthopaedic Institute. We varied the models of knee and ankle joints, including: knee- and ankle joints with mean instantaneous axis of rotation, universal joint at the ankle, scaled-generic-derived planar knee, subject-specific planar knee model, subject-specific planar ankle model, spherical knee, spherical ankle. The joint model combinations corresponding to 10 musculoskeletal models were implemented into a typical inverse dynamics problem, including inverse kinematics, inverse dynamics, static optimization and joint reaction analysis algorithms solved using the OpenSim software to calculate joint angles, joint moments, muscle forces and activations, joint reaction forces during 5 walking trials. The predicted muscle activations were qualitatively compared to experimental EMG, to evaluate the accuracy of model predictions. Planar joint at the knee, universal joint at the ankle and spherical joints at the knee and at the ankle produced appreciable variations in model predictions during gait trials. The planar knee joint model reduced the discrepancy between the predicted activation of the Rectus Femoris and the EMG (with respect to the baseline model), and the reduced peak knee reaction force was considered more accurate. The use of the universal joint, with the introduction of the subtalar joint, worsened the muscle activation agreement with the EMG, and increased ankle and knee reaction forces were predicted. The spherical joints, in particular at the knee, worsened the muscle activation agreement with the EMG. A substantial increase of joint reaction forces at all joints was predicted despite of the good agreement in joint kinematics with those of the baseline model. The introduction of the universal joint had a negative effect on the model predictions. The cause of this discrepancy is likely to be found in the definition of the subtalar joint and thus, in the particular subject’s anthropometry, used to create the model and define the joint pose. We concluded that the implementation of complex joint models do not have marked effects on the joint reaction forces during gait. Computed results were similar in magnitude and in pattern to those reported in literature. Nonetheless, the introduction of planar joint model at the knee had positive effect upon the predictions, while the use of spherical joint at the knee and/or at the ankle is absolutely unadvisable, because it predicted unrealistic joint reaction forces.

Progettazione agli elementi finiti di una pedana dinamometrica per l'acquisizione della dinamica del cammino a regime

Il lavoro proposto consiste nella progettazione di una doppia pedana dinamometrica per lo studio del cammino a regime. Il progetto si pone, inoltre, l’obiettivo di progettare la pedana senza l’ausilio di celle di carico commerciali. Gli aspetti analizzati sono sia riguardanti i materiali sia la fisica necessaria per l’acquisizione di segnali di deformazione. Per quanto riguarda i materiali si è deciso di utilizzare per il TOP un pannello sandwich honeycomb in alluminio e per i POST cilindri cavi anch’essi in alluminio. Per l’acquisizione si è optato per estensimetri resistivi. Una volta ottenuto, dalla teoria, gli elementi base del progetto si è passati ad uno studio agli elementi finiti, tramite l’utilizzo di COMSOL Multiphysics, passando prima per l’omogeneizzazione del core alveolare. Si è fatta un’analisi modale per la determinazione della frequenza di risonanza ed una statica per risolvere il problema elastico. Infine si è ottenuta la matrice di calibrazione del sistema la quale dà risultati ragionevolmente positivi.

Analisi cinematica dell'arto inferiore durante il cammino in acqua su treadmill

Analisi cinematica dell'arto inferiore durante il cammino in acqua su treadmill