Da circa tre anni il Centro Protesi INAIL, in collaborazione con il Gruppo di Bioingegneria dell’Università di Bologna, sta conducendo studi volti a definire un protocollo clinico per la valutazione strumentale dell’abilità motoria di soggetti con danni muscolo-scheletrici agli arti superiori.
1 Introduzione
Presso il Centro Protesi INAIL, a partire dal 2003, è nato uno studio per la messa a punto e l’impiego di un protocollo clinico per l’analisi del movimento strumentale dell’arto superiore. In particolare, ci si prefigge di identificare e validare indici per quantificare oggettivamente l’abilità motoria di soggetti con danni muscolo-scheletri agli arti superiori mediante analisi cinematico-dinamica di gesti della vita quotidiana (Activities of Daily Living, ADL). La disponibilità di tali indici, integrati con scale di valutazioni routinarie come FIM (Desrosiers et al., 2003), Pennsylvania Bi-Manual Worksample (PBW) (Roberts, 1969) o Constant (Constant and Murley, 1987), permetterà, ad esempio, al Centro di: • valutare i progressi dei soggetti valutati durante e dopo lo svolgimento della terapia riabilitativa o di addestramento all’uso di protesi;
• valutare terapie riabilitative attualmente impiegate, mediante un monitoraggio dei pazienti a scadenze prestabilite; • disporre di uno strumento di supporto oggettivo a decisioni medico-legali per la definizione di indennizzi e rimborsi. Lo scopo di questo lavoro è quello di presentare le metodologie elaborate ed i risultati ottenuti presso il Centro, delineandone possibili sviluppi alla luce di alcune criticità riscontrate nell’analisi del movimento degli arti superiori.
2 Materiali e metodi
2.1 Strumentazione utilizzata
Nella scelta della strumentazione necessaria per l’analisi del movimento si sono tenuti in considerazione i seguenti criteri:
• elevata precisione ed accuratezza nella misura;
• completezza dell’informazione cinematica fornita: dato un segmento di interesse il sistema deve essere in grado di fornire informazioni sia sulla sua posizione che sul suo orientamento rispetto ad un sistema di riferimento di laboratorio; questo si traduce nella possibilità di testare molteplici indici di valutazione;
• possibilità di realizzare un protocollo clinico di facile e veloce applicazione;
• minima scomodità per il paziente acquisito, in modo tale da non vincolarne i movimenti o imporne cambiamenti nella strategia motoria.
Viste le specifiche, si è deciso di impiegare un sistema optoelettronico VICON 460 a 6 telecamere (Oxford Metrix, UK). Una volta definito un modello biomeccanico per il complesso in esame ed un opportuno marker-set (sez. 2.2), questo tipo di sistema permette infatti di ricostruire in modo completo la cinematica articolare, fornendo sia la posizione che orientazione relativa di due segmenti ossei adiacenti.
2.2 Protocollo di acquisizione
Vista la varietà dei pazienti trattati presso il Centro Protesi (da soggetti con protesi ed ortesi a pazienti con danni alla cuffia dei rotatori della spalla, fino a soggetti con patologie neurologiche), è stato necessario definire un protocollo facilmente adattabile al soggetto esaminato (fig. 1). Le 9 articolazioni teoricamente di interesse sono quelle formate dall’adiacenza di cranio, torace, scapola, clavicola, omero, ulna, radio e mano, considerando in queste anche la mobilità complessiva della spina dorsale. Da un’analisi della letteratura e da alcuni test eseguiti, emerge come, allo stato attuale:
• non sia possibile distinguere separatamente, con marcatori esterni, i movimenti di radio e ulna;
• non esista un metodo o strumento per l’acquisizione durante prove dinamiche della posa della clavicola;
• non è al momento possibile acquisire la cinematica della scapola in modo semplice, veloce e per elevazioni superiori a 90°-100°.
Considerato tutto ciò si è allora deciso di:
• descrivere il complesso dei movimenti di clavicola e scapola rispetto al torace attraverso l’introduzione di un segmento fittizio, identificabile come “cingolo scapolare”, congiungente le articolazioni acromio-claveare e gleno-omerale, in grado di articolarsi rispetto al torace con 2 gradi di libertà (elevazione-abbassamento, protrazione-retrazione)
• considerare l’orientazione dell’omero rispetto al suddetto cingolo scapolare;
• modellare l’avambraccio come un singolo segmento rigido articolato con l’omero mediante il gomito, meccanismo questo a 2 gradi di libertà, corrispondenti ai movimenti di flesso-estensione e pronosupinazione.
L’arto superiore è allora rappresentabile come una catena cinematica aperta composta da 6 segmenti (cranio, torace, cingolo scapolare, omero, avambraccio e mano), 5 articolazioni, per un totale di 12 gradi di libertà (più 3 relativi ai movimenti del torace nello spazio). La cinematica articolare viene descritta attraverso l’adozione di sistemi di riferimento anatomici. Questo è anche il modello standard considerato per soggetti protesizzati, anche se in alcuni casi non esiste più alcun movimento naturale di prono-supinazione dell’avambraccio, o, come nel caso dei disarticolati di spalla, non esiste alcun movimento volontario dell’articolare toraco-omerale.
Dato questo modello biomeccanico di base, si è definito l’insieme dei marcatori da applicare sui segmenti, basandosi sulla metodologia CAST. Il protocollo prevede l’impiego di 19 marcatori, di cui solo quelli per torace e mano applicati direttamente su punti di repere anatomici, mentre gli altri posti a gruppi di 4 su fasce elastiche avvolte attorno ai segmenti da acquisire.
2.3 Linee di sviluppo
Poiché la letteratura ad oggi disponibile nel campo dell’analisi del movimento degli arti superiori è limitata rispetto a quella per l’analisi del cammino, è stato necessario procedere parallelamente lungo due vie: la soluzione di problemi tecnico-strumentali da un lato e la definizione degli atti motori e degli indici di valutazione dall’altro. Nella sezione seguente si riassumono brevemente i risultati conseguiti in questi ambiti.
Figura
1
Due pazienti del Centro Protesi.
A sinistra: amputato transomerale dotato di una innovativa protesi mioelettrica, del quale si voleva valutare la capacità di controllo della protesi.
A destra: paziente in trattamento riabilitativo dopo operazione per lesione alla cuffia dei rotatori della spalla.
3 Risultati
3.1 Artefatto di pelle
Uno dei problemi principali nell’utilizzo clinico dei sistemi basati su marcatori applicati sulla cute (“cluster” di 3-4 marcatori per i sistemi stereofotogrammetrici, ovvero sensori per dispositivi elettromagnetici), è il livello di accuratezza dei dati cinematici acquisibili. Fra le diverse fonti di errore identificate, la più critica è il così detto artefatto di pelle, ovvero lo spostamento fra marcatori e l’osso sottostante a causa dell’interposizione di tessuti molli attivi e passivi. In particolare, lo spostamento rigido del “cluster” rispetto all’osso sottostante è stato dimostrato essere la componente principale dell’artefatto, risultando in una cinematica articolare particolarmente corrotta (Cutti et al., 2005a). Poiché i movimenti più affetti da artefatto sono le rotazioni assiali dei segmenti, risulta importante quantificare e compensare l’errore da artefatto legato all’intra-extrarotazione dell’omero e alla pronosupinazione dell’avambraccio. Per quest’ultimo movimento, dalla letteratura è nota sia l’entità dell’errore, che può arrivare sino al 43% del valore vero, sia una semplice tecnica di compensazione.
L’esecuzione di alcuni studi mirati (Cutti et al., 2005a), basati sull’utilizzo del protocollo esposto in 2.2, ci ha permesso di quantificare l’errore legato all’intra-extrarotazione omerale in circa il 35% del valore vero. Inoltre è stato possibile validare con successo in-vitro una tecnica di compensazione di questo artefatto, facilmente applicabile nella pratica clinica (basata sull’esecuzione di un semplice movimento da fare eseguire al paziente all’inizio della sessione di acquisizione), ed utilizzabile anche per applicazioni in tempo-reale (Cutti et al., 2005b). Una prima validazione in-vivo ha fornito risultati molto incoraggianti (Cutti et al., 2006a); attualmente si sta procedendo ad una seconda validazione di conferma.
3.2 Atti motori
Per la definizione delle ADL da somministrare durante le sessioni di acquisizione (tab. 1), si sono considerate scale di valutazione validate a livello internazionale, quali ASES, Constant, FIM, Wolf, Fugl-Mayer, PBW. Il protocollo prevede, oltre alle ADL, anche l’esecuzione di tutti i movimenti puri, afinalistici, per ogni articolazione. Ciascun movimento (ADL e non) deve essere ripetuto per 5 volte consecutive, partendo e terminando ogni ciclo in posizioni standardizzate, ad una velocità che sia naturale per il paziente. Attraverso l’analisi strumentale dei movimenti selezionati è possibile valutare la coordinazione motoria del soggetto esaminato ed in particolare le sue eventuali strategie di compenso (in particolare di testa, tronco e cingolo scapolare).
3.3 Indici di valutazione
L’esperienza maturata presso il Centro Protesi ci porta a sostenere che, perché le misurazioni cinematiche ottenute attraverso un sistema di analisi del movimento possano essere effettivamente utili nella pratica clinica, è necessario riassumere il loro contenuto informativo in un insieme limitato di grafici o indici, per lo più specifico per il singolo atto motorio studiato. Nel complesso, una analisi della letteratura ci ha portato a ritenere particolarmente significativi i seguenti indici di valutazione (da calcolare usualmente per ognuna delle fasi di una attività della vita quotidiana):
• indici cinematici:
- workspace (indice unico per soggetto);
- tempo di esecuzione, escursione articolare, massima velocità e accelerazione;
- fluidità del gesto;
- coordinazione motoria: descrizione angolo-angolo e piano delle fasi, correlazione inter-segmentale e Principal Component Analysis, Temporal Coordination Index;
• indici dinamici (per ogni fase di una attività della vita quotidiana):
- forze e momenti netti alle articolazioni;
- consumo energetico.
In particolare, tempo di esecuzione, escursione articolare, descrizione grafica angolo-angolo, correlazione inter-segmentale e consumo energetico sono gli indici attualmente in fase di valutazione presso il Centro.
Tabella 1 Atti motori considerati e scale di valutazione di riferimento
3.4 Utilizzo clinico del protocollo
Le attività esposte in 3.2 sono state inizialmente eseguite da 8 soggetti normodotati. Da queste si stanno estraendo fasce di normalità sia per le escursioni articolari che per gli indici definiti in 3.3. In questo, più che procedere per medie successive, si sta procedendo nell’individuazione del/dei soggetto/i con comportamento medio. Ciò garantirà che gli indici di performance di riferimento ottenuti siano effettivamente rappresentativi di un soggetto realmente esistente.
I medesimi atti motori sono poi stati eseguiti da una ventina di soggetti amputati o con danni muscolo-scheletrici alla spalla, preferibilmente acquisiti nel pre e post trattamento riabilitativo od addestramento all’utilizzo della protesi (Cutti et al. 2006b), permettendo di fatto un confronto intra-soggetto.
Un esempio del primo livello di valutazione eseguito è riportato in fig. 2 (vedi pagina seguente) per un soggetto operato per instabilità di spalla, dopo 1 e 3 settimane dall’inizio della mobilizzazione attiva/attiva assistita, durante un movimento di pura flesso-estensione di spalla. Come si vede, dopo il trattamento, a parità di angolo di flessione, si ha una riduzione dei compensi a livello del cingolo scapolare (minore elevazione e protrazione), con andamenti che si avvicinano sostanzialmente a quelli dell’arto sano controlaterale (Cutti et al., 2006c). Negli studi intra-soggetto, riteniamo che la messa in evidenza di una migliore coordinazione motoria e di una ottimizzazione energetica del gesto sia indicativa dei progressi del paziente e della “realiability” del suo gesto. Per questo motivo, sono attualmente in fase di test la significatività e la specificità di questi indici.
4 Discussione e conclusioni
I sistemi optoelettronici oggi disponibili sono caratterizzati da una buona facilità d’uso ed ottime prestazioni nella ricostruzione della posizione spaziale dei marcatori. Questo però non significa immediatamente che la misura della cinematica articolare da essi fornita sia sempre e comunque affidabile. In questo, il principale responsabile resta l’artefatto di pelle. Per potere disporre, presso il Centro Protesi, di un protocollo affidabile, è stato quindi necessario concentrare l’attenzione anche verso questo ambito di ricerca, tentando di quantificarne l’entità ed individuarne una strategia di compenso.
Dal punto di vista clinico, la scelta di “strumentare” alcuni atti motori comuni a più scale di valutazione esistenti ed impiegate presso il Centro, è sembrata la scelta inevitabile per potere garantire una più facile integrazione dei sistemi di analisi del movimento nella routine di diagnostica e cura.
Figura 2
Andamento degli angoli di elevazione-abbassamento (EL-ABB) e protrazioneretrazione (PR-RE) del cingolo scapolare in funzione dell’angolo di flesso-estensione (FL-ES) di spalla, durante un movimento puro di flesso-estensione di spalla, per un soggetto operato per instabilità di spalla. Dopo la terza settimana dalla mobilizzazione attiva-attiva assistita si rileva una diminuzione dei compensi, con andamenti che si avvicinano sostanzialmente a quelli dell’arto sano (non operato).
Ciò nonostante, alcuni fattori a nostro avviso rallentano ancora la completa fusione e diffusione dei sistemi stereofotogrammetrici nei centri sanitari: • il tempo necessario per la preparazione, l’acquisizione e l’elaborazione dei dati;
• la difficile installazione in ambienti piccoli e con molto arredo (ambulatori, sale allestite per la terapia riabilitativa e l’addestramento all’uso delle protesi);
• il costo.
Per questi problemi la soluzione non appare banale. I risultati raggiunti e la disponibilità di un sistema stereofotogrammetrico di riferimento, risultano allora particolarmente importanti per validare sistemi con hardware meno complesso, ad esempio basato su sensori inerziali, a basso costo, facilmente trasportabili, potenzialmente diffondibili sul territorio e corredati da software idoneo per svolgere velocemente indagini mirate.
Nell’immediato futuro la nostra attenzione sarà rivolta ad una ulteriore validazione delle tecniche di compensazione dell’artefatto e all’analisi della specificità e sensitività degli indici individuati sui soggetti acquisiti.
Ad oggi, il sistema optoelettronico utilizzato ha dimostrato la capacità di offrire al clinico un supporto oggettivo nell’analisi del quadro funzionale dei pazienti assistiti dal Centro Protesi pur essendo ancora molti i progressi da compiere per giungere ad un completo sfruttamento delle potenzialità del sistema.
Bibliografia
• Cutti,A.G., Paolini,G., Troncossi,M., Cappello,A., and Davalli,A. (2005a) Soft tissue artefact assessment in humeral axial rotation. Gait.Posture. 21, 341-349.
• Cutti,A.G., Cappello,A., and Davalli,A. (2005b) A new technique for compensating the soft tissue artefact at the upper-arm: in vitro validation. Journal of Mechanics in Medicine and Biology 5, 1-15.
• Cutti,A.G., Cappello,A., and Davalli,A. (2006a) In-vivo validation of a new technique for soft tissue artefact compensation at the upper-arm: preliminary results. Clin.Biomech.(Bristol., Avon.), S13-19.
• Cutti,A.G., Garofalo,P., Janssens,K., Davalli,A., and Sacchetti,R. (2006b) “Biomechanical analysis of an upper limb amputee and his innovative myoelectric prosthesis: a case study concerning the Otto Bock "Dynamic Arm". Orthopaedie Technik., in stampa.
• Cutti,A.G., Garofalo,P., Filippi,M.V., Cavazza,S., Davalli,A., and Cappello,A. (2006c) The Evolution of Compensation Strategies in Two Patients with Shoulder Instability: a Comparative Study through Quantitative Motion Analysis. Proc. International Shoulder Group Meeting 2006, Chicago, USA.
Per ulteriori indicazioni bibliografiche e informazioni:
Area Ricerca - Centro Protesi INAIL
Via Rabuina, 14
40054 Vigorso di
Budrio (Bo)
Tel: 051.6936601
Presso il Centro Protesi INAIL, a partire dal 2003, è nato uno studio per la messa a punto e l’impiego di un protocollo clinico per l’analisi del movimento strumentale dell’arto superiore. In particolare, ci si prefigge di identificare e validare indici per quantificare oggettivamente l’abilità motoria di soggetti con danni muscolo-scheletri agli arti superiori mediante analisi cinematico-dinamica di gesti della vita quotidiana (Activities of Daily Living, ADL). La disponibilità di tali indici, integrati con scale di valutazioni routinarie come FIM (Desrosiers et al., 2003), Pennsylvania Bi-Manual Worksample (PBW) (Roberts, 1969) o Constant (Constant and Murley, 1987), permetterà, ad esempio, al Centro di: • valutare i progressi dei soggetti valutati durante e dopo lo svolgimento della terapia riabilitativa o di addestramento all’uso di protesi;
• valutare terapie riabilitative attualmente impiegate, mediante un monitoraggio dei pazienti a scadenze prestabilite; • disporre di uno strumento di supporto oggettivo a decisioni medico-legali per la definizione di indennizzi e rimborsi. Lo scopo di questo lavoro è quello di presentare le metodologie elaborate ed i risultati ottenuti presso il Centro, delineandone possibili sviluppi alla luce di alcune criticità riscontrate nell’analisi del movimento degli arti superiori.
2 Materiali e metodi
2.1 Strumentazione utilizzata
Nella scelta della strumentazione necessaria per l’analisi del movimento si sono tenuti in considerazione i seguenti criteri:
• elevata precisione ed accuratezza nella misura;
• completezza dell’informazione cinematica fornita: dato un segmento di interesse il sistema deve essere in grado di fornire informazioni sia sulla sua posizione che sul suo orientamento rispetto ad un sistema di riferimento di laboratorio; questo si traduce nella possibilità di testare molteplici indici di valutazione;
• possibilità di realizzare un protocollo clinico di facile e veloce applicazione;
• minima scomodità per il paziente acquisito, in modo tale da non vincolarne i movimenti o imporne cambiamenti nella strategia motoria.
Viste le specifiche, si è deciso di impiegare un sistema optoelettronico VICON 460 a 6 telecamere (Oxford Metrix, UK). Una volta definito un modello biomeccanico per il complesso in esame ed un opportuno marker-set (sez. 2.2), questo tipo di sistema permette infatti di ricostruire in modo completo la cinematica articolare, fornendo sia la posizione che orientazione relativa di due segmenti ossei adiacenti.
2.2 Protocollo di acquisizione
Vista la varietà dei pazienti trattati presso il Centro Protesi (da soggetti con protesi ed ortesi a pazienti con danni alla cuffia dei rotatori della spalla, fino a soggetti con patologie neurologiche), è stato necessario definire un protocollo facilmente adattabile al soggetto esaminato (fig. 1). Le 9 articolazioni teoricamente di interesse sono quelle formate dall’adiacenza di cranio, torace, scapola, clavicola, omero, ulna, radio e mano, considerando in queste anche la mobilità complessiva della spina dorsale. Da un’analisi della letteratura e da alcuni test eseguiti, emerge come, allo stato attuale:
• non sia possibile distinguere separatamente, con marcatori esterni, i movimenti di radio e ulna;
• non esista un metodo o strumento per l’acquisizione durante prove dinamiche della posa della clavicola;
• non è al momento possibile acquisire la cinematica della scapola in modo semplice, veloce e per elevazioni superiori a 90°-100°.
Considerato tutto ciò si è allora deciso di:
• descrivere il complesso dei movimenti di clavicola e scapola rispetto al torace attraverso l’introduzione di un segmento fittizio, identificabile come “cingolo scapolare”, congiungente le articolazioni acromio-claveare e gleno-omerale, in grado di articolarsi rispetto al torace con 2 gradi di libertà (elevazione-abbassamento, protrazione-retrazione)
• considerare l’orientazione dell’omero rispetto al suddetto cingolo scapolare;
• modellare l’avambraccio come un singolo segmento rigido articolato con l’omero mediante il gomito, meccanismo questo a 2 gradi di libertà, corrispondenti ai movimenti di flesso-estensione e pronosupinazione.
L’arto superiore è allora rappresentabile come una catena cinematica aperta composta da 6 segmenti (cranio, torace, cingolo scapolare, omero, avambraccio e mano), 5 articolazioni, per un totale di 12 gradi di libertà (più 3 relativi ai movimenti del torace nello spazio). La cinematica articolare viene descritta attraverso l’adozione di sistemi di riferimento anatomici. Questo è anche il modello standard considerato per soggetti protesizzati, anche se in alcuni casi non esiste più alcun movimento naturale di prono-supinazione dell’avambraccio, o, come nel caso dei disarticolati di spalla, non esiste alcun movimento volontario dell’articolare toraco-omerale.
Dato questo modello biomeccanico di base, si è definito l’insieme dei marcatori da applicare sui segmenti, basandosi sulla metodologia CAST. Il protocollo prevede l’impiego di 19 marcatori, di cui solo quelli per torace e mano applicati direttamente su punti di repere anatomici, mentre gli altri posti a gruppi di 4 su fasce elastiche avvolte attorno ai segmenti da acquisire.
2.3 Linee di sviluppo
Poiché la letteratura ad oggi disponibile nel campo dell’analisi del movimento degli arti superiori è limitata rispetto a quella per l’analisi del cammino, è stato necessario procedere parallelamente lungo due vie: la soluzione di problemi tecnico-strumentali da un lato e la definizione degli atti motori e degli indici di valutazione dall’altro. Nella sezione seguente si riassumono brevemente i risultati conseguiti in questi ambiti.
Figura
1 Due pazienti del Centro Protesi.
A sinistra: amputato transomerale dotato di una innovativa protesi mioelettrica, del quale si voleva valutare la capacità di controllo della protesi.
A destra: paziente in trattamento riabilitativo dopo operazione per lesione alla cuffia dei rotatori della spalla.
3 Risultati
3.1 Artefatto di pelle
Uno dei problemi principali nell’utilizzo clinico dei sistemi basati su marcatori applicati sulla cute (“cluster” di 3-4 marcatori per i sistemi stereofotogrammetrici, ovvero sensori per dispositivi elettromagnetici), è il livello di accuratezza dei dati cinematici acquisibili. Fra le diverse fonti di errore identificate, la più critica è il così detto artefatto di pelle, ovvero lo spostamento fra marcatori e l’osso sottostante a causa dell’interposizione di tessuti molli attivi e passivi. In particolare, lo spostamento rigido del “cluster” rispetto all’osso sottostante è stato dimostrato essere la componente principale dell’artefatto, risultando in una cinematica articolare particolarmente corrotta (Cutti et al., 2005a). Poiché i movimenti più affetti da artefatto sono le rotazioni assiali dei segmenti, risulta importante quantificare e compensare l’errore da artefatto legato all’intra-extrarotazione dell’omero e alla pronosupinazione dell’avambraccio. Per quest’ultimo movimento, dalla letteratura è nota sia l’entità dell’errore, che può arrivare sino al 43% del valore vero, sia una semplice tecnica di compensazione.
L’esecuzione di alcuni studi mirati (Cutti et al., 2005a), basati sull’utilizzo del protocollo esposto in 2.2, ci ha permesso di quantificare l’errore legato all’intra-extrarotazione omerale in circa il 35% del valore vero. Inoltre è stato possibile validare con successo in-vitro una tecnica di compensazione di questo artefatto, facilmente applicabile nella pratica clinica (basata sull’esecuzione di un semplice movimento da fare eseguire al paziente all’inizio della sessione di acquisizione), ed utilizzabile anche per applicazioni in tempo-reale (Cutti et al., 2005b). Una prima validazione in-vivo ha fornito risultati molto incoraggianti (Cutti et al., 2006a); attualmente si sta procedendo ad una seconda validazione di conferma.
3.2 Atti motori
Per la definizione delle ADL da somministrare durante le sessioni di acquisizione (tab. 1), si sono considerate scale di valutazione validate a livello internazionale, quali ASES, Constant, FIM, Wolf, Fugl-Mayer, PBW. Il protocollo prevede, oltre alle ADL, anche l’esecuzione di tutti i movimenti puri, afinalistici, per ogni articolazione. Ciascun movimento (ADL e non) deve essere ripetuto per 5 volte consecutive, partendo e terminando ogni ciclo in posizioni standardizzate, ad una velocità che sia naturale per il paziente. Attraverso l’analisi strumentale dei movimenti selezionati è possibile valutare la coordinazione motoria del soggetto esaminato ed in particolare le sue eventuali strategie di compenso (in particolare di testa, tronco e cingolo scapolare).
3.3 Indici di valutazione
L’esperienza maturata presso il Centro Protesi ci porta a sostenere che, perché le misurazioni cinematiche ottenute attraverso un sistema di analisi del movimento possano essere effettivamente utili nella pratica clinica, è necessario riassumere il loro contenuto informativo in un insieme limitato di grafici o indici, per lo più specifico per il singolo atto motorio studiato. Nel complesso, una analisi della letteratura ci ha portato a ritenere particolarmente significativi i seguenti indici di valutazione (da calcolare usualmente per ognuna delle fasi di una attività della vita quotidiana):
• indici cinematici:
- workspace (indice unico per soggetto);
- tempo di esecuzione, escursione articolare, massima velocità e accelerazione;
- fluidità del gesto;
- coordinazione motoria: descrizione angolo-angolo e piano delle fasi, correlazione inter-segmentale e Principal Component Analysis, Temporal Coordination Index;
• indici dinamici (per ogni fase di una attività della vita quotidiana):
- forze e momenti netti alle articolazioni;
- consumo energetico.
In particolare, tempo di esecuzione, escursione articolare, descrizione grafica angolo-angolo, correlazione inter-segmentale e consumo energetico sono gli indici attualmente in fase di valutazione presso il Centro.
Tabella 1 Atti motori considerati e scale di valutazione di riferimento
3.4 Utilizzo clinico del protocollo
Le attività esposte in 3.2 sono state inizialmente eseguite da 8 soggetti normodotati. Da queste si stanno estraendo fasce di normalità sia per le escursioni articolari che per gli indici definiti in 3.3. In questo, più che procedere per medie successive, si sta procedendo nell’individuazione del/dei soggetto/i con comportamento medio. Ciò garantirà che gli indici di performance di riferimento ottenuti siano effettivamente rappresentativi di un soggetto realmente esistente.
I medesimi atti motori sono poi stati eseguiti da una ventina di soggetti amputati o con danni muscolo-scheletrici alla spalla, preferibilmente acquisiti nel pre e post trattamento riabilitativo od addestramento all’utilizzo della protesi (Cutti et al. 2006b), permettendo di fatto un confronto intra-soggetto.
Un esempio del primo livello di valutazione eseguito è riportato in fig. 2 (vedi pagina seguente) per un soggetto operato per instabilità di spalla, dopo 1 e 3 settimane dall’inizio della mobilizzazione attiva/attiva assistita, durante un movimento di pura flesso-estensione di spalla. Come si vede, dopo il trattamento, a parità di angolo di flessione, si ha una riduzione dei compensi a livello del cingolo scapolare (minore elevazione e protrazione), con andamenti che si avvicinano sostanzialmente a quelli dell’arto sano controlaterale (Cutti et al., 2006c). Negli studi intra-soggetto, riteniamo che la messa in evidenza di una migliore coordinazione motoria e di una ottimizzazione energetica del gesto sia indicativa dei progressi del paziente e della “realiability” del suo gesto. Per questo motivo, sono attualmente in fase di test la significatività e la specificità di questi indici.
4 Discussione e conclusioni
I sistemi optoelettronici oggi disponibili sono caratterizzati da una buona facilità d’uso ed ottime prestazioni nella ricostruzione della posizione spaziale dei marcatori. Questo però non significa immediatamente che la misura della cinematica articolare da essi fornita sia sempre e comunque affidabile. In questo, il principale responsabile resta l’artefatto di pelle. Per potere disporre, presso il Centro Protesi, di un protocollo affidabile, è stato quindi necessario concentrare l’attenzione anche verso questo ambito di ricerca, tentando di quantificarne l’entità ed individuarne una strategia di compenso.
Dal punto di vista clinico, la scelta di “strumentare” alcuni atti motori comuni a più scale di valutazione esistenti ed impiegate presso il Centro, è sembrata la scelta inevitabile per potere garantire una più facile integrazione dei sistemi di analisi del movimento nella routine di diagnostica e cura.
Figura 2
Andamento degli angoli di elevazione-abbassamento (EL-ABB) e protrazioneretrazione (PR-RE) del cingolo scapolare in funzione dell’angolo di flesso-estensione (FL-ES) di spalla, durante un movimento puro di flesso-estensione di spalla, per un soggetto operato per instabilità di spalla. Dopo la terza settimana dalla mobilizzazione attiva-attiva assistita si rileva una diminuzione dei compensi, con andamenti che si avvicinano sostanzialmente a quelli dell’arto sano (non operato).
Ciò nonostante, alcuni fattori a nostro avviso rallentano ancora la completa fusione e diffusione dei sistemi stereofotogrammetrici nei centri sanitari: • il tempo necessario per la preparazione, l’acquisizione e l’elaborazione dei dati;
• la difficile installazione in ambienti piccoli e con molto arredo (ambulatori, sale allestite per la terapia riabilitativa e l’addestramento all’uso delle protesi);
• il costo.
Per questi problemi la soluzione non appare banale. I risultati raggiunti e la disponibilità di un sistema stereofotogrammetrico di riferimento, risultano allora particolarmente importanti per validare sistemi con hardware meno complesso, ad esempio basato su sensori inerziali, a basso costo, facilmente trasportabili, potenzialmente diffondibili sul territorio e corredati da software idoneo per svolgere velocemente indagini mirate.
Nell’immediato futuro la nostra attenzione sarà rivolta ad una ulteriore validazione delle tecniche di compensazione dell’artefatto e all’analisi della specificità e sensitività degli indici individuati sui soggetti acquisiti.
Ad oggi, il sistema optoelettronico utilizzato ha dimostrato la capacità di offrire al clinico un supporto oggettivo nell’analisi del quadro funzionale dei pazienti assistiti dal Centro Protesi pur essendo ancora molti i progressi da compiere per giungere ad un completo sfruttamento delle potenzialità del sistema.
Bibliografia
• Cutti,A.G., Paolini,G., Troncossi,M., Cappello,A., and Davalli,A. (2005a) Soft tissue artefact assessment in humeral axial rotation. Gait.Posture. 21, 341-349.
• Cutti,A.G., Cappello,A., and Davalli,A. (2005b) A new technique for compensating the soft tissue artefact at the upper-arm: in vitro validation. Journal of Mechanics in Medicine and Biology 5, 1-15.
• Cutti,A.G., Cappello,A., and Davalli,A. (2006a) In-vivo validation of a new technique for soft tissue artefact compensation at the upper-arm: preliminary results. Clin.Biomech.(Bristol., Avon.), S13-19.
• Cutti,A.G., Garofalo,P., Janssens,K., Davalli,A., and Sacchetti,R. (2006b) “Biomechanical analysis of an upper limb amputee and his innovative myoelectric prosthesis: a case study concerning the Otto Bock "Dynamic Arm". Orthopaedie Technik., in stampa.
• Cutti,A.G., Garofalo,P., Filippi,M.V., Cavazza,S., Davalli,A., and Cappello,A. (2006c) The Evolution of Compensation Strategies in Two Patients with Shoulder Instability: a Comparative Study through Quantitative Motion Analysis. Proc. International Shoulder Group Meeting 2006, Chicago, USA.
Per ulteriori indicazioni bibliografiche e informazioni:
Area Ricerca - Centro Protesi INAIL
Via Rabuina, 14
40054 Vigorso di
Budrio (Bo)
Tel: 051.6936601