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Strumenti per l’analisi della postura e del movimento in clinica
1. Introduzione
L’analisi del movimento in clinica ha più di dieci anni di età. Già in occasione
dell’annuale congresso della Gait and Clinical Movement Analysis Society –
GCMAS,
http://www.gcmas.net/cms/index.php,
uno
degli
organismi
più
autorevoli del settore – del 1996 a Birmingham (AL–USA), forte era la
consapevolezza della validità di affiancare ai ‘tradizionali’ metodi d’indagine
clinica, per esempio ematici o radiologici, valutazioni funzionali che fornissero
informazioni più significative di quelle derivanti dai già esistenti test fisiatrici o
neurologici (Sutherland, 2001). Talvolta, storicamente, il contesto laboratorio non
è stato ritenuto ecologicamente adeguato soprattutto per pazienti particolarmente
sofferenti (Sutherland, 2002). Ciò nondimeno, purtroppo e come spesso accade
soprattutto in ricerca, questo tipo di approssimazione assicura comunque un
soddisfacente rapporto
vantaggi
. Per la sua importanza nella vita quotidiana, la
svantaggi
marcia è stata la forma di esercizio maggiormente oggetto di tali valutazioni
(Prince et al., 1997).
Una trattazione particolare meritano l’analisi della postura e dell’equilibrio,
anche essi requisiti funzionali fondamentali nella vita quotidiana.
Qualsiasi forma di attività fisica (AF*), quindi anche la marcia, richiede un
dato dispendio metabolico (DM). L’AF comprende sia lo sviluppo di forza
isometrica e sia qualsiasi forma di movimento. Tra AF e DM, si tratta quindi delle
due facce della stessa medaglia. Le branche della biomedicina che si occupano
dello studio di AF e DM sono, rispettivamente, la biomeccanica e la bioenergetica
(di Prampero, 1985; 1986).
Per quanto riguarda la prima se ne può considerare storicamente ‘padre’
Giovanni Alfonso Borelli (1608–1679; Pope, 2005). Importanti esponenti del XIX
secolo furono pure Étienne-Jules Marey ed Eadweard Muybridge, entrambi nati
nel 1830 e morti nel 1904.
Corretta postura ed adeguato equilibrio possono essere considerati requisiti
indispensabili per lo svolgimento dell’AF*.
2. Biomeccanica
La biomeccanica si occupa più specificamente di (Winter, 1979):
1) cinematica, cioè lo studio descrittivo del movimento;
2) antropometria, cioè lo studio delle variabili antropometriche (dai quali valori
non può prescindere alcun successivo utilizzo dei dati cinematici);
3) cinetica (o dinamica), cioè lo studio delle cause e delle conseguenze del
movimento;
4) energia, lavoro e potenza meccaniche relative all’AF*;
5) meccanica muscolare; ed
6) elettromiografia (di superficie).
2.1 Cinematica
Di fatto, si possono prendere delle misure ‘analogiche’, un segnale fisico
viene registrato sotto forma di altro segnale fisico, o ‘digitali’, il segnale fisico
viene registrato subito sotto forma di variabile numerica (digitale). Normalmente,
il segnale fisico oggetto di esame viene trasformato in segnale elettrico
(voltaggio, resistenza o corrente) in caso di misura analogica.
2.1.1 Misure analogiche
Gli strumenti di misura cinematica analogici sono, con una larga accezione:
fotocellule, macchine (da palestra) isotoniche e cardiofitness, celle di carico, pesi
liberi,
elettrogoniometri,
accelerometri,
altri
sensori
‘fisici’
(giroscopi
e
magnetometri), fotografia, cinematografia e televisione (analogiche), piattaforme
dinamometriche e sistemi di discriminazione del contatto. Macchine isotoniche,
celle di carico, pesi liberi, accelerometri e piattaforme vengono usati anche per
misure cinetiche.
Come è noto, i sistemi a fotocellule permettono di misurare intervalli di
tempo, dai quali e conoscendo le distanze percorse è possibile calcolare velocità
medie. Questo semplice tipo di misura non è usato molto in clinica, ma mantiene
una sua validità specie quando è necessario svolgere misure in maniera seriale.
Un sistema diffuso, non eccessivamente caro e caratterizzato dal fatto di
funzionare a livello del terreno ed essere ampiamente modulare è OptoJump
(http://www.microgate.it/ita/timing_sport/optojump_home.asp).
Macchine isotoniche e pesi liberi sono sì dei dispositivi che permettono di
svolgere dell’AF* in condizioni controllate di sviluppo di forza, ma proprio perché il
soggetto può essere o no in grado di praticare tale AF* ne costituiscono pure uno
strumento di misura (ergometro). Mediante calcoli di dinamica inversa è quindi
possibile ricavare misure cinematiche (dalla forza, quindi l’accelerazione, è
possibile passare a velocità e spostamento). Analogamente vanno considerate le
macchine
cardiofitness
che
permettono
di
svolgere/misurare
AF*
di
tipo
locomotorio ed in condizioni aerobiche controllate. Anche questi strumenti di
misura sono poco usati in clinica ma utili in caso di misure routinarie. Molti e
diversi sono modelli e marchi disponibili (macchine isotoniche: Technogym
[http://www.technogym.it/] e Bcube [http://www.bcube.it/swf/site.html]; pesi
liberi:
Bcube
[http://www.bcube.it/swf/site.html];
macchine
cardiofitness:
Woodway [http://www.de.woodway.com/flash.asp], h/p/cosmos [http://www.hp-cosmos.com/] e Precor [http://eu.precor.com/comm/en/]).
Le celle di carico trovano il loro impiego più diffuso in applicazioni di tipo
industriale, ma possono risultare utili in clinica quando è richiesta una misura di
forza particolare. Anche in questo caso, la cinematica deriva dalla dinamica
inversa.
Anche in ambito clinico, il crescente bisogno di quantificare l’AF* in un
contesto ‘ecologico’ (extra–ospedaliero) ha stimolato lo sviluppo di strumenti di
misura portatili di tipo accelerometrico. Una prima fase di questa evoluzione è
stata contraddistinta da veri e propri accelerometri uni-, bi- o tri-assiali ed usati
ancora oggigiorno (es. di accelerometri di prima generazione: ActiGraph, uni-
assiale
[http://www.theactigraph.com/];
Actiwatch,
bi-assiale
[http://www.minimitter.com/Products/Actiwatch/index.html]; e Tritrac, tri-assiale
[http://www.stayhealthy.com/products/rt3-compare.php]). In generale, questi
precisione
come
costo
dispositivi sono tuttavia caratterizzati da uno scarso rapporto
strumenti di misura dell’accelerazione e quindi della cinematica, sempre con
l’approccio della dinamica inversa. Essi soffrono di due grossi problemi: quello del
software proprietario (lo strumento fornisce direttamente valori di DM [invece che
l’AF] e l’utilizzatore sia ignora l’algoritmo mediante il quale essi vengono ottenuti
e sia non è in grado di ottenere il dato grezzo scorporato, cioè il numero di colpi)
e quello della singola posizione (gli strumenti si portano per lo più alla vita e tale
posizione sottostima spesso l’AF). La seconda ed attuale fase dell’evoluzione degli
strumenti di misura portatili di tipo accelerometrico ha cercato di porre rimedio a
questi problemi per mezzo dell’utilizzo di sistemi a più accelerometri o, con
risultati migliori, combinando all’accelerometro altri strumenti di misura fisica o
fisiologica (es. di accelerometri di seconda generazione: IDEEA, Intelligent Device
for Energy Expenditure and Activity: tre accelerometri bi-assiali per torace e piedi
+ due accelerometri uniassiali per le cosce + microcomputer come holter [Chen
et al., 2005; http://www.minisun.com/ideea.asp]; Physilog: due accelerometri biassiali + giroscopio, misuratore di velocità angolare, sullo sterno + un
registratore digitale [Najafi et al., 2003; http://lmam.epfl.ch/page2842.html]; e
SenseWear Armband, un singolo pezzo da indossare a metà del braccio destro e
comprendente: accelerometro bi-assiale, sensore di flusso di calore [gli scambi di
calore sono conseguenza del DM necessario a sostenere una data AF], sensore di
risposta cutanea galvanica [la sudorazione è un indicatore della perdita di calore,
vedi sopra], sensore di temperatura cutanea [come stima di quella interna, vedi
sopra]
e
sensore
di
temperatura
esterna
http://www.bodymedia.com/products/bodymedia.jsp]).
[vedi
Per
il
sopra]
[;
momento,
la
precisione ottenibile rimane bassa, il costo alto e permane il problema del
software proprietario (Jakicic et al., 2004).
Un recentissimo strumento di misura cinematica analogico – in acquisizione
– unico è rappresentato dal sistema Moven
(http://www.xsens.com/index.php?mainmenu=products&submenu=human_moti
on&subsubmenu=Moven). Si tratta di una tuta attrezzata con 16÷18 involucri
multisensore (ciascuno con tre accelerometri uni-assiali, tre giroscopi, tre
magnetometri
[misuratore
di
posizione
rispetto
a
meridiani,
paralleli
ed
orizzontale, quindi anche inclinometro] ed un termometro [per correggere la
deriva termica, tipica degli accelerometri] + due unità portatili trasmittenti
wireless – in digitale – e relativi cablaggi, il tutto per un peso totale due batterie
comprese e sul soggetto di kg 1.9 . Tale sistema costituisce potenzialmente una
valida alternativa portatile e per AF* outdoor ai sistemi di motion capture
tradizionali (vedi 2.1.2a Motion Capture). La precisione nominale è tuttavia
minore ed il costo alto.
Le
cosiddette
Imaging
Measurement
Techniques
(IMT)
comprendono
fotografia, cinematografia e televisione analogiche, tecniche oramai non più
utilizzate in quanto richiedono un grosso impegno per la digitalizzazione postacquisizione che risulta comunque necessaria per il processamento dei dati
raccolti (Winter, 1979; Sutherland, 2002). Comunque, i primi motion capture
(vedi 2.1.2a Motion Capture) erano basati su tecniche cinematografiche.
Mediamente diffusi anche in clinica sono invece i sistemi di discriminazione
del contatto. Di facile uso e dal costo contenuto, si tratta di strumenti che –
secondo diverse modalità – sono in grado di evidenziare contatto o mancanza
dello stesso per esempio nel corso del ciclo della marcia. Possono essere tipo
fotocellule e modulari (ancora OptoJump, vedi sopra), a singolo tappetino a
struttura mutuata dai sistemi antifurto a pressione (quindi con soglia/sensibilità
tarata
sul
peso
di
un
gatto,
ca
[http://www.newtest.com/productinformation.asp])
3
od
a
kg;
tappeto
Powertimer
più
lungo
(GAITRite [http://www.gaitrite.com/Products/index.html]). Sempre per esempio
riguardo la marcia, questi sistemi forniscono valori di variabili cinematiche spaziotemporali, apparentementi solo elementari ma in realtà anche molto significative
in quanto correlate al rischio cadute. Per esempio nell’anziano, soggetto a rischio
di cadute, velocità, lunghezza e frequenza di passo medie diminuiscono (Prince et
al., 1997). Diversamente, la loro variabilità – specie se contemporanemente allo
svolgimento di un compito cognitivo – aumenta (Beauchet et al., 2003).
2.1.1a Elettrogoniometri
Il goniometro misura gli angoli. Esso fornisce quindi una diretta misura
cinematica. Dopo una prima fase di utilizzo di farragginosi metodi goniometrici
manuali (fatti di fari che illuminano striscette riflettenti su segmenti di soggetti da
fotografare e poi analizzare con normali goniometri… Winter, 1979; Sutherland,
2002), si passò ai ben più pratici elettrogoniometri anche tri-assiali. Nonostante il
suo sviluppo in materiale e struttura, questo tipo di strumento ha sempre sofferto
del problema dell’ingombro. Inoltre, essendo montato sulla cute del soggetto, non
fornisce alcuna indicazione sulla posizione del centro di rotazione, dato questo
indispensabile per calcolare il momento di forza agente a livello dell’articolazione
oggetto di studio. L’elettrogoniometro rimane quindi uno strumento degli arbori
dell’analisi del movimento. Ancora abbastanza usato in ambito industriale, ne
rimangono ancora alcuni sul mercato a scopo clinico e soprattutto per un utilizzo
combinato
superficie;
con
elettromiografi
NorAngle
di
superficie
(vedi
Electrogoniometer
2.6
Elettromiografia
System,
[http://www.noraxon.com/products/sensors/norangle.php3];
di
bi-assiale
Infotronic
GONIO
Sensors, bi-assiale [http://www.infotronic.nl/GonioSensors.htm]). Ne esistono
pure alcuni altri a scopo soprattutto didattico (PASPORT Goniometer Sensor, uniassiale
[http://store.pasco.com/pascostore/showdetl.cfm?&DID=9&Product_ID=54752&
Detail=1]; BIOPAC, uni- e bi-assiale [http://www.biopac.com/]). Normalmente,
dall’elettrogoniometro posto sulla cute partono dei cavi diretti ad un unità
portatile vincolata al paziente che può funzionare anche in telemetria. Per quanto
riguarda gli elettrogoniometri, come prezzi siamo nell’ordine delle migliaia di €.
2.1.1b Piattaforme dinamometriche
Oramai da tempo, parte fondamentale di un laboratorio di analisi del
movimento in clinica è la piattaforma dinamometrica (Winter, 1979; Sutherland,
2005). Nel XIX sec., le prime piattaforme di forza furono pneumatiche. Seguirono
modelli meccanici e quindi elettro-meccanici. Il compito di questi ultimi è fornire
un segnale elettrico proporzionale alla forza applicata. Storicamente, si sono resi
disponibili molti diversi modelli: capacitivi, ad estensimetro (strain gauge o gage),
piezo-resistivi ed -elettrici. Di fatto, il principio di funzionamento è sempre che
una forza causa un certo grado di deformazione dello strumento detto anche
sensore o trasduttore. Con una piattaforma a strain gauge, la forza deforma
leggermente ed in una delle sue dimensioni una lastra metallica. Aderente alla
superficie inferiore di tale lastra, un circuito di resistenze elettriche (ponte di
Wheatstone) è sottoposto ad una proporzionale deformazione che determina uno
sbilanciamento elettrico direttamente dipendente dall’entità della forza applicata.
Con le piattaforme piezo-resistive od -elettriche, la forza causa una minuscola
deformazione della struttura molecolare di speciali materiali polisiliconati o
cristallini (per es. quarzo, una sostanza piezo-elettrica naturale), rispettivamente.
Il loro cambiamento implica un cambiamento di proprietà elettriche (resistenza o
voltaggio) che può essere convertito in un segnale proporzionale alla forza
applicata per mezzo di componenti elettronici appropriati. Le piattaforme di forza
possono essere uni-, bi- o tri-assiali, per misurare la forza in una o più direzioni
(od i momenti di forza attorno a più assi). Tale incremento in termini di
complessità è ottenuto assemblando due o tre trasduttori ad angoli ortogonali
l’uno rispetto agli altri. Particolare attenzione deve essere presa, in questa fase,
affinché si sia sicuri che la forza agisca lungo l’asse centrale di ogni trasduttore
(per evitare interferenze; per es. con forza verticale agente interamente
sull’appropriato trasduttore…). Il maggior ambito di utilizzo delle piattaforme di
forza è l’analisi della postura e del cammino (Elftman, 1939). Si misura quindi e
convenzionalmente la reazione vincolare che agisce sul piede durante stare in
piedi, marciare, correre o saltare (uguale alla forza esercitata sulla piattaforma
per il Terzo Principio di Newton). Mediante il già citato metodo della dinamica
inversa è conseguentemente possibile inferire la cinematica. La maggior parte
delle piattaforme di forza sono delle lastre piatte sostenute da quattro sensori triassiali e solidamente vincolate al terreno. È stato l’ingresso sul mercato di
importanti società alla fine degli anni ’60 a dare il la all’evoluzione delle
piattaforme di forza. Prima di allora il loro sviluppo era stato curato nell’ambito di
università, ospedali od organismi di ricerca. Attualmente vi sono tre produttori
maggiori al mondo di piattaforme di forza. Normalmente, esse non richiedono
calibrazione e sono ovviamente molto più sensibili dei sistemi di discriminazione
del contatto (vedi 2.1.1 Misure analogiche). Ogni piattaforma di forza ha una sua
propria frequenza naturale di oscillazione (frequenza di risonanza). Ebbene è
importante che essa sia molto maggiore della frequenza del movimento che si
vuole studiare. Normalmente, le piattaforme di forza rispondono a questo
requisito. Kistler produce piattaforme di forza piezo-elettriche tri-assiali da
installazione fissa, mobile o portatili (solo uni-assiali), con o senza amplificatore
integrato ed anche impermeabili (http://www.kistler.com/do.productfinder.it.itit?content=63_ProductFinder&param=6XXX.-.2). I trasduttori piezo-elettrici sono
normalmente soggetti a della deriva termica, comunque minimizzabile in
condizioni di comune uso in analisi del movimento per mezzo di periodici reset. Le
piattaforme di forza a strain gauge sono paragonabili a quelle piezo-elettriche
come costo, prestazione ed integrazione per esempio con i sistemi di motion
capture (vedi 2.1.2a Motion Capture). AMTI produce piattaforme di forza a strain
gauge
tri-assiali
amplificatore
da
installazione
integrato,
anche
fissa,
mobile
impermeabili
o
portatili,
o
non
con
o
senza
para-magnetiche
(http://www.amti.biz/). Anche Bertec produce piattaforme di forza a strain gauge
tri-assiali da installazione mobile, con amplificatore integrato, anche impermeabili
o non para-magnetiche in legno (http://bertec.com/old_site/). Una particolarità di
Bertec è che produce anche un molto interessante – per l’analisi del movimento –
ergometro
trasportatore
(tapis
roulant
o
treadmill),
cioè
una
macchina
cardiofitness (vedi 2.1 Misure analogiche), a nastro doppio ed indipendente – cioè
con un nastro singolo ed indipendente per gli appoggi sinistri ed un altro per
quelli destri – e piattaforme di forza sotto ciascun nastro. Anche tra le piattaforme
di forza ne esiste almeno una a scopo soprattutto didattico (PASPORT Force
Platform
PS-2141,
uni-assiale,
e
PS-2142,
bi-assiale
[http://store.pasco.com/pascostore/showdetl.cfm?&DID=9&Product_ID=55945&
Detail=1]). Come si accennato, quando non integrato nella piattaforma di forza
stessa vi è pure un amplificatore. Per quanto riguarda le piattaforme di forza,
come prezzi siamo nell’ordine delle decine di migliaia di €.
2.1.1c Altri sistemi di discriminazione del contatto
Una possibile difficoltà nell’uso della piattaforma di forza per l’analisi del
cammino e cioè che il soggetto non appoggi regolarmente il piede proprio sulla
piattaforma stessa, può essere superata utilizzando delle suolette di forza, da
apporre proprio sotto i piedi e normalmente dentro le calzature. Per suolette di
forza si intende una coppia di dispositivi appunto a foggia di suoletta e deputati
alla misura della reazione vincolare differenziale – quindi anche la sua
distribuzione – su tutto il piede e non un semplice sistema di detezione del
contatto, accessorio questo (foot switch) comunque esistente e comunemente
utilizzato per esempio in congiunzione all’elettromiografia di superficie (vedi …)
allo scopo di ottenere una scansione temporale del ciclo del passo. Almeno a
livello teorico, dalla misura della forza è possibile risalire alla cinematica
utilizzando la metodica della dinamica inversa. Di fatto, la tecnologia che sta alla
base delle suolette di forza non è altro che un raffinamento molto spinto dello
strain gauge. Inizialmente, le suolette di forza soffrivano di certo deterioramento
dovuto all’uso, ma attualmente questo problema può considerarsi minimo in
condizioni di comune utilizzo in analisi del movimento. Attualmente vi sono due
produttori
maggiori
al
mondo
di
suolette
(http://www.tekscan.com/medical/systems.html)
di
forza:
e
Tekscan
Novel
(http://www.novel.de/productinfo/systems-pedar.htm). Queste società offrono
prodotti simili e sfruttano la stessa tecnologia che sta alla base delle suolette di
forza proponendo anche dispositivi a tappeto (Tekscan produce anche un tappeto
più lungo) o comunque a foglio e quindi adattabile a più contesti. Normalmente,
dalle suolette di forza poste nelle calzature partono dei cavi diretti ad un unità
portatile vincolata al paziente che può funzionare anche in telemetria. Per quanto
riguarda le suolette di forza, come prezzi siamo nell’ordine delle migliaia di €.
2.1.2 Misure digitali
Gli strumenti di misura cinematica digitali sono, ancora con una larga
accezione:
fotografia,
cinematografia
e
televisione
(digitali),
sistemi
di
acquisizione del movimento – motion capture – e ricevitori GPS.
All’era
‘analogica’
è
seguita
quella
‘digitale’
che
sta
portando
alla
sostituzione delle vecchie foto-, video- e tele-camere con nuovi modelli digitali. Di
fatto, questo cambio non migliora significativamente tanto le ottica quanto
piuttosto frequenza di acquisizione e soprattutto memoria. L’elaborazione postacquisizione è inoltre facilitata dalla possibilità di lavorare subito al computer e
molti sono i programmi sviluppati ad uopo ed anche a carattere precipuamente
didattico.
Uno
dei
più
importanti
è
Dartfish
(http://www.dartfish.com/en/index.htm) che permette di elaborare immagini e
filmati, effettuare semplici misure cinematiche, creare effetti si sovrapposizione
video, visualizzare in una sola immagine momenti successivi dell’esecuzione di un
esercizio o gesto sportivo, etc. Un successivo livello di sofisticazione dell’utilizzo di
–
più
–
videocamere
digitali
(http://www.simi.com/en/),
è
rappresentato
da
Vicon
software
come
Motus
SIMI
Video
(http://www.vicon.com/products/peakmotus.html),
Oqus
(http://www.qualisys.com/default.asp?viewset=1&on='Products'&id=&initid=48&
heading=Products&mainpage=templates/Q02.asp?sida=40)
ed
APAS
(http://www.arielnet.com/start/apas/default.html).
Grazie alla precisione dei modelli più attuali, che può arrivare anche a meno
di 5 m, e quando non è richiesta una misura veramente puntuale, pure i ricevitori
del Global Positioning System (GPS) possono essere considerati degli strumenti di
misura cinematica digitali. I modelli più recenti funzionano un po’ anche indoor,
ma l’effettivo calo di precisione ne impedisce l’uso in questo contesto. GARMIN
produce un modello con pure altimetro barometrico e cardiofrequenzimetro
integrati,
fornendo
contemporanee
così
uno
misure
strumento
di
http://www.garmin.com/products/edge305/).
2.1.2a Motion Capture
in
grado
DM
di
permettere
(Edge
anche
305,
Il core di un laboratorio di analisi della postura e del movimento è ben
rappresentato dal sistema di acquisizione del movimento (o mocap, nel gergo
degli operatori nel campo dell’animazione). Gold standard tra le IMT, nella
maggior parte dei casi si tratta di sistemi optoelettrici che fanno uso di marcatori
(marker) da minuti a piccoli posizionati su oggetti od articolazioni corporee da
studiare,
i
movimenti
delle
quali
vengono
registrati
automaticamente
e
digitalmente (Winter, 1979; Sutherland, 2002). Una minoranza di tali sistemi
funziona con marker attivi cablati ad un box di acquisizione. Di gran lunga la
maggior parte dei sistemi optoelettrici di motion capture è caratterizzata da
telecamere emittenti lampi ad alta frequenza ed infrarosso o visibile-rosso verso
marker passivi, i riflessi dei quali vengono ‘ri-catturati’ dalle telecamere stesse ed
inviati verso il solito box di acquisizione. La forma del marker ne guida il
riconoscimento e la sensibilità della telecamera di fatto lo permette. Grazie ad
algoritmi di calcolo sviluppati ad uopo, la posizione tri-dimensionale (3D) dei
marker
viene
ricostruita
e
digitalizzata
(Chiari
et
al.,
2005).
Prima
dell’acquisizione di detta posizione (prima di ogni nuova sessione sperimentale), è
necessario calibrare il sistema, cioè creare una corrispondenza precisa tra il
volume di lavoro reale ed un volume di lavoro digitale virtuale al quale faranno
quindi riferimento i dati successivamente raccolti durante la registrazione vera e
propria. A partire dalle posizioni 3D nel tempo, prima di tutto, si possono fornire
valori di semplici variabili cinematiche. Per mezzo di generica algebra e
successive derivazioni, è poi possibile calcolare spostamento, velocità ed
accelerazione dei marker anche durante movimenti rotatori. Di fatto, calibrazione,
acquisizione e calcoli più semplici costituiscono materia di lavoro per il cosiddetto
software di primo livello. Le successive elaborazioni in campo industriale,
biomedico o sportivo sono di competenza del cosiddetto software di secondo
livello. Per esempio in analisi del cammino in clinica, scopo di applicativi di
secondo livello può essere il paragone dei risultati riscontrati di volta in volta in
particolari soggetti patologici con quelli noti e relativi alla popolazione dei sani. Gli
studiosi si sono anche dovuti occupare dello stabilire tutto un complesso e
comune sistema di convenzioni in modo da favorire lo scambio di dati omogenei
sia in generale tra la comunità scientifica e sia specificamente tra i molti
laboratori di analisi del movimento in clinica nati nel frattempo (Winter, 1979;
Sutherland, 2002; Cappozzo et al., 2005). Nel corso dell’evoluzione del motion
capture e soprattutto del proprio uso in analisi del movimento in clinica, ci si è
spesso confrontati con i diversi livelli di complessità sia dei protocolli d’indagine
ed interpretazione dei risultati utilizzati e sia del significato in termini di ricaduta
diagnostica dei risultati stessi (Sutherland, 2002; Simon, 2004). Diversi sono stati
i prodotti realizzati allo scopo precipuo di coadiuvare lo specialista biomedico – e
quindi non ingegnere – nell’interpretazione dei risultati (Simon, 2004; Leardini et
al., 2006). Non c’è bisogno di aggiungere che la materia è ancora ampiamente
tema di discussione. Il primo importante motion capture a marker attivi, Selspot
System, non viene più prodotto, ma sono ancora disponibili ricambi ed assistenza
(http://www.innovision-systems.com/Products-SelSpot.aspx). Vantaggi di sistemi
di questo tipo rimangono identificazione dei marker e possibilità di riconoscerne la
traiettoria
(tracking),
mentre
lo
svantaggio
principale
è
rappresentato
dall’ingombro dell’apparato sia addosso al soggetto e sia nel laboratorio stesso.
Rimangono comunque – e competitivi – sul mercato ancora almeno due motion
capture
a
marker
attivi
ed
a
installazione
(http://www.charndyn.com/Codamotion_Italian.html)
Measurement
ed
mobile:
CODA
Advanced
Motion
(http://www.advancedmotionmeasurement.com/html/index.htm).
Questo tipo di strumenti costa nell’ordine di 200,000÷300,000 €. Come si è
detto, oggigiorno sono molto più sviluppati e diffusi i sistemi a marker passivi.
Storicamente, i modelli di punta sono stati e sono ancora, anche essi ad
installazione mobile e capaci di frequenze di acquisizione fino a circa 2,000 Hz:
Vicon MX (il nome deriva da ‘video converter’, sia la gamma di sistemi più diffusi
al mondo e sia la Ferrari dei motion capture [anche grazie a professionalità e
capillarità
della
sua
rete
http://www.vicon.com/products/viconmx.html),
di
i
sistemi
supporto],
Motion
Analysis
(http://www.motionanalysis.com/applications/movement/gait/products.html)
ed
Elite (http://www.bts.it/proser/elibio.htm). Altri modelli simili e diffusi sono
ProReflex
(http://www.qualisys.com/default.asp?viewset=1&on='Products'&id=&initid=48&
heading=Products&mainpage=templates/Q02.asp?sida=40) e i sistemi SMART
(http://www.bts.it/proser/elisma.htm ed http://www.bts.it/proser/smartd.htm).
Questo tipo di strumenti costa nell’ordine di 100,000÷200,000 €. Difficoltà non
ancora completamente superate neanche dai motion capture attuali comprendono
discriminazione del contatto del piede (problema risolvibile per mezzo di uso
integrato di piattaforma di forza) e movimento dei marker – posizionati
dall’operatore e sulla cute – rispetto alle articolazioni reali, interferenza da parte
della luce ambientale presente outdoor di giorno (Sutherland, 2002; Leardini et
al., 2005; Della Croce et al., 2005). L’alternativa soprattutto come vero e proprio
strumento portatile ed outdoor è costituita da una parte da motion capture
elettromagnetici FASTRAK (http://www.polhemus.com/?page=Motion_FASTRAK)
e
MotionStar
Wireless
2
(http://www.ascension-
tech.com/products/motionstarwireless.php) e dall’altra dal già citato sistema
Moven (vedi 2.1.1 Misure analogiche). Per quanto riguarda questi strumenti,
come prezzi siamo nell’ordine delle decine di migliaia di €. La seguente tabella
sinottica schematizza, per le tecniche cinematiche principali, le caratteristiche
salienti (a analogico,
d
digitale,
ma
marker attivi,
mp
marker passivi, x requisito
ottemperato, meno * meno caratteristica/più * più caratteristica).
2.2 Antropometria
L’antropometria coadiuva la cinematica nel fornire una valutazione del
movimento non solo in clinica. Oltre a comuni variabili antropometriche quali
altezza e massa, ve ne sono altre – nella fattispecie: massa frazionaria, posizione
di centro di massa e raggio di girazione segmentali (il raggio di girazione è una
variabile indicante la distribuzione della massa nel segmento ed i segmenti
corporei sono le parti anatomiche tra le articolazioni in prossimità delle quali
vengono posizionati i marker [vedi 2.1.2a Motion Capture]…) – che sono
necessarie per calcolare variabili biomeccaniche più complesse quali il lavoro
meccanico (Minetti et al., 1993). Gli studiosi si trovano di fatto di fronte a due
opzioni: ricavarsi direttamente i valori di tali variabili soggetto per soggetto
(Winter, 1979; Cappozzo et al., 1995) od – in caso di studio di soggetti medi –
utilizzare dati provenienti dalla letteratura e derivanti da studi su cadaveri od in
vivo (Braune et al., 1889; Dempster et al., 1959; Clauser et al., 1969; Zatsiorsky
et al., 1990; de Leva, 1996).
2.3 Cinetica
Come si è già detto precedentemente, per cinetica si intende lo studio delle
cause e delle conseguenze del movimento. Lo sviluppo di forza o momento di
forza può determinare movimento. Ecco perché macchine isotoniche, celle di
carico, pesi liberi, accelerometri e piattaforme vengono usati per misure cinetiche
(vedi 2.1.1 Misure analogiche). In generale, si parla di resistenze esterne che
ostacolano il movimento e quindi alle forze già implicitamente citate e cioè carico
esterno e forza gravitazionale bisogna considerare principalmente ancora le
cosidette resistenze del mezzo: attrito dinamico, resistenza a rotolamento,
scivolamento, resistenza aerodinamica ed idrodinamica. Per studiare la cinetica di
un dato tipo di esercizio o gesto sportivo, occorreranno quindi strumenti di misura
– normalmente analogici – specifici per le varie resistenze esterne, strumenti
questi che però esulano dalla materia di questo documento (oltre naturalmente
quelli già descritti, vedi 2.1.1 Misure analogiche). Infine, lo sforzo prodotto dal
soggetto in movimento serve anche a sostenere la meccanica specifica della
forma di esercizio oggetto di studio (per esempio, scopo della marcia è
semplicemente portarci da un punto A ad un punto B, ma la sua meccanica
specifica prevede anche continui movimenti in direzioni antero-posteriore e
verticale che non sono affatto funzionali allo trasferimento da A a B ma che
nondimeno sono peculiari di questa forma di locomozione). È sempre il motion
capture lo strumento deputato allo studio delle conseguenze cinetiche della
meccanica del movimento che ci interessa.
2.4 Energia, lavoro e potenza meccaniche
Più in ricerca che in clinica, l’analisi del movimento può spingersi oltre lo
studio di escursioni lineari, ambiti angolari, forze, momenti di forza, etc. ed
occuparsi quindi di energia meccanica (nelle sue varie forme), sua variazione e
cioè lavoro e sviluppo nel tempo e cioè potenza (Minetti et al., 1993). Anche
questi argomenti esulano però dalla materia di questo documento.
2.5 Meccanica muscolare
Un ambito di studio particolare della biomeccanica è costituito dalla
meccanica muscolare. Non tratterò di questo argomento, perché ampiamente di
maggiore pertinenza della ricerca rispetto alla clinica.
2.6 Elettromiografia di superficie
Oramai da tempo, parte fondamentale di un laboratorio di analisi del
movimento in clinica è l’elettromiografo di superficie. L’attività elettrica dei
muscoli che si contraggono ne riflette le fasi di attivazione e l’intensità della forza
esercitata. L’elettromiografia di superficie – sEMG – è una tecnica oramai molto
validata sia in ricerca, sia in clinica (Moritani et al., 1998; Sutherland, 2001) ed
anche nell’analisi del cammino. È riconosciuto che essa fornisce dati alquanto
affidabili soprattutto in relazione ai tempi di attivazione del muscolo (superficiale)
considerato. Gli elettromiografi di superficie possono essere utilizzati anche come
strumento di misura del DM. I più di loro sono analogici, a filo dagli elettrodi
cutanei all’unità portatile e telemetrici da quest’ultima al box di acquisizione. Ciò
nondimeno, ne esistono in commercio anche alcuni completamente a filo
(direttamente
dagli
elettrodi
al
box)
per
applicazioni
statiche
ed
altri
completamente telemetrici (wireless, sempre direttamente dagli elettrodi al box)
e digitali adatti ad applicazioni particolarmente dinamiche. Caratteristiche e
regolazioni
dell’elettromiografia
di
superficie
alle
quali
bisogna
stare
particolarmente attenti sono rappresentate da: guadagno ed ambito dinamici,
impedenza – resistenza – d’ingresso, risposta in frequenza e scarto della moda
comune
(Winter,
1979).
L’elaborazione
dei
dati
raccolti
consiste
più
comunemente in diverse operazioni (alcune delle quali in alternativa le une alle
altre): rettificazione di onda mezza od intera, detezione dell’inviluppo lineare,
integrazione dell’intera onda rettificata su tutta la contrazione, cicli successivi di
integrazioni dell’intera onda rettificata su di un tempo prefissato seguiti da reset a
0 e cicli successivi di integrazioni dell’intera onda rettificata ad un livello
prefissato sempre seguiti da reset a 0 (Winter, 1979). Un interessante ambito di
studio dell’sEMG è rappresentato dalla cocontrazione, un minimo livello della
quale
assicura
Differentemente,
un
la
miglior
controllo
cocontrazione
dell’azione
raggiunge
livelli
muscolare
esagerati
nel
in
sano.
particolari
categorie di pazienti (per esempio pazienti con paralisi cerebrale infantile).
3. Analisi della postura e dell’equilibrio
Apparentemente, non c’è consenso in letteratura su quale debba essere
considerato il gold standard tra i test di equilibrio, sia in condizione statica o
dinamica e sia per le varie classi di età. Come test di equilibrio statico,
normalmente si opta per un test della posizione eretta ad occhi aperti/chiusi e su
supreficie piatta/morbida.
Frequentemente, si usa il Balance Test di Berg con gli anziani, visto che
permette di valutare compiti sia statici e sia dinamici a cominciare dal sit-to-stand
e proseguire con lo stare in piedi su una gamba sola. Nella maggior parte dei casi,
si chiede al soggetto di mantenere una data posizione per dato tempo.
Progressivamente, vengono sottratti punti da un punteggio iniziale se non
vengono raggiunti particolari obiettivi in termini di tempo o distanza percorsa, se
si rende necessario aiuto verbale o fisico da parte dell’esaminatore o se
il
soggetto ha bisogno di sostenersi ad un supporto esterno. È importante che i
soggetti siano consapevoli della necessità di continuare a mantenere l’equilibrio
durante lo svolgimento dei compiti assegnati. Scarsa attenzione in questo senso
influeza negativamente prestazione e punteggio finale.
Il Balance Test di Tinetti fornisce misure simili al Balance Test di Berg ed è
pure esso adatto per gli anziani. Anche esso è basato sull’esecuzione di compiti
funzionali, sebbene forse meno impegnativi del Balance Test di Berg e che
variano dall’equilibrio senza supporto da seduto all’esercizio del sedersi. Sia il
Balance Test di Berg e sia il Balance Test di Tinetti appaiono le misure di
equilibrio maggiormente accettate per gli anziani, soprattutto per la loro facilità di
somministrazione, basso costo, alta attendibilità e sensibilità.
Il test di equilibrio su di una sola gamba o Balance Test Flamingo è
raccomandato per gli adulti, anche se viene utilizzato talvolta anche con gli
anziani. Il crono del test di equilibrio su di una sola gamba, ad occhi aperti/chiusi,
è stato messo in relazione ad ampiezza e velocità di movimento proiettato del
baricentro (sway) nei patologici, con l’abilità di mantenere l’equilibrio su di una
gamba sola generalmente in diminuzione con l’età. Come criteri per l’interruzione
del crono si utilizzano momento di contatto tra le gambe, movimento del piede di
sostegno sul terreno, apertura degli occhi (durante il test ad occhi chiusi),
contatto del piede sospeso con il terreno o movimento delle braccia dalla loro
posizione incrociata sul petto. L’utilità di questo test è un po’ messa in discussione
dalla conoscenza limitata riguardo a quanto dovrebbe essere il ‘tempo normale’ a
mantenere la posizione, suggerendo quindi che possa essere di maggior
significato clinico ripetere le misure nel tempo per evidenziare miglioramenti o
peggioramenti della prestazione.
Varianti del test di equilibrio su di una sola gamba comprendono il Balance
Test di Romberg ed Balance Test di Romber ‘appuntito’, che sono caratterizzati
dal consueto approccio occhi aperti/chiusi, ma che prevedono posizioni iniziali dei
piedi diverse, in un caso a caviglie unite (Romberg) e nell’altro a piedi ‘in fila
indiana’ (tallone-punta, Romber ‘appuntito’; Black et al., 1982; Newton, 1989).
Altri test in letteratura sono: Functional Reach (Duncan et al., 1990), test
Timed Up and Go (Podsiadlo et al., 1991), Step test (Hill et al., 1996), ‘test
clinico di integrazione sensoriale dell’equilibrio’ (Shumway-Cook et al., 1986), test
Four square step (Dite et al., 2002),
La posturografia sta diventando sempre più diffusa, dato che fornisce dati
quantitativi. EquiTest della NeuroCom (http://www.onbalance.com/) consiste in
una completa batteria di test in grado di fornire misure di equilibrio per soggetti
anche disparati da giovani atleti ad ottantenni infartuati. Esso fornisce un esame
obiettivo di controllo dell’equilibrio e stabilità posturale in condizioni dinamiche
studiate in modo da riflettere situazioni della vita quotidiana: ciò include la
batteria completa dei test definiti nel loro insieme Computerized Dynamic
Posturography (CDP). La CDP si basa su di una tecnica di esame unica ed
utilizzata per quantificare oggettivamente e differenziare il contributo dei vari
possibili disturbi sensoriali, motori e centrali adattativi alla perdita del controllo
dell’equilibrio. La tecnologia interattiva e validati protocolli clinici consentono al
clinico
di
manipolare
obiettivamente
e
sistematicamente
informazioni
somatosensoriali e visuali da inviare al soggetto. I precisi dati del test identificano
accuratamente e differenziano i vari disturbu sensoriali e motori riscontrati, ed
migliorano la capacità di diagnosticare e trattare problemi di equilibrio ed
instabilità posturale specialmente in quei pazienti che si sono precedentemente
dimostrati di difficile diagnosi. Data la riconosciuta posizione di leader di mercato
della NeuroCom, la strumentazione è ingombrante e costosa.
Altri sistemi posturografici, portatili e più economici, comprendono Bertec
BalanceCheck (http://bertec.com/old_site/). Ulteriore strumentazione sia per il
giovane
e
sia
per
l’anziano
comprende
Biodex
Balance
(http://www.biodex.com/rehab/balance/balance_300feat.htm).
System
Biodex
SD
Balance
System SD permette sia l’esame e sia l’allenamento in condizioni sia statiche e sia
dinamiche. Si possono effettuare accurate valutazioni e condizionamenti contro il
rischio di caduta ed anche su pazienti con problemi agli arti inferiori. Biodex
Balance System SD mette i clinici in condizione di valutare il controllo
neuromuscolare quantificando la capacità di mantenere la stabilità posturale
dinamica bi- ed uni-laterale su superficie statica od instabile. Sono disponibili
quattro protocolli di esame: rischio di caduta, stabilità atletica su arto singolo,
limiti di stabilità e stabilità posturale. Tra le indicazioni numeriche sull’equilibrio
dinamico fornite, c’è il calcolo della distanza tra la proiezione verticale del
baricentro ed il centro della base di supporto. Tale distanza può venire calcolata
anche separatamente in direzione medio-laterale od antero-posteriore. Tali
procedure non sono tuttavia standardizzate in letteratura.
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