Biomechanics of Balance - Università degli Studi di Bari

Universit
à degli Studi di Bari
Università
Centro Interuniversitario Servizi Ingegneria
Biomedica
“Giovanni Alfonso Borelli”
Borelli”
POSTURA
Biomechanics of Human Movement
Biomechanics of Balance
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Biomechanics of Balance
Sport Considerations
Performance
Injury Prevention
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Biomechanics of Balance
Topics
•
•
•
•
•
•
•
Applications Relating to Biomechanics of Balance
Determinants of Stability
Factors Influencing Stability
Role of Sensory Input in Balance
CNS Strategies for the Maintenance of Balance
Enhancing Balance
Assessment of Balance
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Biomechanics of Balance
Incidence of Falls
• 1.8 million falls among elderly result in
medical treatment
• 1/3 of all Community-dwelling adults
experience at least one fall yearly
• Sixth leading cause of death in over 65 age
group
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Falls…..Economic Impact
16.4 Billion Dollars annually
Average cost per fall - $9400
48% of cost paid by Medicare
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Falls…..Influence of Pathology on Balance
Head Injury
Vestibular Dysfunction
Orthopaedic Joint Injury
Parkinson’s Disease
Degenerative Joint Disease
Stroke
Muscle Atrophy
Alzheimer’s Disease
Diminished Balance
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Balance – Influence on Posture
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Postura: fase quasi
statica del movimento
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Valutazione dell’equilibrio e della
postura
Equilibrio:
Meccanismi:
Funzione che permette
il mantenimento della
stazione eretta e la
realizzazione di un
movimento armonico.
Ciò
richiede
la
stabilità della postura
e dello sguardo.
¾
recettori sensoriali
¾
centri nervosi
¾
effettori motori
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Biomechanics
Center of Gravity
Definition – The point around which the
mass of the body is equally distributed
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Biomechanics
Center of Gravity – Factors Influencing
Mass
Location of Mass – position of the
body segments
Added (external) mass
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Biomechanics of Balance
What Causes Instability?
• Destabilizing “External “Torques Act
on Segments
• Gravity
• Distribution and Position of Mass
• Inertia
• External Forces
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Biomechanics of Balance
What Produces Stability?
•
•
•
•
•
Stabilizing “Internal Torques” Act on
Segments
Muscle Forces
Ligament forces
Distribution and Position of Mass
External Forces
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Biomechanics of Balance
Stability
Stability is Maintained as long as the:
Internal (Stabilizing) Torques = External (Destabilizing) Torques
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Biomechanics of Balance
Factors Influencing Stability
In Practical Terms:
Sensory Factors
Motor Factors
Biomechanical Factors –
Size of the base of support
Height of the COG above the base of support
Mass
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Test di valutazione posturale:
Esame di postura
statica e dell’equilibrio:
Eseguito ad occhi aperti e ad occhi
chiusi in appoggi bipodalico.
Consente di studiare interferenze
oculomotorie e vestibolari, sia in
ambito clinico, ortopedico e
riabilitativo che neurologico.
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La postura
La POSTUROLOGIA, studia l’equilibrio umano e le condizioni fisiologiche che lo
rendono possibile.
La stazione eretta è una condizione instabile perché il baricentro è al di sopra del
punto di vincolo, ossia al di sopra della base di appoggio. Il corpo di una persona, ferma
in posizione eretta, è quindi soggetto a micro-moti continui, per mantenere il proprio
bilanciamento posturale.
L’equilibrio si mantiene per l’azione concomitante di diversi sistemi:
Muscolo-scheletrico;
Sistema nervoso centrale;
Recettori sensoriali.
Qualsiasi alterazione a uno di questi sistemi può avere conseguenze sull’assetto
posturale.
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Sviluppo psicofisico nel controllo posturale
La crescita del bambino comporta una serie di cambiamenti non solo a livello morfologico ma
anche a livello dei diversi sistemi deputati al controllo della postura e dell’equilibrio. Il
mantenimento delle postura eretta è una capacità acquisita dal bambino intorno all’anno di vita.
A due anni, la padronanza dei movimenti si è perfezionata ulteriormente, e col raggiungimento dei
tre anni di vita, il bambino è in grado di correre, pedalare sul triciclo e saltare, sia a piedi uniti che
su un piede solo.
Modificazioni nel sistema di controllo
Molti ricercatori hanno analizzato in senso quantitativo le oscillazioni posturali in bambini sani di
diverse età. Alcuni, hanno valutato l’oscillazione posturale in bambini di età compresa fra i 3,5 e i
17 anni, attraverso le registrazioni di una piattaforma di forza. Essi hanno individuato un legame
tra età del soggetto ed ampiezza delle oscillazioni, infatti all’aumentare dell’età diminuiscono gli
spostamenti sia in direzione antero-posteriore che in quella medio laterale
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Modificazioni anatomo-funzionali
Altri autori hanno descritto i cambiamenti nella superficie di contatto della pianta del piede e dello
spostamento della posizione media della proiezione del centro di gravità sul terreno. Essi hanno osservato
che l’area di contatto aumenta all’aumentare dell’età, anche se la dipendenza da questa ultima non è
lineare, mentre la formazione dell’arco plantare può essere suddivisa in tre eventi successivi:
•
STADIO INIZIALE: l’arco plantare si sviluppa a partire dal secondo anno di vita, e incomincia ad assumere la sua
forma definitiva all’età di 3 anni. Lo stadio iniziale è considerato completato intorno ad i 5-6 anni, dato che l’area di
contatto incomincia ad aumentare in modo più marcato. Infatti, nel primo stadio di sviluppo, non si hanno delle notevoli
variazioni nell’area di contatto perché in corrispondenza di un aumento delle dimensioni del piede, si ha un passaggio da
una pianta del piede piatta ad una pianta arcuata.
•
STADIO DI MATURAZIONE: l’età di 6-7 anni è considerata come un punto di transizione nella formazione delle
strutture anatomiche del piede. A tale età si ha un aumento di stabilità evidenziato da una diminuzione dell’area di
oscillazione.
•
COMPLETAMENTO DELL’ARCO PLANTARE ADULTO: lo sviluppo dell’arco plantare porta, infatti, il
centro di pressione a spostarsi in avanti rispetto al tallone, assumendo così una posizione più facilmente controllabile. Una
posizione del centro di gravità prossima agli estremi del piede, tallone o punta, è, infatti, indice di maggior stabilità,
poiché anche per piccoli spostamenti si può avere perdita dell’equilibrio.
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La posturografia
La posturografia è utilizzata in ambito clinico per la misurazione dei comportamenti
posturali normali e patologici. Dalle prime osservazioni di Romberg nel 1846, la
valutazione dell’equilibrio posturale, con e senza l’apporto stabilizzante della
visione, costituisce in ambito neurologico un esame di prassi per il clinico. Il test
consiste nell’osservare il soggetto fermo in posizione eretta, in due condizioni
differenti: al soggetto viene chiesto di rimanere fermo per qualche secondo ad occhi
aperti e poi gli si chiede di restare nella medesima posizione ma ad occhi chiusi.
Con l’introduzione di misurazioni posturografiche è stato possibile dare al test,
ideato da Romberg, una quantificazione oggettiva.
La posturografia si basa sulla rilevazione delle forze e dei momenti scambiati dal
soggetto con la superficie di appoggio. Attraverso l’uso di una piattaforma di forza
è, infatti, possibile registrare l’andamento nel tempo di tali grandezze e calcolare i
valori di grandezze derivate.
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Metodi sperimentali
Dalla letterature risulta evidente che esiste un’ampia varietà di protocolli di prova e di
misurazioni effettuate per caratterizzare la stabilità posturale.
Un protocollo sperimentale, il protocollo GAM1 in uso presso i laboratori di analisi del
movimenti di alcune sedi universitarie (Ancona, Bari, Bologna) prevede:
- l’esecuzione di 4 prove due ad occhi aperti e due ad occhi chiusi;
- la durata della prova è di 120 secondi;
- posizione dei piedi: simmetrici rispetto al piano sagittale.
y
x
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Valutazione
posturale
Le oscillazioni posturali, durante una prova di “quiet standing” possono essere desunte dalle oscillazioni
del centro di pressione (COP), grazie all’impiego di una piattaforma dinanometrica.
• Un parametro indicativo della capacità del soggetto di mantenere un buon controllo posturale e quindi
di ottenere una buona stabilità, è rappresentato dall’area del gomitolo. Essa racchiude il 100% dei punti
che ricopre il COP nell’intero arco della prova.
Area del gomitolo, sull’asse della x sono riportati gli spostamenti i AP, in y quelli LL.
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I recettori sensoriali
• I recettori somatici:
•
•
recettori mio-articolari;
recettori cutanei.
• I recettori propriocettivi:
•
•
•
i fusi;
i corpi tendinei del Golgi;
i recettori articolari.
• I
recettori labirintici: all’interno
dell’orecchio è situato il vestibolo, un complesso
sistema di recettori dell’equilibrio.
• I recettori visivi:
sono costituiti dai coni e
dai bastoncelli, che trasformano la radiazione
incidente in impulsi elettrici.
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Biomechanics of Balance
Control of Balance
CNS
Motor
Sensory
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Biomechanics of Balance
Sensory Input
Purpose:
To provide the CNS with information about the direction and
magnitude of De-Stabilizing Torques
To monitor the effects of Internal Stabilizing Torques
Components:
Vision
Somatosensory
Vestibular
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Biomechanics of Balance
Somatosensory
•
•
•
•
Muscle Spindles
Joint Receptors
Tendon Organs
Mechanoreceptors
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Biomechanics of Balance
Vestibular System - The Inner Ear
The Vestibular System provides
information about:
• Head Linear Acceleration
• Head Rotation (angular accelerations)
• Head Position
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Biomechanics of Balance
Sensory Input and Control
Sensory Input activates reflexes that (in order):
• Activates Supporting Musculature
• Activates Muscle synergies to produce correction
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Biomechanics of Balance
CNS and Control
The CNS Implements “Strategies” that are intended to be
selectively applied to various levels of instability
Quiet Stance – maintained by postural alignment,
associated joint stiffness and muscle tone
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Biomechanics of Balance
The Ankle Strategy
Minimal Instability – the “Ankle
Strategy”
Simple Response
Rotation at the ankle
Inverted Pendulum
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Voluntary Motor: Limits of Stability (LOS)
• Balance is maintenance of the
COG over the base of support
• LOS is the maximum COG
distance from center remaining
within the base of support
• LOS extends approximately 12°
front to back & 16° side to side
Generation of
Body Movement
AN KLE STRATEG Y
• Head & hips move in
same direction
• Slow /small
perturbation
• Surface firm, broad,
w ider than feet
• Contractions distal to
proximal
Generation of
Body Movement
HIP STRATEGY
• Head & hips move in
opposite direction
• Large/fast
perturbation
• Surface unstable or
shorter than feet
• Contractions
proximal to distal
Biomechanics of Balance
The Hip Strategy
Greater Instability – the “Hip Strategy”
More complex
Increased translation of mass
Adjustment at Hip
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Biomechanics of Balance
The Stepping Strategy
Maximum Instability – the
“Stepping Strategy”
Most complex
Multiple segments involved
Slowest
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Biomechanics of Balance
Muscle Response to Instability
Muscle Response to Instability Results in a
Distal to Proximal Activation Pattern
Gastroc/Soleus – 90 – 100 msec
Hamstrings – 120- 130 msec
Psoas – 130 – 140 msec
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Fattori indipendenti
Visione
OA
OC
Consistenza
della base
di appoggio
Ampiezza del
poligono di
appoggio
Movimento
della base
di appoggio
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Andamento delle pressioni suolo-piede
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Postura eretta
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Digivec PAL System Stand Alone
Direct Measurement:
•
Ground Reaction Force (GRF)
•
Centre of Pressure (CoP)
•
Vertical Moment
Dimensions (mm): 600 x 400 x 25
Full Scale Range:
± 2,5 kN (horizontal
(horizontal forces)
10 kN (vertical force)
Acquisition frequency:
frequency: 100 Hz
Elite System (BTS)
Force Plate
(Kistler 9286A)
Acquisition time: 120 s
41/40
Movimentazione della pedana
42/40
43/40
Elaborazione dei dati
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Graphical results
CoP Displacement vs Time
Trajectory of CoP
Distribution of Sway Area
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Evaluation parameters
¾ Displacement of CoP
(Anterior(Anterior-Posterior shift and MedioMedio-Lateral
shift)
¾ Length of CoP trajectory
¾ Distribution of Sway Area
¾ Inertial Axis
7000
6000
[mm2]
5000
4000
3000
2000
1000
0
1
2
prove
3
4
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Biomechanics of Balance
Can Balance Be Improved????
YES !!
Sensory Input
CNS Processing
Muscle Output
Cognitive Factors
All capable of Degradation…or…Improvement (sometimes)
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Biomechanics of Balance
Can Balance Be Improved????
Assistive Devices
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