Effetto di un Sistema a Audio Biofeedback (ABF) sulle componenti Feedback e Feedforward del controllo posturale

M. Dozza1,2, L. Chiari1, F.B. Horak2, A. Cappello1

1Dipartimento di Elettronica, Informatica e SistemisticaAlma Mater Studiorum - Università di Bologna, Italia

2Neurological Sciences InstituteOHSU, Beaverton (OR), USA

L’EQUILIBRIO

RECETTORI SENSORIALI

MUSCOLICervello

Integrazione Multi-Sensoriale

Mappa interna

• L’equilibrio posturale è la conseguenza di una appropriata strategia di attivazione muscolare elaborata dal cervello sulla base delle informazioni ambientali rese disponibili dai recettori sensoriali.

L’EQUILIBRIO (2)

MUSCOLI Cervello

• Il cervello sfrutta le informazioni visiva, vestibolare e somatosensoriale per mantenere l’equilibrio

VISIVA

VESTIBOLARE

SOMATOS.

ABF• ABF fornisce una informazione addizionale

Informazione Sensoriale

Integrazione Multi-Sensoriale

Mappa interna

SISTEMA ABF e PROTOCOLLO SPERIMENTALE

Sistema ABF:

- PC portatile (Celeron 2.3 GHz)

- Sensore accelerometrico (Analog Devices ADXL 203)

- Cuffie Audio (Sony SBC HP 140)

Istruzioni per i 9 soggetti sani:

- Mantenere una postura ortostatica eretta su 4‘’ TemperTM foam con occhi chiusi usando il sistema ABF quando disponibile

Sistema di cross validazione:

- Pedana dinamometrica (AMTI OR6-6)

- Sistema di acquisizione EMG (TIB SOL GAS)ML

AP

9 soggetti sani

- Età 55 [33-71] anni

- Altezza 167 [151-180] cm- Peso 73 [65-86] Kg- 10 prove della durata di 1 min

FUNZIONI per la GENERAZIONE del SUONO

Regione di sicurezza (SR)

• Rappresenta i limiti di stabilità

• In questa regione la proiezione del centro di massa rimane interna alla base di appoggio del soggetto

• La base di appoggio viene stimata dai parametri antropometrici misurati per ogni soggetto

•Regione naturale di oscillazione (RR)

• rappresenta la oscillazione naturale (±1 grado dalla verticale, Mayagoitia 2002)

• è basata sull’altezza del soggetto

• è stimata a partire da un modello a pendolo semplice del corpo

Cognitive

Sensory

Tuning-fork

ABF MIGLIORA LA STABILITA’…

SENZA ABF CON ABF

Open-Loop

Feedback

Feed-forward

???

MA QUAL’E’ IL MECCANISMO?

STABILOGRAM DIFFUSION ANALYSIS (Collins & De Luca, 1993)

K: coefficiente di diffusione

Tc: punto critico

K

Tc

[Chiari et al. 2000]T

* **

Sia K che Tc mostrano una riduzione sistematica dovuta all’ABF

Le proprietà strutturali cambiano durante le prove con ABF:Il controllo feedback aumenta a scapito di quello a feed-forward

ANALISI STATISTICA

100.0

266.7

433.3

600.0

ABF ON ABF OFF

K

0.1

0.2

0.3

0.5

ABF ON ABF OFF

Tc

*p<0.05**p<0.01

ATTIVITA’ MUSCOLARE• L’uso del sistema di ABF non comporta una iper-attività

muscolare di TIB, GAS e SOL. La differenza di attività muscolare fra prove con e senza ABF non è significativa (p>0.05).

CO-CONTRAZIONE [Olney & Winter, 1985]

• Usando il sistema ABF l’entità della co-contrazione fra TIB e SOL e fra TIB e GAS rimane la stessa

CONCLUSIONI

• I soggetti aumentano il controllo posturale usando il sistema ABF

• Il sistema ABF determina cambiamenti strutturali nel movimento del COP che potrebbero riflettere un maggior ruolo del controllo a feedback rispetto a quello a feed-forward.

• L’utilizzo del sistema ABF non comporta una iper-attività muscolare.

• Il miglioramento dell’equilibrio usando il sistema ABF non è dovuto al semplice irrigidimento muscolare (co-contrazione) dei muscoli antagonisti della gamba.

• Studi futuri saranno necessari per determinare se, con la pratica, i soggetti potranno usare l’ABF con minore controllo volontario e quindi quanto questo risultato persista nel lungo periodo.

WORK IN PROGRESS

• Validazione di ABF durante compiti dinamici.

• Comprendere se, con l’esercizio, l’uso del sistema di ABF puó diventare via via piú automatico.

• Uso per la riabilitazione clinica di soggetti con disturbi dell’equilibrio.

• Sviluppo di una protesi wireless e portatile per migliorare l’equilibrio.

GRAZIE PER L’ATTENZIONE