LO SPRINT DI ATLETI AMPUTATI: l analisi biomeccanica ... · italiani dal 1998 ad oggi, 4 °nei 200m...

LO SPRINT DI ATLETI AMPUTATI: l’analisi biomeccanica, uno strumento per il miglioramento della performanceIng. Bonacini,PhD in Disegno e Metodi di sviluppo prodotto, Facoltà di Ingegneria,Politecnico di Milano

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Lo sprint di atleti amputati-Ing.Bonacini Seminario di formazione ATLETICA LEGGERA ADATTATA Università degli studi di Verona, Facoltà di Scienze Motorie

Verona, 28 marzo 2009

BONACINI DANIELEBONACINI DANIELE•Amputato gamba dx sotto il ginocchio- incidente stradale nel 1993

Ingegnere meccanico dal 2001

Dottore di ricerca Disegno e Metodi di sviluppo prodotto (2005-2008 presso Politecnico di Milano) con

Tesi: La progettazione e sviluppo di un piede protesico da correre

• Dal 1998 è iniziata la carriera atletica agonistica nella Polisportiva Milanese : almeno 10 titoli

italiani dal 1998 ad oggi, 4° nei 200m e nel salto in lungo agli Europei 2003, 8° nei 100m e 200m ai

Mondiali 2002 e 6° nel salto in lungo alle ParalimpadiParalimpadi di Atene 2004di Atene 2004..

• Fondatore della Roadrunnerfoot EngineeringRoadrunnerfoot Engineering srlsrl, nata il 13 marzo 2007 su spin off di Politecnico

Innovazione, azienda che produce componenti per protesi ortopediche e in genere ausili per disabili

• Fondatore Disabili No Limits, associazione senza fine di lucro che mira

a donare ausili ai disabili con finanziamenti di banche, fondazioni e istituzioni



Secondo il Censimento Istat del 2000 i disabili in Italia sono 2.615.000:

I tesserati del CIP, Comitato Italiano Paralimpico sono circa 20.000, il 6,6% dei disabili da 6 a 44 anni che sono 302.000.

Secondo le stime Carlo Hanau, docente di programmazione e organizzazione dei servizi sociali dell'università di Modena e Reggio Emilia, intervenuto al Forum Sanità organizzato da Federsalute e Confcommercio, sono circa 4.500.000 i disabili, oggi in Italia.

Perché solamente il 6,6% dei soggetti disabili al di sotto dei 44 anni pratica sport?

• nel caso di bambini esistono spesso problemi da parte dei genitori ad inserire il bambino in un contesto esterno da quello familiare;

• nel caso di adolescenti e adulti spesso non esiste una corretta informazione circa la possibilità da parte del disabile di fare sport.

• I centri di riabilitazione, gli ospedali e le scuole non sempre contribuiscono ad avviare i disabili allo sport.

• Esistono raramente associazioni con personale specializzato (Laureati in Scienze Motorie, Fisioterapisti) che dispongono anche di palestre o strutture ad hoc.

�I disabili in Italia



Centri specializzati, Programmi di allenamento mirati alle Paraolimpiadi, Centri studi

• In Svizzera esistono centri specializzati come quello di Zurigo, presso il quale sono ricoverati le vittime di

incidenti traumatici che subiscono una lesione del midollo spinale e dopo la degenza, vengono avviati allo

sport nell’ambito dello stesso centro, dotato di una piscina e una pista di atletica. Da qui sono usciti Heinz

Frei e Franz Nietlispach.

• In USA esistono dei programmi di avviamento allo sport a favore degli amputati da parte dell’associazione

dei Veterani del Vietnam che forniscono protesi di tipo sportivo.

Nei paesi anglosassoni come ad esempio l’Australia esistono studi e programmi di allenamento per le

diverse tipologie di disabilità: sono stati redatti in collaborazione tra il Comitato paralimpico nazionale, le

università di Scienze Motorie, le società sportive.

• Francia, Germania e Inghilterra stanno sostenendo forti politiche di avviamento sportivo di giovani disabili

e i risultati si vedono alle ultime Paralimpiadi di Pechino

� Cosa fanno gli altri paesi



L’accessibilità degli impianti sportivi : lo sport nel caso dei disabili va visto come tutela della salute e

perciò i disabili dovrebbero avere la possibilità di accedere agli impianti gratuitamente come accade per gli

ultrasettantenni, che vanno gratuitamente o quasi nelle piscine.

Il livello di preparazione del personale tecnico che assiste e avvia il disabile allo sport dovrebbe essere

più elevato, magari tramite accordi fra CIP e le Università riconoscendo crediti formativi a chi presta in grado

di far praticare sport ai disabili (volontari nelle associazioni, invece di tecnici specializzati che dovrebbero

uscire da SCIENZE MOTORIE, ma questo non avviene perchè lo sport disabili è trascurato). Tesi e attività di

ricerca all'estero in collaborazione con i comitati paralimpici nazionali.

La diffusione allo sport per disabili non è favorita dai media: al di là del caso Pistorius, le televisioni e i

giornali in Italia dedicano pochissimo spazio allo sport per disabili a differenza di ciò che avviene all’estero.

L’avviamento allo sport dei soggetti disabili in alcuni casi è ostacolato da costi dell’ausilio necessario per

praticare attività sportiva: il sistema sanitario nazionale copre solamente il costo di un piede protesico di

legno da 250 euro per consentire ai soggetti amputati di deambulare e di una carrozzina non-leggera di

1425 euro per soggetti para e tetraplegici, gli ausili per attività sportiva non sono neanche considerati. Ad

oggi il diritto alla salute non è tutelato perché il disabile deve comprarsi gli ausili tecnologicamente

avanzati per deambulare, tantomeno è tutelato il diritto del disabile a praticare attività sportiva.

� Ostacoli all’avviamento sportivo di soggetti disabili in Italia



Lo sprint è un tipo di corsa, che si sviluppa su distanze brevi e ad alte velocità. L’obiettivo dello sprint è coprire la distanza (100m –200m) nel minor tempo possibile.

Velocità media nel cammino 1.10 - 1.40 m/s Velocità media nello sprint 7 – 10,27 m/s

USAIN BOLTWorld Record 100m 9,69 sPechino 2008

CHRISTINE ARRON Camp Europea 100m 10,95 s

�Lo sprint



OSCAR PISTORIUS (RSA)

20 years old cat.T43 bilateral BK , 10,91 s 100m , 21,68 s 200m (world and gold medal Athens 2004) 46,34 s 400m (min Bejing 2008 di 46s)

MARLON SHIRLEY (USA)

27 years old cat. T44 unilateral BK 10,91 s WR 2007

Tab.1 Differenti performances tra atleti normali e atleti amputati

�Lo sprint di atleti amputati transtibiali (sotto il ginocchio)



Invaso Invaso “contenitore” della parte residua arto amputato, realizzato

su misura del moncone del paziente dal tecnico ortopedico

(Fibra di carbonio e resina da laminazione).

CuffiaCuffia protegge il moncone da traumi e urti durante la camminata.

(Poliuretano, silicone e stirene)

Tubolare Tubolare collegamento invaso-piede (leghe di titanio o fibra di carbonio)

PiedePiede accumula e restituisce energia in modo da consentire una

camminata confortevole. (fibra di carbonio).

CoverCover rivestimento estetico, in gomma espansa o PVC.

Ginocchi meccanici o elettroniciGinocchi meccanici o elettronici nel caso di amputazioni transfemorali

� La struttura di una protesi di arto inferiore: da camminare

Cuffie in silicone e stirene



Applicazione del piede nel caso di distanza apice moncone-terra inferiore a 25 cm con attacco posteriore all’invaso

Applicazione del piede nel caso di distanza apice moncone-terra superiore a 25 cm con attacco posto sotto l’invaso

INVASO INVASO

� La struttura di una protesi di arto inferiore: da correre

Protesi da correre

Allineamento del piede



Piede Flex Sprint della Ossur a forma di “L” per amputati transfemorali

Piede Flex Run della Ossur a forma di “C” per distanze lunghe

Piede Springlite-Otto Bock

�I piedi per protesi da correre

Piede Cheetah-Ossur

Piedi per soggetti amputati transtibiali

Piede Sprinter’s King di Roadrunnerfoot



•• Tecnologia del settore aeronautico e militare.Tecnologia del settore aeronautico e militare.

•• Assorbe e accumula energia durante il caricamento del peso sul Assorbe e accumula energia durante il caricamento del peso sul tallone tallone

•• Design del talloneDesign del tallone--avampiede avampiede consente efficace e graduale rilascio di energia che consenteconsente efficace e graduale rilascio di energia che consenteuna camminata fluida e senza fatica per l’utente. una camminata fluida e senza fatica per l’utente.

•• Numero di strati e spessore del laminato proporzionali al peso Numero di strati e spessore del laminato proporzionali al peso utente e livello di attività fisica utente e livello di attività fisica

�I piedi per protesi da correre

MODULAR III: il primo piede utilizzato per correre



Analisi cinetica della corsa di tre atleti amputati sotto il ginocchio e di tre atleti normodotati tramite il sistema optoelettronico vicon e pedane piezoelettriche kistler.Tre acquisizioni: Ia presso il palazzetto indoor della Fratellanza di Modena, (24/11/2005),IIa presso il Centro di preparazione Olimpica di Formia con analisi cinetica (15-18/12/2005), IIIa presso il palazzetto indoor della Società Osa Saronno con analisi cinetica. (20/1/2006)

NELL’ANALISI DELLO SPRINT ALMENO 8 TELECAMERE A INFRAROSSI f= 100-400 HZ. L'AREA DI PERFORMANCE O AREA DI CATTURA È LUNGA 12M E LARGA 5 M. L'ALTEZZA MASSIMA COPERTA È DI 2 METRI ED ÈSCELTA IN FUNZIONE DELL'ALTEZZA DEGLI ATLETI.

� Acquisizione della corsa: definizione del volume di acquisizione



I punti di repere anatomici sugli arti inferiori:

1. Bacino (RASI, LASI, LPSI, RPSI)

Dx e sn spine iliache anteriori e posteriori

1. Gamba (LKNE, LTHI, LANK, LTIB)

Epicondilo femorale, 1/3 della coscia, malleolo esterno, 1/3 della tibia

1. Piede (LTOE, LHEE) secondo metatarso e calcagno

� Misura parametri antropometrici e markerizzazione dei soggetti



Per posizionare i marker sulla protesi viene adottato l’accorgimento di Bucley con l’atleta amputato sulle punte dei piedi:

Marker sull’invaso in corrispondenza dell’epicondilo femorale e dell’appoggio sottorotuleo

sei markers sul piede: tallone virtuale, malleolo virtuale, punta, secondo metatarso, 1/3 della gamba virtuale sull’attacco a “T” e 1/3 della gamba virtuale sul piede.

� Adattamenti alla protesi del protocollo Kadaba



� Limiti biomeccanici della protesi

MeccaniciMinor efficienza e quindi minor risposta elastica del piede protesico in fibra di carbonio rispetto ad un piede sano: infatti i piedi da corsa hanno una efficienza (rapporto fra potenza assorbita e potenza rilasciata) di circa l’80%% rispetto al 241% di un piede umano con una attiva ed efficace plantarflessione.L’angolo di flessione del ginocchio dell’arto protesizzato dipende dalla lunghezza del moncone e quindi dalla tipologia di invaso utilizzata: le invasature senza presa sui condili femorali, a forma di cono, realizzate per monconi tibiali di almeno 15 cm, consentono la completa flessione del ginocchio, nella fase di calciata dietro il gluteo. Per monconi più corti la flessione del ginocchio è inferiore di 20-30°.

OrtopediciL’efficienza della protesi dipende da un corretto allineamento del piede rispetto all’invaso e dalla corretta scelta della classe del piede (lo spessore identifica la rigidezza del piede).

EnergeticiL’assorbimento di energia da parte del moncone e della cuffia in materiale polimerico all’interno dell’invaso.

MuscolariL’eventuale presenza di una contrazione isometrica da parte dei muscoli residui del moncone; Quando il piede meccanico della protesi tocca il terreno, la muscolatura dell’anca dal lato della protesi deve avanzare in modo compensare una forza contraria alla direzione di avanzamento, ricevuta dal terreno: infatti la forza di reazione è anteriore rispetto alle articolazioni di anca e ginocchio; per questo motivo l’articolazione dell’anca dal lato della protesi compie un lavoro di due o tre volte superiore rispetto al lato dell’arto sano in modo da aiutare il corpo nell’avanzamento e in modo da compensare l’ assenza della plantarflessione propulsiva del piede meccanico.

Tecnico-atleticiNel caso di atleti principianti sono dovuti ad un utilizzo poco efficace della protesi e un recupero/potenziamento muscolare non efficace.



• Larghezza della falcata : l’amputato allarga la corsa rispetto al normodotato, per ricercare un maggior equilibrio e per ragioni morfologiche del moncone (nei casi di monconi prossimali è evidente la postura leggermente ad “X” della protesi).

•Lunghezza della falcata inferiore ai soggetti normali per i limiti funzionali legati alla protesi: limitata flessione di ginocchio e anca e assenza di plantarflessione alla caviglia.

• Durata fase d’appoggio sull’arto sano, l’amputato rimane un tempo più lungo sull’arto sano per effettuare tutte le correzioni d’equilibrio dovute all’utilizzo di protesi.

• Cadenza e velocità dello sprint sono inferiori per i limiti funzionali legati alla protesi

� Parametri spazio-temporali: asimmetria arto sano-protesi



Initial contact

CoG nella posizione più bassa, anca flessa e ginocchio quasi completamente esteso, caviglia dorsiflessa (a martello)

� Le differenti fasi dello sprint

Mid Stanceanca e ginocchio avanzano rispetto alla caviglia, inizia la fase

propulsiva

Toe offistante in cui il piede si

stacca dal terreno

Mid Swingdopo la massima flessione del ginocchio in calciata dietro, la coscia raggiunge la posizione orizzontale

Initial contact il ginocchio si estende e si prepara al nuovo contatto con il terreno

Nel cammino la fase di stance è circa il 60%, nel running il 30% e nello sprint il 20%. La principale caratteristica dello sprint è la mancanza del double support in funzione del double swing e il contatto a terra a partire dall’avampiede invece che dal tallone.



Il Range of Motion del Pelvic Tilt è proporzionale al consumo energetico, infatti durante la corsa l’atleta normodotato conserva una postura costante con il tronco leggermente inclinato in avanti. Gli atleti protesizzati presentano un ROM di circa 25, mentre la media degli atleti normali presenta un ROM di 10.

Nel piano sagittale l’arto sano presenta un anticipo nel raggiungimento della massima flessione dovuta ad una strategia di compensazione (dovuta al vincolo invaso). L’anca dell’arto amputato evidenzia una estensione prossima allo zero, minore rispetto ai normodotati (60°) in corrispondenza del toe-off e un valore minore del picco di flessione durante la fase di swing (circa 10-20° meno dei normali) dovuta ai limiti biomeccanici della protesi.

Il ginocchio dell’arto sano evidenzia un andamento sinusoidale nella norma, con la sola eccezione di un lieve anticipo nel raggiungimento del picco di massima della flessione (140°) dovuto ad un meccanismo di compensazione dell’arto protesizzato: l’invaso della protesi non consente una flessione del ginocchio superiore a 110° e per questo motivo il ginocchio dell’arto sano deve ruotare più velocemente. Il ginocchio dell’arto amputato non presenta l’andamento discendente in estensione dell’arto sano durante la fase di stance per il fatto che l’allineamento tra invaso e piede conserva sempre una certa flessione di circa 30°.

------ arto sano ------ arto con protesi

� Analisi dei dati: bacino, anca e ginocchio



� Analisi dei dati: caviglia

------ arto sano ------ arto con protesi

La rotazione della caviglia dell’arto sano rientra nella norma. Il grafico dell’angolo della caviglia del piede meccanico presenta un tratto iniziale durante la fase di appoggio con una minore dorsiflessione dovuta alla forma e all’elasticità del piede meccanico, un tratto quasi orizzontale durante la fase di volo dovuto al mantenimento dell’angolo fissato dal profilo del piede.



GROUND REACTION FORCE

-20

30

80

130

180

230

280

330

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56

Piede sano

Piede Springlite

Piede Cheetah

CONFRONTO DELLE FORZE SCARICATE AL TERRENO DA UNO STESSO ATLETA CON DIFFERENTI PIEDI

1 ARTO SANO (3234 N);

0,7 SPRINGLITE (2254 N);

0,6 CHEETAH (1960 N)

�� Forze scaricate al terreno Forze scaricate al terreno

Kgf

ASSENZA DI UN PICCO MASSIMO ACCENTUATO DELLA CURVA DELLA FZ, CURVA PIÙ AMPIA E PIÙ BASSA INDICE DIUNA MINOR EFFICIENZA DI CORSA.ASIMMETRIA NELLE SPINTE PROPULSIVE DEI DUE ARTI DURANTE LA CORSA.

2600-3500 N normalità2500- 3200 N arto sano amputati2400-2550 N arto con protesi

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% BW

FASE DI STANCE FASE DI STANCE



FASE DI CARICAMENTO:

• FLESSIONE PIEDE

• ABBASSAMENTO E ARRETRAMENTO VERTICE CURVA POSTERIORE DEL PIEDE (marker corrispondente al tallone virtuale) A CAUSA DELLA GEOMETRIA DEL PIEDE E ROTAZIONE CONGIUNGENTE PUNTO DI CONTATTO AL SUOLO-TALLONE DI 5° IN SENSO ORARIO.

• GENERAZIONE UNA COMPONENTE DELLA FORZA NEGATIVA, CONTRARIA ALLA DIREZIONE DIAVANZAMENTO. (2/3 lavoro muscolare muscolatura anca)

COMPONENTE NEGATIVA CESSA QUANDO LA PERPENDICOLARE AL PUNTO DI CONTATTO PASSA PER CIR GINOCCHIO

�� Componente negativa della Forza in direzione di avanzamento Componente negativa della Forza in direzione di avanzamento



�� Caratteristiche del nuovo piede progettato Caratteristiche del nuovo piede progettato • PIU’ AGEVOLE AVVIAMENTO SPORTIVO PER ATLETI PRINCIPIANTI E MIGLIORAMENTO DELLA PERFORMANCE PER ATLETI AGONISTI

• ELIMINATA LA COMPONENTE NEGATIVA IN DIREZIONE DI AVANZAMENTO(grazie ad una nuova morfologia e una differente rigidezza dei tratti del piede)

• MAGGIORE PLANTARFLESSIONEgrazie alla morfologia del nuovo piede (40° atleti normodotati)

• RISPOSTA ELASTICA E QUINDI PICCO DI MASSIMO DELLE FORZE Fz/Fx IN CORRISPONDENZA DEL MID STANCE aumentato del 15%

• FUNZIONALITA’ DEL PIEDE SIMILE AL TENDINE D’ACHILLE (90% dell’efficienza della gamba)

• ALLINEAMENTO POSTERIORE PIEDE-INVASO per scaricare una maggior forza al terreno

• LARGHEZZA SEZIONE TRASVERSALE SUFFICIENTE DA GARANTIRE UN MAGGIOR EQUILIBRIO



Report Bruggeman: Oscar è avvantaggiato rispetto ad atleti normali grazie alle protesi??

• Confronto tra Oscar (400m in 46.34s) e 5 normali (range best time 46.50- 49.26)

• Prova sottomassimale di 400m per rilevare produzione lattato (campione di sangue prima e dopo). Uguale produzione lattato, ma massa muscolare inferiore perciò minor dispendio energetico. Pistorius 51,3 s e altri tra 50,5s e 55,4 s, solo uno meglio di Oscar.

• I dati respiratori (VO2, VCO2, VE) e cardiaci sono stati misurati su cicloergometro con protesi da cammino. VO2 25% inferiore Pistorius perciò riuscirebbe a correre con le protesi alla stessa velocità degli altri ,ma con minore spesa energetica.

• Minore massa piede Cheetah (48%)…nessuna valutazione dal punto di vista aerodinamico.

• Per misurare “elasticità piede” ha applicato 1550 N per 3 cicli (92% contro il 41.4 % dell’articolazione della caviglia). Ma le condizioni di esercizio sono 2500N-3000 N e a frequenze diverse. Arto sano plantarflessione e quindi rotazione caviglia di cui non si tiene presente.

Report Bruggeman http://www.moebiusonline.eu/fuorionda/Pistorius/report_brugeman.pdf

Sentenza TAS http://www.tas-cas.org/d2wfiles/document/1085/5048/0/amended%20final%20award.pdf

ROADRUNNERFOOT HA SUPPORTATO LO STUDIO DEWEY & LEBOUF NELLA STESURA DELLA RELAZIONE TECNICA DA OPPORRE ALLA PERIZIA DI BRUEGGEMAN

�� Questione Questione PistoriusPistorius: può partecipare alle Olimpiadi nei 400m??: può partecipare alle Olimpiadi nei 400m??



• Forze scaricate al terreno su sprint massimali e sub-massimali su 70m e 50m. ( verticali 2600N contro 3100 N, quasi il 20% in meno e orizzontali 800 N contro 1600 N dei normali, di conseguenza è minore la forza propulsiva e la potenza sviluppata per avanzare da parte di Pistorius).

• Il lavoro positivo e la restituzione di energia è quasi tre volte maggiore con la “caviglia artificiale” rispetto all’articolazione dell’atleta sano; questo significa che c’è un vantaggio meccanico di oltre il 30%. Durante la fase di recupero, il 92% dell’energia immagazzinata èriutilizzata attraverso i piedi protesici.

Gli studi degli ultimi 10 anni della comunità scientifica internazionale (Bucley,Czerniecky, Gailey,Geil) parlano di una efficienza dle piede protesico pari a 80-90% contro il 241%.

• Brueggeman-definizione “bouncing locomotion” , tipo diverso di locomozione ad un minore costo metabolico.

�� Questione Questione PistoriusPistorius: può partecipare alle Olimpiadi??: può partecipare alle Olimpiadi??

ARTO SANO PROTESIZZATI E ATLETI NORMALI

ARTO PROTESICO, PIEDE CHEETAH



�� Obiettivi e Sviluppi futuri Obiettivi e Sviluppi futuri

OBIETTIVO: UNA SQUADRA di SPRINTER’S PER LONDRA 2012

Analisi Biomeccaniche: analisi dello stacco nel salto in lungo, testare un campione più ampio di atleti, definire un protocollo di testing con il Comitato Paralimpico, per il monitoraggio dell’allenamento e della preparazione degli atleti di interesse nazionale in differenti periodi dell’anno

Avviamento allo sport: ricerca di nuovi atleti giovani a cui fornire le protesi da correre gratuitamente tramite il supporto delle istituzioni locali e avviarli allo sport con una corretta metodologia di allenamento (Polisportiva Milanese- Italgest- monitoraggio delle performance tramite sistemi optoelettronici….vedi CPO Formia)

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