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

vantaggisvantaggi

. Per la sua importanza nella vita quotidiana, la

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.h-

p-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

dispositivi sono tuttavia caratterizzati da uno scarso rapporto

precisionecosto

come

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 bi-

assiali + 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 [vedi sopra] [;

http://www.bodymedia.com/products/bodymedia.jsp]). Per il 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 post-

acquisizione 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 3 kg; Powertimer

[http://www.newtest.com/productinformation.asp]) od a tappeto più lungo

(GAITRite [http://www.gaitrite.com/Products/index.html]). Sempre per esempio

riguardo la marcia, questi sistemi forniscono valori di variabili cinematiche spazio-

temporali, 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 con elettromiografi di superficie (vedi 2.6 Elettromiografia di

superficie; NorAngle Electrogoniometer System, bi-assiale

[http://www.noraxon.com/products/sensors/norangle.php3]; Infotronic GONIO

Sensors, bi-assiale [http://www.infotronic.nl/GonioSensors.htm]). Ne esistono

pure alcuni altri a scopo soprattutto didattico (PASPORT Goniometer Sensor, uni-

assiale

[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 tri-

assiali 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.it-

it?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 da installazione fissa, mobile o portatili, con o senza

amplificatore integrato, anche impermeabili o non 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 di forza: Tekscan

(http://www.tekscan.com/medical/systems.html) e 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 post-

acquisizione 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 è rappresentato da software come SIMI

(http://www.simi.com/en/), Vicon Motus 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 così uno strumento in grado di permettere anche

contemporanee misure di DM (Edge 305,

http://www.garmin.com/products/edge305/).

2.1.2a Motion Capture

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 mobile: CODA

(http://www.charndyn.com/Codamotion_Italian.html) ed Advanced Motion

Measurement (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 di supporto],

http://www.vicon.com/products/viconmx.html), i sistemi 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 un miglior controllo dell’azione muscolare nel sano.

Differentemente, la cocontrazione raggiunge livelli esagerati in 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 System SD

(http://www.biodex.com/rehab/balance/balance_300feat.htm). Biodex 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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