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ANALISI QUANTITATIVA DEL CAMMINO:
SVILUPPO DI UNA NUOVA METODOLOGIA
APPLICAZIONI CLINICHE E RIABILITATIVE
RENATO GRASSO, MIRKA ZAGO, YURI IVANENKO, FRANCESCO LACQUANITI
Fondazione Santa Lucia IRCCS - Sezione di Fisiologia Umana
ODUZIONE
INTRODUZIONE
Nel corso degli anni recenti sono apparse, sul mercato delle attrezzature di diagnostica strumentale, nuove apparecchiature che permettono di analizzare quantitativamente parametri di movimento nelluomo. Si tratta di tecnologie optoelettroniche, totalmente non invasive, che permettono di effettuare misure di elevata precisione (intorno ad 1 mm) anche in volumi di grandi dimensioni (ad es. 4m x 4m x 2m). Le realizzazioni più recenti consentono di seguire la posizione dei segmenti del corpo tramite marcatori posizionati sui punti di repere rilevanti per il tipo di movimento che si desidera quantificare, con frequenze di campionamento superiori ai 100 fotogrammi al secondo. In alcuni casi è anche possibile effettuare le misure in tempo reale, ovvero ottenendo la misura quasi simultaneamente allesecuzione del movimento.
I sistemi di misura optoelettronica sono controllati da un calcolatore che può contemporaneamente acquisire altre informazioni utili allanalisi del comportamento motorio del paziente, come segnali elettromiografici, oculografici, dinamometrici, ergometrici, eccetera.
È uso indicare la poligrafia multi-canale dellattività locomotoria con il generico termine anglosassone di gait analysis. Negli Stati Uniti la gait analysis viene richiesta in alcuni ambienti clinici come routine diagnostica per la valutazione della funzione locomotoria.
In questo breve resoconto dellattività scientifica prodotta recentemente dal Laboratorio di Fisiologia del Cammino della Sezione di Fisiologia Umana dellIRCCS S. Lucia riassumeremo i principi fisiologici che hanno guidato la nostra applicazione delle tecnologie optoelettroniche al movimento umano normale e patologico e indicheremo alcuni dei principali risultati che abbiamo ottenuto nel campo della fisiopatologia clinica e della riabilitazione neuromotoria.
Il ciclo del passo
La locomozione è un movimento multisegmentale coordinato e ciclico; lunità fondamentale del movimento è il passo; la parte destra e sinistra del corpo si alternano nella locomozione bipede in perfetta opposizione di fase. Su terreni regolari il piede viene piazzato sempre nella posizione corretta anche senza il controllo visivo, con un atterraggio sul tallone ed un decollo dallalluce. La traiettoria seguita dal piede è molto regolare: la gamba si solleva il necessario perché non ci sia sfregamento della punta del piede sul terreno durante la fase di pendolamento.
Figura 1 A) Fasi del passo. Il disegno indica la geometria della gamba durante la fase di appoggio (stance) e di pendolamento (swing). La durata della stance è maggiore di quella dello swing come indicato dalla barra orizzontale. B) La figura indica la geometria scheletrica nella fase di stance e di swing in funzione della posizione e non della durata del ciclo. In C) sono indicate le fasi per entrambi i lati del corpo. E mostrata al fase di doppio appoggio in cui entrambi i piedi sono in contatto con il suolo.
Ogni passo può essere suddiviso in diverse parti a seconda dello schema di analisi che si intende usare, ma la divisione fondamentale del movimento di ogni arto è in una fase di appoggio (stance) ed una di pendolamento (swing) (vedi fig.1). Durante ogni passo il centro di massa del corpo ruota sopra larto dappoggio mentre la sua proiezione cade tra i due piedi (allinterno del poligono di supporto) garantendo così lequilibrio. Loscillazione del centro di massa permette una efficiente trasformazione dellenergia potenziale (accumulata durante la prima parte dellappoggio) in energia cinetica (durante la seconda parte dellappoggio), proprio come nelloscillazione di un pendolo. Lenergia non viene recuperata totalmente: la parte dissipata per vincere gli attriti è fornita dai muscoli della gamba (Lacquaniti et al. 1999) (vedi fig. 2).
Figura 2 Modello del pendolo invertito. Il centro di massa del corpo ruota sopra larto di appoggio ed accumula energia potenziale nella prima parte della fase di stance. Tale energia viene restituita durante la seconda fase della stance come energia cinetica (Cavagna et al. 1977). Il centro di massa viene accelerato in avanti.
Necessità di un criterio per la valutazione del comportamento motorio
Nella breve sintesi sopra riportata abbiamo messo in evidenza tre aspetti distinti del movimento locomotorio: un aspetto cinematico la traiettoria del piede; un aspetto dinamico le traslazioni del centro di massa; un aspetto energetico le mutue trasformazioni dellenergia meccanica e lattività muscolare, da cui dipende in definitiva il consumo di O2 e metaboliti.
È possibile effettuare valutazioni quantitative ad ognuno di questi livelli, ma per comprendere il significato fisiologico e medico della misura eseguita è necessario avere un buon modello teorico della posizione che un determinato segnale occupa nella catena di controllo del movimento. Per esempio, sarebbe illogico pretendere di discriminare con precisione movimenti fini della mano a partire da una misura del consumo di O2: più sensato sarebbe misurare la posizione istantanea della mano.
Allo stesso modo sarebbe illogico valutare la prestazione di un sollevatore di pesi dalla precisione della traiettoria seguita dalle braccia durante lo sforzo: in questo caso è la forza generata che conta. Per la locomozione umana le cose non sono tuttavia così semplificabili ed il dibattito, su quali siano le variabili direttamente controllate dal sistema nervoso centrale, è tuttora aperto.
Come viene controllato il cammino?
Una catena di controllo è tipicamente costituita da un sensore, da un effettore e da un controllore: il controllore può essere realizzato con diversi criteri (ad esempio a retroazione negativa o positiva, proporzionale, differenziale o integrativa o può essere predittivo quando il comportamento del sistema sia noto tanto da poter prevedere perfettamente le conseguenze di un determinato comando).
Nel caso della locomozione umana non esistono sensori della posizione istantanea del centro di massa del corpo rispetto agli arti; non è noto se esistano sensori rapidi in grado di informare sul consumo energetico istantaneo, mentre esistono sofisticatissimi sensori di lunghezza dei muscoli (i fusi neuromuscolari), sensori cutanei e articolari che sono in grado di fornire nel loro insieme una percezione corretta della posizione delle nostre estremità nello spazio.
Il ruolo preminente della cinematica
Noi abbiamo condotto una lunga serie di studi per considerare il problema delle variabili di controllo nella locomozione posto qui sopra (Borghese et al. 1996, Bianchi et al. 1998a, Bianchi et al. 1998b, Grasso et al. 1998, Grasso et al. 1999, Grasso et al. 2000) ed abbiamo osservato che i patterns di movimento degli arti (cioè la traiettoria spaziale del piede o il decorso temporale degli angoli di orientamento dei segmenti dellarto inferiore nel piano sagittale) sono estremamente costanti e stereotipati anche a fronte di grandi variazioni di patterns dinamici e muscolari indotte dalle condizioni di marcia che abbiamo testato sperimentalmente. Abbiamo ormai confrontato più di 40 soggetti, a diverse velocità, durante la locomozione in avanti e in quella a ritroso, in diverse configurazione posturali (eretti o chinati), aggiungendo o eliminando peso al centro di massa del corpo o a segmenti degli arti. In tutte queste condizioni, i parametri cinematici sono rimasti invariati (vedi fig. 3).
Questa relativa invarianza dei patterns di movimento (siano essi la traiettoria del piede o gli angoli di elevazione) rispetto agli altri parametri, come i patterns elettromiografici o le forze di reazione vincolare al suolo, nonché le caratteristiche di coordinazione spazio-temporale tra i diversi segmenti corporei ci hanno condotto a formulare lipotesi che le variabili di maggior interesse per una valutazione fisiologica del cammino appartengano effettivamente al dominio della cinematica, dunque alla posizione istantanea dei segmenti del corpo nello spazio.
Figura 3 Confronto ta la marcia in diverse condizioni. Ciascuna figura mostra a) la relazione tra il modellino multisegmentale (cfr. sezione Materiali e Metodi a pagina 11 e la posizione del centro di massa; b) la posizione istantanea dei segmenti del corpo in fotogrammi successivi lungo un singolo paso (la risoluzione temporale è di 10 ms). Si noti come il movimento degli arti inferiori sia molto simile nelle quattro consizioni, indipendentemente dalla postura mantenuta, dalla direzione di marcia e dalla posizione relativa del centro di massa.
MATERIALI E METI
MATERIALI E METODI
Materiali e metodi per la generazione di protocolli di analisi della cinematica
Per la misura del movimento di locomozione utilizziamo un sistema ELITE a 4 telecamere operanti alla frequenza di 100 Hz. Le telecamere sono dotate di una corona di LED luminosi ad infrarossi che illuminano il campo di misura e di unottica allinfrarosso. Il sistema registra 100 volte per secondo le immagini provenienti da appositi marcatori catarifrangenti sulle 4 telecamere. Dopo una calibrazione che definisce le caratteristiche del volume di misura e la disposizione delle telecamere si prosegue ad una valutazione della precisione nella misura di posizione. Dalle immagini simultaneamente presenti sulle 4 telecamere, essendo nota la geometria del sistema di misura, si può risalire matematicamente alla posizione del marcatore in 3D. Il processo di riconoscimento ed identificazione della posizione di un determinato marcatore sulle immagini registrate dalle singole telecamere dopo lacquisizione viene definito tracking, mentre il calcolo della posizione del marcatore in tre dimensioni viene definito ricostruzione 3D.
Per lo studio della locomozione rettilinea si predilige lanalisi nel piano sagittale in quanto i movimenti di adduzione-abduzione degli arti inferiori sono trascurabili rispetto ai movimenti di flesso-estensione (Borghese et al. 1996). Nel protocollo tipo poniamo 7 marcatori nelle posizioni indicate nella figura 4, ovvero sul trochite dellomero (GH), sulla spina iliaca anteriore (ASIS) e su quella posteriore (PSIS), sul grande trocantere del femore (GT), sullepicondilo laterale del femore (LE), sul malleolo laterale (LM) e sulla faccia laterale del piede a livello del V metatarso (VM). Il punto medio tra ASIS e PSIS (ilium, IL) viene utilizzato per definire lasse della pelvi e del tronco. Viene poi costruito un modello del corpo umano a 5 segmenti: il tronco (GH-IL), la pelvi (IL-GT), la coscia (GT-LE), la gamba (LE-LM) ed il piede (LM-VM) (vedi fig. 4).
In seguito viene misurato istante per istante lorientamento dei singoli segmenti nel piano sagittale (angoli di elevazione). Come valore di riferimento viene utilizzata la verticale reale. Quando il soggetto entra camminando nel volume calibrato si inizia la registrazione. Per aumentare il numero di passi analizzati si ripete la registrazione a diverse velocità di marcia. Nel caso venga usato un tapis-roulant, è possibile registrare una sequenza di passi, in quanto il soggetto non esce dal volume calibrato.
Figura 4 I marcatori catarifrangenti vengono posizionati come indicato nella figura di sinistra. Per il significato delle sigle si rimanda al testo. A destra viene indicatcome si calcolano gli angoli di elevazione (angoli di orientamento rispetto alla verticale gravitazionale, sul piano sagittale)
Lanalisi tipo
Le figure 5-6-7 mostrano un tipico risultato dellanalisi da noi effettuata sul singolo passo di un soggetto sano. Consideriamo qui una velocità di marcia piuttosto modesta (~2 Kmh) per poter permettere il confronto con i dati dei pazienti che verranno in seguito presentati.
Si osservi in figura 5 la ricostruzione del singolo passo registrato attraverso il modellino in precedenza definito.
Figura 5 Stick diagram del passo di un soggetto che marcia alla velocità di 0.61 m s-1 (~2 Kmh). La risoluzione temporale è di 40 ms.
Questa modalità di rappresentazione viene detta stick diagram ed è già stata presentata in figura 3. Nella figura 6 vengono invece mostrate le forme donda degli angoli di elevazione lungo il ciclo del passo. Si noti come il tronco venga mantenuto perfettamente allineato con la verticale e sia molto stabile durante il passo, mentre la pelvi e gli altri segmenti mostrano oscillazioni progressivamente più grandi. Si noti come la coordinazione inter-segmentale risulti in una somiglianza tra le forme donda della pelvi con la coscia e della gamba con il piede. Un punto chiave del protocollo di misura da noi messo a punto è la quantificazione della coordinazione inter-segmentale (vedi fig. 6).
Figura 6 E mostrato il decorso temporale degli angoli di elevazione per ognuno dei segmenti corrispondenti allo stick diagram della figura precedente. La risoluzione è di 10 ms. si noti come il tronco sia sempre parallelo alla verticale (corrispondente allo 0 di ogni diagramma). Sono riportati i limiti della fase di stance corrispondenti al contatto del tallone col suolo (HTD) e al sollevamento dellalluce (TLO). Gli angoli sono misurati in gradi (deg)
Nella figura 7 vengono rappresentate (o con termine anglosassone plottate) in un diagramma cartesiano tridimensionale le forme donda degli angoli di elevazione della coscia, della gamba e del piede, luna contro laltra, mentre la dimensione temporale va perduta. Si noti come le forme donda diano origine ad una traiettoria chiusa ad anello (loop). Trattandosi di un fenomeno ciclico diversi passi riproducono la stessa traiettoria sovrapponendosi nel diagramma. La traiettoria, che evolve in senso antiorario a partire dallalto (la stance è rappresentata nella prima metà del loop), presenta una caratteristica importante: essa giace totalmente sul piano mostrato in figura.
Figura 7 Covariazione dei tre segmenti coscia, gamba, piede. Il grafico 3D è ottenuto plottando un angolo di elevazione contro gli altri due. La traiettoria parte da HTD e decorre in senso anti-orario (frecce). Il 99% della traiettoria giace perfettamente sul piano di regressione.
Dunque il movimento dei 3 segmenti plottati non richiede tre dimensioni per essere rappresentato ma soltanto due, ovvero i due assi ortogonali del piano. I gradi di libertà dellarto inferiore sul piano sagittale non sono 3 bensì 2 soli. Il piano traduce la somiglianza o più precisamente la covariazione tra le curve della gamba e del piede in una rappresentazione concisa che evidenzia la perdita di un grado di libertà nel sistema. Se si prende in considerazione anche la pelvi il risultato non cambia: la traiettoria dei 4 segmenti dà origine ad un loop giacente sullo stesso piano. Dal punto di vista fisiologico ciò significa che il programma di movimento riduce la libertà meccanica dellarto rendendo segmenti adiacenti a due a due dipendenti. Il grado di covariazione tra i segmenti può essere quantificato statisticamente mediante gli autovalori della matrice di covarianza, ovvero mediante la percentuale della varianza globale di tutte le forme donda, spiegata dal piano (in media >98%). Lorientamento del piano dipende invece dai ritardi temporali tra gli angoli di elevazione e varia a seconda della velocità di progressione. Langolo di orientamento del piano (che possiamo quantificare attraverso la misura dellautovettore perpendicolare al piano) si correla anche con la potenza meccanica dissipata nella marcia (Bianchi et al. 1998a) (vedi fig. 8).
In conclusione, applicando un metodo di analisi statistica ai patterns di coordinazione cinematici abbiamo trovato dei quantificatori che ci informano sulla capacità di effettuare un movimento di marcia coordinato e meccanicamente efficiente e che possiamo applicare a popolazioni di pazienti con disordini di natura neuromuscolare od ortopedica.
Figura 8 I punti sul grafico corrispondono allorientamento del piano (parametro u3t sullasse Y) rispetto alla velocità di marcia (asse X). u3t tende statisticamente a diminuire con la velocità (retta di regressione blu). I colori indicano la potenza meccanica dissipata al centro di massa secondo la scala indicata a lato. Se u3t non variasse (retta rossa) verrebbe dissipata più potenza rispetto a quella effettivamente misurata (retta rossa). Questo aggiustamento (qui sono mostrati dati relativi a 24 soggetti) descrive un possibile meccanismo attraverso il quale i soggetti possono ottenere un risparmio energetico modificando e monitorando le variabili cinematiche. Lorientamento del piano dipende infatti dallo sfasamento temporale tra le forme donda dei tre angoli di elevazione. Abbiamo osservato che soggetti allenati alla marcia sfruttano questo meccanismo di regolazione cinematica per ottimizzare il costo energetico meccanico (Bianchi et al. 1998b).
APPLICAZIONI CLINICHE E RIABILITATIVE
Nelle successive sezioni verranno mostrati i risultati dellapplicazione di queste metodologie di analisi e della teoria che le supporta in due studi di fisiopatologia clinica.
Primo protocollo: il disturbo della marcia nel Morbo di Parkinson (MdP) ed il ruolo dei gangli della base nel controllo del passo
Razionale
Il disturbo della locomozione del parkinsoniano è patognomonico della patologia. Il paziente ha una difficoltà alliniziazione e allarresto della marcia, ha unandatura festinante, a piccoli passi, spesso trascina il piede a terra durante la fase di pendolamento, non pendola le braccia, assume un atteggiamento curvo in avanti, ed è estrememente lento (bradicinesia). Daltra parte si è a lungo ritenuto che il meccanismo di generazione dei movimenti coordinati della marcia fosse sostanzialmente normale. Poiché importanti teorie neurofisiologiche sviluppate dalla ricerca sugli animali tendono ad attribuire la generazione dei movimenti di stepping a circuiti spinali funzionanti in maniera autonoma, la difficoltà ad interrompere il passo o a cambiare direzione, tipica dei parkinsoniani, è stata vista come un segno di disconnessione dei generatori spinali dai centri sopraspinali (Martin 1967). Tuttavia diverse osservazioni inducono a ritenere che il ruolo giocato dai gangli della base nel controllo della marcia e del movimento, in ragione della loro posizione di crocevia tra la corteccia motoria che controlla la muscolatura vertebrale (quindi implicata nelle reazioni posturali) e le strutture mesencefaliche e bulbari che controllano la marcia (area locomotoria mesencefalica), possa essere messa in relazione con la coordinazione tra postura e marcia.
Protocollo
In questo protocollo di studio abbiamo analizzato le caratteristiche della marcia in una popolazione di 5 pazienti parkinsoniani, in fase cosiddetta OFF (senza terapia) e dopo la somministrazione di un bolo intravenoso di apomorfina (fase ON, dosi di 1.5, 3, 4.5 mg, apomorfina HCl 1% AMINO AG Neuenhof). Lapomorfina è un agonista dei recettori D1-D2, caratterizzato da un rapido passaggio attraverso la barriera emato-encefalica e da una rapida cinetica. Altri 3 pazienti erano portatori di stimolatori portatili, con elettrodi cronicamente impiantati nel Globo Pallido interno. Dal punto di vista fisiopatologico la somministrazione del farmaco e la stimolazione elettrica hanno un meccanismo di azione simile. Abbiamo registrato la locomozione di questi soggetti con elettrodi accesi (STIM ON) e spenti (STIM OFF).
Figura 9 La figura mostra i tre tipi di analisi presentati nelle figure 5-6-7, in un paziente affetto da MdP prima e dopo la somministrazione di apomorfina in bolo endovenoso. La velocità di marcia è di 0.47 e 0.49 m s-1 rispettivamente in APO OFF e APO ON. Si noti il passo estremamente più breve di quello del soggetto normale (rispettivamente 0.49 e 0.60 m rispetto agli 1.14 m del sano). La durata del ciclo era minore nel paziente parkinsoniano (1.00 e 1.27 s in OFF e ON rispettivamente, contro gli 1.88 s del sano di fig. 5-6-7).
Si noti nella figura 9 il comportamento di un paziente, secondo il paradigma illustrato sopra, prima e dopo la somministrazione di apomorfina. Confrontando gli stick diagrams con quelli del soggetto normale si nota come in APO OFF il paziente mantenga una postura semiflessa ed effettui un passo estremamente breve. Il decorso temporale degli angoli di elevazione ed il loop in basso della figura difettano di alcune caratteristiche tipiche dei controlli. In particolare è abbastanza evidente lassenza del prolungamento digitiforme nella parte in alto a destra del loop del soggetto di controllo. Si noti leffetto della somministrazione di apomorfina: il soggetto assume una postura più eretta ed il loop ripresenta il processo digitiforme. Si noti anche una variazione dellorientamento del piano tra le due condizioni (vedi fig. 9).
Come abbiamo detto prima noi possiamo quantificare sia la percentuale di coordinazione tra i 3 segmenti dellarto inferiore che laccoppiamento temporale attraverso lorientamento del piano. I risultati hanno mostrato come non ci siano variazioni nella planarità del loop indicando che la covariazione tra i 3 segmenti è sostanzialmente invariata, tuttavia in tutti i soggetti testati abbiamo osservato una significativa variazione dellaccoppiamento temporale (vedi fig. 10).
In un paziente portatore di elettrodi abbiamo analizzato passi per più di 40 min dopo lo spegnimento degli elettrodi. Si notino le simultanee variazioni dellatteggiamento posturale e del movimento locomotorio del paziente in fase STIM OFF, la progressiva riduzione di velocità, della lunghezza del passo, la perdita della normale morfologia del loop di coordinazione, fino ad un quasi totale arresto della mobilità del paziente. Subito dopo la riaccensione degli elettrodi (fase STIM ON2) si ritorna ad una postura eretta e la velocità ritorna verso i valori della fase STIM ON1 (vedi fig. 11).
Figura 10 Orientamento del piano per i 5 pazienti testati con lapomorfina. Leffetto della manovra è statisticamente significativo. Tutti i pazienti mostrano una riduzione del valore del parametro u3t, ovvero dellaccoppiamento temporale tra gli angoli di elevazione dellarto inferiore compatibile con una migliore coordinazione del movimento.
Conclusioni
I risultati di questo esperimento ci hanno permesso di confemare lipotesi che i gangli della base possano giocare un ruolo importante nella coordinazione tra postura e movimento, poiché le manovre terapeutiche modificano simultaneamente sia la configurazione posturale che la coordinazione della marcia (cfr. Grasso et al. 1999). Inoltre si è mostrata la validità del protocollo di analisi e degli indici quantitativi utilizzati per la valutazione della disabilità locomotoria e per il suo miglioramento durante le manovre terapeutiche.
Figura 11 La figura mostra la variazione della postura, della coordinazione intersegmentale e della velocità di marcia in un paziente di anni 49, con due elettrodi impiantati bilateralmente nel globo pallido interno, in funzione del tempo di analisi e della condizione di stimolazione. Allo spegnimento degli elettrodi si ha una repentina modificazione dei parametri posturali e di coordinazione nonchè della velocità di marcia e poi un progressivo peggioramento (fase STIM OFF). La riaccensi0one degli elettrodi STIM ON 2 nigliora significativamente la situazione.
Un protocollo riabilitativo: il recupero della locomozione nel paziente mieloleso
Razionale
Molti sforzi sono stati fatti ultimamente per mettere a punto paradigmi riabilitativi volti al recupero dellabilità locomotoria in pazienti mielolesi. Le teorie sviluppate sulla potenzialità dei circuiti spinali di produrre autonomamente attività locomotoria, negli invertebrati come nei mammiferi (cfr. Rossignol 1996), hanno fornito un supporto scientifico a questa linea di ricerca clinica. La speranza dei ricercatori è quella di riuscire a riattivare i circuiti dopo la fase di shock spinale. La tecnica che è parsa più promettente a questo scopo è quella dellallenamento sul tapis-roulant durante sgravio del peso corporeo. In pratica si applica al paziente, che veste unapposita imbracatura, una forza verso lalto pari ad una percentuale del peso del corpo intero, sufficiente a permettergli la stazione eretta. In questo modo il paziente non deve impegnarsi per mantenere lequilibrio o per non accasciarsi sugli arti inferiori, ma può concentrarsi sulla esecuzione del movimento. Tuttavia lattenzione dei ricercatori, in accordo con le teorie formulate sui generatori spinali della locomozione, tende a concentrarsi sui patterns di attività muscolare (gli elettromiogrammi). Noi invece, seguendo la nostra ipotesi sullorganizzazione del controllo locomotorio, abbiamo messo a punto un protocollo che sfrutta la metodica di analisi della coordinazione discussa più sopra e valuta dunque le caratteristiche cinematiche del movimento.
Metodo
I pazienti (mielolesi incompleti e completi nel tratto dorso-lombare) vengono inseriti in un protocollo riabilitativo che prevede sessioni giornaliere di locomozione sul treadmill ad una velocità con uno sgravio di peso compatibili con il loro grado di inabilità motoria e posturale.
Successivamente ciascun paziente viene aiutato ad eseguire il movimento da due o tre fisioterapisti (vedi foto di sn a p. 24), a diverse velocità e con percentuali progressivamente inferiori di sgravio del peso. Il primo giorno viene effettuata una acquisizione con tecnica optoelettronica dei movimenti locomotori prodotti dal paziente quando viene posizionato per la prima volta sul tapis-roulant (vedi foto di dx a p. 24). Un elettromiogramma (EMG) di superficie di almeno 4 muscoli dellarto inferiore viene acquisito simultaneamente al movimento. Ogni quindici giorni viene ripetuta la valutazione strumentale per seguire i progressi del paziente. In questo caso solo 5 marcatori vengono posizionati (vedi fig. 12), in quanto la imbracatura non consente di posizionarli come descritto in figura 2.
La figura 13 riporta il comportamento di un paziente di 67 anni, portatore di lesione midollare in territorio D4-D7, di natura compressiva causata da un tumore (plasmocitoma) del corpo vertebrale di D5, rescisso chirurgicamente, il primo giorno e dopo 30 giorni di riabilitazione. Un soggetto normale, in identiche condizioni di sgravio e velocità è mostrato per confronto.
Lo stick diagram non è rappresentato completamente (come in figura2) in modo da permettere di apprezzare la traiettoria seguita dai marcatori che identificano i segmenti corporei (la posizione del soggetto sul tapis-roulant non varia e gli stick diagram di passi diversi si sovrapporrebbero). Lo sgravio corporeo era del 50% del peso iniziale (64Kg). Si noti come la traiettoria seguita del V metatarso sia del tutto anomala in prima giornata: in effetti il paziente tendeva a trascinare il piede nella fase di pendolamento, invece di sollevarlo.
Si noti limpressionante miglioramento della traiettoria del piede nei 30 giorni successivi che diventa molto simile a quella del soggetto normale.
Le caratteristiche della coordinazione intersegmentale sono in questo soggetto simili quantitativamente a quelle dei soggetti normali (la covariazione planare è mantenuta), tuttavia la forma del loop di coordinazione presenta delle notevoli differenze alla prima registrazione, che si attenuano con il progredire della riabilitazione (vedi fig. 13).
Dopo 45 giorni di terapia sul tapis-roulant, il paziente è stato in grado di reggere completamente il suo peso, di camminare fino alla velocità di 0.6 m/s (1 Kmh) e di passare ad una locomozione sul terreno autonoma e senza tutori o altri mezzi di sostegno.
Figura 12 Schema del setup sperimentale per la riabilitazione del paziente mieloleso. Il sistema di sgravio genera una forza di trazione costante ed indipendente dalla posizione verticale del centro di massa del corpo. Vengono applicati 5 marcatori catarinfrangenti ed elettrodi EMG per almeno quattro muscoli diversi agli arti inferiori.
Conclusioni
La misura delle caratteristiche cinematiche del cammino permette di seguire quantitativamente il progresso del paziente. I parametri che abbiamo estratto dalla traiettoria del piede passo per passo e che hanno mostrato significative variazioni al procedere della terapia riabilitativa sono i seguenti: estensione longitudinale e verticale del V metatarso per ogni passo, area racchiusa dalla traiettoria. Considerando una sequenza di passi abbiamo anche misurato la riproducibilità della traiettoria (95% tolerance area che corrisponde ad una stima statistica dellarea spazzolata dal V metatarso). Questi parametri hanno presentato variazioni significative durante la riabilitazione in tutti i pazienti inclusi nel trial, indipendentemente dalla sede e gravità della lesione dei pazienti.
Sulla base dei risultati ottenuti in questo protocollo stiamo ora validando lipotesi che il recupero dellabilità locomotoria nel paziente con lesione spinale metta in gioco meccanismi sostitutivi di plasticità funzionale in ragione dei quali il movimento di marcia può essere eseguito efficacemente utilizzando però effettori diversi rispetto a quelli della locomozione fisiologica (equivalenti motori). Il sistema nervoso sarebbe cioè in grado di sfruttare la ridondanza degli effettori (ci sono più di 50 muscoli in un arto) rispetto ai segmenti cinematici da controllare, per ottenere la necessaria traiettoria del punto di lavoro dellarto.
CONCLUSIONE
In questo breve riassunto dellattività prodotta nel laboratorio di Fisiologia del Cammino di questo IRCCS, abbiamo esposto i principi di fisiologia motoria che hanno ispirato la messa a punto di un protocollo di valutazione cinematica della marcia. Tale protocollo è basato su un modello teorico del controllo sensorimotorio (Lacquaniti et al. 1999). A differenza di precedenti teorie, il modello assegna alle variabili elettromiografiche una posizione intermedia nella catena di controllo del sistema locomotorio, mentre assegna alla cinematica il valore di variabile di uscita del sistema. Grazie alluso delle tecniche optoelettroniche è possibile effettuare una valutazione accurata e ripetibile delle caratteristiche spazio-temporali del movimento. Questo ci ha permesso di verificare vari protocolli terapeutici in pazienti portatori di disabilità locomotorie valutando quantitativamente la capacità di questi ultimi ad effettuare movimenti efficaci e coordinati. Lapplicazione di questo protocollo di analisi ha permesso la formulazione di una nuova teoria sulla natura del simultaneo disturbo posturale e locomotorio nel parkinsoniano ed in campo riabilitativoÊha dimostrato limportanza dei fattori cinematici nel recupero funzionale del paziente mieloleso.
Dunque il protocollo di analisi cinematica del cammino da noi messo a punto presenta un grande potenziale per il futuro utilizzo sia per finalità diagnostiche e di follow-up, sia per finalità di ricerca in fisiopatologia delle malattie neuromotorie.
Ringraziamenti
Si ringrazia lassidua collaborazione dei Terapisti della Riabilitazione Daniela Angelini e Dario Prissinotti per la gestione tecnica dei protocolli riabilitativi e per le valutazioni di laboratorio effettuate nelle varie fasi delle ricerche condotte.
BIBLIOGRAFIA
BIBLIOGRAFIA
Editrice Erre srl. - Finito di stampare nel mese di dicembre 1999 Tutti i diritti riservati
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