COORDINAZIONE INTERSEGMENTARIA CAVIGLIA GINOCCHIO DURANTE IL CAMMINO SU TREADMILL A DIVERSE VELOCITA’
 
INTRODUZIONE
 
La locomozione è un tipo di moto periodico che si ripete ad intervalli regolari. Se consideriamo il movimento delle gambe sappiamo che si muovono in maniera ciclica alternata, per cui una segue l’altra di un certo periodo. Il ritardo spaziale che intercorre tra i due movimenti è chiamato fase relativa, e nello specifico del cammino, le gambe hanno un andamento antifase, ovvero ogni gamba è fuori fase rispetto all’altra di mezzo periodo (fase relativa di 180°).
Altri animali quadrupedi presentano un andamenti antifase ma con periodo diversi, mentre in animali come per esempio il canguro  i due arti inferito si muovono insieme presentando quindi un andamento in fase.
 I comportamenti motori negli umani sono caratterizzati da pattern di coordinazione stabili e dalla possibilità di passare dall’uno all’altro tramite processi di riorganizzazione improvvisi (Haken, 1983).
La locomozione è quindi un ottimo modello per lo studio di pattern di coordinazione  e della loro riorganizzazione  essendo un comportamento complesso fluente  e fondamentale che condivide caratteristiche con molte altre abilità motorie.
Questo punto di vista implica anche, che le transizioni improvvise nella coordinazione che avvengono come risultato di cambiamenti graduali in un parametro di movimento, come la frequenza o velocità di cammino, possono essere concepite come transizioni di fase, cioè come spostamenti da un attrattore all’altro, spesso dovuti alla perdita di stabilità e alla conseguente scomparsa dell’attrattore precedentemente occupato (Kelso, 1995).
Di conseguenza questo principio da adito ad un comportamento flessibile. 
Gli attrattori sono  regioni dello spazio e del tempo verso cui tutte le traiettorie tendono (un attrattore è ciò verso cui si stabilizza o è attratto il comportamento di un sistema), e che graficamente possono essere rappresentati con la relazione piano delle fasi.
Quando un attrattore diventa instabile, si ha un salto improvviso da un attrattore all’altro( biforcazione), e si realizza la cosiddetta transizione di fase.
Il sistema motorio viene interpretato come un sistema dinamico formato da sottocomponenti e che può essere studiato attraverso una variabile macroscopica chiamata parametro d’ordine. Questo parametro d’ordine è una variabile collettiva unidimensionale che fornisce una misura dello stato organizzativo del sistema. Nei sistemi biologici può essere rappresentato dalla fase relativa.
Con la fase relativa si può quindi studiare la dinamica del sistema poiché riesce a cogliere qualsiasi rottura di simmetria spaziale (dovuta ad esempio ad un disordine motorio) che condurrebbe anche ad una rottura della simmetria temporale.
Mentre il parametro d’ordine caratterizza il pattern di movimento, il parametro di controllo è una variabile esterna che può spingere il sistema complesso a far emergere pattern di movimento diversi. Nel nostro caso il parametro di controllo è la velocità.
 
SCOPO DELLO STUDIO
 
Lo scopo di questo indagine è stato quello di studiare la struttura spazio temporale di anca ginocchio e caviglia durante la deambulazione su treadmill.
Analizzare gli adattamenti della coordinazione motoria imposte dal set di ricerca.
Ricercare  una  “struttura coordinativa normativa” confrontabile con quella messa in atto da soggetti “patologici”
L’analisi è stata rivolta  su soggetti sani con l’intento di trovare dei dati normativi  confrontabili e
come  di misura è stata utilizzata la Fase Relativa  con la quale  si può  studiare la dinamica del sistema poiché riesce a cogliere qualsiasi rottura di simmetria spaziale (dovuta ad esempio ad un disordine motorio) che condurrebbe anche ad una rottura della simmetria temporale.
La fase relativa è quindi utilizzata come misura di uno dei comportamenti umani più complessi : la coordinazione dei segmenti corporei durante  il cammino
Nel nostro studio abbiamo utilizzato la fase relativa continua come descrittore della coordinazione tra le diverse articolazioni durante l’intero ciclo del passo  mentre la discreta  fornisce informazioni su di  un punto specifico del ciclo.
 
METODO
Partecipanti
 
E’ stata definita la popolazione di riferimento in base ad i seguenti criteri di inclusione: adulti sani, fascia di età 20-51 anni, assenza di patologie ortopediche all’arto inferiore (recenti, in corso o pregresse), patologie dell’apparato cardiovascolare o respiratorie gravi, inclusi interventi di sternotomia, toracotomia o generici in grado di inficiare il pattern del cammino.
Il reclutamento ha seguito due fasi: la compilazione di un questionario  per escludere a priori i soggetti che non rientravano nei criteri di inclusione e la seconda è stata effettuata sul campione stesso una volta reclutato, da cui sono stati esclusi i soggetti che non rientravano nel range standard del BMI (NHANES III,1996).
Sono stati intervistati 205 soggetti di cui 172 sono stati inclusi nello studio. Diciassette soggetti non hanno portato a termine le prove per mancanza di motivazione, ventidue soggetti sono stati esclusi per superamento dei valori di BMI.
I rimanenti 133 soggetti (61 maschi e 72 femmine) sono stati definitivamente inclusi nello studio e suddivisi per le seguenti fasce di età:
– Fascia A da 20-29 anni;
– Fascia B da 30-39 anni;
– Fascia C da 40-51 anni.
Nella fascia A sono stati inseriti 53 soggetti di cui 22 maschi e 31 femmine; nella fascia B 40 soggetti di cui 20 maschi e 20 femmine;  nella fascia C sono stati inclusi 40 soggetti di cui 19 maschi e 21 femmine.
Ai soggetti è stato richiesto di camminare su un treadmill FJC-600™.
La velocità di scorrimento del nastro del treadmill, è stata ricavata e standardizzata in base alla lunghezza dell’arto inferiore di ogni soggetto, tramite l’utilizzo del numero di Froude (F), un parametro adimensionale definito dall’equazione:
F=v2/Lg
dove v è la velocità, L la lunghezza dell’arto inferiore misurata dalla spina iliaca anteriore superiore al malleolo esterno e g è l’accelerazione dovuta alla forza di gravità (Alexander and Jayes, 1983). In ogni sessione sono state eseguite cinque prove a cinque velocità per soggetto, calcolate per i numeri di Froude 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4. Ogni prova durava 24 secondi. Ciascuna prova è stata preceduta da un periodo di pratica su treadmill da uno a cinque minuti, a seconda della difficoltà riscontrata soggettivamente.
 
Apparato
 
Il movimento degli arti  inferiori durante la deambulazione è stato registrato con il sistema stereo-fotogramma-metrico ELITEPlus™ (BTS-Milano) (Ferrigno & Pedotti,1985), presso il Laboratorio di Analisi del Movimento e Rieducazione Neuromotoria della sezione di Geriatria (Dipartimento di Area Critica Medico-Chirurgica) dell’Università di Firenze. Il sistema consta di cinque telecamere ad infrarosso, due di fronte al soggetto e tre dietro.
 
Misurazione antropometriche
 
Per le misure antropometriche sono stati utilizzati un nastro da sarta ed un antropometro per le lunghezze rispettivamente lineari e non lineari.
  1. Peso
  2. Altezza 
  3. Larghezza del bacino (distanza tra le due SIAS)
  4. Altezza del bacino (distanza verticale tra SIAS e GT)
  5. Diametro ginocchia  (distanza tra i due condili femorali)
  6. Diametro caviglia (distanza tra i due malleoli)
  7. Lunghezza reale dell’arto inferiore (distanza SIAS – malleolo esterno)
Per il posizionamento dei markers è stato utilizzato il protocollo anatomico standard secondo Davis che prevede l’uso di 22 markers collocati come di seguito su:
 Estremità laterale dell’acromion (2);
Spina iliaca anteriore superiore (2);
Gran trocantere (2);
barra lunga: circonferenza più larga della coscia allineata con 3 e 5 (2);
Condilo femorale laterale (2);
Testa del perone (2);
Barra corta: circonferenza più larga della gamba (2);
Malleolo laterale (2);
Base del quinto metatarso (2);
Tallone (solo per lo standing) (2);
Processo spinoso di C 7 (1);
Sacro (a livello di S2)(1).
 
Dati
 
Per ogni partecipante, in ogni prova di cammino, sono stati analizzati 15 passi completi e consecutivi sui due lati. Sono stati calcolati gli angoli relativi (Winter, 1983) sul piano sagittale per i segmenti di ginocchio e caviglia. Per entrambi i segmenti gli angoli relativi sono stati definiti come gli angoli tra gamba e coscia (articolazione ginocchio) e tra gamba e piede (articolazione caviglia); cambiamenti di questi angoli indicano la flessione e l’estensione dell’articolazione.
Per ogni ciclo completo di passo sono stati identificati i vari parametri       spaziotemporali CIC CTO  OIC OTO.
 
Allo scopo di studiare la coordinazione intra-articolare tra le tre articolazioni dell’ arto inferiore  è stata utilizzata la misura di FRC. Per ogni partecipante e per ogni velocità è stata calcolata la curva media dell’insieme di tutte le FRC collezionate con la statistica circolare (Batschelet, 1981). Le differenze tra le curve di FRC sono state identificate calcolando la Radice Quadratica Media.(RMS).
RMS   ? 1/n?ni=1 (x1-y1).
La RMS rappresenta la distanza media tra simulazione e misurazione anche se spesso in letteratura è spesso riferita come deviazione standard.
 
Parametri spazio temporali
 
Le Tabelle 2A, 2B e 2C(ALLEGATO) mostrano le medie e le deviazioni standard dei parametri spazio-temporali del cammino su treadmill alle 5 velocità, per le tre fasce di età, compreso il tempo degli specifici eventi di Contatto Iniziale Controlaterale (CIC) e di Toe-Off Ipsilaterale (TO).
 
FRC
 
Poiché la FRC è stata calcolata sottraendo l’angolo di fase del Ginocchio da quello della Caviglia, i valori positivi indicano che la traiettoria di fase della Caviglia  è in anticipo rispetto a quella del Ginocchio ed i valori negativi indicano l’inverso
Il profilo della FRCcg mostra 4 evidenti periodi durante l’appoggio. Tre dei  suddetti periodi sono anti-fase e  si registrano:il primo dallo 0 al 12% del ciclo dove il ginocchio anticipa la caviglia;il secondo dal 12% al 30% in cui è la caviglia ad anticipare il ginocchio ed il terzo dal 40% al 62% in cui è nuovamente il ginocchio ad anticipare la caviglia Il periodo in fase si registra invece dal 30% al 40% del ciclo del passo. La fase di oscillazione è caratterizzata da due  pattern in fase dal 62% al 75%  e dall’88%al 100%, e da uno in antifase dal 75% all’88% quando la caviglia anticipa il ginocchio.
 
Confrontando la coordinazione dinamica, durante il cammino su treadmill, a diverse velocità, utilizzando la misura della FRC basata su angoli relativi. abbiamo registrato minime differenze tra le velocità acquisite poiché i soggetti hanno sempre messo in atto il pattern del cammino e non è stata registrata nessuna transizione a pattern alternativi.
 
I risultati delle misure di FRC sono coerenti con i più comuni dati cinematici dell’analisi del cammino e sembrano più intuitivi. Per esempio, i quattro periodi identificati dalla FRC durante la fase di appoggio corrispondono orientativamente alle quattro sotto-fasi dell’appoggio  comunemente descritte nell’analisi del cammino e si modificano al variare della velocità (Perry, 1992). Inoltre, le misure di FRC appaiono in accordo con la prospettiva dei pattern dinamici nella coordinazione dei movimenti quando i pattern in-fase ed in anti-fase vengono riferiti a movimenti omologhi eseguiti contemporaneamente o in maniera alternata (Haken, Kelso and Bunz, 1985).
Nel primo periodo dell’appoggio, definito risposta al carico (0 12%), il ginocchio si flette leggermente mentre la caviglia si plantaflette (estende) e questo pattern nella coordinazione intra-articolare si riflette nel profilo della FRCcg su valori tra 50° ( a velocità più bassa) e 100° (alla velocità più alta);è quindi  evidente  che , in tutti e tre i gruppi, si nota una transizione di fase da in fase ad anti-fase negativa con l’incrementare della velocità.
 Un’estensione del ginocchio ed una dorsiflessione (flessione) della caviglia si osserva durante la mid-stance (10% 30%) quando i valori di FRCcg sono sempre intorno ai 100°.
In questo periodo i tre gruppi mostrano un andamento in antifase positiva, fino a circa il  40% del ciclo,  che tende a ridursi con l’aumentare della velocità.
Infatti l’unico periodo in-fase durante l’appoggio si osserva nella prima parte dell’appoggio terminale(30% 40%)soprattutto nelle ultime tre velocità (Froude 0.2, 0.3, 0.4) quando la caviglia inizia la plantaflessione ed il ginocchio sta terminando l’estensione.
 Il terzo periodo di anti-fase avviene nella seconda parte dell’appoggio terminale (30% 50%), quando il ginocchio si flette anticipando il movimento di plantaflessione (estensione) della caviglia.
 Il profilo di FRCcg riflette anche il pattern anti-fase in pre-oscillazione (50% 62%), quando entrambe le articolazioni mantengono gli stessi  movimenti  che presentano durante l’appoggio terminale mostrando così un andamento  in anti-fase negativa.
La fase di oscillazione inizia con una nuova transizione di fase  presentando un periodo di pattern in-fase in oscillazione iniziale( 62% 75%), evidenziabile maggiormante dalla velocità Froude 02; uno in anti-fase durante l’oscillazione intermedia (75% 87%) dov’è la caviglia che anticipa plantaflettendosi l’estensione del ginocchio per poi tornare in-fase nella parte terminale della oscillazione (87%100%) (Figura12).
Tale andamento in fase si evidenzia  maggiormente nelle velocità più basse andando a perdersi progressivamente con l’aumentare della velocità.
Altro scopo di questo studio è stato quello di analizzare quanto i cambi di velocità avessero effetto sulla simmetria del passo.
Minime differenze  si sono apprezzate tra i vari gruppi.
I nostri dati evidenziano che la variabilità tra i vari gruppi durante il ciclo tende a ridursi all’aumentare della velocità e si evidenzia maggiormente nella fase di appoggio. La massima variabilità si riscontra alle velocità più basse  come si evince dalle figure  6 e 7 a,b,c (Froude 0.05 e 0.1).
Se confrontiamo invece i risultati riportati nella tabella 4, si osservano minime differenze di simmetria fra destra e sinistra nei tre gruppi e a tutte le velocità. L’unica differenza si osserva nel gruppo A quando si confrontano le RMS destra sinistra tra i profili di FRCcg a velocità 0.05 vs. 0.2 e 0.05 vs. 0.3 e 0.05 vs 0.4. La variabilità a Froude 0.05 vs 0.2 è di 15.26 a destra e 15.44 a sinistra, a  Froude 0.05 vs. 0.3 è di 15.63 a destra e 18.55 a sinistra mentre a Froude 0.05vs 0.4 diventa 13.33 a destra e 12.99 a sinistra.
 
CONCLUSIONI
  • La FRC è una misura attendibile per l’identificazione della struttura coordinativa tra anca ginocchio e caviglia durante il cammino su treadmill
  • Tra le fasce di età non si evidenziano dati rilevanti, quindi l’età non modifica la struttura coordinativa del cammino
  • La velocità si conferma un rilevante parametro di controllo in grado di modificare tale struttura
  • Poiché lo studio è stato eseguito su di un campione così elevato  gruppi di soggetti studiati possono rappresentare dei gruppi  di controllo in successivi studi su soggetti patologici.
 
 
Estratto da: Tesi di Laurea in Fisioterapia
Dott. FT Simone Molinelli
Università degli studi di Firenze  Anno  Accademico 2003/2004

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