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Zanelli, Giulia (2008) Utilizzo di una piattaforma motorizzata e di un casco strumentato per il rilievo della cinematica della testa in condizioni di perturbazione dell'equilibrio. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

Maintenir l’équilibre et la posture verticale, en condition soit statique soit dynamique, est une tâche délicate pour le Système Nerveux Central, parce qu’une correcte intégration et interprétation des signaux par les différents systèmes sensoriels est nécessaire, comme le somato-sensoriel, le visuel et le vestibulaire.Des lésions d’un de ces systèmes, ou du Système Nerveux Central même, provoquent de sérieux
problèmes à l’aptitude à maintenir la stabilité, attaquent l’aptitude du sujet à contrôler et à accorder correctement les mouvements des segments corporaux et, en plus, de régler le tonus musculaire pour préserver la position verticale. En particulier, la Paralysie Cérébrale est une pathologie qui affecte 0.1 - 0.2% des enfants nés vivants et 1 - 2% des prématurés, elle se manifeste comme une désorganisation motrice et une rigidité musculaire qui rendent difficile aux enfants de vivre les expériences nécessaires pour obtenir les
aptitudes normales pour être capable de maintenir l’équilibre ; cette pathologie est une altération des
capacités, permanentes mais traitable grâce à la rééducation motrice. C’est pour ces motifs que les cliniciens
du Département de Neuro-Rééducation de l’Hôpital Pédiatrique « Bambino Gesù » ont exprimé la nécessité
d’avoir à disposition une plateforme robotique qui leur a permis, d’une part à évaluer de manière objective le
niveau de la pathologie et les éventuelles améliorations obtenues par les patients (phase d’évaluation) ;
d’autre part, de créer des exercices de réhabilitation qui permettent au malades de récupérer, au moins partiellement, les aptitudes nécessaires pour contrôler la posture (phase de rééducation). Pour donner une réponse à cette problématique, on a abordé l’approfondissement de l’Anatomie et de la Physiologie, avec le but de bien comprendre le thème de recherche. Au début, on a pris en examen le neurone, coeur fonctionnel du Système Nerveux Central, ses caractéristiques principales et le réseau des
cellules sensorielles par lesquelles le Système Nerveux Central acquiert ses informations ; ensuite, on a
analysé le système vestibulaire et le système locomoteur.
L’analyse du système vestibulaire a permis de reconnaître le rôle des différentes structures qui le composent : les canaux semi-circulaires, pour détecter les accélérations angulaires, et les organes otolites (saccule et utricule), assimilables à un accéléromètre et comme celui-ci capables de relever les accélérations linéaires ; l’étude de ces structures a permis de trouver que le même type de cellules réceptrices est utilisé
mais celles-ci ont une organisation structurelle singulière, pour permettre à chaque ensemble de se spécialiser
dan son activité particulière et dans sa direction détective.
En étudiant le système locomoteur, on a individué les différents éléments basilaires (os, articulation,tissu musculaire), leur fonction en relation à la tâche de maintenir la posture et la modélisation de ce système ; en particulier, la représentation la plus élémentaire du corps humain est le modèle du pendule inverse single-link, les successives « complications » sont introduites de façon que le modèle soit plus adhérent à la réalité et qu’il soit possible d’étudier de manière plus précise la cinématique du corps humain
en conséquence d’une perturbation imposée. Donc, il est possible de parler d’un modèle : double-link, qui
permet d’expliquer les stratégies du contrôle du Centre de Mass ; à trois articulations actives, analysé en termes d’auto-mouvements ; 5-link bilatéraux symétriques. Cette étude a permis d’avoir à disposition toutes les informations - clé pour comprendre le fonctionnement du corps humain, il est donc possible de passer à l’analyse de la bibliographie sur les
plateformes de réhabilitation. L’intérêt des chercheurs sur l’équilibre a débuté avant la naissance des modernes et complexes systèmes robotiques : en fait, la stabilométrie commence comme observation qualitative de l’aptitude à se
maintenir en équilibre pendant l’exécution d’exercices très faciles (test de Romberg, 1846) et elle est devenue un examen quantitatif après l’introduction de la plateforme de force, qui a permis de localiser dans le temps la projection au sol du barycentre. Grâce à l’évolution technique, la tabilométrie a été supportée,mais non remplacée, par la posturographie dynamique, qui introduit l’élément du mouvement de la base de la plateforme. Des recherches ont reconnu que l’équilibre dynamique est plus facile à établir et à maintenir pour les sujets pathologiques plutôt que le statique : le mouvement ultérieur de la plateforme leur permet de prendre plus d’informations et d’intégrer les fausses ou pauvres à cause de la pathologie.
L’Equitest® System (brevet par la NeuroCom International, Clackamas, OR) est une plateforme de
rééducation motrice, déjà commercialisée et utilisée soit pour la recherche soit pour la clinique ; ce système
permet d’analyser l’aptitude à maintenir l’équilibre en conditions de perturbation du stimulus visuel et/ou des
signaux somato-sensoriels, mais il est seulement possible sur le plan sagittal : cela est dû surtout au choix
initial d’utiliser le pendule inverse comme modèle du corps humain. Toutefois, il est clair que d’avoir des perturbations sur un plan unique est une limitation, en fait :
• difficilement les perturbations réelles agissent sur un seul axe,
• les systèmes proprioceptifs, visuels et vestibulaires sont sensibles à des stimulations sur des plans
différentes du sagittal et, enfin,
• la réponse posturale dépend de la direction des perturbations, elle change si cette direction change et
il n’est pas possible de reconstruire la réponse à une perturbation générique comme composition ou
reconstruction basée sur la connaissance d’un comportement simple.
Dépasser ce problème signifie utiliser d’une manière alternative la plateforme déjà à disposition (le sujet est positionné sur l’Equitest tourné de 90°, pour lui faire subir des perturbations sur le plan sagittal), d’adapter les plateforme à usage sportif (comme le Balance Master) ou projeter de nouvelles plateformes qui tenant compte des problématiques observées (par exemple le Balance Quest, ainsi dit MultiTest Equilibre, Framiral, Cannes, France) ; presque tous les projets partent de la plateforme de Stewart, dispositif complet à six degrés de liberté, mais caractérisée par un champ d’action limité, un encombrement significatif et un coût
élevé. Les différentes plateformes retrouvées en littérature permettent d’analyser la posture humaine dans
une série de conditions très nombreuses ; cependant, la recherche ne doit pas être finalisée à elle même mais
doit permettre une progression clinique, donc les protocoles proposés par les groupes de chercheurs doivent
donner des résultats comparables soit intra- soit inter- laboratoire(s). L’article de M. Woollacott et Al. (2001)
est témoin du fait qu’une description complète de la forme d’onde du signal input est fondamentale à donner,
c’est-à-dire qu’il ne suffit pas de décrire les déplacements et les vitesses maximales mais aussi les accélérations.
Les caractéristiques innovatrices des plateformes et des protocoles présentés dans cette recherche sont dérivées d’une recherche bibliographique attentive ; toutes les idées retrouvées sont présentées sur la base des systèmes robotiques et leur degrés de liberté, en spécifiant après les conditions de test, l’input envoyé et les données collectionnées, ainsi que les caractéristiques des sujets.
Le mouvement le plus facile qu’une plateforme peut faire est la translation postérieure. Le protocole de Runge et Al. (1999) proposait de comprendre si la distinction entre les stratégies posturales hip ou ankle strategy pouvait être basé sur les torques ; donc, un groupe d’adultes est soumis à des déplacements maximaux de 200 mm et un profil de vitesse trapézoïdal, l’accélération maximale arrive après 11 s et elle est fonction de la vitesse choisie. L. Sundermier et Al. (2001) et M. Roncesvalles et Al. (2002) ont proposé, au contraire, une protocole semblable pour étudier les capacités motrices des enfantes sains et de ceux affectés de Paralysie Cérébrale ; ces protocoles soumettaient les enfants à des déplacements maximaux entre 40 et 150 mm et la vitesse entre 10 et 80 cm/s, combinés selon l’âge des enfants de façon à leur présenter un test facile, un moyen et le dernier difficile. Le premier groupe de chercheurs a tenté de comprendre si, en étudiant la marche, les enfants devaient être séparés sur la base de l’âge ou plutôt sur la base du réel développement moteur, comme la recherche a démontré ; le deuxième travail est parti de ces résultats et a essayé de
comprendre l’erreur de la réponse musculaire des enfants affectés par la diplégie spastique, en particulier le
problème était lié à la génération de la contraction de la fibre, aux temps ou à une désorganisation des phases
du travail des groupes musculaires. Le premier passage logique concernant les inputs de perturbation est passé d’une translation postérieure à une antérieure - postérieure. Ce type de mouvement a permis, en particulier, d’analyser les
stratégies principales utilisées pour maintenir l’équilibre: le pattern head-fixed-to-surface ou ankle strategy,
la tête se déplace ensemble à la plateforme, et le pattern head-fixed-in-space ou hip strategy, la tête est bloquée dans l’espace. La choix entre les deux possibles stratégies dépend de la fréquence du mouvement de perturbation,
en fait les sujets choisissent plus facilement la première si la fréquence est moindre que 0.25 Hz et la deuxième si elle est plus grande que 0.5 Hz, et il dépend de la possibilité d’utiliser la vue, si l’exercice est fait yeux fermés les personnes répètent le pattern « tête immobile dans l’espace ». Les rôles des différents systèmes sensoriels sont ainsi reconnus : la coordination motrice est spécifique du système somato-sensoriel, la stabilisation de la tête dans l’espace de celui vestibulaire et de la vue. Les différents protocoles basés sur
ce type de perturbation sont proposés, par exemple, dans le but d’analyser la modalité de transition d’un pattern à l’autre ; ce protocole utilise une fréquence de l’input variable entre 0.2 Hz et 1.0 Hz, croissant et décroissant, et le sujet doit avoir les yeux une fois ouvert et une fois fermés (J. Buchanan et F. Horak, 2001). Un autre protocole a permis d’étudier la possibilité d’une transition volontaire d’un pattern à l’autre, en
utilisant toujours une fréquence variable et les deux conditions visuelles (J. Buchanan et F. Horak, 2003) ;
enfin, M. De Nunzio et Al. (2005) ont introduit un trouble proprioceptive, c’est-à-dire la stimulation électrique des différents groupes musculaires des membres inférieurs, pour vérifier si le contrôle de l’équilibre est fondé sur la base d’un feedback proprioceptive ou sur la base de l’anticipation.
En plus, il est possible de retrouver dans la bibliographie des protocoles qui imposent des rotations de la base sur un single plan : le frontal (angle de roll), le sagittal (angle de pitch) et le transversal (angle de yaw). A. Blumle et Al. (2006) ont essayé de comprendre si l’input visuel a un rôle cognitif pour la posture :sujets sains et patients vestibulaires sont soumis à des rotations physiques sur le plan frontal (signal
sinusoïdal de fréquence égal à 0.25 Hz et amplitude de ±0.2°) et à des rotations du champ visuel sur le plan sagittal (signal sinusoïdal de fréquence et amplitude variables) ; on a observé que la vue était utilisé pour se maintenir en équilibre si la scène était fixe, et les oscillations du corps étaient inversement proportionnelles aux oscillations du stimulus visuel : plus ces oscillations étaient petites et lentes plus grandes étaient celles du corps. Par contre, si l’arrière-plan était perçu en mouvement, alors la vue est substituée par l’input vestibulaire. C. Maurer et Al. (2000) ont utilisé une plateforme capable de tourner sur le plan sagittal et
commandé par input sinusoïdal de fréquence et amplitude variables. Ce système robotique leur a permis d’analyser la réponse cinématique s’il y a une modification des informations visuelles (la scène sur l’écran pouvait être un paysage virtuel ou simplement tout bleu, sans aucun point de référence) ou une modification des signaux somato-sensoriels (à cause du mouvement même de la plateforme). Donc, les deux groupes de sujets ont le même comportement en cas de paysage, mais très différent en présence de la scène bleue, en fait les sujets sains peuvent encore maintenir l’équilibre alors que les pathologiques ont la tendance à tomber ou
à faire un pas en avant.
Les sujets sont debout sur toutes les précédentes lateformes, qui permettent des perturbations sur le plan sagittal ou frontal, par contre quand les sujets sont perturbés sur le plan horizontal, l’étude de la réponse du système vestibulaire est conduit normalement avec le sujet même assis. En particulier, dans l’étude de
T. Metcalfe et M. Gresty (1992) les sujets sont assis sur la chaise de Barany et cette chaise tourne autour
l’axe vertical, à la fin du mouvement passif ils doivent reproduire la même rotation mais en direction opposée, le but est retourner dans la position initiale ; les sujets sains sont capables de faire cette tache de manière plutôt soigneuse (± 10%) et, au contraire, les patients vestibulaires ont plus de difficultés, surtout, ils sont insensibles aux rotations vers le côté malade. Les équipes de I. Ivanenko et Al. (1997) et de I. Siegler et Al. (1999, 2000) ont utilisé le système robotique, le Robouter, c’est-à-dire une chaise motorisée qui peut être
commandée ou par l’opérateur via ordinateur ou par le sujet même grâce à un joystick. Dans ces études, les
sujets sont toujours tournés passivement d’un angle connu, autour l’axe vertical ou comme angle à l’intérieur
d’un trajectoire complexe ; le but est de reproduire grâce à un pointer horizontal l’angle après la perturbation
(reproducing task) ou pendant le mouvement même (tracking task), il est possible d’établir que les sujets sont capables de reproduire les angles subit, avec une surestimation, et que le signal de vitesse angulaire est intégré on-line par le Système Nerveux Central, en fait ils pe uvent faire l’éprouve du tracking. Apres les perturbations mono-axes, les multi-axes sont présentées, mais cette méthodologie de présentation de la bibliographie ne doit pas porter à penser que l’avancement de la technologie a permis le passage d’un type d’input à un autre ; en fait normalement le parcours à été contraire : le premières plateformes étaient multi-axes et juste après on est passé à analyser le mouvement sur un seul axe, pour
spécialiser la réponse posturale et lier celle-ci à la direction de la perturbation. S. Henry et Al., déjà en 1998, ont étudié la cinématique du corps humain quand les sujets sont debout sur une plateforme capable de déplacer dans les quatre directions – avant, arrière, droit et gauche – de 90 mm en 200 ms. Ceci a permis d’analyser comment la réponse posturale, en termes d’angles entre segments corporels, n’est pas liée fortement à la direction de perturbation, tandis que les trajectoires du centre de mass et de pression permettent de retrouver les changements liés à la direction ; en fait, après les déplacements latéraux le centre de mass retourne au point initiale plus vite qu’après une translation antérieure – postérieure, bien que les valeurs de déplacement sont les mêmes, contrairement au centre de pression. Ses éplacements sont plutôt différents dans le deux cas. Ainsi si le forces de réactions sont prises en analyse, le contrôle sur le plan sagittal et celui sur le plan frontal ne pouvant pas être bien séparés : soit l’articulation de cheville soit celle
de hanche sont utilisées en réponse à des perturbations dans chaque direction et, de plus, le système optoélectronique a permis d’enregistrer une remodulation totale de la configuration corporelle dans tous les plans et pas juste dans celui de perturbation. De même, M. Carpenter et Al. (1999 et 2001) ont analysé la réponse cinématique et musculaire à des perturbations sur différents plans, c’est-à-dire que la plateforme pouvait s’incliner de 7.5° à la vitesse de 50°/s en seize ou huit directions, de sort que le sujet soit soumis à
des rotations d’un seul pitch, d’un seul roll et de leur combinaison. N. Nawayseh et M. Griffin (2006) ont
essayé de retrouver une relation qui lié les caractéristiques de l’input et la réponse posturale, pour prédire sur la base des réactions connues à un input simple le comportement à n’importe quelle perturbation. La plateforme utilisée est capable de déplacements d’un côté à l’autre de 100 mm et d’oscillations de 40° à fréquence variable ; cependant, les résultats obtenus ont démontré que la réponse cinématique est variable en conséquence de la fréquence du stimulus, mais pas uniformément : il n’est pas de possible bien déduire un comportement des autres connus, surtout si les translations et les oscillations ne sont pas analysées
séparément.L’étude de l’équilibre est toujours conduite sur un sujet totalement concentré sur le test même. Il est
démontré que l’équilibre n’est pas un devoir automatique, mais normalement le Système Nerveux Central le
doit maintenir en background, ensemble à d’autres. Exercices dual task sont organisés pour reconnaître la quantité d’attention nécessaire à la posture, c’est-à-dire que les sujets doivent exécuter deux devoirs en simultanéité, le premier postural et le deuxième de mémoire visuelle, de manière à se concentrer également sur le deux fonctions ou de considérer de plus grande importance une fois l’une et une fois l’autre (S. Ka- Chun et M. Woollacott, 2006). Le but cognitif à un amélioration d’exécution, comme attendue, si le sujet
doit prêter sur lui la plus grande attention, mais une diminution de l’aptitude à conserver l’équilibre n’est
jamais observée, comme démonstration qu’un niveau de attention suffisant est toujours et automatiquement
direct à maintenir l’équilibre. En plus, il est observé que la prestation sur la posture pendant l’exécution dual
task était meilleure qu’en single task: l’explication de cela est facile si on considère qu’une stabilisation de la tête est nécessaire pour réussir dans la tache de mémoire visuelle et cette stabilisation est positive aussi pour la posture. Donc, il est possible de penser que l’exercice dual task permettra d’obtenir des résultats plus importants sur la posture, bien que l’application initiale doive être plus grand (M. Wollacott et
A. Shumway-Cook, 2002). Tous les protocoles analysés jusqu’ici avaient une déformation des signaux visuels et
somato-sensoriels, mais ils ne prenaient jamais en considération le signal vestibulaire, très important aussi.
L’explication de cette choix est, surtout, la difficulté d’agir sur ce système. En fait, agir sur le signal vestibulaire signifie stimuler électriquement l’oreille ou effectuer pendant l’exercice un test calorimétrique, tous deux, méthodologies plutôt invasives et fastidieuses ; une solution différente est demandée au sujet même d’osciller volontairement sa tête à une fréquence établie une fois sur le plan sagittal une fois sur le plan frontal, pendant l’exécution de l’exercice postural principal. Ainsi, il est possible d’observer une
déstabilisation de la posture, sans rien de dramatique cependant. Sur la base de la littérature et pour étudier soit les perturbations sur le plan horizontal soit la stimulation du système vestibulaire, une plateforme rotant motorisée est réalisée (fig. 0.4), soit la mécanique soit le contrôle. Les caractéristiques métrologiques sont aussi vérifies.Le set-up expérimental peut être organisé. En particulier, il sera constitué par :
• une plateforme motorisée, en rotation autour de l’axe vertical pour perturber l’équilibre sur le plan
horizontal;
• un système optoélectronique, pour reconstruire la cinématique du sujet grâce à des caméras (led
entre l’infrarouge et le rouge), qui prennent la position dans l’espace des markers réflectifs
positionnés sur les points anatomiques importants ;
• une plateforme de force, pour connaître la trajectoire du centre de pression pour utiliser le signal soit en Real Time soit en post processing ;
• un casque équipé avec un cluster d’accéléromètres et gyroscopes, pour connaître la cinématique de la tête et utiliser ces mouvements comme input de la plateforme même.
Différents protocoles sont proposés, soit pour l’évaluation des aptitudes posturales et de l’orientation spatiale des sujets soit pour la rééducation des patients pédiatriques affectes par l’hémiplégie. Dans le premier protocole, les adultes sains doivent marcher sur une trajectoire triangulaire avec les yeux fermés, soit en direction horaire soit antihoraire, avec ou non un poids sur l’épaule droite, pour évaluer l’influence d’une
charge asymétrique sur les informations proprioceptives et les changements posturaux indus (fig. 0.5). On observe comment les informations sensorielles sont strictement liées l’une à l’autre, même si acquis par des sources différentes : par exemple, le poids change directement l’apport proprioceptive et indirectement celui vestibulaire, ainsi la perception de la verticale subjective est modifiée et les angles sont perçus et reproduis avec les erreurs.
Dans les deux protocoles suivants, les taches posturales sont proposées pour étudier les stratégies de maintenance de l’équilibre en réponse à une perturbation sur le plan horizontal par un input non-périodique et périodique à fréquence variable. La stratégie motrice pendant un mouvement actif est top-down : la tête est la première qui bouge en direction de la trajectoire, ensuite tous les autres systèmes corporels (tronc et bassin) arrivent. Par contre, pendant une perturbation de la plateforme, le bassin est le premier qui répond et l’altération cinématiques est réduite de bas en haut, pour stabiliser la tête et conséquemment soit le champ visuel soit le signal vestibulaire, stratégie down-top.Sur la base de ces résultats, un protocole rééducatif est préparé et testé sur des enfants hémiplégiques, pour leur permettre d’utiliser la ceinture scapulaire et pelvienne et pour leur enseigner, au moyen du déséquilibre, une nouvelle stratégie posturale. Le cliniciens ont individué en fait la rééducation des rotations sur le plan horizontal comme très importante pour la marche : ce sont ces oscillations qui rendent la marche humaine naturelle et, par contre, la marche du robot maladroite.Le dernier protocole est d’évaluation : analyse de l’aptitude des sujets yeux bandés de s’orienter dans l’espace après une perturbation horizontale. Aussi bien des individus jeunes et sains que des enfants hémiplégiques participent aux tests; la comparaison des résultats permet l’évaluation de l’intégrité du système moteur-sensoriel des patients et le contrôle de l’existence d’une relation entre la pathologie et l’aptitude à « updating » spatial.Les protocoles sont acceptés par le Service Ethique de l’Hôpital Pédiatrique « Bambino Gesù » (Rome, IT) et les tests réalisés sous le contrôle des cliniciens du Département de Neuro-Rééducation de l’Hôpital.

Abstract (italiano)

Il mantenimento della postura eretta, in condizioni sia statiche che dinamiche, è un compito delicato per il Sistema Nervoso Centrale, poiché richiede la corretta integrazione ed interpretazione dei segnali provenienti dai differenti sistemi sensoriali, quali quello somato-sensoriale, visivo e vestibolare. La lesioni di uno qualunque di questi sistemi sensoriali o del Sistema Nervoso Centrale stesso provoca seri problemi nella capacità di mantenere la stabilità ed incide sulla abilità dei soggetti di controllare e coordinare correttamente i segmenti corporei, nonché di regolare opportunamente il tono muscolare. In particolare, la Paralisi
Cerebrale Infantile è una patologia che si manifesta con una disorganizzazione motoria ed una rigidezza muscolare tali da rendere difficile acquisire le normali abilità necessarie per il mantenimento dell’equilibrio. Per questo il personale medico del Dipartimento di Neuro-Riabilitazione dell’Ospedale pediatrico “Bambino Gesù” ha espresso la necessità di avere a disposizione una piattaforma robotica che permettesse loro, da una parte, di valutare in maniera oggettiva lo stadio della patologia (fase di evaluation); dall’altra, di sottoporre i
pazienti ad un esercizio continuo tale da ottenere il recupero, almeno parziale, delle abilità (fase di rehabilitation).
Per rispondere a questa esigenza, si è iniziato con l’affrontare lo studio dell’Anatomia e della Fisiologia, per comprendere in maniera più completa il problema con cui bisognava confrontarsi. È stato,dapprima, preso in esame il neurone, cuore funzionale del Sistema Nervoso Centrale, con le sue
caratteristiche principali e con la rete di cellule sensoriali da cui il Sistema Nerovso Centrale trae le proprie informazioni; si passa, quindi, al sistema vestibolare ed a quello locomotorio. L’analisi del sistema vestibolare si è basato sul riconoscimento del ruolo delle differenti strutture che lo compongo: i canali semicircolari, per le accelerazioni angolari, e gli organi otolici, assimilabili ad un accelerometro ed in grado di rilevare le accelerazioni lineari. Per l’apparato locomotore sono stati presentati i differenti elementi base e
la loro funzione in relazione al compito di mantenimento della postura; è stata, quindi, spiegata la scelta di modellare il corpo umano come un pendolo inverso single-link e sono state valutate le successive complicazioni, introdotte perché il modello risultasse maggiormente aderente alla realtà e permettesse di studiare in modo più puntuale la cinematica del corpo umano in seguito ad una perturbazione imposta.
Avendo a disposizione gli strumenti base per comprendere il funzionamento del corpo umano, si è passati ad analizzare lo stato dell’arte delle piattaforme riabilitative. Lo studio dell’equilibrio è iniziato ben prima di avere a disposizione i sistemi robotici odierni: la stabilometria è nata come osservazione qualitativa della capacità di mantenere l’equilibrio ed è diventata esame quantitativo con l’introduzione della piattaforma di forza, per localizzare la posizione della proiezione a terra del baricentro. Grazie all’evoluzione tecnologica, la stabilometria è stata affiancata, a non sostituita, dallo studio della posturografia dinamica, nella quale è stato introdotto l’elemento di moto della pedana. Si è notato, infatti, come l’equilibrio dinamico risultasse più semplice da mantenere per i soggetti patologici, poiché il moto aggiunto della pedana fornisce loro maggiori informazioni, tali da integrare quelle falsate o rese carenti dalla patologia. La piattaforma riabilitativa, già commercializzata ed entrata nell’usuale utilizzo, è l’EquiTest®
System, costituita da una cabina chiusa la cui base può subire traslazioni antero-posteriori o inclinazioni sul piano sagittale, secondo input di tipo sinusoidale di ampiezza predeterminata o proporzionale al micromoto naturale del centro di pressione. L’Equitest permette, inoltre, la stimolazione del segnale visivo, poiché lo schermo di fronte al soggetto proietta un’immagine oscillante con un segnale simile a quello inviato alla base. Con questa strumentazione è possibile analizzare la capacità di mantenere l’equilibrio in condizioni di
perturbazione dello stimolo visivo e/o dei segnali somato-sensoriali provenienti dai piedi, ma esclusivamente
con perturbazioni sul piano sagittale: questa scelta deriva dall’aver assunto come modello del corpo umano il
pendolo inverso. Tuttavia l’avere perturbazioni su un unico piano risulta chiaramente un limite, infatti le perturbazioni reali difficilmente agiscono secondo un singolo asse, i sistemi propriocettivi e vestibolari sono sensibili a stimolazioni su piani differenti da quello sagittale e, infine, la risposta posturale è sensibile alla direzione. Per superare ciò si sono utilizzate in maniera alternativa le pedane già a disposizione, sono adattate agli studi clinici piattaforme inizialmente ad uso sportivo (es. treadmill) oppure sono progettate piattaforme ad-hoc che tengano conto delle problematiche sollevate; la quasi totalità dei progetti sono basati sulla piattaforma di Stewart, un dispositivo completo con i suoi sei gradi di libertà, ma con un campo di lavoro ristretto, un ingombro significativo ed un costo elevato. Le differenti pedane rintracciate in letteratura permettono di analizzare la postura umana in una serie di condizioni molto vasta; tuttavia, perché la ricerca non sia fine a sé stessa, è necessario che i protocolliproposti dai diversi gruppi di ricercatori forniscano risultati confrontabili sia intra- che inter-laboratorio; a testimonianza di ciò, è comprovato l’utilità di riportare non solo i valori massimi di spostamento e velocità, ma anche le accelerazioni e, in altri termini, una descrizione completa dell’input. Le idee raccolte dalla ricerca bibliografica sono presentate in base ai gradi di libertà mantenuti liberi dai differenti sistemi robotici, alle condizioni in cui i test venivano svolti, al segnale di input inviato e a quelli di output raccolti, nonché le caratteristiche dei soggetti. Il movimento più semplice eseguito da una piattaforma è quello della traslazione posteriore ed ha
permesso di individuare se le strategie posturali di hip o ankle strategy fossero distinguibili sulla base dei momenti torcenti. La stessa perturbazione è stata, inoltre, utilizzata per studiare le capacità motorie dei bambini sani e di quelle affetti da Paralisi Cerebrale; in particolare per comprendere se, nello studio del cammino, fosse più corretto suddividere i bambini in base all’età e non piuttosto rispetto al loro sviluppo
motorio effettivo. Partendo dai risultati precedenti, si è anche cercato di individuare se il problema nella risposta muscolare dei bambini affetti da diplegia spastica fosse nella generazione della contrazione della fibra, nella tempistica o in una disorganizzazione delle fasi di lavoro dei gruppi muscolari.
Il primo passaggio logico è estendere il movimento di perturbazione da semplice traslazione indietro a movimento antero-posteriore; con questo tipo di perturbazione in particolare sono state analizzati il pattern head-fixed-to-surface o ankle strategy, in cui la testa si muove con la piattaforma, ed il pattern head-fixed-in-space o hip strategy, in cui la testa viene bloccata nello spazio. La scelta fra queste due possibili strategie è legata principalmente alla frequenza del movimento ed alla possibilità per i soggetti di utilizzare o meno la vista, infatti nel caso di esercizio ripetuto ad occhi chiusi il pattern con la testa ferma nello spazio non viene mai realizzato. È stato possibile, in questo modo, riconoscere i ruoli dei differenti sistemi sensoriali: il somato-sensoriale è specifico per la coordinazione motoria, mentre la vista ed il sistema vestibolare sono funzionali alla stabilizzazione della testa nello spazio. I vari protocolli si sono proposti, ad
esempio, di analizzare la modalità di transizione naturale fra i due pattern posturali o la possibilità di passare volontariamente da un pattern all’altro. È stato introdotto nel protocollo, infine, un disturbo propriocettivo, cioè l’elettro-stimolazione di alcuni gruppi muscolari degli arti inferiori, per comprendere se il controllo dell’equilibrio si basasse su un feedback propriocettivo o su un’anticipazione di quanto accadrà. Gli studi con perturbazioni di traslazione sono affiancati da quelli che impongono rotazioni della base
di appoggio su un singolo piano principale: sul piano frontale (angolo di rollio o di roll), sul sagittale (angolo di beccheggio o di pitch) e sul traverso (angolo di imbardata o di yaw).
A. Blumle et Al. (2006) hanno cercato di individuare il ruolo cognitivo dell’input visivo in soggetti sani e pazienti vestibolari sottoponendoli a rotazioni fisiche sul piano frontale ed a rotazioni del campo visivo sul piano sagittale; è stato così possibile osservare che la vista veniva utilizzata per mantenersi fermi solo quando la scena era individuata come fissa, facendo registrare ondeggiamenti maggiori del corpo quanto più lo stimolo visivo aveva oscillazioni piccole e lente, mentre veniva sostituita dall’input vestibolare quando
lo sfondo era riconosciuto in movimento. È possibile, inoltre, analizzare cosa accade in seguito alla rimozione delle informazioni visive (paesaggio virtuale fermo o di uno schermo blu privo di qualsiasi punto di riferimento) ed al mascheramento dei segnali somato-sensoriali (attraverso le oscillazioni della pedana); sono stati rintracciati, così, comportamenti simili dei soggetti sani e dei pazienti vestibolari quando era utilizzata la scena visiva e forti differenze nel caso di schermo blu, infatti i soggetti sani riescono ancora a mantenersi in equilibrio mentre i patologici tendono a cadere o fare un passo in avanti.Tutte le precedenti piattaforme con perturbazioni sul piano sagittale o frontale prevedevano il soggetto in piedi, al contrario lo studio della risposta del sistema vestibolare a rotazioni sul piano trasverso sono state portate avanti con il soggetto seduto. In particolare, i soggetti vengono fatti sedere sulla sedia di
Barany e sottoposti a rotazioni intorno all’asse verticale; il compito di ripetere, alla fine, lo stesso angolo in
direzione opposta era eseguito in maniera piuttosto accurata dai soggetti sani e con maggiore imprecisione dai pazienti vestibolari, che in particolare risultavano insensibili alle rotazioni verso la parte lesionata. Altra possibilità è l’utilizzo di un sistema robotico, il Robuter, costituito da una sedia motorizzata in grado di essere controllata via computer per ruotare passivamente il soggetto di un angolo determinato. I soggetti, quindi, devono riprodurre, attraverso un puntatore orizzontale, l’angolo subito o alla fine della perturbazione
(reproducing task) o durante il movimento stesso (tracking task), con l’obiettivo di verificare la capacità del Sistema Nervoso Centrale di comprendere correttamente gli angoli subiti e di integrare la velocità angolare on-line, per rendere possibile il compito di tracking. Analizzate le differenti possibilità di perturbazione su un singolo asse vengono presentate ora i movimenti multi-assiali, ma ciò non deve lasciar pensare che il passaggio da input lungo un singolo asse ad input composti sia frutto di un progredire della tecnologia; infatti, in realtà, normalmente il percorso è stato quello opposto e si è passati al movimento lungo un solo asse solo in un secondo tempo, per specializzare la
risposta posturale e legare questa alla direzione di perturbazione. L’utilizzo di una pedana in grado di traslare
nelle quattro direzioni ha permesso di studiare come la risposta posturale, in temine di angoli fra segmenti,
non fosse fortemente legata alla direzione della perturbazione, mentre nell’analisi degli spostamenti del
centro di massa e di pressione si riscontravano dei cambiamenti legati alla direzione delle perturbazioni.
Studiando anche le forze di reazione, non è stato possibile separare nettamente il controllo utilizzato sul
piano sagittale da quello sul piano frontale; infatti sia l’articolazione della caviglia che quella dell’anca
vengono utilizzate qualunque sia la direzione della perturbazione e, inoltre, la risposta posturale allo stimolo
risulta essere una rimodulazione totale della configurazione corporea in tutti i suoi piani e non solo in quello in cui la perturbazione agisce. N. Nawayseh e M. Griffin (2006) hanno cercato di individuare una relazione fra le caratteristiche dell’input inviato alla piattaforma e la risposta posturale dei soggetti, così da poter predire la reazione ad una qualsiasi perturbazione; la pedana di cui si sono serviti, quindi, era in grado di compiere sia traslazioni che oscillazioni. I risultati, tuttavia, hanno dimostrato che la risposta cinematica
variava sì con la frequenza dello stimolo, ma non in maniera uniforme, rendendo così non accurata la deduzione del comportamento posturale ad una perturbazione composta, tranne che analizzando separatamente i casi di traslazione ed oscillazione. Fino a questo punto lo studio dell’equilibrio si è basato su analisi di soggetti totalmente concentrati sul mantenimento dell’equilibrio stesso. Tuttavia, sebbene sia stato dimostrato come l’equilibrio non sia un compito automatico, tuttavia spesso la postura è solo un’attività che il Sistema Nervoso Centrale deve eseguire “in background”, contemporaneamente ad altri esercizi. Quindi, per individuare esattamente l’impegno richiesto dalla postura sono stati proposti esercizi dual task, vale a dire ai soggetti erano assegnati due compiti da svolgere contemporaneamente, uno posturale ed uno di memoria visiva, con la richiesta di
concentrarsi sulle due funzioni nello stesso modo o di considerare primaria una volta una ed una volta l’altra.
In questo modo è stato notato, come atteso, un miglioramento nell’esecuzione del compito cognitivo quando
si chiedeva di prestarvi la massima attenzione, mentre non si è mai osservato una diminuzione della capacità
di rimanere in piedi anzi, è stato interessante rilevare che nell’esecuzione del dual task le prestazioni sulla
postura erano migliori che nel caso di single task: ciò è facilmente spiegabile se si considera che, per
compiere il task di memoria spaziale, è richiesta una stabilizzazione della testa che va ad incidere
positivamente anche sulla postura. È quindi auspicabile pensare che, nonostante uno sforzo iniziale
maggiore, l’esercizio dual task porti in un secondo momento a risultati migliori. Lo studio della postura non si può svincolare totalmente dallo studio del cammino; in particolare,
osservare bambini a differenti età ha permesso di comprendere come veniva raggiunta la maturità nel
cammino. Per il cammino, come per la postura, la testa assume un ruolo di primaria importanza; se la testa
viene assunta come sistema di riferimento, questo implica che, da una parte, deve essere stabilizzata nello
spazio e, dall’altra, il suo movimento deve essere coordinato con quello del corpo. Questa coordinazione si esprime come un anticipo dello sguardo e del movimento totale della testa verso l’obiettivo, in maniera tale che la programmazione del cammino sia sempre un passo avanti all’esecuzione.
Gli input su cui ci si è principalmente focalizzati sono stati quello visivo e somato-sensoriale,dimenticando apparentemente del segnale vestibolare: tale scelta è dovuta, principalmente, alla difficoltà a cui si va incontro quando si sceglie di agire su questo sistema. Per incidere direttamente sul segnale vestibolare è necessario, infatti, stimolare elettricamente l’orecchio, eseguire l’esercizio con un test
calorimetrico o chiedere direttamemente al soggetto di eseguire il compito principale di equilibrio oscillando
volontariamente la testa ad una frequenza stabilita; è possibile così osservare una destabilizzazione, sebbene
non drammatica, della postura.Sulla base di quanto raccolto in letteratura e per lavorare in maniera più precisa sulle perturbazioni nel piano orizzontale e sulla stimolazione del sistema vestibolare, si sceglie di ideare una pedana riabilitativa motorizzata, ad un grado di libertà, in grado di far ruotare i soggetti in piedi intorno all’asse verticale. Il
progetto della base rotante è presentato sia dal punto di vista della meccanica che del controllo, verificandone
poi le caratteristiche metrologiche di riproducibilità ed ripetitività dei movimenti imposti. Il set-up sperimentale utilizzato nei protocolli è costituito da:
• una pedana rotante motorizzante;
• un sistema opto-elettronico, per la ricostruzione della cinematica del soggetto;
• una piattaforma di forza, per acquisire la traiettoria del centro di pressione;
• un casco strumentato con cluster di accelerometri e giroscopi, per conoscere la cinematica della testa
ed utilizzare i movimenti della stessa come input per la pedana.
Sono stati, quindi, esposti una serie di protocolli sia per la valutazione delle abilità posturali e di orientamento dei soggetti sia per la riabilitazione dei pazienti in età pediatrica affetti da emiplegia. Nel primo protocollo presentato si chiede ad adulti sani di percorrere una traiettoria triangolare ad occhi chiusi, sia in direzione oraria che antioraria, in presenza o meno di una peso sulla spalla destra, in modo da valutare
l’influenza del carico asimmetrico sulle informazioni di tipo propriocettivo e le modifiche posturali introdotte. Nei successivi due protocolli vengono presentate prove posturali per individuare le strategie di recupero dell’equilibrio e di mantenimento della postura eretta che i soggetti mettono in atto quando sono perturbati su piano orizzontale da un input di tipo non periodico e periodico a frequenza variabile. Sulla base di questi risultati, viene approntato un protocollo riabilitativo per pazienti pediatrici affetti da emiplegia, sia
congenita che acquisita, al fine di sbloccare i cingoli pelvico e scapolare e di insegnare loro, attraverso il disequilibrio, una nuova strategia posturale. L’ultimo protocollo è di tipo valutativo, per analizzare le capacità dei soggetti bendati di orientarsi nello spazio in seguito ad una perturbazione sul piano orizzontale.
Sono coinvolti in questo design sperimentale sia giovani sani che bambini con emiplegia congenita, per valutare l’integrità del sistema motorio-sensoriale dei pazienti e verificare l’esistenza di un legame fra patologia ed abilità nel riconoscimento spaziale tramite il confronto dei risultati.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Cappa, Paolo - Berthoz, Alain
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > SCIENZE TECNOLOGIE E MISURE SPAZIALI > MISURE MECCANICHE PER L'INGEGNERIA
Data di deposito della tesi:31 Gennaio 2009
Anno di Pubblicazione:2008
Parole chiave (italiano / inglese):Riabilitazione PCI Piattaforma rotante
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-IND/12 Misure meccaniche e termiche
Struttura di riferimento:Centri > Centro Interdipartimentale di ricerca di Studi e attività  spaziali "G. Colombo" (CISAS)
Codice ID:1838
Depositato il:31 Gen 2009
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Bibliografia

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