LABORATORIO DI ANALISI DEL MOVIMENTO

LO STUDIO DELLA POSTURA ERETTA

Massimiliano Pau

Dipartimento di Ingegneria MeccanicaChimica e dei Materiali

Università di Cagliari

Struttura del seminario

Teoria:

• La postura eretta. Il sistema di controllo posturale, centro di massa ecentro di pressione. La base di supporto.

• Lo sway posturale. Caratteristiche e variabilità in funzione di fattoriintrinseci ed estrinseci

• Protocolli e metodi per la misura dello sway posturale

Pratica:

• Utilizzo di piattaforme di forza «gold standard» e a basso costo per larealizzazione di posturografie statiche

• Analisi della variabilità dello sway posturale in presenza di riduzionedella base di supporto ed alterazione degli input sensoriali

Alcune definizioni:POSTURA:

posizione complessiva del corpo e degliarti e loro orientamento nello spazio

EQUILIBRIO:La capacità di equilibrio è una qualitàspecifica che consente il mantenimento oil recupero di una determinata posizionestatica o dinamica, assegnata odesiderata, funzionale per il soggetto neiconfronti della forza di gravità edadeguata al successo del task motorio dacompiere

STABILITA’ POSTURALE:

capacità di controllare il centro dellamassa corporea in rapporto alla gravità edi stabilizzare segmenti corporei durante ilmovimento volontario

Principi di base

Il mantenimento della stazione eretta, anchein coindizioni di quiete, implica continuiaggiustamenti posturali dei segmenticorporei (testa, tronco e arti), rispetto alladirezione verticale

Come per ogni altro movimento, anche ilcontrollo della postura vede coinvolto unsistema di forze e momenti che tende albilanciamento e all’equilibrio (instabile)contro le azioni perturbanti interne(respirazione, pompa cardiaca) ed esterne(interazione con l’ambiente).

35%

35%

15%5%

Come trascorriamo il nostro tempo?

A letto/sdraiati

Seduti

In piedi

Camminando

Principi di baseLa stazione eretta, tipica della specie umana, è un processointrinsecamente instabile. In tale posizione il corpo, lasciato asé stesso, sarebbe inevitabilmente destinato a cadere.

Tuttavia….non cadiamo!

Anzi….la proiezione del vettore «gravità corporea» simantiene all’interno di una superficie più piccola di 1 cm 2

(meno dell1% della superficie di appoggio disponibile).

Si deve allora concludere che il corpo umano dispone di unaregolazione fine ed efficace del suo equilibrio che gliassicura un ampio margine di sicurezza, tenendolo benlontano da un’uscita catastrofica dal suo stato

Principi di base• Per mantenere l’equilibrio nella posizione ortostatica, il sistema di controllo centrale integra le

informazioni afferenti dai sistemi vestibolare, visivo e somatosensoriale

• Se uno di questi sistemi è alterato, il sistema di controllo è costretto a gestire in modo diversole informazioni fornite dai vari ingressi sensoriali al fine di continuare a svolgere il compitomotorio con un livello di affidabilità accettabile.

• Le alterazioni possono essere di carattere patologico (es. cecità, patologie del SNC) mapossono anche essere introdotte artificialmente per comprendere le capacità di «ri-pesatura»dei segnali afferenti residui

INPUT VISIVO

INFORMAZIONIVESTIBOLARI

PROPRIOCEZIONE

CONTATTO CUTANEO VINCOLI ESTERNIBIOMECCANICI

INTEGRAZIONE SNC

MOVIMENTI

COMANDOMOTORIOINFO

INFO

Schema del sistema posturale

Interazionecon l’ambiente

Confronto, selezione e combinazione

delle informazioni sensoriali

SistemaVisivo

SistemaVestibolare

SistemaSomato-sensoriale

Determinazionedella posizione

del corpo

Generazionedel movimento

Selezione e controllodelle contrazioni

muscolari

Scelta delmovimento corporeo

CaviglieCosce

TroncoCollo

OcchiTesta

INPUTSistema Sensoriale

Dove mi trovo?

OUTPUTSistema motorio

Cosa faccio?

Principi di base

• Dunque il mantenimento della posizione eretta,non è un fenomeno statico, come potrebbesembrare a prima vista, bensi’ dinamico

• Il corpo in posizione ortostatica oscilla permantenere l’equilibrio e le prestazioni delsistema di controllo (biomeccanico erecettoriale) sono valutabili misurando talioscillazioni posturali (postural sway)

• La stabilometria (misura della stabilità) sioccupa della caratterizzazione delle oscillazioninella postura eretta in condizioni di quiete e inassenza di perturbazioni (spontaneous sway)

• L’esame posturografico statico, seaccompagnato da una analoga indaginedinamica permette di verificare le prestazionidel sistema di controllo posturale e,conseguentemente, di stabilire il livello dicoordinamento motorio e le capacità dimantenimento dell’ equilibrio

La regolazione della postura…….è un fenomeno complesso…

…e coinvolge un flusso di informazione continuo sulleperturbazioni interne od esterne e sulla posizione reciprocadei vari segmenti corporei in rapporto alla gravità,all’ambiente circostante ed alle superfici di supporto

Il mantenimento dell’equilibrio dipende dall grado di maturitàe di integrità funzionale di diversi organi ed apparati e,quindi, disturbi dell’equilibrio possono verificarsi per causediverse di carattere otologico, neurologico, ecc.

Inoltre, occorre tenere presenteche la stabilità posturalevaria nelle diverse fasi della vita. In particolare:

• Migliora dall’infanzia alla prima adolescenza

• Resta sostanzialmente stabile nella fascia 15-30 anni

• declina fisiologicamente dopo i 40 anni (in rapporto allaridotta efficienza delle funzioni vestibolare, visiva epropriocettiva).

Definizioni•In linea di principio, la valutazione delleoscillazioni corporee dovrebbe essere effettuatamonitorando istante per istante la posizione del Centro di massa (Center of Mass, COM), ossia di quel punto dello spazio in cui si situa il baricentrodelle forze peso agenti su ogni parte del corpo. Nella postura eretta statica questo è di normalocalizzato nel tronco all’altezza della zonalombare

•Poiché questo non è tecnicamente semplice, siricorre ad una misura indiretta, che consiste nelvalutare la traiettoria del Centro di Pressione(Center of Pressure, COP), ossia del punto di applicazione della risultante delle forzescambiate tra corpo e terreno per il tramite delleregioni plantari.

•Occorre quindi uno strumento (piattaforma di forza, piattaforma baropodometrica) che sia in grado di calcolare la posizione del COP e di registrarla, con una certa frequenza, durante un test stabilometrico

La valutazione strumentale della postura

L’analisi delle oscillazioni posturali in condizionidi quiete e in assenza di perturbazioni esterneviene definita “posturografia statica”

Studi sullo sway posturale sono stati condottisin dalla fine dell’800 utilizzando sistemisemplici simili a quello mostrato in figura

Attualmente il “gold-standard” per l’analisiposturografica è rappresentato dallepiattaforme di forza, ossia dispositivi ingrado di rilevare e quantificare le forzescambiate tra corpo e terreno per iltramite delle regioni plantari

La valutazione strumentale della postura

Protocollo di misuraL’esame posturografico viene condotto secondoprotocolli standardizzati

1) Rimuovere le calzature

2) Posizionare i piedi sulla piattaforma: orientati a30°, distanza intramalleolare 8-10 cm

3) Braccia rilassate e disposte lungo i fianchi. Nondeve esserci contatto tra arti superiori edinferiori

4) Respirazione normale

5) Ogni gesto volontario deve essere evitato (nomordere labbra lingua, no chewing-gum)

6) Fissare un target disposto a 2-3 metri dalsoggetto ad altezza degli occhi

Durata del test: 30-60 secondi (bipodalico) 20-30 s(monopodalico)

Frequenza di acquisizione: non meno di 50-100 Hz

Test monopodalici• Piede in contatto con il terreno con asse

approssimativamente deposto secondo uno degliassi della piattaforma

• Non esiste una posizione dell’arto sospesocodificata. In alcuni casi si poggia il dorso del piedesul cavo popliteo In altri si sospende l’arto a livellodel malleolo del piede d’appoggio

• E’ importante che, qualunque posizione si scelga, sia ripetibile con facilità e senza ambiguità

• Durata del test: 20-30 secondi

Altre posizioni utilizzate:

• Tandem e Piedi uniti

Equilibrio dinamico• Partenza in appoggio bipodalico, piedi

paralleli disposti ad una distanza pari a circa quella delle spalle

• Salto submassimale (tipicamente 50% dell’altezza massima di salto rilevata al Vertec)

• Atterraggio su un piede, ricerca e mantenimento della massima stabilità

• Calcolo del tempo di stabilizzazione(TTS), ossia il tempo necessario allaforza di reazione al terreno per raggiungere (e mantenersi) entro il 5% del peso corporeo

• Rilievo delle oscillazioni corporee nei 10 secondi successivi all’atterraggio

Stabilogrammi e statokinesiogrammiLa piattaforma di forza (o la piattaformadi pressione) registra istante per istantele due coordinate del COP riferite ad unsistema di assi cartesiani, definito sullasua superficie

Al termine della prova, dunque, sidispone tipicamente di un file contenentetre vettori

Tempo COPx COPy

L’analisi dell’andamento temporale dellaposizione del COP puo’ essere effettuataattraverso due tipi di rappresentazione,standardizzati dalla Societa’Internazionale di Posturografia:

• Lo Stabilogramma (diagramma della coordinata x o y del COP nel tempo) • Lo Statokinesiogramma (diagramma x vs. y del COP)

Statokinesiogramma

Lo statokinesiogramma (gomitolo disway) rappresenta, sul piano, ilpercorso effettuato dal COP sullasuperficie orizzontale di appoggio nelcorso della prova

La coordinata medio-laterale del COPè rappresentata sull’asse delleascisse, mentre la coordinata antero-posteriore è rappresentata sull’assedelle ordinate

E’ un grafico qualitativo che esprimecon immediatezza l’andamento dellatraiettoria del COP

Quali informazioni possiamo trarre aprima vista?

Statokinesiogramma

Quale dei due soggetti oscilla meno?

Statokinesiogramma

Direzione delle oscillazioni?

Lo sway evolve nel tempo..

Tem

po [f

ram

es]

Spostamento COP in A/P [mm] Spostamento COP in

M/L [m

m]

• La rappresentazione dello sway posturalemediante statokinesiogramma non tieneconto dell’evoluzione temporale delleoscillazioni

• In maniera più completa, il diagrammadovrebbe essere tridimensionale, conterzo asse proprio il tempo (vedi figura alato)

L’ellisse di confidenzaDal gomitolo non è semplice estrarreinformazioni quantitative univoche,quindi si ricorre alla definizione di unaserie di parametri standardizzati

L’Ellisse di confidenza (o ellisse di swayo Area di sway) rappresenta una misuradell’ampiezza della superficie descrittadall’inviluppo delle posizioni del COP, esi definisce come la superficie checontiene (con il 95% di probabilità) isingoli punti che compongono ilgomitolo

Dell’Ellisse di confidenza si valutano:

• Superficie (in mm2)

• Inclinazione dell’Asse Maggiore (gradi)

• Rapporto fra gli assi (eccentricità)

L’ellisse di confidenza

Alla luce di quanto visto, quale dei due soggetti appare dotato di migliori capacità di equilibrio statico?

Area di swayE’ espressa in mm2 e permette divalutare l’ampiezza delleoscillazioni, evidenziando in talmodo quanto è efficiente ilcontrollo della posizioneortostatica. Minori aree di swaysono indicative di una migliorecapacità di equilibrio statico

Generalmente ha valori inferiori a

1 cm2 = 100 mm2

Il confronto tra ellissi acquisite incondizioni differenti (es. occhiaperti, occhi chiusi) permette divalutare le prestazioni del sistemaposturale in modo analitico edimmediato

L’ellisse di confidenzaSuperficie? Lunghezza? Lunghezza per unità di

superficie?

Eccentricità• E’ calcolata come il rapporto

percentuale tra i due semiassidell’ellisse

• In pratica rappresenta una misura diquanto l’ellisse si discosta da unacirconferenza (assi uguali)

• Più è alta l'eccentricità, più deformatarisulterà l'ellisse, e pertanto più saràevidente una direzione preferenziale dioscillazioni nel paziente

Eccentricità = 0% Eccentricità media Eccentricità elevata

Altri parametri• La lunghezza del gomitolo (COP Path Length) è la lunghezza totale della

traiettoria percorsa dal COP

• La velocità media (COP velocity) può essere calcolata con riferimento allasingola prova o come media delle velocità istantanee del COP (valori tipicisono compresi nel range 4-6 mm/sec)

Entrambe le grandezze, che sono tra loro direttamente proporzionali,quantificano la strada percorsa dal COP e sono anch’esse indicatori didispendio energetico e del precario mantenimento dell’equilibrio.

• L’ampiezza massima degli spostamenti del COP in direzione AP o ML

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0(2345 6 − 2345 6 − 1 )/ + (234; 6 − 234; 6 + 1 )/

<=* !"# > =∑-./0

(2345 6 − 2345 6 − 1 )/ + (234; 6 − 234; 6 + 1 )/

@6AB 6 − @6AB 6 − 1C

Variazioni fisiologiche dello swayLe prestazioni del sistema di controllo posturale maturano conl’individuo (prima nelle ragazze che nei ragazzi) fino ad un età dicirca 16-18 anni, restano stabili fino ai 30 circa poi declinano

Variazioni non fisiologiche: Sclerosi Multipla

Variazioni non fisiologiche: Sclerosi Multipla

StabilogrammaE’ il grafico delle coordinate del centro di pressione in funzione deltempo

In particolare si distinguono:

• Uno stabilogramma antero-posteriore (coordinata deglispostamenti sull’asse Y)

• Uno stabilogramma medio-laterale, come coordinata deglispostamenti sull’asse X

Test di Romberg

Un esempio è dato dal cosiddetto “Test diRomberg”, che ha lo scopo di verificarel’influenza del sistema visivo sull’equilibrio.

L’esame si esegue in ortostasi condizionataa 30° prima ad occhi aperti e poi ad occhichiusi.

Il test caratterizza l’effetto stabilizzante delsistema visivo. Si considera positivo quandoil soggetto perde l’equilibrio (classico inneurologia)

In generale, la stabilità posturale è migliorequando l’input visivo è presente. Valori tipicidel Quoziente di Romberg (Rapporto tra learee di sway ad occhi chiusi ed aperti) sononel range 1.5-2.5

Posturografia dinamicaFa uso di piattaforme mobili o rotanti in grado di generarediverse tipi di perturbazioni posturali, quali:

• Inclinazione (rotazione supporto sul piano sagittale)

• Traslazione (orizzontale in AP/ML o verticale)

• A volte si introducono perturbazioni visive…

Alterazione degli input sensoriali

Riduzione od eliminazione di uninput

Visione: occhi aperti / occhi chiusi

Propriocezione: anestesia

Distorsione di un input

Visione: movimento dello sfondo,realtà virtuale

Propriocezione: vibrazione

Vestibolare: stimolazione (caloreecc.)

Applicazioni in campo clinico e sportivo

Verifica dell’efficacia di un protocollo di «balance training»

Verifica dell’efficacia di un protocollo di «balance training»

Allenamento propriocettivo (balance training)

Allenamento della capacità di recupero dell’equilibrio destabilizzato da componentiambientali quali ad esempio:• riduzione della base di appoggio• instabilità della base di appoggio• riduzione, o eliminazione delle informazioni visive.

Funzione prevalentemente preventiva e riabilitativa nei confronti degliinfortuni

Non è del tutto chiaro il meccanismo d’azione, né l’effetto su soggetti sani

È possibile migliorare la prestazione migliorando le capacità diequilibrio di base?

Se il sistema integrato visivo-vestibolare-propriocettivo è adeguatamente condizionato,l’organismo ha meno bisogno di occuparsi dei compiti “di base” e può dedicarsi conmigliori risultati ad attività più complesse

Perché l’età giovanile (1997-1999)? Numerosi studi hanno riscontrato come le abilitàposturali di base siano soggette a drastiche variazioni fino a 16 anni.

Obiettivi generali della ricerca

Somministrazione di un protocollo di balance training per sei settimane, valutazionestrumentale “prima e dopo” di alcuni indicatori tipici dell’equilibrio (sway area, massimaescursione e velocità di spostamento del COP) in condizioni mono e bi-podaliche, inpresenza e assenza di input visivo

Verifica dell’efficacia di un protocollo di «balance training»

Su tavoletta oscillante con e senza palla• Ricerca della posizione di equilibrio (bipodalico)• Lanci frontali (mimando gesti specifici della pallavolo) ricercando la posizione di equilibrio

Esercizi di base (sul terreno)• Andature• Appoggi monopodalici statici (occhi aperti e occhi chiusi)

Con la palla (sul terreno)• Lanci frontali e laterali (alto-basso) in appoggio monopodalico

Influenza della fatica sull’equilibrio

1) Valutare l’effetto causato dalla fatica acuta (sprint ripetuti) in giovanicalciatori

2) Valutare l’effetto causato dalla indotta dalla gara

Influenza della fatica sull’equilibrio

Obiettivo: valutare l’effetto causato dalla fatica acuta (sprint ripetuti) ingiovani calciatori

Influenza della fatica sull’equilibrio

Obiettivo: valutare l’effetto causato dalla fatica acuta (sprint ripetuti) ingiovani calciatori

Influenza della fatica sull’equilibrio

Obiettivo: valutare l’effetto causato dalla fatica acuta (sprint ripetuti) ingiovani calciatori

Influenza della fatica sull’equilibrio

Test dinamici (tempo di stabilizzazione)

Influenza della fatica sull’equilibrio