Baropodometria – ovvero “Cos’è la distribuzione pressoria?” Breve presentazione tecnica dei sistemi di misurazione di distribuzione pressoria delle forze di carico e della loro reazione a terra. Roberto Mariani – Auricoloterapeuta specializzato in test posturali mediante strumentazione non invasiva – Importatore ufficiale dei sistemi Zebris Medical GmbH.

Quando si parla di baropodometria si intende la valutazione del carico. Con questo termine è comunemente definita la somma di tutte le forze attive in uno specifico sistema di interesse. Il carico di un corpo umano o di una struttura di esso in particolare, ha un significato clinico diretto: se una determinata parte è in sovraccarico (caricata cioè oltre certi limiti per esempio dopo un trauma o per un sovraccarico cronicizzato), questa struttura sarà prima o poi danneggiata. In clinica, il carico delle estremità inferiori è abitualmente verificato dall’osservazione (esame obiettivo), del paziente in posizione statica o in deambulazione. Le anormalità, come per esempio una chiara asimmetria nella deambulazione, possono essere descritte solo qualitativamente. Tuttavia, un rapporto quantitativo inerente gli schemi motori e/o di carico basati sull’osservazione del paziente è dubbio e potrebbe portare a conclusioni approssimative. Il controllo di parametri oggettivi, definiti e comparabili porta con sé parecchi vantaggi per l’uso clinico: la comparazione di più dati dello stesso paziente, investigazioni sullo stesso paziente a lungo termine, creazione di database oggettivi e riduzione dei dati cartacei. Per ottenere parametri quantitativi, devono essere utilizzati metodi quantitativi per l’analisi del passo e del movimento. Con la stesura di questo capitolo cercherò, per quanto concessomi, di dare una visione d’insieme dei metodi esistenti per la misurazione della distribuzione pressoria durante la deambulazione e nello stesso tempo tenterò di dare esempi per il loro utilizzo clinico. Esempi di applicazioni cliniche di misurazioni di distribuzione pressoria. La variabile di base, che comunemente viene misurata dalle pedane baropodometriche, è la pressione per singolo sensore in un’ integrale definita forza/tempo. Da questa variabile, la forza verticale, l’area coinvolta nella pressione e la gait line (la linea che demarca la fase di “rotolamento” del piede), possono essere calcolate ed elaborate nello specifico. Pressione, forza e area sono chiamate le tre variabili di base delle misurazioni della distribuzione pressoria. Queste tre variabili di base vengono calcolate per l’intero piede, ma possono anche essere calcolate per aree specifiche (o suddivisioni di area), della superficie del piede e possono essere attribuite alla corrispondente struttura anatomica. Ci sono differenti maniere per suddividere il piede in aree differenti. Una suddivisione tipica è la divisione del piede sul tallone, mesopiede, avampiede e area delle dita. Queste aree

sono spesso suddivise in porzioni mediali e laterali (nell’esempio dei metatarsi in anatomia è “mediale” il primo e il secondo e “laterale” la parte dal terzo al quinto). I pazienti con determinate ferite o patologie mostrano differenti modelli pressori (sia del piede nella sua interezza che in aree specifiche), in comparazione con soggetti sani. Per esempio i soggetti con fratture di calcagno e fissaggio chirurgico mostrano segni di asimmetria in tutte e tre le variabili basiche, anche se nessuna asimmetria può essere osservata è il paziente non ha nessun dolore e senza osservazione clinica di limitazioni del ROM (range of motion).

Il carico di un’area specifica del piede è spesso quantificata con l’integrale forza/tempo. Per esempio, l’asimmetria dell’integrale forza/tempo di determinate aree di un piede non fratturato e un piede fratturato dello stesso paziente con esiti di frattura calcaneare, è chiaramente comparabile con un paziente sano e ci può dare dati diversi dipendenti dalla terapia che si è scelto di seguire. Le articolazioni podaliche sono divisibili in articolazioni ad ampio e a basso grado di mobilità: le prime vengono utilizzate prevalentemente per il movimento, le seconde per l'adeguamento al suolo. Qui entrano in gioco le forze tensegrative e forse sarebbe il caso di spendere due parole sul concetto di tensegrità (Integrità Tensionale) che il PhD Donald Ingber ha per primo messo a fuoco insieme alla meccanoregolazione nel campo della biologia cellulare. La parola inglese “Tensigrity” è stata inventata dall’archittetto Fuller nel 1955; risulta dalla contrazione delle parole “tensile” ed “integrity” e caratterizza la “facoltà di un sistema a stabilizzarsi meccanicamente col gioco di forze di tensione e di decompressione che si ripartiscono e si equilibrano”. Il piede è l’organo che forse più rappresenta le forze tensegrative, forze che si autosorreggono, che esprimono solidità e stabilità, o, come dice il Prof. Giuseppe Massara - Ergonomo Biofunzionale, il “piede calcaneare” solleva e il “piede astragalico” crea equilibrio.

La pedana baropodometrica è lo strumento che più di ogni altro può evincere, estrapolare queste forze nella maniera più vicina al reale.

Proverò a descrivere i metodi per misurazione dinamica della distribuzione pressoria e le conseguenti reazioni locali delle forze da terra. Braune e Fisher (1) nei primi anni del secolo scorso provavano a calcolare la reazione delle forze da terra basandosi sulla cinematica di un certo movimento e sul relativo calcolo della distribuzione della massa del corpo umano, dal momento che non erano ancora stati inventati i sensori per le misurazioni dirette da terra. Oggi però sono disponibili diversi procedimenti per effettuare questo tipo di misurazione e i cinque metodi maggiormente utilizzati sono i seguenti: piezo-elettrico, strain gauges, metodo ottico,

metodo resistivo e metodo capacitivo. Le misurazioni sono comunemente ottenute mediante pedane attraverso le quali il paziente cammina. Più recentemente si utilizzano anche delle solette a sensori che possono entrare nelle scarpe del paziente. Le pedane di forza (ad esempio Kistler o AMTI), misurano la risultante tridimensionale della reazione della forza da terra e il punto di applicazione di questa forza con un’accuratezza molto alta (errore < 2%) e frequenza di campionamento fino a 1000 Hz (cioè 1000 messaggi al secondo), ma non vengono utilizzate nel campo della baropodometria. Le pedane che misurano la reazione delle forze da terra con una risoluzione locale molto alta valutano unicamente la componente verticale di questa reazione. Esse sono chiamate pedane baropodometriche (o solette) e hanno una risoluzione locale fino a 4 sensori per Cm2 con una frequenza di campionamento fino a 300 Hz. La qualità delle pedane baropodometriche dipende principalmente dalla qualità stessa dei sensori. La qualità dei sensori è determinata da fattori quali range di misurazione, sensibilità, frequenza naturale, deformazione, accumulo di segnale, soglia limite, linearità, cross talk (scambio di informazioni), isteresi, dipendenza da temperatura e infine la possibilità di calibrazione. Descriverò ora i cinque metodi maggiormente utilizzati dai produttori internazionali: il metodo piezo-elettrico che utilizza quarzo consiste nel più accurato modo di misurare forze dinamiche e frequentemente è usato per pedane di forza (per esempio Kistler). L’isteresi e la deformazione di questa tecnologia è molto bassa e il range di misurazione, la linearità e la sensibilità sono molto alte. Tuttavia, il segnale del quarzo è “time dependent” (drift - accumulo di segnale), il quale causa problemi quando la misurazione è effettuata attraverso periodi lunghi di tempo (semi-statica, dinamiche molto lente). I sistemi di misurazione che utilizzano sensori strain gauges sono molto utilizzati nelle pedane di forza (per esempio AMTI). Il vantaggio di questa tecnologia è l’indipendenza dal tempo. Gli svantaggi sono l’alto numero di deformazioni richiesto, alte forze inerti, il limitato range di misurazione e velocità. Ci sono poi i sistemi che utilizzano metodiche ottiche di misurazione pressoria dalla visualizzazione delle immagini mediante video camera posta sotto di un vetro illuminato dove il paziente cammina (per esempio i podoscopi). La parte superiore del vetro è coperta da un foglio sottile di plastica opaca e riflettente. La quantità di luce che emerge dal vetro, captata dalla videocamera, varia in accordo con la pressione esercitata in ogni punto. Queste immagini in scala di grigio sono poi convertite in valori pressori. C’è una varietà di differenti fogli di plastica sul mercato. La qualità del sistema dipende dalla qualità della video camera, dalla conversione in scala di grigio e dalle caratteristiche del foglio di plastica utilizzato. Questi sistemi non permettono la calibrazione localmente in quanto essi non hanno accesso alle parti elettriche ad ogni singolo sensore. Di conseguenza è difficile

rapportare i valori della scala di grigio a valori assoluti di pressione. I sensori basati sulla tecnologia resistiva possono trovarsi su diverse pedane presenti sul mercato e tappetini flessibili (ad esempio i sistemi TecScan). Questi sensori usano sia schiume resistive o possono essere basati sul principio microfonico al carbonio. La schiuma resistiva mostra un’alta isteresi. I nuovi sensori utilizzano un sistema “proprietario” al carbonio in forma di vernice semi conduttiva, applicata tra due strati di plastica (per esempio il Mylar) e coperta da una vernice conduttiva a base di argento. I due strati sono stesi uno sopra l’altro ma non possono essere incollati uno all’altro. Quando un pressione viene applicata, l’area di contatto tra il carbonio semi conduttivo e l’argento conduttivo viene incrementata e, di conseguenza, la resistenza decresce. La resistenza a peso zero è infinita, il che rende la calibrazione veramente difficile. Inoltre il carbonio semi conduttore può cambiare la sua micro forma grazie alla forza trasversale, la quale cambia l’assegnazione della pressione in una determinata resistenza oltre il tempo. I sistemi basati sul metodo capacitivo (ad esempio i sistemi tedeschi Novel-Emed o Zebris), utilizzano il fenomeno per il quale la capacità di un sensore capacitivo cambia quando la distanza tra due sensori cambia. La qualità dei sensori capacitivi (sensibilità, isteresi e range), dipende dal materiale e dalla forma dei dielettrici (sistemi non conduttori), utilizzati. Questi materiali hanno un’isteresi inferiore al 3% e permettono un’assoluta accuratezza di circa il 5%. Il grande vantaggio dei sensori capacitivi è la loro semplice calibrazione. Anche in presenza di un alto numero di sensori, ogni sensore può essere calibrato individualmente. I sensori capacitivi stanno sostituendosi agli altri metodi in quanto risultano essere i più affidabili in termini di accuratezza ed errore. Dal recente studio proveniente dall’ Istituto Superiore di Sanità – Giacomozzi C. “Appropriateness of plantar pressure measurement devices: A comparative technical assessment” Gait Posture (2010), doi: 10.1016/j.gaitpost.2010.03.014, risulta proprio la tecnologia capacitiva tedesca essere la più affidabile tra le 5 più importanti aziende internazionali leader in questo campo.

Evoluzione nel campo della baropodometria. Alcuni asseriscono che il settore delle pedane baropodometriche è fermo da anni, non è assolutamente vero. L’azienda che per prima ha utilizzato la tecnologia a sensori capacitivi (la tedesca Zebris Medical GmbH), ha brevettato nel 2006 il primo treadmill baropodometro che permette l’acquisizione di centinaia di passi consecutivi.

Il “dinamogramma” raffigurato di seguito rappresenta un dato eccezionale nel campo della baropodometria in quanto è stato realizzato per la prima volta nel 2006 con un brevetto internazionale. Il grafico denominato “Butterfly” rappresenta la cosiddetta “simmetria laterale”, cioè la ricapitolazione

grafica di decine di passi consecutivi al fine di evincere eventuali dominanze tra arto destro e sinistro.

Lo stesso sistema è in grado di effettuare un report con il ciclo completo del passo (Gait Cicle), visualizzato in arto sinistro e arto destro. Risposta di carico, ampiezza, attacco del tallone, stacco dell’alluce, fase statica, supporto singolo, doppio supporto, ecc.

Sinistra

Butterfly

Destra

Parametri

Dati normativ i: 2-5 km/h

Rotazione piede, deg

Sinistro

Destro

5.3+/-1.5

9.1+/-1.0Gradi

GradiAmpiezza passo, cm 10+/-1

cm

Lunghezza passo

(Step length), cm

Sinistro

Destro

47+/-2

52+/-1cm

cm

Tempo passo

(Step time), sec

Sinistro

Destro

0.59+/-0.02

0.63+/-0.02sec

sec

Fase statica

(Stance phase), %

Sinistro

Destro

60.5+/-1.0

57.8+/-1.0%

%

Risposta di carico in %

Sinistro

Destro

9.3+/-0.7

8.9+/-1.0%

%

Supporto singolo

(Single support), %

Sinistro

Destro

42.2+/-1.1

39.6+/-1.2%

%

Pre-fase aerea

(Pre-sw ing), %

Sinistro

Destro

8.9+/-1.1

9.3+/-0.7%

%

Fase aerea

(Sw ing phase), %

Sinistro

Destro

39.5+/-1.0

42.2+/-1.0%

%Total Double support, % 18.2+/-1.3

%Lunghezza progressione

(Stride length), cm100+/-3

cmTempo progressione

(Stride time), sec1.22+/-0.03

secCadenza

(Cadence), pass/min49+/-1

pass/min

Oggi l’azienda tedesca sta lavorando a progetti di realtà virtuale in cui il paziente che cammina sulle pedane ha la possibilità di interagire con software dedicati alla riabilitazione, come nel caso di pazienti parkinsoniani che vengono riabilitati su Treadmill con stimoli visivi (impronte ottimizzate che il paziente deve seguire). Oppure, come nello schema di seguito illustrato, la possibilità di avere l’ acquisizione simultanea di più segnali: baropodometrico in peak di N/cm2 e segnale EMG di superficie attraverso la sincronizzazione a raggi infrarossi.

Nello schema raffigurato in alto si vede come una centralina a trasmissione bluetooth raccolga i segnali di sincronizzazione a raggi infrarossi, in maniera tale da raffigurare graficamente

sul PC la schermata con le integrali forza/tempo, quelle con i peak di Newton cm/2 e i segnali EMG di superficie.

Nella foto raffigurata qui sotto possiamo vedere i sensori EMG applicati su una paziente posizionata sopra a un treadmill baropodometrico. Di seguito posiamo vedere i grafici baropodometrici dinamici e i relativi dinamogrammi del segnale mioelettrico tramite EMG di superficie.

11.5 s

Qui sopra è raffigurata una macchina per la calibrazione ad aria compressa. In questo caso si sta calibrando una pedana portatile. La calibrazione dei sensori capacitivi deve avvenire in una sola volta per la superficie intera della pedana.

EMGLato sinistro

0102030405060708090

100110120130140150160170180190200210220230240250260270

280290300310320330340350360

mV left thigh

0102030405060708090

100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350360

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

mV

%

left shank

Lato destro

0102030405060708090

100110120130140150160170180190200210220230240250260270

280290300310320330340350360

mV right thigh

0102030405060708090

100110120130140150160170180190200210220230240250260270280290300310320330340350360

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

mV

%

right shank

Esempi pratici:

Vediamo qui raffigurata, per esempio, un’acquisizione statica di due momenti dello stesso paziente: si tratta di un esame effettuato con pedana tedesca Zebris Medical GmbH, il paziente M.G. di anni 38 è affetto da distrofia facio scapolo omerale e presenta al primo esame una dislocazione delle forze tendenti al lato destro con un’insufficienza retro podalica del piede SX.

Dopo aver effettuato uno sblocco neuromotorio mediante campi elettromagnetici pulsati meridiani (CEMP-M), lo stesso paziente a distanza di 5 minuti dal primo esame presentava la seguente statica:

Come si evince dalla grafica, il paziente presenta ora un assetto più normale con forze tendenti a valori di normalità (50% su ambo i lati, il 67% circa del carico sul retro piede e il 33% circa sull’avampiede).

Media Distribuzione Forze

N/cm^2109876543210

0

0

Sinistra

Anteriore

Posteriore

Totale

54.3

45.7

39.0

Destra

Anteriore

Posteriore

Totale

31.3

68.7

61.0

Media Distribuzione Forze

N/cm^2109876543210

0

0

Sinistra

Anteriore

Posteriore

Totale

37.9

62.1

47.2

Destra

Anteriore

Posteriore

Totale

34.6

65.4

52.8

Esempio in campo sportivo:

Vediamo qui raffigurata un’acquisizione statica di due momenti dello stesso paziente: si tratta di un esame effettuato ad un atleta nazionale olimpico di tiro a segno con pistola (in questa specifica acquisizione con bersaglio a 20 mt). Nella prima schermata possiamo vederlo con le calzature da tiro, le quali conferiscono indubbiamente una maggiore stabilità (l’area ellisse è addirittura di 5,6 mm). Di base però lo stesso paziente a piedi nudi mostra un’area ellisse molto buona, il valore relativo, come si può vedere dalla grafica qui sotto, si attesta a 8 mm.

Ma vediamo che cosa significa il termine ”ellisse” oppure “gomitolo” in Stabilometria.

Studio delle oscillazioni antero-posteriori e latero-laterali, ovvero la “Stabilometria”.

Le pedane a sensori capacitivi permettono un’accurata analisi statica grazie al fatto che, come abbiamo avuto modo di vedere precedentemente, mantengono un’isteresi e un’accuratezza ottimale. Negli anni ha preso sempre maggior importanza lo studio delle oscillazioni latero-laterali e antero-posteriori del paziente, in realtà questo studio si chiama “Stabilometria”, la stabilità del paziente è raccolta numericamente e graficamente in un “ellisse” che contiene un “gomitolo”. Vediamo più nello specifico cosa sono questi due simpatici nomi gergali: il gomitolo (detto anche COP center of pressure), è il tracciato grafico della proiezione a terra del baricentro corporeo, immaginiamo noi stessi su una pedana baropodometrica con una corda che pende dal centro del nostro bacino, all’estremità della corda c’è una matita che va a segnare le nostre oscillazioni su un foglio di carta sensibilissimo. Ebbene la risultanza di questo disegno che risulterà viene denominato “gomitolo”, dalla forma non precisata e aggrovigliata, e l’area circolare che contiene il gomitolo è denominata “ellisse”.

In chiusura si potrebbe senz’altro asserire che la misurazione attraverso pedane baropodometriche è essenziale nella valutazione/comparazione di due momenti della terapia e nel percorso riabilitativo che va dal neurologico all’ortopedico.

(1) Braune W und Fisher O (1895-19010) Der Gang des Menschen. B G Teschner, Leipzig.

Media Distribuzione Forze

N/cm^2109876543210

28-04-2009 statica tiro a segno

0

0

28-04-2009 statica 1

0

0

Parametri 28-04-2009 statica tiro a segno 28-04-2009 statica 1

Certezza ellisse 95%

Larghezza ellisse 1.6 2.0

Altezza ellisse, mm 4.5 5.0

Angolo di ellisse, gradi 5.1 Destro 0.6 Destro

Area ellisse, mm 5.6 8.0

Misure COP

Lunghezza totale traccia COP, mm 490.1 566.1

Dev iazione Orizzontale Centro di Forza (COP), mm 1.7 Destro 5.4 Sinistro

Dev iazione Verticale COP, mm 13.5 top 1.5 top