LA VOCE DELLE ALTRE SOCIETà SCIENTIFICHE

Il supporto dell’analisi strumentale nella quantificazione delle alterazioni del cammino nei soggetti con esiti di ictus

Stefano Filippo CASTIGLIA1,2, Antonio NARDONE3,4, Peppino TROPEA5

1 Dipartimento di Scienze e Biotecnologie Medico-Chirurgiche, “Sapienza” Università di Roma, Polo Pontino, Latina, Italia

2 Dipartimento di Scienze del Sistema Nervoso e del Comportamento, Università degli Studi di Pavia, Pavia, Italia

3 Dipartimento di Scienze Clinico-Chirurgiche, Diagnostiche e Pediatriche, Università degli Studi di Pavia, Pavia, Italia

4 Istituti Clinici Scientifici Maugeri, Unità Operativa di Risveglio, Neuroriabilitazione e Spinale dell’Istituto di Pavia IRCCS, Pavia, Italia

5 Dipartimento di Scienze NeuroRiabilitative, Casa di Cura Igea, Milano, Italia

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Introduzione

La sindrome del motoneurone superiore causata da un evento cerebrovascolare provoca una varietà di disturbi sensorimotori, tra cui debolezza muscolare, alterazione del controllo motorio selettivo, spasticità, debolezza muscolare, e deficit propriocettivi che interferiscono con la normale deambulazione [1, 2]. Il recupero della capacità deambulatoria indipendente rappresenta, quindi, uno dei principali obiettivi della riabilitazione nei soggetti con esiti di ictus [3-5]. Ciononostante, solo il 30%-50% dei soggetti riesce a recuperare un cammino cosiddetto “di comunità” [6], a fronte di un 80% di soggetti che riesce a recuperare un cammino indipendente, di cui il 50% circa con diversi gradi di compromissione.

In generale, le lesioni del tratto corticospinale e reticolospinale dorsale possono provocare andature di tipo spastico, di cui l’ictus è la causa unilaterale più frequente negli adulti determinando una andatura emiparetica. L’andatura emiparetica nell’ictus è un tipico esempio di andatura asimmetrica e riflette sia l’aumento del tono muscolare, sia il deficit di forza del lato colpito. Oltre all’asimmetria, il cammino emiparetico è caratterizzato da scarso controllo muscolare selettivo [1], in cui, laddove il cammino fisiologico è caratterizzato dal controllo della coordinazione tra i segmenti dell’arto inferiore e tra gli arti inferiori, le sinergie patologiche nei pazienti con ictus causano modelli di movimento massivo dell’arto, che richiedono aggiustamenti compensativi del bacino e dell’emilato non paretico [7-9]. Le caratteristiche principali sono rappresentate da ridotta velocità di deambulazione [10], aumento della durata del passo e riduzione della cadenza [11], incremento del tempo di doppio appoggio sull’arto inferiore non affetto [12], prolungamento della durata della fase oscillante del passo sul lato paretico e/o un prolungamento della durata della fase di carico del lato non paretico rispetto all’arto controlaterale [13, 14]. Tutte queste caratteristiche concorrono alla descrizione spazio-temporale della cosiddetta andatura elicopode, con circonduzione dell’anca paretica definita come “passo falciante” o “hip-hiking”. Si possono osservare momenti articolari ridotti, principalmente a livello delle articolazioni del ginocchio e della caviglia, in entrambi gli arti rispetto ai controlli sani, e minori sul lato paretico rispetto a quello non paretico [13, 15]. Inoltre, si possono osservare escursioni angolari (ROM) anomale, presenti nella caviglia paretica rispetto a quella sana, in particolare durante la fase di volo, a causa della spasticità del tricipite surale [15]. Un’altra caratteristica del cammino emiparetico è la rigidità del ginocchio, descritta come una flessione limitata del ginocchio durante la fase di volo del passo. Inoltre è presente insufficienza o assenza della fase di spinta della caviglia, nella fase di propulsione e distacco del piede dal suolo, e riduzione della flessione d’anca, ovvero attività frenante della muscolatura estensoria della coscia innescata dalla rapida flessione del ginocchio durante la fase di sollevamento del tallone nei casi in cui la fase di spinta del piede sia conservata [16].

Infine, durante la fase di appoggio del ciclo del passo, l’arto non paretico mostra un’aumentata coattivazione dei muscoli ischio-crurali e del quadricipite ed una riduzione dell’ampiezza del segnale elettromiografico. Al contrario i muscoli dell’arto paretico mostrano attivazione anticipata, durata prolungata e picchi di attività alterati [17-19].

Oltre all’analisi degli arti inferiori durante il cammino, studi recenti pongono l’accento sull’importanza di analizzare anche il tronco e gli arti superiori, in particolare per quanto riguarda l’andatura emiparetica, poiché queste informazioni contribuiscono alla comprensione del controllo dell’equilibrio, del dispendio energetico e della capacità funzionale dei soggetti, nonché all’individuazione di fattori prognostici riabilitativi [7, 8, 20-23]. L’analisi multidistrettuale dell’andatura post-ictus può essere in grado di identificare le deviazioni in altre parti del corpo e le loro possibili cause o conseguenze sottostanti, fornendo informazioni importanti per la programmazione riabilitativa personalizzata e la valutazione dell’efficacia dei trattamenti [24]. In particolare, la capacità residua del tronco rappresenta uno dei migliori predittori di recupero della deambulazione a 6 mesi e di durata del ricovero riabilitativo [22, 25].

Rispetto al cammino normale, sul piano frontale, i pazienti esibiscono un’oscillazione del tronco più ampia verso il lato non paretico durante la fase di appoggio [26, 27], con un incremento delle accelerazioni medio-laterali [26]. I pazienti, inoltre, mostrano un incremento di obliquità pelvica sul lato paretico in direzione craniale durante la fase di volo [28] che riflette l’andatura con circonduzione dell’arto inferiore. Questo comportamento è completamente diverso dal movimento pelvico in direzione caudale omolateralmente al lato dell’arto in volo tipico degli individui sani. Sul piano sagittale, i pazienti mostrano un eccessiva antiversione del bacino e maggiore asimmetria antero-posteriore del tronco rispetto ai soggetti sani [29], con una maggiore flessione anteriore complessiva del tronco [30]. Sul piano trasverso, nonostante il cammino del paziente emiparetico sia caratterizzato da una minore dissociazione tra parte superiore ed inferiore del tronco (cosiddetto cammino “in fase”) rispetto ai soggetti sani, i pazienti mostrano maggiore rotazione della parte superiore del tronco rispetto a quella inferiore [28, 31, 32], con una maggiore rotazione posteriore del bacino dell’emilato paretico durante la fase di volo [28]. Tale parametro è in grado di differenziare i soggetti in base al grado di disabilità: i soggetti con una maggiore capacità deambulatoria esibiscono un pattern in antifase maggiormente somigliante al cammino normale [31, 33].

Recentemente, alcuni autori, attraverso tecniche di machine learning, hanno identificato un “core-set” di parametri da prendere in considerazione al fine di un’accurata caratterizzazione dell’andatura emiparetica [34], evidenziando tre sottoinsiemi: i) parametri spaziali o temporali, ii) variabile cinematica, iii) variabile cinetica [34]. In particolare, tali autori suggeriscono di considerare almeno una variabile spaziale (cioè la lunghezza del passo) o temporale (cioè velocità del cammino, durata della fase di appoggio monopodalico, durata della fase di volo o durata della fase di doppio supporto), almeno una variabile cinematica tra escursione di movimento della pelvi o del tronco ed estensione plantare durante la fase terminale della fase di appoggio del passo, e almeno una variabile cinetica tra escursione di movimento della spalla e del ginocchio.

Da un punto di vista energetico, la transizione tra i passi rappresenta la principale determinante del consumo metabolico durante la locomozione umana poiché comporta un continuo e ripetuto reindirizzamento del centro di massa corporeo [35]. Come detto, le persone con esiti di ictus possono mostrare un’asimmetria del cammino che si traduce dal punto di vista energetico in una maggiore produzione di lavoro meccanico positivo da parte dell’arto sano per sollevare e reindirizzare il centro di massa [36, 37]. Inoltre, la transizione passo-passo risulta rilevante per controllare l’equilibrio e prevenire la caduta [38]. In letteratura è riportato che le persone colpite da ictus mostrano una dinamica pendolare alterata che riflette un controllo dell’equilibrio più debole [39-41].

La scelta della strumentazione più adeguata alla valutazione del cammino emiparetico dipende in larga parte dal quesito clinico alla base della necessità della valutazione strumentale. Questa, a sua volta, dipende dalla tipologia di segno clinico specifico di interesse e dagli obiettivi delle analisi, che possono essere volti alla quantificazione del segno clinico di interesse stesso oppure volti alla verifica di efficacia degli interventi riabilitativi. Nel paragrafo successivo verranno descritti i metodi di analisi strumentale del movimento di maggiore utilità per la valutazione dei segni clinici associati all’asimmetria del cammino dei soggetti con esiti di ictus.

Asimmetria del cammino

Per quanto riguarda i segni clinici legati all’asimmetria del cammino, le variabili maggiormente utilizzate sono quelle temporali, analizzando le differenze tra i due emilati in termini di durata della fase di volo e di appoggio, oppure attraverso il calcolo del rapporto percentuale tra fase di volo e fase di appoggio del medesimo arto [13, 42]. Tipicamente, l’asimmetria temporale nell’andatura emiplegica è caratterizzata quantitativamente da una prolungata fase di volo dell’arto paretico e/o una durata della fase di appoggio dell’emilato non paretico più lunga rispetto all’arto controlaterale [13, 43]. Per quanto riguarda variabili di asimmetria spaziale derivate dalla quantificazione della lunghezza del passo, questi risultano meno ripetibili ai fini di una caratterizzazione generale del cammino emiparetico, a causa dell’ampia variabilità di tali segni nella popolazione con ictus. Alcuni pazienti, infatti, possono esibire un incremento della lunghezza del passo dell’arto inferiore paretico, mentre altri possono presentare un comportamento opposto. Tale variabilità è dipendente da numerosi fattori, tra cui il grado di severità dell’ictus, la localizzazione della lesione, la tipologia dell’ictus e le limitazioni articolari. Tuttavia, uno dei fattori che incide maggiormente sulla variabilità è la capacità di controllo dinamico del tronco [29]. In tal senso, l’asimmetria del cammino nel paziente con esiti di ictus può essere quantificata in modo accurato utilizzando parametri temporali del cammino e cinematici del tronco.

Metodi di quantificazione dell’asimmetria del cammino

Storicamente la quantificazione della simmetria (o della asimmetria) della camminata è effettuata attraverso l’analisi di alcune variabili, sia discrete sia continue [44]. Il metodo più comune consiste nello studiare un singolo valore di un determinato parametro (cosiddetto indice) e descrivere la simmetria/asimmetria come variazione tra i lati destro e sinistro. Vengono utilizzate equazioni più o meno complesse come ad es. differenza, rapporti o rapporti normalizzati. Nonostante siano analizzate sovente le variabili cinematiche o cinetiche [29, 43], tuttavia, le più utilizzate sono le caratteristiche spaziotemporali quali la lunghezza del passo, la durata del passo, la durata dell’appoggio o della fase oscillante. Quale equazione si sceglie e quale variabile si utilizza nell’equazione sono le due componenti caratteristiche alla base della misura della simmetria tramite indice, che dipendono dal quesito clinico per il quale il paziente viene sottoposto ad analisi del cammino [45].

La principale limitazione nell’utilizzo degli indici di simmetria discreti è che essi forniscono informazioni precise su eventi temporali discreti, senza tener conto dell’andamento completo, cioè lo sviluppo temporale di una variabile [46]. Si pensi a come due curve possono avere valori di picco simili (ampiezza) ma forme d’onda (andamento temporale) differenti. Questo problema è risolto dalla classe di misure dette “continue” che analizza lo sviluppo di una variabile durante il ciclo del passo: in questo modo, il ciclo del passo può essere descritto nel suo insieme. Tra le misure continue di asimmetria rientrano le analisi degli andamenti principalmente usate per le escursioni angolari e i profili dei momenti di forza.

A partire da questi metodi, ne sono stati recentemente progettati e utilizzati di nuovi più complessi basati su criteri di analisi statistica. Queste tecniche possono essere impiegate su valori discreti così come su misure continue. Nel caso di queste ultime, in letteratura sono riportati l’utilizzo della correlazione incrociata [47], dell’autocorrelazione [48, 49], della Principal Component Analysis (PCA) [50] e della differenza quadratica media [51].

Per quanto riguarda le tecniche che sfruttano la differenza quadratica media, è sicuramente da citare l’utilizzo dell’indice GPS (Gait Profile Score).

Il GPS può essere definito come una misura sintetica derivata dai Gait Variable Scores (GVSs) e può essere utilizzato per quantificare lo scostamento di un pattern di deambulazione dalla condizione fisiologica, consentendo così una visualizzazione semplice, obiettiva e immediata che quantifica il grado di compromissione della deambulazione e la sua deviazione dalla normalità. Il GVS si calcola per 15 variabili cinematiche clinicamente importanti (flessione, abduzione e rotazione interna dell’anca, flessione del ginocchio, dorsiflessione della caviglia e progressione del piede per i lati sinistro e destro e inclinazione laterale, flesso-estensione e rotazione pelvica). Il GVS si calcola come la differenza quadratica media tra la specifica variabile dell’andatura normalizzata nel tempo e i dati medi per una popolazione di individui sani. Il GPS è la media delle differenze quadratiche medie delle variabili GVS [52].

Strumenti per l’analisi del passo

Il metodo più comune ed accurato per identificare gli indici di asimmetria nei soggetti con esiti di ictus è l’utilizzo di sistemi optoelettronici tridimensionali di analisi del movimento, delle pedane di forza o di tappeti sensorizzati, sempre in contesti di laboratorio dedicati. Queste metodiche riescono a fornire la maggior parte delle variabili utili alla caratterizzazione dell’asimmetria secondo la classificazione sopra riportata. Trovano utilizzo anche le tecniche di elettromiografia in dinamica (durante il cammino) finalizzate a investigare intensità e coerenza temporale delle attivazioni di coppie di muscoli bilaterali [53]. A partire da queste, anche le tecniche di indagine basate sullo studio delle sinergie muscolari e sulle mappe spinali [54] trova non di rado applicazioni. Tuttavia, è possibile ricavare misure di asimmetria anche da strumentazioni più economiche e adattabili a contesti ecologici di pratica clinica come le unità di misurazione magneto-inerziali (magneto-inertial measurement units – MIMUs) [55, 56]. Sebbene l’affidabilità dell’identificazione dei parametri temporali del cammino attraverso MIMUs possa essere controversa nei soggetti con esiti di ictus [57], è, tuttavia, possibile ricavare degli indici che riflettono il grado di asimmetria del cammino emiparetico attraverso l’analisi dei segnali provenienti da accelerometri posti sul tronco o di insiemi di giroscopi posti sulle gambe [58-61].

Da notare, a margine, come l’utilizzo di MIMUs stia anche permettendo di rendere “strumentati” particolari test tipici della pratica clinica, quali ad esempio il Timed-Up-and-Go test. Tale strumentazione permette, infatti, di identificare le transizioni posturali effettuate durante il test e di segmentare il TUG in diverse sottofasi per l’estrazione di misure specifiche per ognuna delle sottofasi individuate [62, 63].

Figura 1 I) Fotogrammi dalla ricostruzione 3D delle fasi di initial, mid, e terminal swing dell’emilato paretico (sopra) e non paretico (sotto); II) differenze tra emilato paretico (blu) e nonparetico (rosso) durante il ciclo del passo nei parametri cinematici della pelvi sul piano frontale (a), laterale (b), e trasverso (c), nei parametri cinematici di anca sul piano frontale (d), latrale (e) e trasverso (f), e nei movimento di flesso – estensione di ginocchio (g) e caviglia (h); differenze nei momenti di caviglia (i), ginocchio (j) e anca (k); differenze nelle forze di reazione al suolo durante la fase di supporto in direzione antero – posteriore (l), medio – laterale (m) e verticale (n). Le bande grigie rappresentano i valori di normalità.

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LA VOCE DELLE ALTRE SOCIETÀ SCIENTIFICHE

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