Laboratorio dei metodi quantitativi e modelli per l'analisi del movimento e della postura

L’attività del Laboratorio di Bioingegneria dedicato allo studio del movimento e della postura è focalizzata sullo sviluppo ed adozione di metodologie strumentali che forniscano elementi quantitativi rispondenti alla necessità di valutazioni diversificate ed obbiettive per la determinazione della gravità e natura della limitazione funzionale causate dalle patologie neuromotorie e dell’effetto su di esse del trattamento. Il Laboratorio integra le proprie competenze tecnico-strumentali con l’approfondimento di metodologie statistiche avanzate, in particolare l’analisi di Rasch e modelli di analisi fattoriale, per la determinazione delle caratteristiche metriche di scale di valutazione e questionari in ambito riabilitativo. Il Laboratorio opera in stretta collaborazione con la Divisione di Recupero e Rieducazione Funzionale, il Servizio di Fisiatria Occupazionale ed Ergonomia, il Servizio di Neuroriabilitazione dell’Istituto Scientifico di Veruno.

Attività di Ricerca

Quantificazione delle capacità posturali

In questo ambito vengono progettati e realizzati sistemi originali e protocolli per la valutazione del sistema sensorimotorio preposto al mantenimento della posizione eretta.

Tali sistemi si caratterizzano per l’integrazione in un unico quadro d’insieme dei dati provenienti dalla cattura in 3 dimensioni del movimento (“Motion capture”), dell’attività elettromiografica dei principali gruppi muscolari posturali e della reazione della superficie d’appoggio alle lievi oscillazioni del corpo durante la stazione eretta sia mentre il soggetto sta mantenendo la posizione eretta in condizioni non perturbate (posturografia statica), sia mentre si trova sottoposto in modo inatteso a spostamenti della posizione della superficie d’appoggio (posturografia dinamica).

Le conoscenze acquisite ed i metodi realizzati costituiscono l’infrastruttura del Laboratorio per la Postura e il Movimento della Divisione di Recupero e Rieducazione Funzionale dell’Istituto Scientifico di Veruno, nel quale i risultati conseguiti vengono impiegati nella routine clinica.

Sistemi originali e protocolli sviluppati

• Sistema per la quantificazione del controllo motorio ottenuta tramite sensori wireless.

L’analisi della performance motoria si avvale di strumenti che, in generale, richiedono al soggetto di compiere determinati movimenti o posture, la cui qualità generale viene poi determinata tramite metriche specifiche.

Un esempio è costituito dai test valutativi per analizzare l’effetto della terapia farmacologica e riabilitativa nei disturbi dell’equilibrio: di questi test, quelli strumentali non sono funzionali se non in condizioni (posturografia dinamica) che richiedono Laboratori specificatamente attrezzati e procedure d’analisi complesse, mentre quelli clinimetrici (Berg Balance Scale, scala di Tinetti, Scala dei passaggi posturali, ad es.) sono condizionati dal processo di valutazione soggettivo e dalle limitazioni nella misurazione legate alla presenza di scale di livello ordinale. Tutti questi metodi sono inoltre forzatamente limitati ad esprimere aspetti (specifici o globali) del controllo posturale di un soggetto in un preciso momento, senza tenere conto della variabilità indotta dallo stato di salute / patologia (come nella malattia di Parkinson) oppure dalle influenze ambientali.

Il WRAAM, evoluzione in wireless del sistema RAAM sviluppato dal Servizio di Bioingegneria per documentare in modo dettagliato la mobilità funzionale svolta nell’arco della giornata, dispone delle caratteristiche necessarie per ovviare ai citati inconvenienti: infatti, seppure la metodica non sia stata specificatamente sviluppata per produrre misure analitiche di performance motoria-posturale, tuttavia essa consente di elaborare parametri quantitativi di potenziale interesse clinico, a partire dai segnali rilevati durante l’esecuzione di svariati movimenti e passaggi posturali.

Progetti di Ricerca in corso e in programmazione

• Determinazione ambulatoriale dei parametri spaziotemporali del cammino.

L’attività svolta per il progetto è stata mirata a validare l’applicabilità della metodica WRAAM all’analisi del cammino. È in corso la realizzazione degli algoritmi per la determinazione dei parametri temporali del passo a partire dai segnali accelerometrici rilevati all’altezza del tronco.

• Analisi delle pressioni plantari durante il cammino su traiettiorie circolari

E’ stato realizzato un sistema in grado di ricavare automaticamente i principali dati di forza/pressione plantare, rilevate tramite solette Pedar. Il sistema fornisce le principali grandezze relative ai tempi del passo per ogni piede (appoggio mono-bipodale, sospensione), picchi e valli dei segnali pressori e inclinazione relativa alla soletta della progressione dei centri di pressione durante gli appoggi.

Il sistema è stato sviluppato in collaborazione con il Laboratorio per lo studio della Postura e viene utilizzato a fini scientifici e di ricerca.

• Studio dell’adattamento posturale in condizioni dinamiche

E’ stato messo a punto un sistema per la presentazione di dati elettromiografici e stereometrici appositamente realizzato per lo studio dell’adattamento delle risposte EMG indotte da oscillazioni della posizione della base d’appoggio. Il sistema tratta anche grandezze ricavate da sistema Vicon, in particolare gli angoli relativi dei principali segmenti corporei.

Le principali funzioni (misura, estrazione cicli, medie, etc,) sono integrate in un unico package.

Studio delle proprietà metriche di scale di valutazione in ambito riabilitativo

La valutazione dell’efficacia dell’intervento riabilitativo spesso necessita di misurare grandezze non direttamente osservabili (‘equilibrio’, ‘capacità funzionale’, ‘mobilità’).

L’approccio classico a tali valutazioni, in medicina riabilitativa, si avvale di scale di valutazione, validate tramite la ‘Classical Test Theory’, che forniscono stime ordinali delle grandezze d’interesse.

La teoria delle Variabili Latenti e la ‘Item Response Theory’ forniscono potenti strumenti per indagare le proprietà metriche di queste scale, che spesso risentono di problemi di affidabilità ed adeguatezza, con lo scopo di valutarne l’appropriatezza, rifinirle suggerendo miglioramenti o sconsigliandone l’adozione. Una particolare tecnica, l’analisi di Rasch, consente inoltre di ottenere da queste scale ordinali un valore intervallare.

Principali obiettivi di Ricerca raggiunti

Numerose sono state le scale di valutazione esplorate:

- La Scala dell’Equilibrio di Berg, nel paziente parkinsoniano,

- La ALSFRS (ALS Functional Rating Scale), nel soggetto SLA,

- Il PMQ (Prosthetic Mobility Questionnaire), nel soggetto amputato di arto inferiore,

- L’ULFI (Upper Limb Functional Index), nella patologia muscoloscheletrica dell’arto superiore.

Un discorso a parte merita il MiniBESTest. Nel 2009, Horak propone uno strumento (Balance Evaluation Systems Test, BESTest) per la misura della performance posturale basato su 36 attività e 6 diversi sistemi di controllo che, se affetti da patologia, possono condurre a limitazioni funzionali dell’equilibrio. Il BESTest viene accolto con favore in Letteratura, ma la durata di somministrazione e la criticità di alcuni aspetti di validità e sensibilità ne costituiscono dei limiti per un’applicazione in Clinica. Nel 2010, usando rigorose procedure analitiche e psicometriche, il Gruppo del Laboratorio sviluppa e valida il MiniBESTest, una versione accorciata e rivista del BESTest.  L’attività di ricerca ha fruttato ad oggi 4 pubblicazioni, ed il test è stato definito «Strumento di misura dell’equilibrio consigliato nelle popolazioni adulte», a partire da 56 scale validate analizzate da una giuria di 14 esperti. Il MiniBESTest è applicato nella malattia di Parkinson (PD), Sclerosi Multipla, BPCO, Anziani, Artroplastica, Stroke (> 140 citazioni) e risulta essere il più affidabile predittore di cadute nella popolazione anziana e PD.

Progetti di Ricerca in corso e in programmazione

• Validazione comparativa del MiniBESTest in popolazioni stroke di 3 paesi (Italia, Slovenia, Croazia).

• Analisi critica della versione italiana della FSS ‘Fatigue Severity Scale’ in soggetti SM, in collaborazione con l’Istituto Scientifico di Nervi e l’Università di Tor Vergata, Roma.

• Analisi delle proprietà psicometriche della versione italiana della LEFS ‘Lower Extremity Functional Scale’, in collaborazione con il Servizio di Fisiatria Occupazionale ed Ergonomia.

• Analisi delle proprietà psicometriche della versione italiana della MSSS-88 ‘Multiple Sclerosis Spasticity Scale-88 Items’, in collaborazione con l’Istituto Scientifico di Nervi e l’Università di Tor Vergata, Roma.

Pubblicazioni

• Franchignoni F, Godi M, Guglielmetti S, Nardone A, Giordano A. Enhancing the usefulness of the Mini-BESTest for measuring dynamic balance: a Rasch validation study. Eur J Phys Rehabil Med. 2015 Aug;51(4):429-37.

• cross AM, Godi M, Giordano A, Schieppati M, Nardone A. The generation of centripetal force when walking in a circle: insight from the distribution of ground reaction forces recorded by plantar insoles. J Neuroeng Rehabil. 2015 Jan 9;12:4. doi:10.1186/1743-0003-12-4.

• Bravini E, Franchignoni F, Giordano A, Sartorio F, Ferriero G, Vercelli S, Foti C. Classical test theory and Rasch analysis validation of the Upper Limb Functional Index in subjects with upper limb musculoskeletal disorders. Arch Phys Med Rehabil. 2015 Jan;96(1):98-104. doi:10.1016/j.apmr.2014.08.022.

• Ottonello M, Pellicciari L, Centonze D, Foti C, Pistarini C, Albensi C, Giordano A. The cross-cultural adaptation and psychometric validation of the MSSS-88 for use in Italian patients with multiple sclerosis. Disabil Rehabil. 2017 Oct 25:1-7

• Goljar N, Giordano A, Schnurrer Luke Vrbanić T, Rudolf M, Banicek-Sosa I, Albensi C, Burger H, Franchignoni F. Rasch validation and comparison of Slovenian, Croatian, and Italian versions of the Mini-BESTest in patients with subacute stroke. Int J Rehabil Res. 2017 Sep;40(3):232-239.