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ANALISI CINETICA DELLO SPRINT DI ATLETI AMPUTATI E CONFRONTO CON ATLETI NORMODOTATIIng. Bonacini

Dottorato in Disegno e Metodi di sviluppo prodotto- Ref. Prof.Cugini

Dip. di Meccanica, Facoltà di Ingegneria, Politecnico di Milano

KnowledgeAided

EngineeringManufacturing

and Related

Technologies

Analisi cinetica dello sprint di atleti amputati Ing.Bonacini

Sezioni:

1. Introduzione allo sprint di atleti normali e amputati

2. Struttura di una protesi da camminare e da correre

3. Acquisizione della corsa

4. Interpretazione dei dati

5. Sviluppi futuri

6. Conclusione

Schema della presentazione


Lo sprint è un tipo di corsa, che si sviluppa su distanze brevi e ad alte velocità. L’obiettivo dello sprint è coprire la distanza (100m –200m) nel minor tempo possibile.

Velocità media nel cammino 1.10 - 1.40 m/s Velocità media nello sprint 7 – 10,27 m/s

POWELL ASAFAWorld Record 100m 9,74 sRieti 9 settembre 2007

CHRISTINE ARRON Camp Europea 100m 10,95 s

Lo sprint


OSCAR PISTORIUS (RSA)

20 years old cat.T43 bilateral BK

10,91 s 100m ,21,68 s 200m

(world and gold medal paralymic gamesAthens 2004)

46,34 s 400m (min Bejing 2008 di 46s)

MARLON SHIRLEY (USA)

27 years old cat. T44 unilateral BK

Recordman and Gold Medal Athens 2004 100m 11,08s

Tab.1 Differenti performances tra atleti normali e atleti amputati

Lo sprint di atleti amputati transtibiali (sotto il ginocchio)


Invaso Invaso “contenitore” della parte residua arto amputato, realizzato

su misura del moncone del paziente dal tecnico ortopedico

(Fibra di carbonio e resina da laminazione).

CuffiaCuffia protegge il moncone da traumi e urti durante la camminata.

(Poliuretano, silicone e stirene)

Tubolare Tubolare collegamento invaso-piede (leghe di titanio o fibra di carbonio)

PiedePiede accumula e restituisce energia in modo da consentire una

camminata confortevole. (fibra di carbonio).

CoverCover rivestimento estetico, in gomma espansa o PVC.

Ginocchi meccanici o elettroniciGinocchi meccanici o elettronici nel caso di amputazioni transfemorali

La struttura di una protesi di arto inferiore: da camminare

Cuffie in silicone e stirene


Applicazione del piede nel caso di distanza apice moncone-terra inferiore a 25 cm con attacco posteriore all’invaso

Applicazione del piede nel caso di distanza apice moncone-terra superiore a 25 cm con attacco posto sotto l’invaso

INVASO

INVASO

La struttura di una protesi di arto inferiore: da correre

Protesi da correre con piede Springlite(Otto Bock)

Allineamento del piede di Ossur


Piede Flex Sprint della Ossur a forma di “L” per amputati transfemorali

Piede Flex Run della Ossur a forma di “C” per distanze lunghe

Piede Springlite della Otto Bock con flesso

I piedi per protesi da correre

Piede Cheetah della Ossura forma di falce per transtibiali

Piedi per soggetti amputati transtibiali


•• Tecnologia del settore aeronautico e militare.Tecnologia del settore aeronautico e militare.

•• Assorbe e accumula energia durante il caricamento del peso sul Assorbe e accumula energia durante il caricamento del peso sul tallone tallone

•• Design del talloneDesign del tallone--avampiede avampiede consente efficace e graduale rilascio di consente efficace e graduale rilascio di

energia che consente una camminata fluida e senza fatica perenergia che consente una camminata fluida e senza fatica per l’utente. l’utente.

•• Numero di strati e spessore del laminato proporzionali al peso Numero di strati e spessore del laminato proporzionali al peso utente e utente e

livello di attività fisica livello di attività fisica

I piedi per protesi da correre

MODULAR III: il primo piede utilizzato per correre


ANALISI CINETICA DELLA CORSA DI TRE ATLETI AMPUTATI SOTTO IL GINOCCHIO E DI TRE ATLETI NORMODOTATI TRAMITE IL SISTEMA OPTOELETTRONICO VICON E PEDANE PIEZOELETTRICHE KISTLER.TRE ACQUISIZIONI: Ia presso il palazzetto indoor della Fratellanza di Modena, (24 novembre 2005),IIa presso il Centro di preparazione Olimpica di Formia con analisi cinetica (15-18 dicembre 2005), IIIa presso il palazzetto indoor della Società Osa Saronno con analisi cinetica. (20 gennaio 2006)

NELL’ANALISI DELLO SPRINT ALMENO 8 TELECAMERE A INFRAROSSI f= 100-400 HZ. VOLUME DI ACQUISIZIONE: VOLUME ALL’INTERNO DEL QUALE IL SOFTWARE PROCEDE ALLA CATTURA DEL SEGNALE RIFLESSO DAI MARKER.L'AREA DI PERFORMANCE O AREA DI CATTURA È LUNGA 12M E LARGA 5 M. L'ALTEZZA MASSIMA COPERTA È DI 2 METRI ED ÈSCELTA IN FUNZIONE DELL'ALTEZZA DEGLI ATLETI.

Acquisizione della corsa: definizione del volume di acquisizione


Misurazione dei parametri antropometrici

Diametro ginocchio Determinazione punto di repere per misurare lunghezza gamba


I punti di repere anatomici sugli arti inferiori:

1. Bacino (RASI, LASI, LPSI, RPSI)

Dx e sn spine iliache anteriori e posteriori

1. Gamba (LKNE, LTHI, LANK, LTIB)

Epicondilo femorale, 1/3 della coscia, malleolo esterno, 1/3 della tibia

1. Piede (LTOE, LHEE) secondo metatarso e calcagno

Markerizzazione dei soggetti: Kadaba, protocolllo utilizzato


Per posizionare i marker sulla protesi viene adottato l’accorgimento di Bucley con l’atleta amputato sulle punte dei piedi:

Marker sull’invaso in corrispondenza dell’epicondilo femorale e dell’appoggio sottorotuleo

sei markers sul piede: tallone virtuale, malleolo virtuale, punta, secondo metatarso, 1/3 della gamba virtuale sull’attacco a “T” e 1/3 della gamba virtuale sul piede.

Adattamenti alla protesi del protocollo Kadaba


Limiti biomeccanici della protesi

MeccaniciMinor efficienza e quindi minor risposta elastica del piede protesico in fibra di carbonio rispetto ad un piede sano: infatti i piedi da corsa hanno una efficienza (rapporto fra potenza assorbita e potenza rilasciata) di circa l’80%% rispetto al 241% di un piede umano con una attiva ed efficace plantarflessione.L’angolo di flessione del ginocchio dell’arto protesizzato dipende dalla lunghezza del moncone e quindi dalla tipologia di invaso utilizzata: le invasature senza presa sui condili femorali, a forma di cono, realizzate per monconi tibiali di almeno 15 cm, consentono la completa flessione del ginocchio, nella fase di calciata dietro il gluteo. Per monconi piùcorti la flessione del ginocchio è inferiore di 20-30°.

OrtopediciL’efficienza della protesi dipende da un corretto allineamento del piede rispetto all’invaso e dalla corretta scelta della classe del piede (lo spessore identifica la rigidezza del piede).

EnergeticiL’assorbimento di energia da parte del moncone e della cuffia in materiale polimerico all’interno dell’invaso.

MuscolariL’eventuale presenza di una contrazione isometrica da parte dei muscoli residui del moncone; Quando il piede meccanico della protesi tocca il terreno, la muscolatura dell’anca dal lato della protesi deve avanzare in modo compensare una forza contraria alla direzione di avanzamento, ricevuta dal terreno: infatti la forza di reazione èanteriore rispetto alle articolazioni di anca e ginocchio; per questo motivo l’articolazione dell’anca dal lato della protesi compie un lavoro di due o tre volte superiore rispetto al lato dell’arto sano in modo da aiutare il corpo nell’avanzamento e in modo da compensare l’ assenza della plantarflessione propulsiva del piede meccanico.

Tecnico-atleticiNel caso di atleti principianti sono dovuti ad un utilizzo poco efficace della protesi e un recupero/potenziamento muscolare non efficace.


Le acquisizioni della corsa


• Larghezza della falcata : l’amputato allarga la corsa rispetto al normodotato, per ricercare un maggior equilibrio e per ragioni morfologiche del moncone (nei casi di monconi prossimali è evidente la postura leggermente ad “X”della protesi).

•Lunghezza della falcata inferiore ai soggetti normali per i limiti funzionali legati alla protesi: limitata flessione di ginocchio e anca e assenza di plantarflessione alla caviglia.

• Durata fase d’appoggio sull’arto sano, l’amputato rimane un tempo più lungo sull’arto sano per effettuare tutte le correzioni d’equilibrio dovute all’utilizzo di protesi.

• Cadenza e velocità dello sprint sono inferiori per i limiti funzionali legati alla protesi

Parametri spazio-temporali: asimmetria arto sano-protesi


Initial contactCoG nella posizione più bassa, anca flessa e ginocchio quasi completamente esteso, caviglia dorsiflessa (a martello)

Le differenti fasi dello sprint

Mid Stanceanca e ginocchio avanzano rispetto alla caviglia, inizia la fase

propulsiva

Toe offistante in cui il piede si

stacca dal terreno

Mid Swingdopo la massima flessione del ginocchio in calciata dietro, la coscia raggiunge la posizione orizzontale

Initial contact il ginocchio si estende e si prepara al nuovo contatto con il terreno

Nel cammino la fase di stance è circa il 60%, nel running il 30% e nello sprint il 20%. La principale caratteristica dello sprint è la mancanza del double support in funzione del double swing e il contatto a terra a partire dall’avampiede invece che dal tallone.


ZERO di RIFERIMENTO: coscia e tibia allineate e perpendicolari durante la fase di appoggio al terreno.

CAVIGLIA se ruota verso l’alto formando un angolo positivo è dorsiflessa, ruotando verso il basso è plantarflessa

GINOCCHIO in condizione di completa estensione è pari a 0, ogni sua variazione positiva denota la flessione del ginocchio; sul piano orizzontale si considera positiva la rotazione verso l’interno e negativa la rotazione verso l’esterno;sul piano frontale positiva la adduzione e quindi il varismo, negativo il valgismo

ANCA l’angolo formato dalla coscia rispetto alla verticale è positivo e indica flessione dell’anca durante la fase di spinta, se negativo indica l’estensione; sul piano frontale viene considerato positivo l’angolo di avvicinamento della coscia rispetto alla verticale in fase di adduzione, negativo in fase di abduzione; sul piano orizzontale consideriamo positiva l’intrarotazione e negativa l’extrarotazione

PELVISper quanto riguarda il bacino vengono attribuiti valori positivi all’obliquity sul piano frontale nel caso di rotazione verso l’alto, al tilt sul piano sagittale nel caso di basculamento verso il basso, alla rotation nel caso di intrarotazione.

Le convenzioni degli angoli delle articolazioni


Gli angoli del bacino sono gli unici calcolati rispetto ad un riferimento assoluto, mentre tutti gli altri sono angoli relativi ossia calcolati rispetto ad altre articolazioni.

•Il Range of Motion del Pelvic Tilt è proporzionale al consumo energetico, infatti durante la corsa l’atleta normodotato conserva una postura costante con il tronco leggermente inclinato in avanti. Gli atleti protesizzati presentano un ROM di circa 25, mentre la media degli atleti normali presenta un ROM di 10.

• Per quanto riguarda il grafico dell’obliquity il bacino si abbassa in maniera accentuata dal lato della protesi durante la fase di stance presentando un picco minimo in fase di caricamento del piede che si comporta come una molla. Rispetto all’arto protesizzato, il bacino nella fase di swing presenta una andamento accentuato di arretramento del tronco dovuto ad una scarsa flessione dell’anca e del ginocchio.

•Durante la fase di stance, sul piano orizzontale, il bacino presenta una intrarotazione che compensa l’adbuzione dell’anca in modo da consentire l’avanzamento durante lo sprint, mentre presenta una scarsa extrarotazione durante lo swing rispetto alla norma.

•

------ arto sano ------ arto con protesi

Analisi dei dati: bacino


Analisi dei dati: anca


Nel piano sagittale l’arto sano presenta un anticipo nel raggiungimento della massima flessione dovuta ad una strategia di compensazione (dovuta al vincolo invaso). L’anca dell’arto amputato evidenzia una estensione prossima allo zero, minore rispetto ai normodotati (60°) in corrispondenza del toe-off e un valore minore del picco di flessione durante la fase di swing (circa 10-20° meno dei normali) dovuta ai limiti biomeccanici della protesi.

Nel piano frontale durante la fase di contatto al terreno, l’anca dell’arto amputato va, contrariamente alla normalitàin abduzione, per compensare l’intrarotazione del ginocchio e nel piano orizzontale compensa l’abduzione del ginocchio con una extrarotazione.


Analisi dei dati: ginocchio


Il ginocchio dell’arto sano evidenzia un andamento sinusoidale nella norma, con la sola eccezione di un lieve anticipo nel raggiungimento del picco di massima della flessione (140°) dovuto ad un meccanismo di compensazione dell’arto protesizzato: l’invaso della protesi non consente una flessione del ginocchio superiore a 110° e per questo motivo il ginocchio dell’arto sano deve ruotare più velocemente. Il ginocchio dell’arto amputato non presenta l’andamento discendente in estensione dell’arto sano durante la fase di stance per il fatto che l’allineamento tra invaso e piede conserva sempre una certa flessione di circa 30°. Il comportamento del ginocchio dell’arto sano sul piano orizzontale è nella norma.

Differentemente il ginocchio dell’arto amputato presenta una intra-rotazione costante dovuta al scarsa lunghezza e alla morfologia del moncone.


Analisi dei dati: caviglia


La rotazione della caviglia dell’arto sano rientra nella norma. Il grafico dell’angolo della caviglia del piede meccanico presenta un tratto iniziale durante la fase di appoggio con una minore dorsiflessione dovuta alla forma e all’elasticità del piede meccanico, un tratto quasi orizzontale durante la fase di volo dovuto al mantenimento dell’angolo fissato dal profilo del piede.


Confronto tra i tre atleti amputati

Le differenze fra i tre amputati per quanto riguarda anca, ginocchio e caviglia, sono all’interno del 10% max, ad eccezione di dei grafici del bacino che presentano una maggiore dispersione.


GROUND REACTION FORCE

-20

30

80

130

180

230

280

330

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56

Piede sano

Piede Springlite

Piede Cheetah

CONFRONTO DELLE FORZE SCARICATE AL TERRENO DA UNO STESSO ATLETA CON DIFFERENTI PIEDI

1 ARTO SANO (3234 N);

0,7 SPRINGLITE (2254 N);

0,6 CHEETAH (1960 N)

Forze scaricate al terreno Forze scaricate al terreno

Kgf

ASSENZA DI UN PICCO MASSIMO DELLA CURVA DELLA FZ, CURVA PIÙ AMPIA E PIÙ BASSA INDICE DI UNA MINOR EFFICIENZA DI CORSA.ASIMMETRIA NELLE SPINTE PROPULSIVE DEI DUE ARTI DURANTE LA CORSA.

2600-3500 N normalità2500- 3200 N arto sano amputati2400-2550 N arto con protesi

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% BW

FASE DI STANCEFASE DI STANCE


FASE DI CARICAMENTO:

• FLESSIONE PIEDE

• ABBASSAMENTO E ARRETRAMENTO VERTICE CURVA POSTERIORE DEL PIEDE (marker corrispondente al tallone virtuale) A CAUSA DELLA GEOMETRIA DEL PIEDE E ROTAZIONE CONGIUNGENTE PUNTO DI CONTATTO AL SUOLO-TALLONE DI 5° IN SENSO ORARIO.

• GENERAZIONE UNA COMPONENTE DELLA FORZA NEGATIVA, CONTRARIA ALLA DIREZIONE DI AVANZAMENTO. (2/3 lavoro muscolare muscolatura anca)

COMPONENTE NEGATIVA CESSA QUANDO LA PERPENDICOLARE AL PUNTO DI CONTATTO PASSA PER CIR GINOCCHIO

Componente negativa della Forza in direzione di avanzamento Componente negativa della Forza in direzione di avanzamento


Progettazione di un nuovo piedeProgettazione di un nuovo piede

• ELIMINARE LA COMPONENTE NEGATIVA IN DIREZIONE DI AVANZAMENTO (GRAZIE AD UNA NUOVA MORFOLOGIA E UNA DIFFERENTE RIGIDEZZA DEI TRATTI DEL PIEDE)

• MORFOLOGIA DEL PIEDE DEVE CONSENTIRE UNA MAGGIORE PLANTARFLESSIONE (40° atleti normodotati)

• RISPOSTA ELASTICA E QUINDI PICCO DI MASSIMO DELLE FORZE Fz/Fx IN CORRISPONDENZA DEL MID STANCE

• FUNZIONALITA’ DEL PIEDE SIMILE AL TENDINE D’ACHILLE (responsabile del 90% dell’efficienza della gamba)

• ALLINEAMENTO PIEDE-INVASO PER SCARICARE UNA MAGGIOR FORZA AL TERRENO (FINE ASIMMETRIE TRA ARTI)

• LARGHEZZA SEZIONE TRASVERSALE SUFFICIENTE DA GARANTIRE UN MAGGIOR EQUILIBRIO


Obiettivi e Sviluppi futuri Obiettivi e Sviluppi futuri

OBIETTIVO: FORNITURA DEI PIEDI AGLI ATLETI ITALIANI PER PECHINO 2008

Possibili sviluppi futuri:

• Analisi dello stacco nel salto in lungo

• Testare un campione più ampio di atleti

• Definire un protocollo di testing con il Comitato Paralimpico, per il monitoraggio dell’allenamento e della preparazione degli atleti di interesse nazionale in differenti periodi dell’anno


Pubblicazioni Pubblicazioni

17 Ingegraf2005 e XV ADM SivigliaPoster Tools and methods to optimize lower limb prosthesis design

1-3 giugno 2005 (Bertetti,Bonacini,Colombo,Magrassi)

- IST-SPIEE Three Dimensional Image Capture and Applications VI Reverse engineering and rapid

prototyping techniques to innovate prosthesis socket design 15-19 gen2006 in California

(Bertetti,Bonacini,Colombo,Magrassi)

- ART ABILITATION 18-20 settembre 2006 Esbjerg Danimarca Innovative implementation in

socket design: testing and validation product (Bertetti,Bonacini,Colombo,Corradini,Cugini,Magrassi)

- 5THCONGRESS OF BIOMECHANICS 29 luglio-4 Agosto 2006 Monaco

Biomechanics of sprinting amputees athletes (Bertetti,Bonacini,Cugini)

- XXIV INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON BIOMECHANICS IN SPORTSJuly 14 -18, 2006 Salzburg -Kinematics

of sprinting: comparison between normal and amputeesathletes (Bertetti,Bonacini,Cugini,Zanetti)


Pubblicazioni correlate Pubblicazioni correlate

Novacek The Biomechanics of Running Gait and Posture 7 (1998)77-95· A.J. Harrison, J. Coghlan: A comparison of torque- velocity- power characteristics of maximal knee extension in sprint

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