Studiare la cinematica del ginocchio grazie a sensori inerziali

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Un percorso di riabilitazione prevede una parte di allenamento a casa, in autonomia o con l’ausilio di apposite applicazioni.
Il fisioterapista ha il compito di capire se l’esercizio viene eseguito nel modo corretto, perché anche da questo aspetto dipende l’esito del percorso di recupero. A tal fine, sono utili i sensori indossabili.

Una proposta giunge da un team francese, che ha attrezzato una ginocchiera con sensori per la ricostruzione a distanza della cinematica in 3D del ginocchio. Un simile sistema può permettere di capire quali sono i movimenti effettuati dal paziente durante la sessione riabilitativa.
Per valutarne l’efficacia, il team ha coinvolto tredici individui sani, sottoponendoli a un test del passo su tapis roulant. Dopo una prima fase di adattamento, i soggetti hanno camminato a piedi nudi per 60 secondi alla velocità preferita.
La cinematica del ginocchio è stata, quindi, registrata con i sensori inerziali presenti nella ginocchiera e con il metodo standard, ossia utilizzando un sistema di tredici telecamere optoelettroniche.

A tal fine, sono stati utilizzati dei marker riflettenti, fissati al malleolo mediale e laterale, all’epicondilo mediale e laterale della tibia, all’epicondilo mediale e laterale del femore, al grande trocantere, alla spina iliaca antero-superiore destra e sinistra e alla spina iliaca postero-superiore destra e sinistra.

Prima di proseguire, vediamo più nel dettaglio quali sono le caratteristiche degli IMU della ginocchiera, che offrono accelerometri, giroscopi e magnetometri a una risoluzione di 12 bit.
Il confronto tra i risultati ottenuti con i due metodi permette di dire che la ginocchiera sensorizzata offre un’ottima sensibilità per la registrazione della cinematica del range of motion articolare nelle tre dimensioni dello spazio, almeno se non si utilizza il magnetometro.

Questo strumento, infatti, amplifica gli errori, portanto il Root Mean Square Error (RMSE) a superare il valore di 3. Se, invece, viene silenziato, si osserva una correlazione eccellente tra i due metodi, con coefficiente di correlazione di Pearson molto basso, per l’asse maggiore, ovvero quello di flessione/estensione e ancora più per l’asse minore.

I risultati ottenuti per il piano sagittale sono in linea con quelli già presenti in letteratura per altri dispositivi indossabili. Il processo di calibrazione utilizzato ha permesso, quindi, di ridurre alcuni errori.

Lo studio offre comunque spunti per portare avanti la ricerca, in particolare stimolando gli autori a modificare i magnetometri, per esempio, introducendo un gain adattativo.
Quella dei sensori indossabili è una tecnologia che promette di rivoluzionare il mondo della riabilitazione, insieme alla tele-riabilitazione, perché potrebbe consentire agli specialisti di monitorare la sessione domiciliare di riabilitazione a distanza, con alert che segnalano quali pazienti stanno sbagliando e possono necessitare di un intervento diretto per correggersi.

Il team che ha lavorato a questo studio comprende ricercatori di diversi istituti francesi: l’Università della Costa Azzurra, l’Istituto Universitario di Francia e Ted Orthopedics.

(Lo studio: Reneaud, N.; Zory, R.; Guérin, O.; Thomas, L.; Colson, S.S.; Gerus, P.; Chorin, F. Validation of 3D Knee Kinematics during Gait on Treadmill with an Instrumented Knee Brace. Sensors 2023, 23, 1812. https://doi.org/10.3390/s23041812)