Dipartimento di Ingegneria MeccanicaChimica e dei Materiali

Università di Cagliari

TECNICHE BAROPODOMETRICHE PER LA VALUTAZIONE

QUANTITATIVA DEL RAPPORTO PIEDE-TERRENO

Massimiliano Pau

PresentazioneLaboratorio di “Biomeccanica

ed Ergonomia Industriale”Dipartimento di Ingegneria Meccanica,

Chimica e dei Materiali (DIMCM)Università di Cagliari

Attività didattica: Corso di Laurea in Ingegneria Biomedica(moduli “Fondamenti di Meccanica e Biomeccanica”,

“Bioingegneria Meccanica”, “Laboratorio di Analisi del Movimento”)Movimento”)

Attività di ricerca: Analisi della Postura e del Movimento in campo Ergonomico, Clinico e Sportivo

Struttura del seminario

Parte 1Parte 1Parte 1Parte 1

• Concetti introduttivi (la baropodometria nell’analisi del movimento)

• Cenni su anatomia e funzioni del piede

• Parametri di riferimento per la caratterizzazione dell’interfaccia piede-terreno e della morfologia dell’appoggio a terra (aree e pressioni di contatto, Arch Index)contatto, Arch Index)

• Tecniche di misura per l’analisi di aree e pressioni plantari (gli strumenti)

• Tipologia e caratteristiche dei sensori baropodometrici

Parte 2Parte 2Parte 2Parte 2

• Esempi di applicazione della baropodometria in campo sportivo ed ergonomico

• Esercitazioni pratiche

L’Analisi del movimentoE’ quella disciplina scientifica che si occupa della valutazionevalutazionevalutazionevalutazione del

movimento umano e comprende: l’acquisizione di dati sperimentali, la loro elaborazione e l’interpretazione dei risultati

Valutazione Soggettiva Oggettiva

QualitativaDescrizione basata

sull’osservazioneRipresa video

Qualitativa sull’osservazione

QuantitativaScale di valutazione

(Barthel, FIM,

Wisconsin gait scale, ...)

Analisi strumentale del

movimento

Analisi strumentale del movimento

Si basa su:

Strumenti di acquisizione

Modelli per il calcolo di variabili

non misurabili

Sistemi optoelettronici

Piattaforme di forza

Elettromiografi

Elettrogoniometri

Sistemi a sensori inerziali

Sistemi baropodometriciSistemi baropodometriciSistemi baropodometriciSistemi baropodometrici

Coordinate 3D di punti anatomici

Forze di reazione al terreno

Potenziali mioelettrici

Angoli articolari

Accelerazioni, velocità angolari

Pressioni all’interfaccia piedePressioni all’interfaccia piedePressioni all’interfaccia piedePressioni all’interfaccia piede----terrenoterrenoterrenoterreno

L’interfaccia piede-terreno Strumenti di acquisizione

Sistemi optoelettroniciPiattaforme dinamometricheElettromiografiElettrogoniometriSistemi a sensori inerzialiSistemi baropodometrici

• La regione plantare rappresenta di fatto l’interfaccia tra il corpo ed il mondo esterno

• La sua funzione e’ quella di trasmettere in modo efficace ed ottimale i carichi generati dalle attività fisiologiche (locomozione in primis)

• Le distribuzioni di pressione che si generano • Le distribuzioni di pressione che si generano possono essere estremamente variabili in funzione dell’attività svolta, ma anche di eventuali patologie

• E’ importante disporre di strumenti che consentano una valutazione oggettiva e quantitativa delle pressioni di contatto e del tipo di appoggio al terreno

• Per valutare tali pressioni si utilizzano le tecniche baropodometriche

Definizioni...Con il termine baropodometria (etimologicamente «misura dellepressioni del piede/plantari») si identifica una tecnica in grado dimisurare «punto per punto» le pressioni esercitate dal piede sulsuolo, sia in posizione eretta (baropodometria statica) sia durante ilcammino (baropodometria dinamica)

PLANTAR PRESSURE MEASUREMENT DEVICES (PMD)

“Even the discipline itself is now referred to by a plethora of

names: baropodometry, pedobarometry, and pedobarography.

The team is pushing for adoption of the less convoluted

“pedography” instead.”

STATICA DINAMICA

Definizioni...Con il termine baropodometria (etimologicamente «misura dellepressioni del piede/plantari») si identifica una tecnica in grado dimisurare «punto per punto» le pressioni esercitate dal piede sulsuolo, sia in posizione eretta (baropodometria statica) sia durante ilcammino (baropodometria dinamica)

La baropodometria statica consente:

• l’identificazione della morfologia • l’identificazione della morfologia del piede (cavo, piatto, etc.).

• la valutazione della distribuzione delle pressioni plantari con identificazione delle zone di concentrazione delle pressioni

• la visualizzazione della posizione del COP e della sua evoluzione nel tempo (stabilometria)

Il tipico output di un esame baropodometrico è rappresentato da unamappa in scala di falsi colori

Definizioni...Con il termine baropodometria (etimologicamente «misura dellepressioni del piede/plantari») si identifica una tecnica in grado dimisurare «punto per punto» le pressioni esercitate dal piede sulsuolo, sia in posizione eretta (baropodometria statica) sia durante ilcammino (baropodometria dinamica)

La baropodometria dinamicaconsente la valutazione:consente la valutazione:

• dell’appoggio del piede durante la dinamica del passo;

• delle caratteristiche del cammino (es. la lunghezza del passo, tempo di contatto ecc.);

• della progressione del COP

A cosa serve?• Progettazione calzature (sportive,

ergonomiche, quotidiane...)

• Progettazione supporti ortesici (plantari)

• Studio della biomeccanica del cammino e delle sue variazioni in funzione di fattori quali età, genere, razza ecc.

Studio patologie:Studio patologie:Studio patologie:Studio patologie:Studio patologie:Studio patologie:Studio patologie:Studio patologie:

• Piede diabetico (ulcerazioni causate da stress eccessivi in combinazione con problematiche circolatorie e neuropatie)

• Valutazione biomeccanica degli effetti di trattamenti chirurgici o riabilitativi

• Monitoraggio di tutte le patologie che comportano alterazioni posturali

Il piede• Il piede rappresenta il punto fisso al suolo su cui grava l’intero peso corporeo.

• E’ una struttura alla base del sistema di controllo antigravitario (sistema posturale e di equilibrio) che consente all’uomo di mantenere la sua posizione eretta e di spostarsi nello spazio.

• Esso è sia effettore che recettore in quanto riceve ed esegue comandi tramite i muscoli ed è in grado di interagire con il resto del corpo fornendo informazioni attraverso i recettori presenti sulla regione plantare,muscoli, tendini e articolazioni.

• Inoltre il piede è un’ importante pompa circolatoria oltre che una struttura portante e un sistema propulsivo e di sostegno per l’intero corpo umano.

Il piedeÈ un organo complesso costituito da numerose articolazioni che ne rendono possibile il movimento e l’adattabilità a tutte le superfici.

Nel piede troviamo 26 ossa variamente articolate, numerosi muscoli e tronchi nervosi che rendono possibili le funzioni motorie e sensitive.

EEEE’ possibile ’ possibile ’ possibile ’ possibile distinguere tre regioni distinguere tre regioni distinguere tre regioni distinguere tre regioni fondamentali:fondamentali:fondamentali:fondamentali:

Retropiede: rappresenta la regione che per prima è sottoposta al contatto (impulsivo) del piede al suolo durante la deambulazione. In esso si trovano l’astragalo e il calcagno.

Mesopiede, il cui compito è quello di ammortizzare la spinta dovuta al movimento. Nel mesopiede sono localizzati l’osso cuboideo, i tre cuneiformi e lo scafoide tarsale. (navicolare)

Avampiede: rappresenta la struttura principalmente coinvolta nella spinta locomotoria. In essa trovano collocazione le ossa delle falangi e dei metatarsi.

Gli archi plantariLa volta plantare è caratterizzata dalla presenza di

archi longitudinali e trasversali

• Distribuiscono il carico• Proteggono vasi sanguigni e nervi da un’eccessiva compressione• Sono dinamici e flessibili (si deformano sotto carico ma poi riprendono

la loro configurazione originale (effetto «molla»)

Arco longitudinale LATERALEArco longitudinale LATERALEArco longitudinale LATERALEArco longitudinale LATERALE

• Più rigido• Sostiene il peso corporeo prima che

entri in gioco l’arco mediale

Arco Arco Arco Arco longitdinalelongitdinalelongitdinalelongitdinale MEDIALE MEDIALE MEDIALE MEDIALE

• Semplicemente definito «l’arco plantare»

• Più alto (non compare nell’impronta)• Assorbe la maggior parte degli urti

durante cammino/corsa/salti

Morfologia dell’appoggioLa configurazione geometrica e la funzionalità dell’arco plantareconsentono di definire alcune morfologie di «piede tipo». In particolare sidistinguono:

• Piede cavo («high arched foot», «cavus foot», «pes cavus»)• Piede piatto («low arched foot», «flat foot», «pes planus»)

Arch IndexProposto da Cavanagh & Rodgers(1987) permette una rapidacaratterizzazione della morfologiaplantare.

Procedura:Procedura:Procedura:Procedura:

1. Si traccia una linea che unisce il centro del secondo dito al centro del tallone (pternion)

2. L’asse così ottenuto viene diviso in tre parti

BAI

A B C=

+ +

2. L’asse così ottenuto viene diviso in tre parti uguali che definiscono la posizione di avampiede (A), mesopiede (B) e retropiede(C).

3. L’Arch Index (AI) è dato dal rapporto tra area del mesopiede ed area totale del piede (dita escluse)

AI < 0.21 PIEDE CAVO

0.21<AI<0.26 PIEDE NORMALE

AI > 0.26 PIEDE PIATTO

Arch IndexIl valore dell’Arch Index è ben correlato con le caratteristicheanatomiche del piede (altezza dell’osso scafoide tarsale/navicolare)rilevate mediante immagini radiografiche (r=0.71)

Piede cavo e piatto

AI = 0.05

Le forme lievi di piede cavo sono generalmente asintomatiche, mentre le forme più gravi possono originare:

• fasciti plantari• talloniti• tendiniti achillee• callosità dolorose• difficoltà ad indossare calzature• gravi deformitàartrosi dolorosa

Il piede piatto si presenta inizialmente come asintomatico.

Successivamente possono insorgere dolore e difficoltà nella deambulazione

• artrosi dolorosa

AI = 0.28

Il piede nella postura eretta...• Costituisce la base di appoggio, requisito fondamentale per garantire la

stabilità della postura eretta ed impedire cadute

• Trasmette il carico corporeo al terreno. Tipicamente la ripartizione è la seguente: 30% avampiede, 10% mesopiede, 60% retropiede.

• Le dita svolgono un ruolo minimale nella sopportazione del carico

Regione Plantare Superficie (mm2) P media (kPa) P massima (kPa)

Retropiede 3000-3500 60-80 100-140

Mesopiede 1200-1600 5-10 25-40

Avampiede 3800-4200 15-20 40-80

Il piede nella locomozione...1. Accetta il carico verticale durante la fase di

heel strike (contatto al suolo con il tallone)

2. Assorbe e dissipa le forze generate dalmovimento mediante strutture flessibili(mesopiede e avampiede) durante la fase dipronazione tipica del del mid-stance

3. Fornisce la necessaria propulsione per

�

�3. Fornisce la necessaria propulsione per

l’avanzamento corporeo nel momento in cui si comporta da leva rigida nel toe-off

�

�

Pressioni di contatto dinamiche• Il trasferimento del carico corporeosul piede di supporto, general’insorgere di livelli differenti dipressione sulle strutture plantari

• Inizialmente il carico e’ applicatorapidamente (0.05 s) su una piccolaarea postero-laterale e la pressioneraggiunge valori fino a 400 kPa

• L’avanzamento aumenta l’area eriduce la pressione a 100-200 kPariduce la pressione a 100-200 kPa

• Può essere presente un contattomedio-laterale ma a bassi livelli dipressione

• Le pressioni metatarsali sonogeneralmente superiori tra 2° e 3°metatarso

• La fine del contatto avviene conl’alluce e i valori di pressioneregistrati possono essere piuttostoelevati

Aree di supporto durante il passoLe differenze nel tempo di contatto del tallone e dell’avampiedecon il terreno, determinano differenti schemi di supporto delpiede.

La sequenza alla velocità di cammino usuale (4-5km/h)

1.RETROPIEDE

2.PIANTA (tallone+avampiede)

3.AVAMPIEDE

Tecniche di misura

BaropodometriaBaropodometriaBaropodometriaBaropodometria

Su piattaforma(piede nudo o scarpa su

“In-sole/shoes”

Capacitivi

ResistiviCapacitivi

(piede nudo o scarpa suterreno) (piede nudo su interno scarpa)

Ottici

Estensimetrici

Resistivi

Un po’ di storia…

1882 Beely (calchi di gesso)

1939 Elftman(“barograph”)gesso)

1930 Morton (“kinetograph”)

(“barograph”)

1947 Harris & Beath mat

Sistema Harris

• Harris-Beath Mat: matrice di gomma morbida imbevuta di inchiostro

• Possono essere ottenute informazioni anche di tipo semi-quantitativo su aree e pressioni

• Molto utilizzato nei paesi «poveri»

Impronte Harris

Sistemi ottici: il podoscopio

• Il podoscopio è uno strumento costituito da una struttura portante (metallo, plastica) con unpiano superiore trasparente (vetro-plastica) retro-illuminato

• Il soggetto esaminato sale a piedi nudi sul piano e viene invitato a mantenere una posizionerilassata per alcuni minuti.

• Il piano sottostante alla superficie di appoggio è costituito da uno specchio inclinato in grado diriflettere l'immagine delle piante dei piedi consentendone la visualizzazione e, quindi, lavalutazione in condizione statica.

• La pedana consente anche la valutazione visiva della distribuzione dei carichi sui due piedi,evidenziata dalla differente intensità luminosa dell'impronta plantare sotto caricoeventualmente anche attraverso una successiva elaborazione grafica digitale delle immagini.

Sistemi ottici: il podoscopio

Piede CavoPiede CavoPiede CavoPiede CavoPiede CavoPiede CavoPiede CavoPiede Cavo

Piede PiattoPiede PiattoPiede PiattoPiede Piatto

Caratteristiche dei sensoriIsteresiIsteresiIsteresiIsteresi:::: valutabile dall’osservazione dell’andamentodel segnale di uscita del sensore quando questo vienecaricato e scaricato

LinearitàLinearitàLinearitàLinearità:::: massima discrepanza tra l’andamentoeffettivo del segnale e una retta

DriftDriftDriftDrift:::: deriva del segnale a carico costanteDriftDriftDriftDrift:::: deriva del segnale a carico costante

RangeRangeRangeRange:::: massima pressione misurabile(burst pressure massima pressionemisurabile prima del danno fisico). Dipendedall’applicazione (standing: 0.15 MPa,walking: 0.8-1 MPa). In genere varia tra 1.2 -2 MPa.

FrequenzaFrequenzaFrequenzaFrequenza didididi acquisizioneacquisizioneacquisizioneacquisizione:::: più alta è meglioè…tipicamente servono almeno 200 Hz perla corsa. Per il cammino bastano anche100-120 Hz

Frequenza di campionamento

Caratteristiche dei sensori

RisoluzioneRisoluzioneRisoluzioneRisoluzione:::: espressa in numero di sensoripresenti per unità di superficie (tipicamente1.5-3 sensori/cm2). Condiziona pesantementeil costo dello strumento

DimensioneDimensioneDimensioneDimensione deldeldeldel sensoresensoresensoresensore:::: Un sensore di grandidimensioni può sottostimare I picchi dipressione. Dimensioni tipiche sonodell’ordine dei 5-7 mmdell’ordine dei 5-7 mm

Sensori capacitivi

• Un capacitore elettrico (condensatore) ècomposto da due armature, ossia due piastreconduttrici, disposte parallelamente l’unaconduttrici, disposte parallelamente l’unarispetto all’altra e separate da una distanzapiccola se comparata con le dimensionilineari delle piastre stesse.

• Lo spazio tra le armature è occupato da unmateriale elastico non conduttivo(dielettrico).

• L’applicazione di una forzaforzaforzaforza normalenormalenormalenormale (P)(P)(P)(P) allaallaallaallasuperficiesuperficiesuperficiesuperficie (A)(A)(A)(A) tende a ridurre la distanza trale armature e origina una differenza dipotenziale proporzionale alla pressione P/A

Sensori capacitivi

Dielettrico

Comprimibile

Righe

Colonne

Un esempio di realizzazione praticaUn esempio di realizzazione praticaUn esempio di realizzazione praticaUn esempio di realizzazione pratica

Uno strato di elastomero comprimibilefunge da supporto per le armature dei condensatori, che vengono accorpati in:

““““r” r” r” r” righe righe righe righe (sopra) e (sopra) e (sopra) e (sopra) e ““““c” c” c” c” colonnecolonnecolonnecolonne (sotto(sotto(sotto(sotto))))

e poi collegati all’esterno. Quindi si ottiene un dispositivo (piattaforma o soletta) dotato di r*c capacitori soletta) dotato di r*c capacitori

Sensori resistivi/piezoresistivi

• Nei materiali piezoresistivi (e.g.semiconduttori), la resistività èinfluenzata dalla forza/sollecitazioneesterna

• Per un conduttore realizzato con talimateriali, la resistenza elettrica è elevatain assenza di carico e tende a diminuireall’aumentare del caricoall’aumentare del carico

A

lR ⋅= ρ

Es: i sensori Tekscan

Il sistema Footscan (RS-Scan)