Studio dei fattori di influenza sulla leg stiffness in atleti paralimpici d'elite amputati unilateralmente durante prove di salto in lungo e corsa su pista

Leg stiffness (Kleg) is a key parameter when it comes to describe the mechanical behaviour of the lower limb during running, track sprinting or long jumping. Amputee athletes need a specific kind of protheses to replicate the spring-like behaviour of the limb, which are called RSP, or running specific protheses. RSP can be used both for track sprinting and long jumping. The aim of this work is to analyse some of the factors influencing Kleg, both in the affected limb (AL) and unaffected limb (UL), during long jumping and track sprinting trials. These factors are velocity of the athlete, socket alignment and type of foot blade. Datas for this work were collected during in vivo trials using, as subjects, paralympic medallists Roberto La Barbera and Martina Caironi as long jumper [1][2] and Monica Contrafatto and Giuliana Filippi as track sprinters [3]. Roberto La Barbera and Giuliana Filippi are transtibial amputees (TT), while Monica Contrafatto and Martina Caironi are transfemoral (TF). Datas collected were then processed via VICON NEXUS (Oxford Metrics Ltd, UK) software and a custom MATLAB (MathWorks, Natick, Ma) script to calculate Kleg, foot stiffness and residual limb stiffness, as well as their relations with the parameters above. Datas were collected during in vivo trials on elite paralympic transtibial and transfemoral sprinters and jumpers, via a VICON NEXUS (Oxford Metrics Ltd, UK) motion capture system combined with nine AMTI (Watertown, MA, USA) force platforms. Further analysis has been carried out with a custom MATLAB (MathWorks, Natick, MA, USA). Results expected are an increase of Kleg as velocity increases, no significant differences in changing socket alignment angle, an increase of Kleg as nominal stiffness of the prosthetic feet increases. Moreover, UL’s stiffness is expected to be higher than AL’s, thus showing and confirming bilateral asymmetry. The data analysis confirmed that unilateral amputee athletes have bilateral asymmetry during running, but the trials weren’t enough to show clear relationships between Kleg and different different socket alignment angles. Data showed that stiffer RSP contributed to higher values of leg stiffness. It was observed that overall leg stiffness is significantly lower than the RSP and the stump stiffness, so the category of the RSP and the compliance of the residual limb should not be ignored. Moreover, it was observed a relationship between increasing velocity and increasing leg stiffness value. Also, the foot strike and foot off angle were different between the two types of athletes, since TT’s had higher values. Since the large number of assumptions and simplifications have been made, further trials will take place to overcome all this factors, and also to give statistical relevance to the model implemented.

La rigidezza della gamba (leg stiffness), nel prosieguo indicata con la sigla Kleg, è un parametro che viene spesso utilizzato nel descrivere il comportamento dell’arto inferiore durante atti di corsa o salto. Gli atleti che hanno subito un’amputazione a livello dell’arto inferiore necessitano di una protesi specifica, che imiti tale comportamento. Tali protesi vengono chiamate RSP (running specific protheses) e vengono utilizzati sia per la corsa su pista che per il salto in lungo. L’obiettivo di questo lavoro è analizzare alcuni fattori che influenzano la Kleg dell’arto inferiore amputato, denominato AL (affected limb), e dell’arto inferiore sano, denominato UL (unaffected limb) di un atleta di alto livello nel salto in lungo e nella corsa. Questi fattori sono: velocità dell’atleta, angolo di allineamento della protesi e tipologia di piede. Le prove sono state condotte prendendo atleti d'elite, infatti come saltatori sono stati scelti Roberto La Barbera e Martina Caironi, rispettivamente amputati transtibiale (TT) e transfemorale (TF), e come sprinters Giuliana Filippi (TT) e Monica Contrafatto (TF). I dati sono stati ottenuti tramite un sistema motion capture VICON NEXUS (Oxford Metrics Ltd, UK) e nove pedane di forza AMTI (Watertown, MA, USA). L’analisi successiva è stata condotta tramite uno script MATLAB (MathWorks, Natick, MA, USA) appositamente creato. I risultati attesi sono: aumento di Kleg con l’aumento della velocità, nessuna differenza significativa con differenti angoli di allineamento della protesi, incremento di Kleg con l’aumento della stiffness nominale dei piedi protesici. Inoltre, la stiffness dell’arto sano sarà maggiore di quella dell’arto amputato, confermando la presenza di asimmetria bilaterale. L'analisi dei dati ha confermato che negli atleti amputati unilaterali è presente asimmetria bilaterale, in quanto la stiffness dell'arto sano è maggiore di quella dell'arto amputato. I risultati delle prove non sono stati sufficienti a determinare una relazione statisticamente rilevante tra la rigidezza dell'arto inferiore e i differenti angoli di allineamento del socket o le varie tipologie di piedi protesici. Dai dati è comunque possibile notare che piedi diversi hanno effetto di alzare la rigidezza della gamba, ma solo se la geometria del piede rimane la stessa, mentre l'aumento della velocità fa aumentare il valore della leg stiffness. Inoltre, gli angoli al foot strike e foot off sono diversi tra le due tipologie di atleti, in quanto nei TT sono più elevati che nei TF. I dati hanno confermato che la stiffness del piede protesico e dell'arto residuo (residual limb) sono elevate e contribuiscono fortemente al valore totale della leg stiffnes; quindi, quando è necessario scegliere una protesi per un atleta è necessario tenere in considerazione questi due fattori. A causa delle semplificazioni introdotte nei modelli proposti, sono necessari studi futuri per superare queste limitazioni e per dare rilevanza statistica ai modelli implementati.