Video-Based Gait Analysis in bambini affetti da Sindrome X Fragile

Fragile X Syndrome (FXS) is the most widespread cause of intellectual disability and autism spectrum disorder, and it is characterized by specific musculoskeletal manifestations. These conditions are associated with alterations of joint kinematics and muscle activations during walking. Despite the shortage of works in the literature relating to FXS, the study of gait analysis could help to plan a personalized rehabilitation. This thesis work was carried out at the laboratory at the Movement Bioengineering of Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione of the University of Padua and was born from the collaboration with Dipartimento Salute della Donna e del Bambino of the Azienda Ospedaliera Universitaria di Padova. The aim of the study was to evaluate the effectiveness of gait analysis in standard ambulatory condition, out of the laboratory of Movement Bioengineering, to extract the parameters of kinematics, spatiotemporal and surface electromyography to create a personalized program for each child and compare the results obtained with those of the controls. Seven FXS children, age 9.4 ± 3.21 years and BMI of 20.86 ± 3.09 Kg/m2, were studied through four commercial synchronized video cameras, GoPro Hero7, and surface electromyography, Cometa. The gait data are elaborated through the software TrackOnField (BBSoF s.r.l.) and specific Matlab scripts present in the BioMovLab’s database to extract the flexion-extension angles of hip, knee and ankle and the spatiotemporal parameters. Joint angles are computed with and without the static. Previously it has been studied the activations of four muscles: Rectus Femoris, Biceps Femoris, Tibialis Anterior and Gastrocnemius Lateralis. The results are represented in two reports for each child: one where the joint angles have the static and the second one without the static, and they are compared with the data of fifteen controls with typical neurodevelopment. The joint angle’s results show differences in the angles with and without subtracting the angle in the static position, so they demonstrate the importance to study the angles in both conditions. Analyzing the angles without subtracting the static values, the hip and ankle angles show an excessive flexion while the knee’s angle shows a reduction. Instead, considering the joint angles without the static, the hip’s flexion is similar in both the population while the knee and the ankle angles present a reduced flexion when compared to controls. The results also show that the spatiotemporal parameters i.e., of stride time, velocity, cadence, stride width and double support time are significantly different.

La sindrome dell’X fragile, FXS, è la causa più diffusa di disabilità intellettiva e di disturbi dello spettro autistico ed è caratterizzata da manifestazioni muscolo-scheletriche specifiche. Queste condizioni sono associate ad alterazioni della cinematica articolare e dell’attivazione dei muscoli durante il cammino. Nonostante la scarsità dei lavori in letteratura relativi a FXS, lo studio dell’analisi del movimento può aiutare a pianificare una riabilitazione specifica. Il presente lavoro di tesi si è svolto presso il laboratorio di Bioingegneria del Movimento del Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione dell’Università degli Studi di Padova e nasce dalla collaborazione con il Dipartimento di Salute della Donna e del Bambino dell’Azienda Ospedaliera Universitaria di Padova. L’obiettivo dello studio è di valutare l’efficacia dell’analisi del cammino in un follow up clinico di routine in condizioni ambulatoriali, quindi al di fuori di un laboratorio di analisi del movimento, e di estrarre, dai dati acquisiti, i parametri di cinematica articolare ed elettromiografia di superficie per poter creare un programma personalizzato per ciascun bambino. Sono stati studiati sette bambini affetti da FXS di età 9.4 ± 3.21 anni e BMI di 20.86 ± 3.09 Kg/m2 attraverso quattro videocamere commerciali sincronizzate, GoPro Hero7, ed elettromiografia di superficie,Cometa. I dati sono stati elaborati tramite il software TrackOnField (BBSoF s.r.l.) e specifici script Matlab e specifici codici Matlab presenti nei database del BioMovLab per estrarre gli angoli di flesso-estensione di anca, ginocchio e caviglia e i parametri spazio-temporali. Gli angoli articolari sono stati calcolati con e senza sottrazione degli angoli in condizioni statiche. I risultati sono stati rappresentati in due report per ogni bambino: un report presenta gli angoli senza sottrarre il valore corrispondente nell’acquisizione in condizioni statiche e l’altro con la statica sottratta, e sono stati comparati con i dati di quindici controlli con tipico neurosviluppo. I risultati degli angoli articolari mostrano differenze negli angoli con e senza sottrazione degli angoli in posizioni statiche, questo dimostra l’importanza di studiare entrambe le valutazioni per tenere in considerazione l’assetto posturale del soggetto sia in condizioni statiche che dinamiche. Analizzando gli angoli c, l’anca e la caviglia mostrano una flessione eccessiva mentre il ginocchio presenta una flessione ridotta rispetto ai controlli. Invece, considerando gli angoli senza statica, la flessione dell’anca è simile in entrambe le popolazioni mentre il ginocchio e la caviglia presentano una flessione ridotta rispetto ai controlli. Inoltre, i risultati mostrano che i parametri spazio-temporali, durata del passo, velocità, cadenza, larghezza del passo e durata di doppio appoggio, sono statisticamente significativi.