Cos è l Ingegneria della Riabilitazione?

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1 Laboratorio di Microcalcolatori Sez: Strumentazione Elettromedicale Laboratorio di Bioingegneria Tecnologie per il recupero ed il mantenimento delle funzioni sensori-motorie (Ingegneria della riabilitazione) A. Buizza, G. Magenes, R. Lombardi, M. Schmid Dipartimento di Informatica e Sistemistica Cos è l Ingegneria della Riabilitazione? "Rehabilitation engineering is the application of science and technlogy to improving the quality of life for people with disabilities." James Reswick ( L Ingegneria della Riabilitazione è l applicazione di scienza e tecnologie per migliorare la qualità della vita di persone con disabilità )

2 Schema del processo di riabilitazione Dove si inserisce l ingegneria della riabilitazione? VALUTAZIONE FUNZIONALE: metodologie e strumenti per la valutazione oggettiva del grado di disabilità RECUPERO FUNZIONALE: sistemi per il ripristino delle funzionalità motorie compromesse (es.: stimolazione elettrica funzionale) SOSTITUZIONE FUNZIONALE: sistemi sostitutivi dell'organo compromesso (es.: protesi) AUSILI TECNOLOGICI: sistemi tecnologicamente avanzati (es.: unità robotiche) come ausilio al disabile FORMAZIONE E DOCUMENTAZIONE: metodologie e strumenti per la formazione di disabili ed operatori all'utilizzo delle nuove tecnologie della riabilitazione.

3 VALUTAZIONE FUNZIONALE La Valutazione Funzionale affronta le problematiche legate alla valutazione della funzionalità motoria in presenza di disabilità, ponendosi come obiettivo lo sviluppo di strumenti e metodologie per la valutazione funzionale della disabilità motoria basata su criteri quantitativi, oggettivi e ripetibili La ricerca condotta in questa area ha un immediata ricaduta in riabilitazione, in termini di pianificazione dell intervento riabilitativo, di verifica dell efficacia e soprattutto di possibilità di confronto fra situazioni diverse. Essa ha tuttavia possibili ricadute anche in altri settori: -in ambito medico legale -in ambito sociale - nella prevenzione e nell ergonomia. RECUPERO FUNZIONALE Ogni anno, centinaia di migliaia di persone subiscono una lesione al Sistema Nervoso Centrale (SNC) a seguito, per esempio, di ictus, traumi cranici e midollari. Le nuove terapie farmacologiche e chirurgiche hanno notevolmente ridotto il tasso di mortalità facendo aumentare, di conseguenza, il numero di persone che convivono con un certo grado di disabilità senso-motoria. Il settore del Recupero Funzionale si pone l obiettivo di progettare, testare e disseminare nuove tecnologie e procedure riabilitative per il recupero funzionale di soggetti con disordini senso-motori.

4 SOSTITUZIONE FUNZIONALE Il settore mira a colmare il divario esistente fra lo stato dell'arte tecnologico (sensori, attuatori, sistemi di controllo e strumenti di progettazione assistita) e gli strumenti, i componenti ed i sistemi normalmente impiegati in protesica. Obiettivi specifici di tali attività saranno la realizzazione di protesi di nuova generazione, che possono essere definite come bio-meccatroniche, in grado di integrare le funzionalità meccaniche e di controllo con quelle sensoriali, lo sviluppo di sensori per la valutazione delle caratteristiche del contatto significative nell'impianto di protesi Bioingegneria dell organizzazione sensomotoria nella stabilizzazione posturale Obiettivo Sviluppare nuove tecniche e metodi per la prevenzione del rischio di caduta nell anziano Perché è Importante??! Diminuire il rischio di caduta nell anziano, è giustificato da necessità di tipo: Sociale Economico

5 Motivazioni Sociali Il 20% della popolazione Italiana ha un età superiore ai 65 annie di questi ogni anno il 10% incorre in cadute che comportano un invalidità Fisico-Psicologica permanente A livello Europeo, nella medesima fascia di età, i decessi conseguenti a caduta sono più numerosi di quelli dovuti a: infezioni polmonari diabete mellitto altri eventi traumatici Motivazioni Economiche Ogni anno circa anziani devono ricorrere a cure mediche od ospedaliere costi elevati

6 Come possiamo prevedere il rischio di caduta negli anziani??? Posturografia Metodica utilizzata per la valutazione dell equilibrio statico e dinamico dell uomo Test Posturografico standard Si esegue con il soggetto in posizione eretta sopra una pedana Dinamometrica e si misura la reazione vincolare piede/suolo Comunemente detta COP

7 Forze di reazione al suolo Centro di Gravità e COP CG: Definito come la posizione del baricentro del corpo COP: Definito come il punto di applicazione della forza risultante scambiata tra piede e suolo. Il movimento del COP varia in relazione al movimento del CG e alla distribuzione della forza muscolare richiesta per controllare o produrre un movimento

8 L andamento della componente verticale delle forze di reazione al suolo si modifica con la velocità di progressione del passo. La misura del COP Vengono rilevate le oscillazioni meccaniche in termini di: Coordinate del punto di applicazione Modulo della forza applicata Attraverso lo studio del COP è possibile identificare disfunzioni a carico dei sistemi sensoriali impegnati nel mantenimento dell equilibrio.

9 Oscillazione Posturale Il corpo in posizione eretta si trova in uno stato di equilibrio instabile. La tendenza ad infrangere l equilibrio da luogo a continui movimenti compensatori. Il corpo oscilla attorno alla propria posizione di equilibrio Modello Cinematico Biomeccanico Strategia di caviglia Modello a pendolo invertito Strategia d anca Modello a multipendolo invertito

10 L esame Posturografico risulta insufficiente per descrivere un modello cinematico complesso come il multi-pendolo invertito E quindi necessario un nuovo approccio Obiettivi della ricerca Sviluppare un sistema per la misura contemporanea dei movimenti del: Capo Tronco Centro di pressione durante il mantenimento della stazione eretta

11 Caratteristiche del Sistema Ingombro ridotto Trasportabilità Costo ridotto Possibilità di verificare le dissimmetrie di appoggio tra i due piedi Sistema di Acquisizione (Prototipo realizzato dall ISS) Unità di Controllo Solette a Matrice Piezoresistiva Rete di elaborazione HW del C.O.P. Sistema di Ricezione

12 Le Solette Matrice di sensori Interdigitati su supporto in Kapton Solette di sensori

13 Distribuzione delle pressioni plantari Camminata

14 Definizione del sistema di riferimento L asse Y giace nel piano di simmetria del corpo orientato in avanti e l asse X è tangente ai talloni del soggetto Piedi disposti con un angolo di 30 Movimenti della testa Sistema di riferimento

15 Movimenti della testa Movimenti della testa Sistema con 3 accelerometri (3 assi) e 3 giroscopi (3 rotazioni) Accelerometri Ditta: Access Sensors Modello: ATT1C/2-A-2 (accelerometro asse y e z), AMD CK (accelerometro asse x) Intervallo di misura: tra 2g e 2g Uscita: compresa tra 1,5 e 3,5 V Banda passante: 500 Hz Risoluzione: 0,003% FS Linearità: +/-0,5% FS Impedenza d ingresso: > 10KΩ Corrente massima assorbita: 7,5 ma Sensibilità: il modello ATT1C circa 50 mv/m/sec 2, il modello AMD CK circa 99,2 mv/m/sec 2 Offset: circa 2,7 V Alimentazione: 12 V Giroscopi Ditta: Murata Elettronics Modello: GYROSTAR ENC05EA/EB Intervallo di misura: +/-90 deg/sec Uscita: compresa tra 1,3 e 3,3 V Banda passante: 50 Hz Linearità: +/-5% FS Corrente massima assorbita: 5 ma Sensibilità: 1,11 mv/deg/sec Offset: circa 2,3 V Alimentazione: 5 V

16 Inclinazione del tronco Sistema di riferimento Inclinazione del tronco Inclinometri Ditta: MIDORI PRECISIONS Modello: PMP-S30TX Intervallo di misura: +/- 30 Impedenza: 30 KΩ Linearità: +/- 1% FS Sensibilità: circa 0,01 V/ Offset: circa 2,5 V Alimentazione: 5 V

17 Elaborazione delle Misure Dominio del Tempo Dominio della Frequenza Stabilogramma Statochinesigramma Diagramma di velocità del COP Parametri Quantitativi Densità spettrale di energia X 1,1 Stabilogramma Rappresentazione in funzione del tempo delle oscillazioni del COP lungo l asse X (antero/posteriore), e lungo l asse Y (Dx/Sn) Stabilogramma Xcop Ycop 1,0 Y 0,9 0,5 0,

18 Statochinesigramma Escursione del COP sul poligono di sostegno Statochinesigramma CO P Piede sx 1,0 COP Piede dx 1,0 COP 1,0 0,9 0,8 0,9 0,8 0,9 0,8 0,7 0,7 0,7 0,6 0,6 0,6 0,5 0,5 0,5 0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 0,3 0,2 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Statochinesigramma (occhi chiusi) 3 Soggetto 1 3 Soggetto Copx 0 1 Copx peso medio sul piede sn 32,01 Copy peso medio sul piede ds 36, peso medio sul piede sn 39,08 Copy peso medio sul piede ds 2 48, Soggetto 3 Soggetto Copx 0 1 Copx peso medio sul piede sn 24,37 Copy peso medio sul piede ds 26, peso medio sul piede sn 43,11 Copy peso medio sul piede ds 36,77 3

19 Meccanica motoria Endocrino metabolica Sensori motoria SOSTITUZIONE FUNZIONALE Supporto meccanico Neuro motoria Neuro sensoriale Problemi tecnologici e metodologici Energetici ( arti, muscoli..) Biocompatibilità e durata (protesi di articolazioni, pancreas, elettrodi..) Miniaturizzazione (visione, tatto,..) Interfacciamento (connessioni al sistema biologico) Codifica (come comunicare alla parte biologica) Controllo (algoritmi in anello chiuso) Complessità e ridondanza (sistema nervoso).

20 Problemi etici Fino a che punto è lecito sostituire? Qual è il limite al di là del quale l uomo perde la sua identità? Quali sono le parti sostituibili e con quale grado di accettazione? Si potrà sostituire il cervello o una parte di esso? L etica non è una scienza. Ma, benché non esista una base scientifica razionale dell etica, c è una base etica della scienza e del razionalismo. K.R. Popper, 1996 Esempi di Sostituzione Funzionale: SISTEMI MECCANICI ed ELETTROMECCANICI PER IL MOVIMENTO

21 Soluzioni solo meccaniche.. Protesi di ginocchio Soluzioni con elettronica Ginocchio Pneumatico Ginocchio idraulico Endolite IP Plus (Blatchford) Power Knee (Nabco) Ginocchio C-Leg (OttoBock)

22 Ginocchio elettronico Elettronica principale Sensore per il rilevamento dell angolo di flessione Unità di vibrazione Unità valvole Sensore momento caviglia SISTEMI SENSORIALI: sistemi artificiali per la visione

23 Approccio corticale By-passa la retina e l elaborazione neurale prima della corteccia visiva. Utilizza una telecamera e un processore esterno. Viene applicato un impianto di stimolazione Corticale. Sistema di Dobelle Telecamera Sensore US PC portatile elettrodi Corteccia

24 Sistema di Dobelle Immagine radiografica dell impianto transcraniale e della matrice di elettrodi Sistema di Dobelle

25 Risultati del sistema di Dobelle Il paziente è stato seguito per oltre 20 anni (impianto nel 1978). Durante le successive evoluzioni dell elettronica di elaborazione, ha imparato a interpretare i fosfeni. Attualmente è in grado di leggere lettere di 6 cm alla distanza di 1,5 m Micro elettrodi (Normann, 1999) Matrice sviluppata all Università dello Utah Microlavorazione del silicio. Base di titanio Lunghezza 1,5 mm, diametro 0,1 mm Sperimentata sul gatto (corteccia uditiva)

26 Approccio retinico E costituito da un ottica esterna, per migliorare il campo visivo, e da un impianto retinico Retina artificiale (Chow,1999) Retina al silicio, diametro 3 mm Composta da 4000 fotocelle. Optobionics ( Attualmente in fase di sperimentazione.)

27 Dove nel mondo esiste l Ingegneria della Riabilitazione? Negli Stati Uniti esistono Centri preposti al coordinamento tra ricerca e società civile. In Italia