Protesi mioelettriche. utilizzando l'energia fornita da accumulatori elettrici e batterie.

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1 Le protesi mioelettriche sono protesi elettromeccaniche ad energia extracorporea, quindi dispositivi che realizzano vari movimenti <> utilizzando l'energia fornita da accumulatori elettrici e batterie. Anni 60 Anno 2000

2 Utilizzano come sensori degli elettrodi superficiali posti all'interno dell'invasatura a contatto con la cute del moncone. Tali elettrodi sono in grado di rilevare il segnale elettromiografico generato a seguito di una contrazione isometrica della fascia muscolare sottostante Il segnale viene amplificato ed elaborato da un unità di controllo che, sulla base di un algoritmo definisce quale movimento attuare.

3 Sono necessari tanti elettrodi (e quindi tanti muscoli attivabili in modo selettivo dal paziente) quante sono le funzioni desiderate Condizione necessaria è che siano disponibili segnali di ampiezza tale da essere riconosciuti dai sensori ed inoltre che il paziente riesca a generarli in modo indipendente uno dall'altro. Nel caso di protesi con 6 funzioni attive: apertura, chiusura mano, pronazione e supinazione del polso, flessione ed estensione del gomito occorre trovare quindi ben 6 fasce muscolari che siano controllabili in modo ben definito dal paziente.

4 Per arrivare a comandare i 6 movimenti si ricorre a diverse tecniche, tra cui la suddivisione del range segnale in più livelli, a cui corrispondono diversi movimenti, e al cosiddetto funzionamento ciclico

5 Funzionamento ciclico Si utilizzano tipicamente 3 elettrodi: due utilizzati per effettuare il movimento, ed un terzo utilizzato come selettore della funzione attiva. Partendo dalla mano, con una contrazione sull'elettrodo di selezione si passa al polso, poi al gomito, per ritornare infine di nuovo sulla mano. Tale soluzione obbliga di fatto il paziente ad attivare un motore alla volta, rallentando l'effettuazione di movimenti composti dell'arto, ma ha il grande vantaggio di rendere molto sicura e precisa la selezione del movimento desiderato da parte del paziente. In taluni casi si possono utilizzare solo due elettrodi, andando a considerare come segnale di commutazione la contrazione simultanea delle due fasce muscolari già utilizzate. Tale situazione, che solitamente non deve essere generata dal paziente (poiché genera all'interno del circuito di controllo una indeterminazione sul movimento desiderato), viene in questo caso interpretata come intenzione di cambiare funzione (mano, polso, gomito).

6 Controllo della protesi mioelettrica Il controllo può essere di due tipi: ON-OFF Il circuito di controllo pilota il motore della mano nella direzione specificata con una potenza pari alla massima potenza disponibile, costringendo il paziente a fare tante piccole contrazioni per avere un movimento fine e preciso PROPORZIONALE Il circuito di comando, che comprende solitamente un microprocessore, non solo rileva l'attività muscolare, ma la quantifica e, in base a questo valore, provvede a pilotare il motore della mano con più o meno potenza. Ad una contrazione lieve corrisponderà un piccolo movimento delle dita, con una contrazione più forte si avrà un movimento più rapido ed ampio. Se il controllo di tipo ON-OFF era l'unico disponibile fino a qualche anno fa, diventa sempre più comune oggi il controllo di tipo proporzionale che risulta essere molto più naturale per il paziente.

7 Le protesi mioelettriche possono essere applicate a partire dalla disarticolazione di polso fino al livello di disarticolazione di spalla se le condizioni sopra citate sono soddisfatte. Vantaggi: Elevata forza di presa Elevato grado di funzionalità anche con livelli di amputazione molto prossimali Quando non si possono applicare: Segnali elettromiografici insufficienti o non controllabili indipendentemente; Impossibilità di controllare contemporaneamente più funzioni; casi la struttura scheletrica del paziente può non sopportare il peso della protesi; Utilizzo della protesi per lavori particolarmente pesanti in cui la pur robusta struttura della mano elettromeccanica potrebbe venire danneggiata.

8 Protesi ad energia extracorporea: tipo di energia Elettrica Alimentazione: batterie ricaricabili al Nikel-Cadmio Attuatori: motori elettrici a corrente continua (6V) Trasmissione: cavi elettrici Pneumatica Alimentazione: bombole al CO 2 (solo per bambini) Attuatori: sistemi idraulici azionati dal fluido a pressione controllato da valvole Trasmissione: tubi a tenuta

9 Protesi ad energia extracorporea: tipo di energia Trattandosi di protesi funzionali ad energia extra corporea, uno dei fattori principali dell'innovazione si gioca sul tipo e sulla gestione della fonte di energia utilizzata. I sistemi attuali utilizzano come fonte energetica degli accumulatori al Ni-Cd che presentano un accettabile compromesso fra energia erogabile e dimensioni, peso e si riesce a garantire una autonomia giornaliera di circa movimenti. Con tecniche particolari di gestione energetica quali l'introduzione di modalità di funzionamento a basso consumo, limitazioni di corrente in particolari situazioni, utilizzo di accumulatori particolari si possono avere fino a 8000 movimenti con una singola ricarica. Si iniziano ormai ad utilizzare protesi con batterie agli ioni di Litio che a parità di dimensioni, assicurano una durata maggiore.

10 Rappresentazione completa di una protesi mioelettrica

11 I parametri che intervengono nella regolazione dei movimenti di una protesi mioelettrica possono essere configurabili tramite un PC al fine di ottenere il controllo ottimale della mano da parte del paziente. Sempre con un PC è possibile effettuare una diagnosi della protesi, analizzando il corretto funzionamento dei suoi componenti, oppure monitorare alcuni valori di particolare interesse come l'entità e la qualità dei segnali EMG ed il numero medio di operazioni effettuate.

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13 Feedback Naturale - Sistema visivo ed acustico Artificiale Agli effettori della protesi: Retroazione classica Variabili misurate: forza, posizione angolare, velocità angolare.

14 Sistema di controllo di protesi ad energia extracorporea Alimentazione Trasmissione Attuatori Forze, movimento PAZIENTE Segnali di controllo Interfaccia di controllo Sensori Feedback artificiale Stimolatore Elettrico/tattile Sensori Feedback naturale Vista, udito, interfaccia moncone /invasatura

15 Biofeedback Altra importate frontiera nel campo delle protesi di arto superiore riguarda il problema della sensorizzazione e del bio-feedback. Infatti la funzione prensile dell'arto superiore non è l'unica funzione svolta; con la nostra mano naturale siamo in grado non solo di afferrare un oggetto ma anche di valutarne il peso, la consistenza, la rugosità, temperatura. Le tecnologie hanno messo a disposizione sensori e trasduttori di varia natura, che si sta cercando di integrare all'interno della mano protesica. A livello prototipale oggi è possibile rilevare e trasmettere sul moncone sensazioni termiche, vibrotattili o pressorie, che cercano di ricreare in zone sane le relative sensazioni dell'arto sano.

16 Biofeedback Sempre grazie ai sensori ed ai microprocessori è possibile implementare delle funzioni di presa automatiche, che tentano di replicare le funzioni che l'arto sano svolge in modo autonomo senza richiedere l'attenzione diretta del paziente. Ad esempio con l'arto sano è possibile afferrare un oggetto senza osservarlo continuamente grazie alla sensibilità tattile; analogamente, con le mani protesiche di nuova generazione è possibile fare afferrare un oggetto automaticamente semplicemente fornendo un comando di partenza; inoltre la mano è in grado di aumentare automaticamente la forza di presa nel caso l'oggetto tenda a scivolare. Inoltre, analogamente a quanto succede fisiologicamente, si può avere l'apertura automatica della presa, nel caso di oggetti troppo caldi: i sensori rilevano che l'oggetto nella mano può danneggiarla e, dopo avere avvisato il paziente tramite un segnale acustico, il microprocessore provvede ad aprire. In questo caso il paziente con la mano protesica è avvantaggiato rispetto al soggetto sano: le temperature che possono essere sopportate dall'arto artificiale sono infatti decisamente superiori a quelle della mano naturale.

17 Biofeedback La nuova generazione di protesi mioelettriche prevede l utilizzo di componenti ad elevato contenuto tecnologico, che permettono al paziente il controllo dell arto in modo naturale e ne ottimizzano le funzioni di presa. Unitamente al controllo proporzionale il paziente può ora afferrare con estrema precisione e facilità anche oggetti molto fragili e delicati, grazie ai sensori di forza e senza preoccuparsi di un eventuale scivolamento.

18 Biofeedback I sensori presenti nella mano sono due: Il touchpad (sensore di scivolamento) che si trova sul pollice, e permette di rilevare lo scivolamento di un oggetto Il grip force, (sensore di forza) presente nel gruppo pollice-indice, che misura la forza con la quale si sta impugnando un oggetto. Il microprocessore elabora sia i segnali mioelettrici provenienti dagli elettrodi, sia quelli rilevati tramite i sensori e mediante un sistema di regolazione implementato, nel micro, viene effettuato un controllo di tipo proporzionale sulla forza e sulla velocità di presa; cioè la mano si apre o si chiude più o meno velocemente in base all entità della contrazione effettuata dal paziente.

19 Biofeedback funzione auto-grasp, (presa automatica), la quale è realizzata tramite la tecnologia SUVA Sensor. Questa particolare tecnologia, integrata nel pollice, sente istantaneamente quando un oggetto afferrato inizia a scivolare, quindi il sistema provvede automaticamente ad aumentare la forza di presa fino a quando l oggetto non torna ad essere saldamente impugnato.

20 Protesi ibride Talvolta le funzioni che devono essere comandate dai segnali mioelettrici (flessione ed estensione del gomito, prono-supinazione e apertura/chiusura della mano) possono essere troppe. In questo caso si ricorre alle protesi ibride che combinano un comando mioelettrico delle funzioni della mano con un comando cinematico delle funzioni del gomito.

21 Protesi sportive (baseball)

22 Protesi sportive (basketball)

23 Protesi sportive nuoto

24 Protesi sportive golf

25 Protesi per il tempo libero

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