UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II FACOLTÀ DI INGEGNERIA Corso di Laurea di I Livello in Ingegneria Biomedica Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni ARMLAB. Gestione di un database di segnali clinico - sperimentali nella riabilitazione robotica dell arto superiore RELATORE Ch.mo Prof. Mario Cesarelli CANDIDATO Feliciano Ferraro MATR CORRELATORE Ing. Giovanni D Addio ANNO ACCADEMICO

2 PREFAZIONE Uno degli ambiti clinici nei quali l innovazione ed il trasferimento tecnologico non sta semplicemente accompagnando il processo terapeutico, ma sta piuttosto mostrando la sua influenza nel modificarlo in misura sostanziale, è quello della riabilitazione robotizzata. E questo, difatti, attualmente un ambito di elevata integrazione tra competenze prettamente ingegneristiche, proprie delle tecnologie robotiche, e pratiche mediche di rilevante impatto clinico, quali quelle riabilitative, ove anche più che in altri campi, risulta evidente e prezioso l apporto ed il contributo che in ambito sanitario può essere offerto delle discipline afferenti la bioingegneria. Il miglioramento nelle funzionalità degli arti superiori, nei casi di patologie invalidanti, è un ambito particolarmente importante nel percorso riabilitativo, ma è anche un obiettivo molto difficile da raggiungere a causa della complessità biomeccanica e neuromuscolare che caratterizza questo distretto corporeo. Basti pensare all estrema varietà delle funzioni motorie realizzabili dagli arti superiori, che vanno dal sollevamento e movimentazione dei pesi elevati, alla mobilità e destrezza fine delle dita della mano durante i complessi compiti motori connessi alla manipolazione, come la scrittura o il suonare uno strumento musicale. Ancor più complesso è inoltre il caso di disabilità degli arti superiori causate da patologie del sistema nervoso centrale, quali per esempio l ictus cerebrovascolare, alcune malattie neurodegenerative, le lesioni spinali, ove possono subentrare difficoltà legate all alterazione del controllo motorio: la spasticità, il tremore, la dismetria e l atassia. Particolarmente in questi ambiti, le classiche tecniche fisioterapiche di riabilitazione spesso mostrano i propri limiti non sempre permettendo di raggiungere degli ottimali obiettivi di recupero delle funzionalità. Di estremo interesse in tal senso appaiono, quindi, gli ulteriori strumenti che la tecnologia può offrire come supporto alla pratica riabilitativa neuromotoria. Fra questi, i dispositivi robotici sembrano essere particolarmente promettenti. In particolare, gli obbiettivi del presente lavoro di tesi hanno avuto per oggetto lo sviluppo di un pacchetto software globale per la gestione di tutte le esigenze legate alla cura e riabilitazione degli arti superiori. Lo scopo è quello di integrare in un unico pacchetto funzioni già disponibili su diverse piattaforme, ma che, proprio per il fatto di essere sparse su piattaforme diverse, risultano al momento poco pratiche da utilizzare. 1

3 Capitolo 1 ANATOMIA E BIOMECCANICA DELLA SPALLA

4 1.1 - Introduzione Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla La spalla, più propriamente chiamata cingolo scapolare, è la regione del corpo che corrisponde alla radice dell arto superiore, cioè al punto in cui esso si unisce al tronco. Rappresenta una delle articolazioni più mobili dell organismo in quanto possiede tre gradi di libertà lungo tre assi principali: 1. Asse sagittale, lungo il quale avvengono i movimenti di abduzione adduzione dell arto superiore; 2. Asse verticale, attorno al quale avviene la rotazione interna ed esterna dell arto; 3. Asse frontale, lungo il quale si eseguono i movimenti di anteposizione e retroposizione; Figura 1.1 Anatomia della spalla Per chiare ragioni anatomico - funzionali, e data la sua attività fisiologica di perno dell arto superiore risulta evidente che la spalla sia estremamente sollecitata ed esposta al rischio di un elevato numero di eventi traumatici. Essa, infatti, non si presenta come un'unica articolazione ma il suo movimento è legato a una perfetta sincronia di diverse articolazioni stabilizzate da complessi capsulo legamentosi, e attivate da gruppi 3

5 muscolari differenti. Ciò rende conto della facilità con cui si instaurano a livello delle superfici articolari coinvolte delle lesioni di tipo degenerativo (artrosi) che spesso si accompagnano a reazioni di tipo flogistico (artrite). Scopo di questa sezione è ripercorrere gli aspetti anatomici e funzionali della spalla, valutando le articolazioni, i legamenti, i tendini e i muscoli coinvolti nel movimento, prestando poi particolare attenzione a notazioni di carattere biomeccanico e di interesse bioingegneristico. Si ricorda, inoltre, che il complesso osseo dell arto superiore comprende anche ossa che interessano avambraccio (ulna e radio) e mano(carpo, metacarpo e falangi). Tuttavia per esigenze progettuali e cliniche, il gomito è stato tenuto bloccato durante le sperimentazioni relative a questo lavoro, quindi si informa il lettore che verranno omessi approfondimenti sulla struttura ossea dell avambraccio e della mano e sulla biomeccanica di polso e gomito, mentre verrà prestata particolare attenzione ai muscoli del braccio che intervengono attivamente nei movimenti di abduzione, flesso - estensione e rotazione. [1] 4

6 1.2 - Le ossa della spalla Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica della spalla La spalla è costituita da tre ossa: scapola, clavicola e omero. La scapola è un osso pari, piatto, sottile, di forma triangolare, con la base superiore e l apice inferiore che, insieme alla clavicola, rientra nella costituzione della cintura toracica (o cingolo toracico), ossia il dispositivo che unisce la parte libera dell arto superiore al torace. La scapola si applica alla parte postero-superiore del torace, ad un livello compreso tra la 3 a e la 7 a costa e si sintetizza secondo la seguente struttura: una faccia anteriore (o costale), una faccia posteriore (o dorsale), tre margini di cui uno mediale (o vertebrale), uno laterale (o ascellare) ed uno superiore, e tre angoli che si distinguono in laterale, mediale e inferiore. La faccia anteriore (o costale) presenta una concavità detta fossa sottoscapolare; nella parte superiore della fossa troviamo invece delle creste trasversali dai quali hanno origine i fasci del muscolo sottoscapolare. Figura Faccia anteriore della scapola La faccia posteriore presenta in alto una sporgenza, la spina della scapola, di forma triangolare, che inizia al livello del margine vertebrale e si innalza gradualmente procedendo verso l esterno per continuare in un robusto processo, l acromion, che si dirige in fuori e volge poi innanzi per appiattirsi a terminare con un estremità arrotondata. 5

7 La spina della scapola divide la faccia posteriore in una parte superiore, detta fossa sovraspinata, dove ha origine il muscolo omonimo, ed una parte inferiore chiamata fossa infraspinata, ai limiti laterali del quale si trova un rilievo parallelo al margine ascellare che individua una sottile zona della faccia dorsale dove originano il muscolo piccolo rotondo, in alto, e il muscolo grande rotondo, in basso. Nell acromion, invece troviamo una faccia superiore, una faccia inferiore e due margini, mediale e laterale. La faccia superiore è ricoperta dalla cute mentre quella inferiore sovrasta l articolazione scapolo-omerale. Sul margine mediale vicino all estremità libera, si trova una faccetta articolare di forma ovale che si mette in giunzione con la clavicola. Figura Faccia posteriore della scapola Notiamo ancora che il margine vertebrale della scapola è sottile e da attacco a muscoli provenienti dal torace e dalla colonna vertebrale, mentre il margine ascellare è più spesso e alla sua estremità superiore presenta un rilievo, la tuberosità infraglenoidea, dove ha origine il capo lungo del muscolo tricipite brachiale. Il margine superiore è più breve dei precedenti, presenta lateralmente l incisura della scapola, all esterno del quale si solleva, dal margine superiore, il processo coracoideo che si porta dapprima in 6

8 alto e poi, incurvandosi a becco, si dirige in avanti e in fuori e termina con un apice smusso dove si fissano il muscolo coracobrachiale, il capo breve del muscolo bicipite brachiale e il muscolo piccolo pettorale. La clavicola è un osso pari, a forma di S allungata, che si estende trasversalmente, al davanti della 1a costa, dal manubrio dello sterno all acromion della scapola. Nonostante la forma, non può considerarsi come un osso lungo ma presenta, invece, la conformazione interna e le modalità di ossificazione proprie delle ossa piatte. La clavicola è formata da un corpo e da due estremità di cui quella mediale è detta sternale e quella laterale è detta acromiale. Figura Clavicola Il corpo forma una doppia curva con una convessità anteriore volta medialmente e una concavità posteriore volta lateralmente; la parte mediale ha forma prismatica triangolare, mentre la parte laterale è appiattita. Il corpo si compone inoltre di una faccia superiore, rugosa lateralmente, consentendo l attacco con i muscoli trapezio e deltoide, e liscia medialmente, originando il capo clavicolare del muscolo sternocleidomastoideo; di una faccia inferiore e due margini, che presenta lateralmente la tuberosità coracoidea (dove si impianta il legamento coraco - clavicolare), alla quale segue il solco del muscolo succlavio. L omero è il solo segmento scheletrico del braccio ed è uno osso lungo (25-28 cm), si articola superiormente con la scapola e inferiormente con le ossa. La sua struttura è composta da un corpo, di forma cilindrica in alto e prismatica e triangolare in basso, e da due estremità, prossimale e distale dell avambraccio (arto medio), radio e ulna. 7

9 Il corpo è costituito da: una faccia antero - mediale, che ha nella sua parte di mezzo il foro nutritizio e nella parte superiore il prolungamento (inferiore) del solco bicipitale; una faccia antero - laterale che ha nel suo terzo medio una zona rugosa (tuberosità deltoidea) sulla quale si innesta il muscolo deltoide; una faccia posteriore, percorsa dal solco del nervo radiale, una scanalatura elicoidale che ha inizio in alto presso il margine mediale e si porta in basso dividendo la faccia stessa in due parti, una al di sopra del solco, da cui origina il capo laterale del muscolo tricipite ed una, sotto il solco, da cui nasce il capo mediale dello stesso muscolo. Le facce sono inoltre divise da tre margini: mediale, laterale e anteriore. Figura Omero, faccia anteriore e posteriore L estremità prossimale, ha forma sferica e può essere distinta in tre parti: collo chirurgico,collo anatomico e testa. Il collo chirurgico è una zona ristretta che, grossolanamente, delimita verso l estremità prossimale il corpo dell omero. Il collo anatomico è uno strozzamento anulare situato tra la superficie articolare della testa e i 8

10 due tubercoli. La testa, calotta articolare corrispondente ad un terzo di sfera, rivolta in alto, medialmente e dorsalmente, con il suo asse, forma con l asse longitudinale del corpo un angolo di inclinazione di e con l asse trasversale dell estremità inferiore un angolo di declinazione aperto medialmente e dorsalmente di 20. Sulla testa dell omero si notano: il tubercolo maggiore, grosso rigonfiamento laterale provvisto di tre faccette pianeggianti per attacco muscolare; la cresta del tubercolo maggiore, rilievo osseo, che continua in basso, verticalmente, il tubercolo maggiore; il tubercolo minore, rilievo più piccolo del precedente, che continua nella cresta del tubercolo minore e nel solco intertubercolare, compreso tra le due creste e i due tubercoli. L estremità distale, è appiattita in senso ventro - dorsale, ed allungata trasversalmente. Presenta medialmente la troclea dell omero, superficie articolare dalla forma di puleggia, a forma di cono tronco con base mediale e asse longitudinale orientato obliquamente in alto e lateralmente. La troclea è percorsa da una larga gola limitata da margini elevati, soprattutto quello mediale. Lateralmente si trova il capitello dell omero, che consiste in un segmento di sfera convesso, rivolto volarmente e distalmente. Risultano, inoltre, evidenti tre fosse: coronoidea, olecranica e radiale. La fossa coronoidea piccola ma profonda, è un escavazione situata sopra la troclea sulla faccia volare dell omero. La fossa olecranica, ampia e profonda cavità, di forma triangolare, è scavata nella faccia dorsale nell estremità distale sopra la troclea. Il sottile setto osseo, che forma il fondo della cavità olecranica della fossa coronoidea, può risultare perforato. Infine, sopra il condillo, nella faccia anteriore dell omero, è visibile la fossa radiale. In corrispondenza dei margini si sollevano due rilievi: l epicondio mediale, voluminoso rilievo osseo destinato alle inserzioni muscolari, situato sopra la troclea in corrispondenza del margine mediale; l epicondio laterale, come il precedente, è però più basso e più tozzo, situato sopra il capitello dell omero. Tra l epicondio mediale e il margine della troclea si trova il solco del nervo ulnare. 9

11 1.3 - Le articolazioni della spalla In realtà con il termine spalla si intende l insieme di cinque articolazioni, denominato complesso articolare della spalla, che cooperano nel movimento dell arto superiore. Accanto ad alcune articolazioni vere in senso anatomico esso comprende anche altre strutture funzionalmente assimilabili a delle articolazioni, pur non avendone le caratteristiche anatomiche. Si può quindi pensare ad una suddivisione delle articolazioni in due grandi gruppi: Il primo gruppo contiene le articolazioni vere: scapolo-omerale, acromio-clavicolare, sterno-costo-clavicolare. Il secondo gruppo che contiene le articolazioni in senso fisiologico: sotto deltoidea, scapolo toracica. L articolazione scapolo-omerale è la principale articolazione della spalla,si compone di superfici articolari sferiche, caratteristiche delle enartrosi. Essendo inoltre costituita dall estremità sferoidale della testa omerale che ruota su una superficie della scapola detta glena, consente al braccio di compiere una rotazione vicina ai 360 nello spazio. La scapolo omerale viene solitamente definita articolazione non portante, dato che non è sottoposta ad alcuna forza peso, come ad esempio l anca. Tuttavia ciò non è del tutto vero, infatti, è fondamentale sottolineare che le sollecitazioni meccaniche a cui essa è sottoposta sono notevoli. Basti notare, ad esempio, che, a braccio abdotto a (a mano vuota), nella zona di contatto omero glenoidea, agisce una forza pari a 8 volte il peso del braccio. Da quanto detto possiamo concludere che l articolazione scapolo omerale è sicuramente la più mobile del corpo umano ed i muscoli hanno una funzione non solo dinamica ma anche contenitiva: infatti la loro paralisi può determinare la perdita di contatto più o meno accentuata dei capi articolari. Le superfici articolari sono: la testa dell omero e la cavità glenoidea della scapola. 10

12 Figura Visione posteriore ed anteriore dell'articolazione scapolo-omerale E importante sottolineare come le due cavità articolari non siano perfettamente complementari, anzi la cavità glenoidea della scapola risulta essere troppo poco profonda per ospitare la testa dell omero; per questo motivo la struttura si rinforza grazie a: 4. Muscoli vicini, che limitano i casi di lussazione, in particolare i muscoli sottoscapolare, sovraspinato, infraspinato, e piccolo rotondo, che dirigendosi verso l'arto superiore costituiscono la nota cuffia dei rotatori: le strutture legamentose di questi muscoli si fondono con la capsula articolare rinforzandone la struttura. 5. Manicotto fibroso del capo glenoideo: per favorire il corretto inserimento della struttura a livello articolare la superficie articolare della cavità glenoidea è dotata di una struttura fibrosa in rilievo detta labbro glenoideo. 6. Capsula articolare: si tratta di una struttura piuttosto ampia, che si inserisce: prossimalmente nel contorno della cavità glenoidea e al labbro glenoideo, distalmente sul collo chirurgico e al livello del collo anatomico. 7. Legamenti: i gleno omerali che uniscono il contorno della cavità glenoidea e il labbro glenoideo all estremità prossimale dell omero; i coraco omerale, un 11