La riabilitazione robotica: una esperienza toscana

Federico Posteraro

Federico Posteraro  è Direttore del Dipartimento di Riabilitazione della ASL 12 di Viareggio e medico coordinatore del Laboratorio di Bioingegneria della Riabilitazione presso il Centro di Riabilitazione “Auxilium Vitae” di Volterra. Si occupa da molti anni dell’utilizzazione di robot ed altre tecnologie avanzate in riabilitazione partecipando a progetti di ricerca nazionali ed internazionali.

 

Stefano MazzoleniStefano Mazzoleni   Ricercatore c/o l’Ist. di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e Coord. del Laboratorio di Bioingegneria della Riabilitazione c/o il Centro di Riabilitazione Auxilium Vitae di Volterra. Svolge attività di docenza c/o l’Univ. di Pisa.

 

Nicola VitielloNicola Vitiello  PhD Ricercatore presso l’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e coordinatore del progetto regionale EARLYREHAB, e di altri progetti nazionali ed internazionali sul tema della robotica indossabile per l’assistenza e la riabilitazione motoria.

 


Da molti anni si è instaurata in Toscana una collaborazione tra medici specialisti in riabilitazione e bioingegneri dell’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa con l‘obiettivo di utilizzare tecnologie avanzate in riabilitazione. In una prima fase questa collaborazione si è avvalsa di alcuni progetti di ricerca portando allo sviluppo di primi prodotti ed all’utilizzazione dei sistemi robotici disponibili sul mercato. Una vera svolta c’è stata quando è stato realizzato un Laboratorio di Bioingegneria della Riabilitazione congiunto tra il Centro Auxilium Vitae di Volterra e la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa. La creazione del laboratorio, che si è poi riprodotto in altre realtà, ha permesso uno stretto e diretto contatto tra medici, terapisti, ingegneri e utenti che ha dato vita ad una reale linea di ricerca traslazionale sull’utilizzazione dei robot nella riabilitazione neurologica ed in particolare per i disturbi del movimento dell’arto superiore.

La nostra esperienza
L’attività è iniziata con l’utilizzazione di un sistema per la riabilitazione della spalla e del gomito prodotto negli USA (Figura 1) che ha una soluzione tecnologica che consente di “assistere al bisogno” il paziente. In pratica il sistema, attraverso una serie di sensori, è in grado di accorgersi se e quanto il soggetto si muove volontariamente ed assisterlo solo nella componente necessaria, riuscendo a distinguere tra pazienti molto gravi, che necessitano di molto aiuto, e quelli meno compromessi sul piano motorio, che necessitano di minore aiuto. Sul piano dell’interfaccia uomo-macchina si tratta di un sistema cosiddetto ad end effector, dove l’interazione con il paziente è in un solo punto (ad esempio la mano per il movimento dell’intero arto superiore), da distinguere da sistemi detti “esoscheletrici” dove il robot controlla tutti i gradi di libertà delle singole articolazioni coinvolte nell’atto motorio.
Un secondo sistema, con caratteristiche analoghe, è invece in grado di erogare riabilitazione per il polso (Figura 2).

Figura 1

Figura 2

Le caratteristiche distintive dei sistemi robotici descritti in precedenza sono il meccanismo ad alta reversibilità (backdrivability) e la bassa impedenza meccanica, che consentono di adattarsi prontamente alle azioni del paziente, e il sistema di controllo che modula le reazioni del sistema alle perturbazioni meccaniche e assicura un comportamento cedevole.
Il trattamento riabilitativo consiste nel proporre al paziente una serie di compiti motori nei quali viene richiesto di muovere l’effettore del robot per effettuare movimenti di raggiungimento di obiettivi in uno spazio bidimensionale (movimenti di reaching).

In ciascuna sessione il paziente effettua i primi 16 movimenti senza assistenza al fine di valutare le sue capacità motorie (nel corso dei quali vengono registrati i parametri cinematici e dinamici all’end effector), successivamente compie tre serie di 320 movimenti con l’assistenza del robot seguiti da altri 16 movimenti senza assistenza (utili per valutare eventuali variazioni nel corso della singola sessione).
Un trial di trattamento prevede 20 o 30 sedute, a seconda del protocollo, nel corso delle quali il paziente compie circa 1000 movimenti a seduta nel corso dei quali il robot assiste e guida attivamente l’arto paretico realizzando l’esecuzione assistita di un movimento attivo finalizzato che rappresenta la migliore modalità per il ri-apprendimento di condotte motorie senza provocare incremento della spasticità, ma invece una riduzione di questa.
Utilizzando questi due sistemi robotici, sono stati trattati circa 500 pazienti, alcuni dei quali in specifici trial clinici di confronto con il trattamento tradizionale, prevalentemente affetti da esiti di ictus in fase sub-acuta (entro un mese dall’evento) o in fase cronica (almeno sei mesi dopo).

Figura 3

Figura 4

Figura 5

I risultati di questi studi, pubblicati su riviste scientifiche anche prestigiose e oggetto di discussione in convegni internazionali, hanno dimostrato l’efficacia del trattamento robotico anche se ancora limitata al recupero della menomazione motoria senza nessun effetto sull’autonomia nelle attività di vita quotidiana. In particolare nel trattamento dell’emiparetico in fase sub-acuta si è osservato un’accelerazione del recupero motorio che avveniva in tempi più ridotti mentre le persone in fase più cronica riuscivano ad ottenere dei vantaggi anche a distanza di molto tempo dall’evento disabilitante. È evidente che in entrambi i casi ci sono dei vantaggi in termini di costo/beneficio in quanto in un caso il recupero è più rapido e nell’altro il numero delle persone in fase cronica è così elevato e costantemente in aumento per cui non sarebbe possibile erogare trattamenti intensivi con metodica tradizionale.

Gli stessi sistemi robotici sono stati poi utilizzati in combinazione con la registrazione di esami elettroencefalografici (Figura 3) al fine di valutare come le potenze di segnale delle varie bande EEG si modificavano in seguito al trattamento oppure associati alla Stimolazione Transcranica a Corrente Diretta (tDCS) (Figura 4).

Lo sviluppo di sistemi robotici
Dopo l’esperienza con i sistemi robotici in commercio, grazie anche a un finanziamento della Regione Toscana nell’ambito del Programma Salute 2009, abbiamo iniziato, in collaborazione con aziende spin off della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, a progettare e costruire sistemi robotici da collocare sul mercato.
Il primo di questi dispositivi, denominato MOTORE (Figura 5) e attualmente commercializzato da Humanware (azienda pisana), è stato sviluppato con le stesse caratteristiche dei sistemi precedenti, ma con ingombri molto ridotti e costi più contenuti. Il dispositivo, alimentato a batteria, è in grado di effettuare trial di riabilitazione della spalla e del gomito utilizzando come target anche attività della vita quotidiana simulando ad esempio i movimenti necessari per lavare dei piatti.
I primi studi di confronto con i sistemi “made in USA” sono del tutto incoraggianti ma, soprattutto grazie alle dimensioni contenute che ne facilitano la trasportabilità, il sistema potrebbe essere utilizzato a domicilio e gestito in tele-riabilitazione.
Inoltre è in fase avanzata di sperimentazione il dispositivo denominato NEUROEXOS (Figura 6) che rappresenta la componente del gomito di un sistema esoscheletrico per l’intero arto superiore attualmente in via di sviluppo.
Il dispositivo viene utilizzato per la mobilizzazione attiva e passiva del paziente e può essere utilizzato fin dalle fasi più precoci di malattia in quanto adoperabile sia se il paziente è in carrozzina sia se è ancora allettato. La soluzione tecnologia innovativa consiste nel fatto che il sistema è equipaggiato con sensori che consentono di riconoscere la resistenza che il paziente, a causa della spasticità, esercita e, se viene superata una certa soglia, inverte automaticamente il movimento per poi ripartire quando la resistenza è scomparsa. In pratica, se durante l’estensione di un’articolazione con spasticità in flessione viene superata una certa soglia di resistenza, il sistema interrompe l’estensione ed attiva una nuova flessione (si comporta cioè come un fisioterapista che pratica mobilizzazione passiva).
Naturalmente se il paziente è in grado di compiere movimenti attivi, il sistema è dotato del meccanismo di assistenza al bisogno che consente funzioni motorie attive.
Neuroexos è stato utilizzato in uno studio pilota, si è dimostrato sicuro ed in grado non solo di erogare trattamento riabilitativo ma, proprio grazie ai sensori di resistenza, di misurare quantitativamente l’effetto del trattamento e di altre procedure come l’inoculazione di tossina botulinica.

Figura 6

Conclusioni
In conclusione l’utilizzazione di sistemi robotici per la riabilitazione è un argomento di grande interesse per il futuro anche se alcuni aspetti, in particolare il rapporto costo/beneficio, restano ancora da chiarire. A questo proposito i nostri sforzi si stanno dirigendo verso lo sviluppo di dispositivi più economici e stiamo addirittura raccogliendo alcuni dati interessanti relativi all’utilizzazione della comuni piattaforme per i videogiochi nel trattamento riabilitativo dei disturbi motori. L’orientamento futuro è quello di poter disporre di dispositivi con caratteristiche diverse che possano essere personalizzati sulla base della gravità del paziente.

Ci preme infine sottolineare che questi sistemi non hanno come obiettivo quello di sostituirsi ai fisioterapisti, ma sono solo strumenti che il personale tecnico della riabilitazione può inserire nei progetti e nei programmi di trattamento che, seppure erogato con il supporto dei robot resta individualizzato, ed utilizzarli magari per essere sollevati da compiti gravosi e poco stimolanti. Inoltre è del tutto degno di nota la possibilità di utilizzare questi dispositivi sia nelle attività di ricerca per meglio comprendere i meccanismi neurofisiopatologici alla base del disturbo motorio ed intervenire su questi, sia come strumenti di valutazione e monitoraggio dell’efficacia del trattamento stesso.

 

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In Evidenza

Si informano i lettori di Toscana Medica che sarà di prossima pubblicazione un forum dal titolo “LA FRAGILITA’ OSSEA: UN PROBLEMA CHE POSSIAMO AFFRONTARE MEGLIO”. Si ringrazia la

lilly

per il proprio contributo non condizionante.

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