Il progetto Cyberlegs

Francesco Converti IRCSS - Centro di Riabilitazione Don Carlo Gnocchi, Firenze.

S. Ceppatelli IRCCS – Centro di Riabilitazione Don Carlo Gnocchi, Firenze, Italia.

C. Macchi IRCCS – Centro di Riabilitazione Don Carlo Gnocchi, Firenze, Italia.

R.M. Lova  IRCCS – Centro di Riabilitazione Don Carlo Gnocchi, Firenze, Italia.

G. Pasquini  IRCCS – Centro di Riabilitazione Don Carlo Gnocchi, Firenze, Italia.

F. Vannetti  IRCCS – Centro di Riabilitazione Don Carlo Gnocchi, Firenze, Italia.

D. Lefeber  Robotics and Multibody Mechanics Research Group, Vrije Universiteit Brussel, Belgium.

M. Munih Laboratory for Robotics, Univerza v Ljubljani, Ljubljani Slovenia.

R. Ronsse  Centre for Research in Mechatronics, Université Catholique de Louvain, Belgium.

S. Micera  Istituto di Biorobotica, Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, Italia.

V. Monaco  Istituto di Biorobotica, Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, Italia.

N. Vitiello Istituto di Biorobotica, Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, Italia.


Sviluppo e sperimentazione di tecnologie robotiche indossabili per il recupero motorio dei pazienti con amputazione trans-femorale

Francesco ConvertiSi è da poco concluso il progetto CYBERLEGs (The CYBERnetic LowEr-Limb CoGnitive Ortho-prosthesis) finanziato dalla Commissione Europea nell’ambito del Settimo Programma Quadro (FP7-ICT-2011-7). Il progetto, coordinato dall’Istituto di Biorobotica della Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa, è stato realizzato da un Consorzio composto, oltre che dalla Scuola Sant’Anna, dall’Università di Lubiana, dall’Università Libera di Bruxel, dall’Università Cattolica di Lovanio e dal Centro Don Gnocchi di Firenze.

 

 Background e Obiettivi
L’amputazione dell’arto inferiore rappresenta una condizione gravemente invalidante. Tra le cause di amputazione, la più frequente è l’arteriopatia obliterante cronica (80%), spesso associata a diabete, seguita dai traumi (15%). Il rimanente 5% delle amputazioni è dovuto a cause più rare, come neoplasie o malformazioni congenite. Essendo l’aterosclerosi una malattia progressiva, l’invecchiamento della popolazione produrrà negli anni a venire un ulteriore aumento delle amputazioni da causa vascolare.
Il quadro clinico di questi pazienti è estremamente complesso. Si tratta di anziani, generalmente ultrasettantenni, che presentano comorbilità età-correlate, più o meno rilevanti. Ma l’aspetto più critico è insito nella natura sistemica dell’aterosclerosi, che in questi pazienti è particolarmente aggressiva. Il reperto anamnestico di pregresso infarto del miocardio è piuttosto comune e la funzione ventricolare sinistra residua varia da una modesta compromissione fino al quadro dell’insufficienza cardiaca cronica. Anche esiti più o meno rilevanti di pregressa malattia cerebrovascolare sono piuttosto comuni. Infine, l’arto “sano” è anch’esso affetto da aterosclerosi e presenta delle limitazioni funzionali spesso importanti.
Sebbene tutte le amputazioni dell’arto inferiore rappresentino una condizione gravemente invalidante, quelle trans-femorali, che sono circa il 20% di tutte le amputazioni con un’incidenza di circa 4.000 ogni anno (Ministero della Salute), sono le più impegnative sia per i pazienti che per gli operatori coinvolti nel processo riabilitativo.
I pazienti con amputazione transfemorale camminano lentamente, con una velocità ridotta di circa il 60% rispetto a quella dei coetanei non amputati, e consumano circa il 250% dell’energia metabolica necessaria per il cammino, il ché si traduce in un notevole impegno cardiorespiratorio. Inoltre, anche l’impegno cognitivo è assai elevato, come documentano i test per lo studio del sistema autonomico e i dual-task test, per il timore di cadere dovuto alla consapevolezza della loro condizione di instabilità.
Le caratteristiche del cammino di questi pazienti condizionano pesantemente l’utilizzo della protesi e, di fatto, solo il 20% di loro la utilizza regolarmente, mentre la maggioranza usa mezzi di locomozione alternativi, come la sedia a rotelle. Questo comporta uno stile di vita sostanzialmente sedentario che, a sua volta, è uno dei principali fattori di rischio per l’ulteriore progressione dell’aterosclerosi.
Le osservazioni sopra riportate sottolineano la necessità di favorire il recupero della mobilità nei pazienti con amputazione trans-femorale, ma allo stato dell’arte non esistono protesi artificiali passive o attive in grado di ridurre lo sforzo energetico e cognitivo dei pazienti. In questo contesto è stato concepito il progetto CYBERLEGs il cui scopo è stato quello di sviluppare un sistema robotico modulare costituito da una protesi artificiale attiva, per la sostituzione funzionale dell’arto amputato, e da una ortesi attiva per assistere il movimento di entrambe le anche. Altri scopi del progetto sono stati: 1) lo sviluppo di una unità cognitiva di controllo in grado di decodificare le intenzioni di moto del paziente utilizzando un algoritmo di fusione dei segnali provenienti da vari sistemi di sensori e di tradurre l’informazione in comandi coerenti per gli effettori; 2) lo sviluppo di una interfaccia uomo-robot bidirezionale in grado di fornire al paziente un sistema di feed-back per aiutarlo a recuperare un pattern di cammino più fisiologico e meno impegnativo sul piano cognitivo; 3) lo sviluppo di algoritmi in grado di riconoscere una caduta imminente e di implementare i controlli in grado di prevenirla.

Immagini

Risultati
Nel corso dei tre anni del progetto si è svolta la fase di sviluppo e di sperimentazione pre-clinica di un nuovo set di tecnologie robotiche indossabili per il recupero della deambulazione nei pazienti con amputazione trans-femorale. I test sui pazienti sono stati effettuati in un laboratorio dedicato (MARe Lab, Movement Assistance in Rehabilitation) situato presso il Centro Don Gnocchi di Firenze.
È stata messa a punto una nuova ortesi pelvica attiva che fornisce assistenza alla flesso-estensione di entrambe le anche. L’ortesi è alimentata da una batteria che consente un’autonomia di circa 3 ore, è agevole da indossare ed è anche ergonomica perché segue la naturale biomeccanica dell’anca in modo che gli assi di rotazione dell’anca e dell’ortesi siano sempre allineati. Grazie all’utilizzo di strategie di controllo bio-ispirate, basate sui c.d. primitivi di moto e sull’uso di attuatori complianti, il dispositivo non ostacola in nessun modo i movimenti che il paziente vuole effettuare e, quando necessario, è in grado di fornire un’assistenza dolce e naturale. Utilizzando la tecnica della calorimetria indiretta è stato dimostrato per la prima volta che questa extra spinta fornita ad ogni passo sia sull’arto protesico che su quello “sano” riduce il consumo di ossigeno, e quindi lo sforzo energetico richiesto per camminare. Nel corso del progetto è stata anche messa a punto una nuova protesi trans-femorale attiva che utilizza elementi elastici passivi posti in serie ad attuatori elettromagnetici. I motori forniscono energia durante la fase di appoggio, aiutando la propulsione, mentre gli elementi elastici passivi assorbono l’impatto con il terreno durante la fase di accettazione del carico. Inoltre, i motori forniscono assistenza anche nel passaggio dalla posizione seduta a quella eretta e viceversa. L’interfaccia con la protesi è ottenuta attraverso una sistema di sensori indossabili, costituita da scarpe equipaggiate con sensori di pressione e da una rete di sette sensori inerziali, solidali con i sei principali segmenti anatomici degli arti inferiori e con il tronco. Questi sensori forniscono informazioni all’unità cognitiva di controllo che può, quindi, riconoscere le intenzioni motorie del paziente e tradurle in comandi per gli attuatori della protesi. Anche in questo caso, i risultati dei test effettuati hanno provato l’efficacia di questa rete di sensori indossabili come interfaccia uomo-macchina non invasiva per comandare una protesi d’arto inferiore robotizzata. Nel corso del progetto è stata anche sviluppata un’interfaccia bi-direzionale con la protesi utilizzando un sistema di vibratori miniaturizzati indossabili attraverso i quali il paziente riceve afferenze “propriocettive” dalla protesi sulle quali può regolare il ritmo del cammino che è spesso grossolanamente asimmetrico. Infine, utilizzando un’apposita piattaforma (SENLY) in grado di indurre perturbazioni dell’equilibrio in tutte le direzioni durante il cammino, è stata messa a punto una strategia per il controllo del rischio di caduta. Il riconoscimento della caduta imminente è basato su un algoritmo adattativo che analizza le differenze fra l’escursione angolare stimata dell’anca e quella effettiva, rilevata dall’ortesi pelvica. Lo stesso algoritmo fornisce anche all’ortesi pelvica i necessari comandi compensatori per mitigare il rischio di caduta. Al momento l’algoritmo sviluppato è in grado di controllare efficacemente le cadute da scivolamento, mentre per gli altri tipi di caduta è ancora in fase di sviluppo.
Ulteriori informazioni sul progetto CYBERLEGs sono disponibili sul sito ufficiale del progetto (http://www.cyberlegs.eu) dal quale è anche possibile scaricare immagini e filmati.

 

Info: Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.
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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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