Capitolo II
Il tremore
2.1. Una definizione di tremore
Il tremore è una contrazione muscolare ritmica ed involontaria, caratterizzata dalle oscillazioni di una parte del corpo. E' il più comune di tutti i movimenti involontari e si differenzia dagli altri disturbi motori essenzialmente per la sua ritmicità.
Il tremore è originato da contrazioni sincrone di muscoli antagonisti, alternate o irregolari. Esso può interessare varie parti del corpo come le mani, le strutture facciali, le corde vocali, il tronco ed i piedi.
La maggior parte dei tremori, tuttavia, si presentano nelle mani.
Il tremore accompagna spesso i disordini neurologici connessi con l'invecchiamento e, anche se non presenta una minaccia per la vita dell'individuo, può essere responsabile della parziale inabilità funzionale.
2.2. Classificazione del tremore in base a caratteristiche cliniche
Il tremore può derivare da processi presenti in tutti i soggetti normodotati21 o da fenomeni patologici22 e può essere caratterizzato in base alla sua eziologia od anche alla sua fenomenologia23.
Con l'eccezione del tremore che interessa la regione facciale, esiste una sua comune definizione o caratterizzazione in base al giunto intorno a cui la parte del corpo si muove. Una prima classificazione clinica può essere fatta secondo le circostanze sotto le quali si presenta il tremore. Quando la muscolatura è in una posizione di assoluto riposo24, si può avere tremore parkinsoniano o rubrico. Quando, invece, la muscolatura è in una fase di azione, si presentano varie forma di tremore:
1. Mentre si effettua volontariamente una posizione contro la gravità si ha tremore posturale: diatonico, fisiologico aumentato, essenziale, ortostatico, rubrico.
2. Durante il movimento della stessa parte interessata da un movimento compare il tremore cinetico: cerebellare diatonico, cerebellare rubrico.
3. Durante prestazioni altamente specializzate di movimenti complessi appare il tremore di operazione: cerebellare diatonico, cerebellare rubrico.
4. Durante una contrazione volontaria del muscolo contro un oggetto stazionario rigido si ha il tremore isometrico: cerebellare diatonico, cerebellare rubrico.
Tutte le varie forme di tremore presentano, come detto, la caratteristica di essere indipendenti dalla volontà, che può attenuarli ed in qualche caso addirittura esagerarli, ma che, tuttavia, non esercita mai su di loro un’apprezzabile influenza. I tremori sono accentuati anche da altri fattori come una temperatura rigida, dall’estrema stanchezza, oppure anche da un profondo stato emotivo e sono, viceversa, attenuati sotto una condizione di rilassamento fisico e di tranquillità emotiva. Adesso si prende in rassegna uno per volta i principali tipi di tremore conosciuti.
21 È detto in questo caso tremore fisiologico. 22 È detto in questo caso tremore patologico.
23 Quindi la condizione di attivazione, la frequenza, la ampiezza e la forma d'onda.
2.2.1. Tremore fisiologico
Il tremore fisiologico è un fenomeno del tutto spontaneo, presente sia in fase di veglia che in alcune fasi del sonno. Il movimento suscitato è tanto leggero che difficilmente può essere rilevato ad occhio nudo.
Il tremore fisiologico si compone di due distinte oscillazioni: una di origine meccano-riflessa ed un’altra, invece, compresa nell’intervallo di frequenze tra gli 8 ed i 12 Hz25. L'oscillazione meccano-riflessa dipende principalmente dalle proprietà meccaniche dell'arto e dalla qualità intrinseca del ritorno cognitivo neurale, responsabile della risposta riflessa. La sua dipendenza dalle proprietà meccaniche dell'arto può essere dimostrata cambiando semplicemente l'inerzia dell'arto e, simultaneamente, caricando la mano con un peso. Nella conduzione di questo esperimento si può riscontrare un salto di frequenza26. La dipendenza dalla velocità della risposta riflessa è ancor più evidente in presenza di uno stato di affaticamento muscolare, di uno stato di ansietà o dell’assunzione di particolari farmaci. L’intervallo in cui è compresa la frequenza dell'oscillazione meccano-riflessa cambia in base alla parte dell'arto presa in esame; ad esempio, mentre tale valore nel gomito varia in un “range” tra i 3 ed i 5 Hz, nel polso, invece, è compreso in una forbice tra gli 8 ed i 12 Hz; nelle dita della mano, a sua volta tra i 17 ed i 30 Hz.
La seconda oscillazione ritmica precedentemente citata, con banda racchiusa tra gli 8 ed i 12 Hz, è, invece, del tutto indipendente dalle caratteristiche meccaniche dell'arto e dalla velocità della risposta riflessa. Tale tremore è probabilmente generato da un'oscillazione del sistema nervoso centrale stesso. Si rileva, inoltre, che cambiamenti della massa producono cambiamenti degli intervalli di frequenza di valori pari a 1 o, al massimo, 2 Hz. 2.2.2. Tremore fisiologico aumentato
E' un'amplificazione del tremore fisiologico a livelli rilevabili anche semplicemente dalla vista umana. Il tremore fisiologico può, infatti, essere aumentato da molti fattori estrinseci ed intrinseci, quali lo sforzo eccessivo, l'ansia, l'affaticamento, il freddo, la fame, l’uso di stimolanti, l’uso di bevande alcooliche, oppure anche da dispersioni metaboliche come l'ipoglicemia o l'ipertiroidismo. Il tremore fisiologico aumentato è caratterizzato da
25 Questa sarà un’importantissima specifica per la realizzazione della parte controllistica del prototipo di
bisturi meccatronico.
frequenze tipiche del tremore fisiologico e, quindi, riguardano i già citati valori compresi tra gli 8 ed i 12 Hz, ma presenta un'ampiezza sicuramente maggiore di quella rilevata nel tremore non amplificato.
2.2.3. Tremore essenziale
Il tremore essenziale è un disordine neurologico abbastanza comune, ma al tempo stesso presenta una notevole complessità nel movimento. E’ denominato "essenziale" poiché in passato non ha avuto un’immediata causa scatenante rilevata.
Non è sicuramente causato da un altro stato neurologico o dall'effetto secondario indesiderato di un farmaco. Il tremore essenziale colpisce solitamente le mani, ma può anche interessare la testa, il collo, la faccia, la mascella, la lingua, la voce, il tronco e, solo raramente, i piedi. E’ un altro tipo di tremore posturale, con frequenza minore rispetto al tremore fisiologico, essendo rilevato tra i 4 e gli 8 Hz. Sul piano clinico può essere difficile distinguere il tremore essenziale dal tremore fisiologico aumentato, tuttavia permangono alcune differenze cliniche e fisiologiche.
Il tremore ortostatico e il tremore diatonico sono due varianti del tremore essenziale. La prima forma di tremore, caratterizzato da una banda compresa tra i 13 ed i 18 Hz, è di tipo posturale ed agisce sul tronco e sulle gambe e, generalizzando, sulla parte più bassa del corpo. Nella maggior parte dei pazienti, il tremore ortostatico è soppresso durante la camminata.
La seconda forma si riferisce, invece, ad un tremore misto posturale-cinetico e si presenta in una parte del corpo influenzata da distonia. La distonia è un disordine neurologico del movimento, caratterizzato da contrazioni muscolari continue, e causa frequentemente di ripetuti movimenti di torsione, a volte addirittura accompagnati da una sensazione di dolore. Il tremore diatonico può interessare tutta la muscolatura volontaria del corpo. Occorre, però, precisare che il tremore posturale della mano interessa anche i pazienti affetti da distonia ed è frequentemente indistinguibile dal tremore essenziale.
2.2.4. Tremore parkinsoniano
Il tremore detto “a riposo”, o anche “statico”, è nella maggioranza dei casi una palese manifestazione della sindrome di Parkinson. Questo tipo di tremore si registra quando
l'arto è in condizione di riposo, anche se mantiene sempre uno stato di contrazione muscolare tonica e, viceversa, è soppresso o attenuato in presenza di movimenti volontari. Da uno studio elettromiografico si può verificare che questo tipo di tremore è caratterizzato da scariche di attività elettrica che si alternano in gruppi muscolari contrapposti. La frequenza del tremore parkinsoniano è compresa tra i 3 ed i 5 Hz (e presenta, inoltre, una certa costanza della frequenza nel tempo), mentre l'ampiezza tende, invece, a variare. Altri cofattori, come, in particolare, lo stress emotivo, ne aumentano l'ampiezza, mentre la rigidità articolare può, al contrario, ridurla.
2.2.5. Tremore cerebellare
La forma più comune di tremore cerebellare è un tremore a bassa frequenza (circa 5 Hz). Questa oscillazione è, in genere, a carattere bilaterale e simmetrica se causata da un disordine cerebellare degenerativo, mentre presenta un carattere unilaterale quando è, invece, relativa ad un deficit cerebellare anch’esso unilaterale.
Le cause scatenanti più comuni di tremore cerebellare sono la sclerosi a placche, i traumi e le atassie ereditarie. La presenza di altri segni cerebellari, compresi la dismetria, l'ipotonia, la disartria ed il nistagmo, rappresenta un sussidio importante per identificare con certezza questa forma di tremore.
2.3. Classificazione in base alla frequenza
Dopo la precedente analisi, tutta basata sulle caratteristiche cliniche del tremore e, quindi, di interesse più propriamente medico, risulta sicuramente propeudetico a questo studio perpetrare un’ulteriore classificazione del tremore, questa volta, però sulla scala della banda di frequenza.
Si può suddividere questa scala di riferimento in tre bande:
Bassa frequenza < 4 Hz
Media frequenza [4 ÷ 6] Hz
Adesso si va a collocare (vedi Tab. 2-1) le varie forme di tremore visionate in queste tre fasce proprio in base alla frequenza di oscillazione tipica:
Bassa frequenza Media frequenza Alta frequenza
< 4 Hz [4 ÷ 6] Hz > 6 Hz
Tremore cerebellare Tremore essenziale* Tremore fisiologico Tremore rubrico Tremore parkinsoniano Tremore essenziale**
Tremore diatonico Tremore fis. aumentato
Tremore ortostatico
Tremore diatonico
Tabella 2 - 1: Classificazione del tremore in base alla frequenza.
* Tipicamente presente in pazienti anziani ** Tipicamente presente in pazienti giovani
2.4. Specifiche di progetto del tremore fisiologico
Presso il "Johns Hopkins" Hospital di Baltimora sono stati condotti dei test di rilevamento durante un’operazione di chirurgia vitroretinale (Riviere et al., 1997), consistente nella rimozione di una membrana epiretinale.
Le prove sono state eseguite utilizzando uno strumento chirurgico tradizionale, ma al tempo stesso opportunamente sensorizzato27, e hanno evidenziato come l'ampiezza RMS del tremore fisiologico di un chirurgo raggiunga circa 0.152 mm in ogni direzione, e l'accelerazione massima registrata sia circa 33 m/s2.
Sebbene il peso dello strumento fosse chiaramente maggiore di quello tradizionale normalmente utilizzato per questo tipo di operazione, tuttavia, manteneva una massa inferiore a quella di altri strumenti tipicamente utilizzati in chirurgia oculistica.
Rimanendo, quindi, all’interno di una scala di peso “conosciuto” ed utilizzato frequentemente dal chirurgo, i test di rilevamento non erano attenuati a causa della scarsa ergonomia dello strumento utilizzato. I dati sono stati sintetizzati nella tabella sottostante:
Grandezza Unità di
Misura Intervallo Valore Medio
Deviazione Standard
Accelerazione cm/sec2 3-33 13,8 7,9
Spostamento mm 9-152 56 35
Tabella 2 - 2: Specifiche tecniche del tremore fisiologico.
Le specifiche del tremore che, quindi, saranno prese in considerazione nel corso del progetto sono quelle che si riferiscono al tremore fisiologico:
Ampiezza di oscillazione massima: → 152 µm
Frequenza di oscillazione massima: → 33 Hz
Accelerazione massima: → 33 cm/s2
Accelerazione minima: → 3 cm/s2
2.5. Specifiche di progetto del tremore essenziale
Da uno studio condotto all’interno del Dipartimento di Bioingegneria, in collaborazione con quello di Neurologia, della Scuola di Kinesiologia dell’Università dell’Illinois di Chicago, è stato possibile ricavare una completa di gamma di specifiche di progetto riguardanti il tremore essenziale e, quindi, indirettamente anche il tremore parkinsoniano e quello posturale. Nonostante la ricerca dell’Università statunitense fosse rivolta alla acclarazione dei positivi risultati della terapia di stimolazione sul nucleo mediano-ventrale talamico (VIM DBS), nelle casistiche di pazienti affetti da tremore patologico, tuttavia le analisi svolte in questo studio sono risultate dettagliate e complete anche per le specifiche richieste nello svolgimento di questa tesi. Comparando sei soggetti affetti da tremore patologico con altrettanti pazienti sani, correllabili sia per età che per sesso, è stato possibile arrivare alla determinazione dell’ampiezza e della frequenza del tremore essenziale. Si stabilisce, inoltre, un indice di regolarità temporale, basato sulla misura
dell’entropia approssimata ed indirizzato al compito di quantizzare la predittibilità temporale dell’evento. Questo indice, denominato ApEn, varia in un intervallo compreso tra 0 e 2 e nella casistica studiata si attesta ad un valore pari a 0.40, molto prossimo alla massima prevedibilità rappresentata dal termine nullo che si ha, ad esempio, nel caso della funzione seno. I dati (vedi Tab. 2-3) riguardano sia i pazienti sottoposti alla stimolazione del nucleo talamico, denominati ON-DBS, e quelli non sottoposti a trattamenti, indicati con la sigla OFF-DBS.
Tabella 2 - 3: Sulla sinistra, profilo di ogni paziente affetto da tremore essenziale e, a destra, soggetto di
controllo corrispondente.
Nel grafico seguente (vd Fig. 2-1) si può rilevare, nell’ordine, l’accelerazione28 in un paziente affetto da tremore essenziale OFF-DBS, l’accelerazione nello stesso paziente, questa volta ON-DBS, e, infine, l’accelerazione sul controllo, individuo non affetto da tremore essenziale.
Il paziente, in questo caso, è una donna di 64 anni, mentre il controllo è ancora un individuo di sesso femminile di 61 anni, con un tremore di frequenza 7 Hz sicuramente influenzato dall’età.
28 Oltre a due rilevamenti elettromiografici in flessione ed estensione rispettivamente.
Età Sesso Livello di
stimolo Frequenza Pulsazione
Contatti degli
elettrodi Età Sesso
54 F 2,2 185 90 Monopolare 53 F 64 F 2,2 185 60 Bipolare 61 F 76 F 2,0 185 60 Monopolare 76 F 68 F 3,0 185 90 Monopolare 68 F 63 M 6,0 185 120 Bipolare 61 M 71 M 2,0 185 60 Monopolare 72 M
Figura 2 - 1: Rilevamenti dell’accelerazione in pazienti OFF-DBS, ON-DBS e sul soggetto di controllo.
Si passa, adesso, ad una generalizzazione di risultati trovati, considerando tutto il campione ed i test relativi.
Nel prossimo grafico (vedi Fig. 2-2) sarà, invece, possibile apprezzare l’ampiezza del tremore (in cm), la sua frequenza e, come ultima voce, la regolarità di un OFF-DBS29, di un ON-DBS30, riportato nonostante la sua minore attinenza alla tesi in questione, e, per ultimo, il soggetto di controllo.
In tutti e tre i grafici si possono trovare in ascissa i valori delle forze inerziali a cui è sottoposto il movimento della mano. D’altra parte, nel grafico A sono riportati in ordinata gli spostamenti minimizzati con il metodo dei minimi quadrati; nel grafico B, invece, sarà possibile visionare in ordinata i valori della frequenza. Infine, nel grafico C sono riportati in ordinata i valori della regolarità, misurata con il parametro entropia approssimata ed indicato con ApEn.
29 Paziente affetto da tremore essenziale, ma non sottoposto a trattamento. 30 Pazienti affetti da tremore essenziale e sottoposto a trattamento.
Figura 2 - 2: Ampiezza e frequenza del tremore nei grafici A e B. Regolarità di un ON-DBS, di un
OFF-DBS e del soggetto di controllo nel grafico C.
Da questa figura è possibile notare come, nei pazienti denominati ON-DBS, in condizioni di movimento naturale31, lo spostamento arriva ad un picco di 5 cm e la frequenza ad un massimo di 8 Hz.
Non appena la mano del paziente, affetto da tremore essenziale, ma non sottoposto a stimolazione, viene caricata con un peso da 200 g, immediatamente lo spostamento del tremore si stabilizza attorno ai 2 cm e la frequenza oscilla tra i 7.2 ed i 6.2 Hz. Il parametro ApEn non supera mai il valore di 0.7, assicurando così una discreta predittibilità del tremore patologico in funzione del tempo.
2.6. Conclusioni
Considerando che il paziente che usufruirà del bisturi meccatronico sarà, in ogni caso, caricato dagli effetti inerziali dovuti al suo peso proprio, si prende come target le specifiche dei pazienti caricati da almeno 200 g. Infatti, dopo la completa realizzazione del prototipo, si provvederà a determinare il suo peso e, eventualmente, si arriverà a colmare la differenza con i 200 g con un’apposita polsiera.
Per i pazienti non sottoposti a stimolazione:
Ampiezza di oscillazione massima: → 2 cm = 20000 µm
Frequenza di oscillazione massima: → 7.2 Hz
Frequenza di oscillazione minima: → 6.2 Hz
Accelerazione massima: → 40 cm/s2
Per i pazienti sottoposti a stimolazione:
Ampiezza di oscillazione massima: → 3 mm = 3000 µm
Frequenza di oscillazione massima: → 6.5 Hz
Frequenza di oscillazione minima: → 5.2 Hz
