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Capitolo 1
Introduzione
Attualmente nelle società industrializzate, le richieste e le necessità di prestazioni riabilitative sono notevolmente aumentate rispetto al passato [1]. Esistono infatti diversi fattori che hanno causato questo aumento: i più importanti riguardano la crescente longevità della popolazione, l’esigenza di ridurre i tempi di degenza ospedaliera, l’introduzione di terapie che permettono di trattare patologie progressive altamente invalidanti, l’incremento di incidenza di disabilità gravi e moderate derivante dall’aumento di attività a rischio di incidenti e traumi, e l’utilizzo di tecniche avanzate di rianimazione.
La riabilitazione è definita come quel processo che porta “alla reintegrazione di un individuo con una disabilità all’interno della società ” [2]. L’obiettivo principale è, infatti, quello di rendere indipendenti soggetti non completamente autosufficienti, aumentarne il livello di autonomia e favorirne il reinserimento sociale [3].
In particolare, nell’ambito del cammino, l’obiettivo della riabilitazione è, quando possibile, ripristinare non solo i movimenti a livello articolare, ma anche la deambulazione, cercando di recuperare la capacità di superare scale, ostacoli ed irregolarità del suolo [4].
Per rendere possibile il raggiungimento di questi obiettivi, la ricerca scientifica ha contribuito a definire metodi innovativi basati sull’utilizzo di tecnologie da affiancare ai trattamenti tradizionali [5]. E’ stato infatti dimostrato che l’interazione di trattamenti tradizionali e trattamenti basati su tecnologie permette di ottenere migliori risultati ed in tempi minori [5],[6].
In generale, il processo riabilitativo consiste in una prima valutazione funzionale del paziente da parte del terapista mediante scale di valutazione clinica, con l’obiettivo di valutare le funzioni e le relative prestazioni. Una volta effettuata questa prima valutazione, si procede con la scelta del tipo di intervento riabilitativo più adatto al paziente.
Una volta poi eseguito il ciclo di terapia, viene effettuata una valutazione delle attività residue del paziente per scegliere, se necessario, l’ausilio più adatto al paziente per lo
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svolgimento delle attività di vita quotidiana. Infine si procede con il reinserimento sociale.
Per raggiungere risultati efficaci è infatti fondamentale poter disporre di una corretta valutazione delle capacità residue del paziente: i risultati dipendono poi da diversi fattori come ad esempio l’età, le eventuali limitazioni articolari, la presenza di complicanze, lo stile di vita, e le condizioni psicologiche del paziente [7].
La durata ed il numero di sessioni riabilitative variano da soggetto a soggetto. Ad ogni modo, la riduzione di questi due fattori risulta essere invece molto importante in quanto sono una forte determinante per favorire il recupero: più le sedute presentano caratteristiche ottimali per il singolo paziente, maggiore sarà il suo recupero. La personalizzazione del trattamento sul singolo paziente in base alle proprie esigenze risulta essere quindi un altro fattore fondamentale.
L’utilizzo di tecnologie avanzate nelle varie fasi del processo di riabilitazione, dove il terapista e il paziente continuano ad avere un ruolo fondamentale, può contribuire a rendere la terapia ripetibile e personalizzabile.
Il movimento degli arti è infatti supportato dal dispositivo robotico che accompagna e quando necessario completa il movimento eseguito dal paziente. La personalizzazione del movimento viene ottenuta tramite la regolazione delle ortesi sul singolo paziente e tramite l’impostazione di determinati parametri presenti nella macchina.
Oltre ai vantaggi sopra elencati, l’uso delle macchine riabilitative consente di ottenere una varietà di stimoli e spinte motivazionali che consentono al paziente di ricevere differenti feedback sui movimenti eseguiti: questo aspetto è da non sottovalutare, in quanto gli esiti del trattamento riabilitativo dipendono fortemente dallo stato psicologico del paziente.
Inoltre l’uso delle macchine riabilitative consente anche di valutare il decorso della terapia in maniera oggettiva grazie all’utilizzo di appositi sensori. Questi ultimi sono in grado di rilevare le variabili dinamiche di interesse clinico durante l’esecuzione dei vari movimenti da parte del paziente, consentendo anche una valutazione quantitativa degli specifici meccanismi fisiologici, del recupero dei danni motori e dell’abilità funzionale durante l’intera durata della terapia.
Questo spiega il potenziale impatto di tali dispositivi in quanto possono, da un lato, supportare il terapista nel somministrare la terapia motoria più adeguata per ogni paziente in modo preciso e ripetibile, e dall’altro, acquisire informazioni quantitative sul
3 movimento del paziente stesso, utili per la valutazione del decorso della terapia e del recupero motorio.
Come si può quindi facilmente intuire, grazie al consistente sviluppo di nuove conoscenze e tecnologie, molte problematiche mediche possono essere affrontate con il contributo bioingegneristico.
Nel caso specifico della riabilitazione, la ricerca cerca di sviluppare nuove tecnologie, strumenti tecnologici, ausili e macchine innovative con funzioni di supporto clinico e diagnostico per terapie finalizzate al recupero funzionale in pazienti affetti da disabilità motorie .
L’apprendimento da parte di quest’ultimi può essere reso più semplice attraverso la ripetizione di movimenti semplici, ma finalizzati ad un obbiettivo ben preciso. In questo modo è possibile ottenere il rafforzamento dei muscoli, l’aumento dell’intervallo del movimento (ROM, Range of Movement), la modulazione della spasticità e l’incremento degli stimoli sensoriali.
Le macchine riabilitative vengono definite come un sistema robotico o meccatronico in grado di coadiuvare il terapista nella somministrazione di trattamenti riabilitativi programmabili e personalizzabili. Sono costituite da una struttura meccanica articolata in cui sono presenti :
attuatori (cioè i motori); sorgenti di energia;
sensori di tipo propriocettivo, che forniscono informazioni sullo stato della macchina, e/o di tipo esterocettivo, che forniscono informazioni sull’interazione della macchina con l’ambiente di lavoro;
un microcontrollore, dedicato all’elaborazione dei segnali provenienti dai sensori e alla generazione dei comandi di controllo motorio
una interfaccia uomo-macchina (software), dedicata all’immissione dei comandi da parte dell’utente, alla registrazione dei dati e alla presentazione di informazioni di feedback [8].
Nell’ambito della riabilitazione vengono tipicamente utilizzate due tipologie di macchine: esistono infatti sistemi di tipo esoscheletrico, e sistemi di tipo end-effector. I primi sono costituiti da strutture meccatroniche “indossabili”, e quindi una parte della struttura meccanica è a diretto contatto con l’arto del paziente.
4 I secondi si basano su sistemi nei quali l’interfaccia di contatto tra il robot ed il paziente è limitato ad un singolo punto. Questa classificazione è valida sia per sistemi relativi alla riabilitazione per gli arti superiori, che per gli arti inferiori.
Esistono molti dispositivi per la riabilitazione degli arti superiori [10],[11],[12] tra quelli più avanzati un caso di notevole interesse è rappresentato dal sistema
“MIT-Manus” (InMotion ARM™, Interactive Motion Technologies. Inc., Watertown, MA,
USA) che fa parte dei sistemi di tipo end-effector, e può muovere, guidare o perturbare il movimento dell'arto superiore di un soggetto consentendo contemporaneamente la registrazione di parametri significativi, come la posizione, la velocità e le forze applicate all’effettore finale [13]. Inoltre, grazie alle variabili fisiche acquisite dal sistema è possibile calcolare parametri biomeccanici specifici, utili per la caratterizzazione delle prestazioni motorie del paziente. Insieme ai parametri calcolati a partire dai segnali elettroencefalografici (EEG) è possibile valutare anche l’attivazione delle aree motorie prima e dopo il trattamento [14].
Un altro dispositivo utilizzato nella riabilitazione degli arti superiori è il sistema ”
MEMOS”, questo è un dispositivo robotico per la riabilitazione di pazienti post-ictus,
che è in fase di validazione clinica presso la Fondazione Salvatore Maugeri a Veruno (Novara) e che ha già mostrato ottimi risultati [15], [16].
Il sistema “MEMOS” permette di effettuare movimenti di reaching (ovvero movimenti che consistono nel raggiungimento di obiettivi in uno spazio bidimensionale) attraverso l’utilizzo di un semplice sistema di guide. Prima dell’inizio della seduta di terapia, il piano di lavoro può essere opportunamente inclinato in funzione delle esigenze del terapista mediante una regolazione manuale. Oltre ad avere una struttura meccanica più semplice rispetto al “MIT-Manus”, il “MEMOS” unisce anche la flessibilità di un sistema che può essere usato per la riabilitazione a casa del paziente, monitorato in tempo reale dal controllo in remoto via internet da parte di medici e fisioterapisti.
Altri dispositivi utilizzati nella riabilitazione degli arti superiori sono l’
“ARM-GUIDE” (Assisted Rehabilitation and Measurement guide), il “MIME” (Mirror-Image
Motion Enabler), e il “Bi-Manu-Track” [11].
Ad esempio, il primo è un dispositivo con quattro gradi di libertà (DoF) ed un servomotore che aiuta il paziente nel movimento dell’arto. Grazie alla presenza di encoder ottici, è inoltre possibile registrare la posizione del braccio ed il movimento compiuto dall’asse di yaw [11].
5 Il secondo invece ha sei gradi di libertà , consentendo il movimento bilaterale della spalla e del gomito, permettendo all’arto non paretico di aiutare, quando e se necessario, l’arto paretico nel suo movimento [17].
Un esempio di sistema esoscheletrico utilizzato per la riabilitazione degli arti superiori è l’ “ Armeo” ( Hocoma, Volkestwil, Svizzera). Questo è un dispositivo che neutralizza il peso dell’arto rendendo così possibile il controllo residuo sia dell’arto che della mano. Permette inoltre di eseguire degli esercizi guidati con una simulazione 3D di compiti della vita quotidiana. L’impugnatura, dotata di un sensore di pressione, rileva anche piccole intensità di forza, facilitando gli esercizi di presa e rilascio, anche in una fase precoce della terapia [18].
Per quanto riguarda la riabilitazione degli arti inferiori, l’obbiettivo è quello di rendere il più possibile autonomo il paziente nello svolgimento delle sue attività quotidiane. Il concetto del riapprendimento motorio per gli arti inferiori si basa sulla ripetizione dei movimenti associati alla deambulazione. Utilizzando i metodi tradizionali i terapisti muovono gli arti inferiori del paziente su un tapis-roulant, cercando di coordinarsi tra loro il più possibile. Questo tipo di training presenta però alcuni limiti importanti per il paziente, tra i quali la scarsa ripetibilità del movimento, il ciclo del passo non fisiologico, la durata della sessione riabilitativa non ottimale. Inoltre vi sono limitazioni anche per i terapisti: postura scomoda, difficoltà di coordinamento nell’esecuzione dei movimenti, carico di lavoro pesante.
Alcuni studi fisiologici hanno evidenziato il ruolo centrale dei riflessi spinali (mediante una struttura denominata Central Pattern Generator) per il recupero della deambulazione in animali con lesioni midollari, utilizzando un setup sperimentale composto da un sistema di allievo del peso ed un treadmill [19] .
Lo stesso approccio è stato applicato ai pazienti con lesione midollare [20] ,[21]. Questi studi hanno contribuito allo sviluppo di sistemi robotici per la riabilitazione del cammino, come ad esempio il sistema Lokomat (Hocoma AG, Volketswil, Svizzera), il “Gang Trainer”, l’ ”Haptic walker” ed il “G-EO system”.
Il Lokomat fa parte dei sistemi a esoscheletro ed è costituito da un tapis roulant, un sistema di supporto del peso corporeo ed ortesi motorizzate che assistono i movimenti dell’anca e del ginocchio.
Le altre macchine riabilitative sopra citate seguono il principio dell’effettore finale: il paziente sta infatti in piedi su due piattaforme separate, le cui traiettorie sono liberamente programmabili e i cui movimenti simulano il cammino. La differenza
6 principale tra le tre è che con il G-EO-System, è possibile esercitarsi nel cammino di tutte le traiettorie significative della vita quotidiana, scale incluse [22].
Il supporto bioingegneristico alla medicina non è limitato alla sola realizzazione di macchine riabilitative, ma si espande anche in ambito diagnostico, grazie allo sviluppo di strumenti/tecniche diagnostiche come, ad esempio, l’elettromiografia, l’elettroencefalografia e la risonanza magnetica funzionale . Con queste tecniche è possibile indagare ed analizzare le attività fisiologiche di interesse.
Ad esempio, con l’analisi dei segnali elettromiografici (EMG) è possibile studiare il sistema nervoso periferico dal punto di vista funzionale: l’elettromiografia rappresenta infatti un metodo affidabile in grado di dare informazioni sulla funzionalità dei nervi periferici e dei muscoli scheletrici. L’attività muscolare svolta durante un qualsiasi movimento viene registrata grazie all’utilizzo di elettrodi che possono essere sia superficiali, sia ad ago inseriti direttamente nel muscolo. Tali elettrodi registrano i segnali elettrici provenienti dal muscolo e che possono essere elaborati/analizzati tramite opportune tecniche di analisi e software [23].
La registrazione dell’attività muscolare è uno strumento molto importante in ambito riabilitativo, soprattutto per quelle patologie che causano un’alterazione della conduzione dell’impulso nervoso, come le lesioni midollari [24].
Queste lesioni interrompono la continuità della trasmissione dei segnali afferenti ed efferenti, determinando l’impossibilità da parte dei centri corticali di comandare e regolare tutto ciò che sta al di sotto della lesione, provocando quindi decifit parziale o totale di alcune funzioni, come ad esempio la mobilità e la sensibilità, ma anche il trofismo ed il controllo degli sfinteri, rendendo così il soggetto fortemente limitato nelle sue funzioni [25].
Le conseguenze di una lesione dipendono dall’entità del danno a carico del midollo spinale e dal livello a cui essa avviene.
In base all’entità del danno, le lesioni midollari si distinguono in complete e incomplete. Nel primo caso si ha una lesione totale del midollo spinale con conseguente perdita totale, e di solito permanente, della capacità di inviare e ricevere impulsi nervosi sensoriali e motori sotto il livello della lesione.
Nel caso invece di lesioni incomplete, si ha un danneggiamento parziale del midollo spinale: in questa situazione alcune funzioni motorie e sensoriali continuano ad essere attive.
7 Per quanto riguarda il livello, questo è rappresentato dalla porzione più distale del midollo spinale in cui sia la funzione motoria che quella sensitiva risultano essere integre da entrambi i lati del corpo. Al di sotto di tale livello, sia la sensibilità che la motricità risultano essere compromesse. In base quindi al livello ed alla completezza del danno, la lesione può dare origine a quattro diversi quadri clinici:
1. Paraplegia
Sindrome che viene causata da una lesione completa nel tratto toracico-lombare o sacrale del midollo spinale. Causa una paralisi degli arti inferiori e disturbi sfinterici.
2. Tetraplegia
Sindrome che viene causata da una lesione completa a livello cervicale. Causa una paralisi sia degli arti inferiori che superiori, e disturbi neurovegetativi.
3. Paraparesi
Sindrome causata da una lesione incompleta nel tratto lombo-sacrale, che causa una paralisi incompleta degli arti inferiori.
4. Tetraparesi
Sindrome causata da una lesione incompleta nel tratto cervicale, che causa una paralisi incompleta degli arti inferiori e superiori.
Anche se più rare rispetto ad altre patologie del sistema nervoso, le lesioni midollari rappresentano un importante problema sanitario e sociale, sia causa della gravità che della irreversibilità delle conseguenze che portano. Inoltre in generale i soggetti che presentano una lesione midollare sono con maggior frequenza giovani adulti, prevalentemente di sesso maschile e solitamente la lesione cervicale è più frequente rispetto a quella dorso-lombare [26]. Quindi, oltre alle varie conseguenze fisiche, sono da sottolineare anche le conseguenze socio-psicologiche che accompagnano questo tipo di malattia.
L’incidenza e la prevalenza comunque variano in rapporto ai diversi Paesi, ad esempio negli USA l’incidenza per milione di abitanti è di 55 nuovi casi all’anno, di questi circa 35 sopravvivono, mentre la prevalenza è stimata tra 500 e 900/1 milione di abitanti [27].
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In altri Paesi l’incidenza per milione di abitanti risulta la seguente: Australia 15.7, Francia 12.7, Germania 13.0, Giappone 27.1, Norvegia 16.5 e Svizzera 13.4 [21]. Per quanto riguarda l’Italia, la popolazione totale delle persone con lesione midollare è stimata intorno alle 60-70.000 persone, con un’incidenza di circa 20-25 nuovi casi l’anno per milione di abitanti [27]. Di questi:
67% risulta essere di origine traumatica, 33% di origine non traumatica.
Le cause delle lesioni midollari di origine traumatica sono gli incidenti gli incidenti stradali (48%), le cadute accidentali (22%), gli incidenti intercorsi durante la pratica di attività sportive (11%), i tentati suicidi (3%) e le aggressioni (2%) [27].
Le lesioni midollari non traumatiche sono invece causate dall’insorgenza di patologie principalmente neoplastiche/degenerative.
La riabilitazione dei pazienti con lesioni midollari ha come scopo quello di restituire al paziente il maggior grado di indipendenza e autonomia possibile, riducendo il livello di limitazione delle attività e favorendo il reinserimento nell’ambiente familiare, sociale e lavorativo .
La combinazione dei trattamenti di riabilitazione tradizionale e l’utilizzo di tecnologie riabilitative può contribuire in maniera efficace e determinante al raggiungimento di tali obiettivi.
Il seguente lavoro di tesi ha come obiettivo quello di valutare gli effetti della riabilitazione del cammino assistita dal robot in pazienti con lesioni midollari, in particolare analizzando i muscoli responsabili della flessione ed estensione dell’anca. A tal scopo è stato utilizzato un approccio integrato di registrazione di EMG e di parametri cinematici ottenuti durante le sessioni riabilitative effettuate con il sistema robotico Lokomat, in pazienti con lesioni midollari.
Questo lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con il Centro Lesioni Midollari dell’Azienda Ospedaliero-Universitaria Pisana con la preziosa collaborazione dei medici, terapisti e pazienti.
