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Lesioni del midollo spinale (SCI), malattie neurodegenerative e ictus cerebrale sono esempi di eventi invalidanti, poiché possono ridurre le capacità motorie delle persone colpite.
La stimolazione elettrica funzionale (FES), introdotta in minima parte nella pratica clinica, induce elettricamente la contrazione muscolare per produrre movimenti funzionali utili. Per sfruttare la FES è necessario che il motoneurone inferiore prossimo alla placca motoria non sia danneggiato, in modo da poter indurre la contrazione muscolare desiderata. Un movimento funzionalmente utile per un individuo è la presa di un oggetto.
Il movimento della mano comprende il coinvolgimento di molti muscoli atti all’apertura e alla chiusura delle dita, ed è complesso perché controlla svariati gradi di libertà attraverso complesse sinergie.
Evolutivamente la mano umana si è differenziata da quella di altri animali, riducendo la sua specializzazione e aumentandone l’adattabilità. Forma, funzionalità e duttilità del controllo vanno di pari passo per adattarsi a interagire efficacemente con l’ambiente. Sono classificati diversi tipi di presa (presa sferica, cilindrica, gancio, laterale etc.) e ognuno di questi impatta in modo diverso con le ADL (activity of daily living). Per valutare la funzionalità dei diversi tipi di presa è possibile effettuare il test di Sollerman sulla funzionalità della mano [1].
Un paziente, a differenza di una persona in salute, potrebbe non essere in grado di compiere tutti i tipi di presa, potrebbe avere solo un controllo parziale della mano, potrebbe essere incapace di aprire la mano o avere tremori che gli impediscono la presa ferma di oggetti. Per questo motivo esistono sistemi di riabilitazione.
E’ stato sviluppato un sistema assistivo per il controllo dei movimenti della mano tramite stimolazione transdermica, come modulo per il progetto MUNDUS (MUltimodal Neuroprosthesis for Daily Upper limb Support). Il sistema ha due componenti: un dispositivo per la stimolazione elettrica funzionale, e un guanto per monitorare i movimenti in atto. La stimolazione è applicata all’avambraccio e alla mano tramite matrici di elettrodi. Un guanto sensorizzato determina lo stato cinematico di apertura e di chiusura della mano e di forza applicata in punti caratteristici per la presa di un oggetto. Per semplicità di controllo è stato scelto di indurre la presa cilindrica di oggetti.
In particolare, il guanto è in grado di rilevare i movimenti delle articolazioni metacarpali (MCP) e interfalangee prossimali (PIP) delle dita, e la presenza di una forza agente sulla punta delle dita e sul palmo della mano. Il sistema può essere controllato a ciclo aperto o a ciclo chiuso, rispettivamente per la fase d’identificazione e di controllo sulla forza. La fase d’identificazione è stata effettuata per decidere i parametri di stimolazione: posizione dell’elettrodo, frequenza di stimolazione, intensità di corrente e larghezza d’impulso (PW). Infatti, spostandosi da un elettrodo all’altro sull’array di elettrodi, e al contempo mantenendo fissi gli altri parametri di stimolazione, è possibile ottenere una risposta muscolare differente. La successiva fase di controllo è stata implementata in due modi diversi: attraverso un controllore bang-bang e attraverso un controllore PI (proporzionale-integrale). I due controllori forniscono allo stimolatore i parametri di controllo necessari per raggiungere lo stato desiderato (come ad esempio la presa di un oggetto).
Il lavoro di tesi è stato suddiviso in 6 capitoli.
Nel capitolo uno sono stati introdotti elementi di anatomia della mano, dei muscoli estrinseci ed intrinseci, della selettività della stimolazione elettrica nell’attivazione controllata dei muscoli e i limiti dell’approccio usato.
Nel capitolo due sono stati descritti il guanto sensorizzato, il circuito di condizionamento del segnale e gli strumenti utilizzati per il test del guanto, per l’acquisizione, l’elaborazione e la visualizzazione dei dati grezzi o normalizzati.
Nel capitolo tre è stato descritto l’array di elettrodi da posizionare sulla mano e sull’avambraccio per la stimolazione elettrica funzionale (FES) che induce l’apertura o la chiusura della mano.
Nel capitolo quattro sono stati introdotti lo stimolatore e il demultiplexer necessari a indurre la stimolazione.
Nel capitolo cinque sono state trattate le fasi di identificazione e controllo. Per quanto riguarda l’identificazione sono stati descritti gli strumenti usati per l’analisi, l’elaborazione e la visualizzazione offline dei dati acquisiti dal guanto, con l’obiettivo di identificare i parametri di stimolazione (corrente e sito di stimolazione). Per quanto riguarda il controllo, sono stati descritti i controllori utilizzati (bang-bang e PI) e i file generati per la loro l’implementazione.
Nel capitolo sei sono stati riportati i risultati ottenuti dall’analisi del guanto, dalla fase di identificazione e dalla fase di controllo.
Nel capitolo conclusivo è stato fatto un riassunto del lavoro di tesi, soffermandosi sulle limitazioni del sistema e sugli sviluppi futuri.