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Tesi etd-09062010-125754


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
BAGAGLI, SANDRA
URN
etd-09062010-125754
Title
Studio sperimentale delle strategie di controllo motorio in pazienti post-ictus attraverso un sistema robotico per la riabilitazione dell'arto superiore
Struttura
INGEGNERIA
Corso di studi
INGEGNERIA BIOMEDICA
Commissione
relatore Ing. Mazzoleni, Stefano
relatore Prof.ssa Laschi, Cecilia
Parole chiave
  • sistema robotico
  • riabilitazione
  • analisi biomeccanica
  • arto superiore
  • movimenti di reaching
Data inizio appello
28/09/2010;
Consultabilità
parziale
Data di rilascio
28/09/2050
Riassunto analitico
L’obiettivo di questa tesi di laurea è stato quello di evidenziare strategie di controllo motorio sviluppando una metodologia di analisi dati registrati mediante un sistema robotico per la riabilitazione dell’arto superiore in soggetti sani e soggetti post-ictus durante una sperimentazione clinica in corso presso il Centro di Riabilitazione “Auxilium Vitae” a Volterra.<br>L’ictus cerebrale rappresenta la seconda causa di morte a livello mondiale e la terza causa di morte nei paesi industrializzati, dopo le malattie cardiovascolari ed i tumori, inoltre risulta essere la prima causa di disabilità nell’anziano con un rilevante impatto individuale, familiare e socio-sanitario.<br>La prevalenza e l’incidenza dell’ictus cerebrale cambiano da studio a studio, in relazione a diversi aspetti (tipo di ictus, età, sesso,…); la prevalenza aumenta in relazione all’età, raggiungendo valori, in studi internazionali, tra 4,61 e 7,33 per 100 abitanti nei soggetti di età superiore a 65 anni e l’incidenza calcolata dai dati di vari studi europei, simili dal punto di vista metodologico, è risultata pari ad 8,72 per 1000 nei soggetti di età compresa tra 65 e 84 anni.<br>Il 35% dei pazienti colpiti da ictus, globalmente considerati, è affetto da una grave invalidità e una marcata limitazione nelle attività della vita quotidiana.<br>Le attività sanitarie di riabilitazione, ad eccezione di quelle di semplice terapia fisica destinata a disabilità minimali, richiedono la presa in carico del paziente attraverso la predisposizione di un “progetto riabilitativo individuale” e la realizzazione di tale progetto mediante uno o più “programmi riabilitativi”. Il progetto riabilitativo individuale, elaborato dal team riabilitativo e coordinato dal medico responsabile, tiene conto delle specifiche caratteristiche degli individui assistiti per quanto riguarda le abilità residue e recuperabili, i bisogni, le preferenze, la situazione familiare ed i fattori ambientali e personali.<br>La valutazione sul paziente candidato all’assistenza riabilitativa richiede un’analisi standardizzata delle seguenti condizioni: stato generale, fattori sociali ed ambientali, condizioni motorie, sensibilità, stato cognitivo, condizioni psichiche, comunicazione, caratteristiche del supporto esterno, autonomia nelle attività della vita quotidiana.<br>In riabilitazione è fondamentale valutare la disabilità del paziente prima e dopo il trattamento riabilitativo. <br>Per il recupero sono globalmente indicate tecniche di integrazione sensitivo-motoria che richiedono esercizi fisici svolti dal paziente con l’assistenza continua di un terapista. Negli ultimi dieci anni, la robotica ha fornito strumenti e metodologie innovative per la riabilitazione del paziente neurologico. I sistemi robotici sono strumenti utili per lo studio dell’evoluzione del recupero, per la valutazione quantitativa dell’effetto dei trattamenti terapeutici ed, infine, per l’esecuzione stessa dell’esercizio riabilitativo.<br>In una terapia riabilitativa assistita dal robot, il terapista programma il processo riabilitativo, illustrando al paziente le modalità di esecuzione degli esercizi da effettuare; il robot deve essere adattato alle caratteristiche fisiche del soggetto e fornire assistenza durante la seduta con lo scopo di aumentare l’efficacia della terapia e di rendere possibile l’esecuzione di movimenti ripetitivi. Il dispositivo è dotato di un sensore di forza/coppia che permette la misura della forza esercitata sull’impugnatura e di encoder che registrano la posizione e la velocità dell’end-effector, così da rendere possibile una valutazione oggettiva dell’outcome motorio del paziente, ovvero il risultato finale derivante dal percorso di riabilitazione.<br>Tra i primi esempi di sistema robotico per la riabilitazione dell’arto superiore s’annovera il sistema MIT-Manus, progettato presso il Massachussetts Institute of Technology, per permettere ai soggetti emiparetici di muovere l’arto superiore in uno spazio bidimensionale. Numerosi gruppi di ricerca in tutto il mondo sono attivi nella progettazione di nuovi robot per la riabilitazione dell’arto superiore: in alcuni di essi il movimento attivo assistito può associarsi ad ambienti virtuali, stimolazione sensoriale, stimolazione elettrica funzionale.<br>In primo luogo, in questo lavoro di tesi, sono illustrati alcuni sistemi robotici impiegati nella riabilitazione di arto superiore ed inferiore con i relativi studi clinici, successivamente è descritta nel dettaglio la struttura meccanica del MIT-Manus e il relativo algoritmo di controllo: in questo lavoro di tesi, i dati raccolti derivanti da una sperimentazione clinica condotta su pazienti colpiti da ictus ha previsto l’impiego di questo sistema robotico. Il dispositivo è nato dalla collaborazione fra ingegneri meccanici dell’istituto di tecnologia del Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology) e medici dell’ospedale Burke (New York, U.S.A.). Il MIT-Manus, a differenza della maggior parte dei robot industriali, ha una configurazione che assicura operazioni, in stretto contatto fisico con il paziente, con caratteristiche di sicurezza, stabilità e cedevolezza. Tutto questo è reso possibile grazie al controllo di impedenza implementato sul dispositivo, che permette di modulare il modo in cui il robot reagisce ad una perturbazione meccanica proveniente da un medico o da un paziente. Il dispositivo può condurre o perturbare il movimento dell’arto superiore del paziente, registrare i movimenti e grandezze meccaniche quali posizione, velocità e forza. <br>Con il MIT-Manus sono stati effettuati numerosi studi clinici e questi evidenziano che i vantaggi primari risultano essere: diminuzione del danno motorio dell’arto e della spasticità muscolare, vantaggi secondari sul cammino e sulla postura, miglioramenti nello svolgimento delle attività di vita quotidiana, diminuzione del dolore, possibilità di eseguire un numero elevato di movimenti ripetitivi durante la singola sessione di riabilitazione e di registrare i parametri biomeccanici di interesse.<br>La sperimentazione oggetto di questo lavoro di tesi, condotta presso il Centro di Riabilitazione “Auxilium Vitae” a Volterra, ha avuto una durata complessiva di sei settimane.<br>Ogni sessione di allenamento si divide in diverse fasi:<br>• 16 movimenti assistiti dal robot <br>• 320 movimenti assistiti dal robot in caso di necessità (Adaptive): il robot può supportare il movimento del braccio. Se il paziente non riesce ad iniziare a compiere lo spostamento entro un tempo stabilito o riesce ad iniziare il movimento, ma non a raggiungere l’obiettivo, il braccio robotico guiderà il movimento fino al raggiungimento del target.<br>• 16 movimenti liberi (Oneway record): durante questa fase avviene la registrazione delle variabili biomeccaniche di interesse (forza, velocità, posizione).<br>L’analisi dei parametri sopra citati è stata eseguita nella sessione pre-trattamento e nella sessione post-trattamento così da poter evidenziare un eventuale cambiamento nelle prestazioni motorie del paziente e analizzare gli effetti della terapia riabilitativa con il MIT-Manus.<br>Il software che è stato implementato per l’analisi dati e la relativa implementazione delle strutture dati per le variabili biomeccaniche analizzate in questo lavoro di tesi (velocità e traiettorie nel piano XY) è basato sull’ambiente Matlab (Mathworks, Natick, USA). Per capire come, in condizioni fisiologiche, viene eseguito il movimento, ma soprattutto per poter rilevare un cambiamento delle prestazioni motorie dei pazienti dopo il trattamento con il sistema robotico, sono stati calcolati i seguenti parametri:<br><br>PAR1 = distanza media tra traiettorie reale ed ideale,<br>PAR 2 = distanza massima tra traiettoria reale ed ideale,<br>PAR3 = velocità media sviluppata durante l’esecuzione di una direzione o di andata o di ritorno,<br>PAR4 = velocità massima sviluppata durante l’esecuzione di una direzione o di andata o di ritorno,<br>PAR5 = v. media / v. massima,<br>PAR6 = numero di picchi,<br>PAR7 = (v.massima – v. media) / v. massima,<br>PAR8 = [(v.massima – v. media) / v. massima] × N°picchi.<br><br>Dal lavoro svolto si evidenzia che la terapia con il MIT-Manus è ben accettata e tollerata dai pazienti che mostrano aumenti nel range di movimento, nonché una diminuzione della spasticità e del danno motorio (effetti rilevati mediante scale di valutazione cliniche). Inoltre tramite l’analisi dei parametri biomeccanici proposti in questo studio, sono stati rilevati notevoli miglioramenti delle performance motorie e delle capacità di recupero dei soggetti.<br>La terapia migliora la velocità di esecuzione e la fluidità del movimento ma anche la precisione dello stesso, come indicato dalla diminuzione della distanza (media e massima) tra la traiettorie effettuata dal paziente e quella ideale.<br>Le considerazioni fatte hanno una rilevanza clinica importante, infatti per il soggetto analizzato i miglioramenti riguardano quei movimenti che vanno contro il pattern patologico, che avvengono nelle direzioni in cui il soggetto ha maggiori difficoltà ad eseguire il task.<br>La terapia robotica, oltre a influire positivamente sulle prestazioni motorie dei pazienti, permette di registrare una notevole quantità di dati (grazie ai sensori presenti a bordo del robot) dai quali è possibile desumere una grande varietà di parametri e condurre un’analisi quantitativa ricca; in particolare dal lavoro eseguito in questo studio emerge che i parametri biomeccanici scelti per riscontrare cambiamenti tra prima e dopo la terapia sono risultati idonei per la valutazione. <br>Da questo lavoro di tesi viene evidenziato anche come sia possibile condurre uno studio paziente per paziente, analizzando singolarmente i vari casi mediante la combinazione tra parametri biomeccanici e scale di valutazione clinica e personalizzando il trattamento a seconda delle esigenze del singolo, infatti come per il gruppo era stato già formulato in precedenza uno scenario diverso dal clock (il ventaglio), sarà interessante proporre uno scenario di allenamento specifico alla disabilità del singolo paziente.<br>Le conclusioni a cui si è pervenuti potranno essere confermate con un campione di studio più ampio. Nella sperimentazione futura potrebbe essere interessante integrare le analisi condotte (scale di valutazione e parametri biomeccanici) con tecniche di imaging cerebrale per rilevare le aree cerebrali coinvolte nel recupero motorio e valutare i meccanismi dello stesso.<br>
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