Robotica e Spinometria

Massimiliano Mangone

Mariangela Vanadia

RobotRobot

Il robot è una qualsiasi macchina (di forma più o meno

antropomorfa), in grado di svolgere più o meno

indipendentemente un lavoro al posto dell'uomo.indipendentemente un lavoro al posto dell'uomo.

Terapia RoboticaTerapia Robotica

Ogni forma di terapia attuata grazie l’ausilio di un robot

Terapia RoboticaTerapia Robotica

Interesse crescente

The most common robot rehabilitation protocols employed to date

involve one or a combination of the following:

1) the robot initiates the movement and produces an assistive force to

push the subject's arm with a predefined trajectory and speed;

2) the subject initiates the movement but the robot then produces an2) the subject initiates the movement but the robot then produces an

assistive force;

3) the subject initiates and pushes the robot to an intended target

while the robot provide a resistive force;

4) the subject initiates and pushes the robot to an intended target; the

robot only corrects if the movement is off course or too slow.

Haptics is the science of applying touch sensation and control

for interaction with virtual or physical applications

END EFFECTOREND EFFECTOR ESOSKELETONESOSKELETON

MIT MANUS

Robot a 2 DOF che consente movimenti dell’arto superiore su

un piano orizzontale

Robot per l’arto superioreRobot per l’arto superiore

un piano orizzontale

Krebs HI, Hogan N, Aisen ML, Volpe BT. 1998. Robot-aided neurorehabilitation. IEEE Trans. Rehabil. Eng. 6:75–87

MIME (mirror image movement enhancer)

Robot a 6 DOF collegato ad uno splint a livello dell’avambraccio.

Molteplici orientamenti spaziali.

Robot per l’arto superioreRobot per l’arto superiore

-Modalità passiva

-Modalità attiva assistita con facilitazione

-Modalità attiva assistita con resistenza

-Modalità bimanuale (mirror)

Burgar et al. J Rehabil Res Dev 2000

Assisted rehabilitation and measurement (ARM) guide

Assiste meccanicamente un movimento di reaching

Robot per l’arto superioreRobot per l’arto superiore

Reinkensmeyer DJ, et al. J. Rehabil. Res. Dev. 37:653–662

Bi-Manu-Track

Robot a 2x1 DOF che consente due tipi di movimenti: prono/supinazione

dell’avambraccio e flesso/estensione di polso

Robot per l’arto superioreRobot per l’arto superiore

Hesse et al. Arch Phys Med Rehabi 2003

NeReBot

Robot a 3 DOF che può essere anche

utilizzato a letto del paziente (fase acuta)

Robot per l’arto superioreRobot per l’arto superiore

Rosati et al. 2006

Nudelholz mechanical arm trainer

Robot a 3 DOF che consente movimenti paramenti passivi di

flesso/estensione di gomito, addo/abduzione di spalla e

Robot per l’arto superioreRobot per l’arto superiore

flesso/estensione di polso. Destinato a pazienti più gravi

Hesse et al. 2006

Leigh R. Hochberg et al, Nature 2012

Robot Assisted Gait TherapyRobot Assisted Gait Therapy

END EFFECTOREND EFFECTOR ESOSKELETONESOSKELETON

LOKOMAT

Motor-driven gait orthosis secured to patient’s legs while the

patient is supported by a BWS system over a motorized

Robot per il camminoRobot per il cammino

patient is supported by a BWS system over a motorized

treadmill

GAIT TRAINER

End-effector che funziona con I principio delle piattaforme

mobili ed è dotato di BSW

Robot per il camminoRobot per il cammino

mobili ed è dotato di BSW

G-EO system

Evoluzione del GT, che consente anche movimenti diversi

rispetto al cammino (salire le scale)

Robot per il camminoRobot per il cammino

rispetto al cammino (salire le scale)

1. Evidence increased that the injured motor system can reorganize in

the setting of motor practice.

However, the optimal training techniques for facilitating reorganization

remained unclear, in part because of difficulties quantifying dose, type,

MotivationMotivation for for RoboticRobotic TherapyTherapy

remained unclear, in part because of difficulties quantifying dose, type,

and consistency of rehabilitation therapy.

Robotic devices were seen as a possible way to precisely

control and measure therapy

Reinkensmeyer et al, 2004

2. Patients began receiving less therapy following neurologic injuries such

as stroke, even though studies suggested that more therapy was better.

Robotic devices were seen as a possible way to automate

MotivationMotivation for for RoboticRobotic TherapyTherapy

labor-intensive training techniques, providing new tools for

therapists and improved access to therapy for patients

Reinkensmeyer et al, 2004

3. Neurorehabilitation is based on two basic assumptions: that motor

learning principles apply to motor recovery and that patients can learn.

Robots provide the means to quantitatively test these two

MotivationMotivation for for RoboticRobotic TherapyTherapy

assumptions

Huang and Krakauer, 2009

The «Slacking Hypothesis»

A robotic device could potentially decrease recovery if it

encourages slacking; i.e. a decrease in motor output, effort,

energy consumption, and/or attention during training

ASSISTANCEASSISTANCE--ASAS--NEEDEDNEEDED

Primary outcomesPrimary outcomes

Cochrane Database of Systematic Reviews 2012, Issue 6. Art. No.: CD006876. DOI: 10.1002/14651858.CD006876.pub3

Primary outcomesPrimary outcomes

The primary outcome was activities of daily living. We preferred the Barthel Index and

the Functional Independence Measure as primary outcome measures, if they were

available. However, we accepted other scales that measured activities of daily living.

Secondary outcomesSecondary outcomes

The secondary outcomes were impairments, such as motor function and muscle

strength, which were measured with the Fugl-Meyer score and the Motricity Index

Score

Durata degli studi

• Da 2/3 settimane a 12 settimane (5-6 nella maggior parte)

Trattamenti valutati

• Robot-therapy vs placebo

• Robot-therapy + riabilitazione convenzionale vs riabilitazione

convenzionale

Frequenza del trattamento

Cochrane Database of Systematic Reviews 2012, Issue 6. Art. No.: CD006876. DOI: 10.1002/14651858.CD006876.pub3

Frequenza del trattamento

• 5 volte/settimana nella maggior parte dei trials

Intensità del trattamento

• Da 20-30’ a 90’ a seduta

Arm function

Forza muscolare

AuthorsAuthors’’ conclusionsconclusions

Patients who receive electromechanical and robot-assisted arm

Cochrane Database of Systematic Reviews 2012, Issue 6. Art. No.: CD006876. DOI: 10.1002/14651858.CD006876.pub3

Patients who receive electromechanical and robot-assisted arm

training after stroke are more likely to improve their generic

activities of daily living. Paretic arm function may also improve, but

not arm muscle strength. However, the results must be interpreted

with caution because there were variations between the trials in the

duration and amount of training, type of treatment, and in the

patient characteristics.

Authors’ conclusions

17 trials; 837 participants

Mehrholz et al. Cochrane Database of Systematic Reviews 2007, Issue 4. Art. No.: CD006185.

Authors’ conclusions

Patients who receive electromechanical-assisted gait training in combination with

physiotherapy after stroke are more likely to achieve independent walking than patients

receiving gait training without these devices. However, further research should address

specific questions, for example what frequency or duration of electromechanical-assisted

gait training might be most effective and at what time after stroke. Follow-up studies are

also needed to find out how long the benefit lasts.

4 trials; 222 participants

Mehrholz J, et al. Cochrane Database of Systematic Reviews 2008, Issue 2. Art. No.: CD006676.

Authors’ conclusions

There is insufficient evidence from RCTs to conclude that any one locomotor training

strategy improves walking function more than another for people with SCI. Research in the

form of large RCTs is needed to address specific questions about the type of locomotor

training which might be most effective in improving walking function of people with SCI

8 trials; 161 participants

Swinnen et al, 2012.

Authors’ conclusions

There is a limited number of published papers related to TT in persons with MS, concluding

that TT, BWSTT, and RATT improve the walking speed and endurance.

However, it is not clear what type of TT is most effective. RCTs with larger but more

homogeneous populations are needed

Spinometria Formetric

Introduzione

La radiografia rappresentata tuttoggi l' unico metodouniversalmente riconosciuto e standardizzato per la valutazione delle deformità della colonna

Tuttavia essa presenta dei limiti:Tuttavia essa presenta dei limiti:

• Bidimensionalità• Poca accuratezza nel quantificare i parametri• Non è dinamica• Invasività

Storia

Tre metodi sono stati invece sviluppati fino a trovare effettivo impiego in ambito clinico:

• Integrated Shape Imaging System (ISIS)• Integrated Shape Imaging System (ISIS)•Quantec Imaging System •Rasterstereografia (Formetric)

Sistema: Formetric 3D/4D

Specifiche di Sistema:

• Videocamera CCD• Videocamera CCD

• Proiettore a Bande

• Colonna

• Sistema PC

Principi di Funzionamento: Triangolazione

Principi di Funzionamento: Video Raster Stereografia

Principi di Funzionamento: Video Raster Stereografia

Dati Acquisiti: Morfologia Superficiale del Dorso

(Precisione= 0,01mm)

Dati Acquisiti: Analisi delle Curvature

• convesso

• concavo

• forma di sella

Dati ottenibili: Individuazione automatica punti di

repere

Dati Ottenibili: Rappresentazione Tridimensionale della

Colonna Vertebrale

Per poter ora ricostruire la forma della spina dorsale sulla base dei dati relativi alla morfologia del dorso in 3D, è indispensabile calcolare:

•Deviazione laterale delle vertebre sul piano frontale•Rotazione delle vertebre sul piano trasversale•Profilo sagittale della colonna

Dati Ottenibili: Rappresentazione Tridimensionale della

Colonna Vertebrale

Deviazione Laterale: è necessario localizzare i procesi spinosi

Nella rasterstereografia la linea dei processi spinosi viene pertanto determinata matematicamente mediante calcolo della cosiddetta linea di simmetria

(Hierholzer E. Objektive Analyse der Rückenform von Skoliosepatienten, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, New York, 1993)

Dati Ottenibili: Rappresentazione Tridimensionale della

Colonna Vertebrale

Rotazione vertebrale :viene equiparata alla rotazione (ρ) della superficie dorsale in corrispondenza del processo spinoso, ossia della linea di simmetria.spinoso, ossia della linea di simmetria.La precisione della misura è di circa3°

Drerup B, Hierholzer E. Assessment of scoliotic deformity from back shape asymmetry using an improved mathematical model. Clin Biomech ; 11 : 376-383, 1996

Dati Ottenibili: Rappresentazione Tridimensionale della

Colonna Vertebrale

Analisi Dinamica: Motion

• Vertebra non deformata

• I punti anatomici fissi si calcolano dall’analisi delle curvature

Limiti della Metodica: Ipotesi

curvature

• Rotazione nel piano più profondo della spinosa

• Utilizzo di tabelle antropometriche

• Basso spessore sottocutaneo nella regione del dorso

Limiti della Metodica: Errori di Rilevazione

• 3° sul Movimento di Rotazione Vertebrale

• ± 2 mm sulla Determinazione della Posizione del centro vertebrale centro vertebrale

• ≤ 5mm sulla Determinazione della Posizione dei Punti di Repere

Spinometria Vs RX

La metodica non si propone di sostituire l’esameradiologico, che fornendo informazioni morfologichenon può essere rimpiazzato dalla spinometria.non può essere rimpiazzato dalla spinometria.

Vuole fornire un esame che riveli molto piu’ dell’esameobiettivo con una riproducibilità comparabile con quellaofferta dai raggi X.

Spinometria Vs RX

• Assenza di Radiazioni :

Su indicazione di esperti specialisti, le scoliosi e le cifosidiopatiche dei ragazzi vengono sottoposte a controlloradiologico almeno due volte l’anno.radiologico almeno due volte l’anno.

L’esposizione alle radiazioni che ne deriva può raggiungereuna dose superficie pari a 350 mGy/cm² per ciascunaradiografia della colonna completa.

(Reduction of radiation exposure in full spine images in youth Bernau A, Seeger W. Z Orthop IhreGrenzgeb. 1996 Jul-Aug;134(4):302-4. German.)

Esposizione a radiazioni ionizzanti durante esecuzione di radiografiacompleta della colonna vertebrale

Dose Angolo di Cobb

97.0 cGy cmq

31.5 cGy cmq

TECNICA TRADIZIONALE

TECNICA DIGITALENon differenze

significative

Eur Spine J. 2006 Jun;15(6):752-6. Prospective randomized comparison of radiation exposure from full spine radiographs obtained in three different techniques.Kluba T, Schäfer J, Hahnfeldt T, Niemeyer T.

31.5 cGy cmq TECNICA DIGITALE

5.0 cGy cmq FLUOROSCOPIA

significative

Spinometria Vs RX

• Riduzione dell’influenza del respiro e delle naturalioscillazioni del corpo sulla determinazione del modellodi colonnadi colonna

• Soluzione: AVERAGING

L’analisi 4D permette un’analisi dinamica con la possibilità di effettuare un’ operazione di media sui parametri calcolati

Spinometria Vs RX

• La rappresentazione della curva della colonna, fornitadalla spinometria, ha resa tridimensionale

• L’informazione fornita dalla radiografia è la proiezione su• L’informazione fornita dalla radiografia è la proiezione suun piano di un sistema che in presenza di deformità puòassumere un carattere tridimensionale

• È difficile rilevare dall’esame radiografico con precisionela rotazione vertebrale

Letteratura

Letteratura

La digitalizzazione delle immagini è stata eseguita con ilmetodo Drerup, consentendo una rappresentazione deidati non per segmenti ma in forma di curve sinusoidali amodulazione di frequenza.modulazione di frequenza.

Si è poi proceduto alla sovrapposizione delle curvestereografiche e di quelle radiografiche digitalizzate.

Letteratura

RX

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Formetric

Letteratura

Letteratura

Letteratura

Letteratura

Letteratura

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Tratto di analisi: toracico/lombare

Letteratura

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Metodi:Il progetto prevede il reclutamento di 40 soggetti con classi occlusali II e III chepresentino dislocazione riducibile del disco monolaterale e sintomatologiadolorosa, lasuddivisione randomizzata in 4 gruppi e la pianificazione di un’iter terapeuticofisioterapico e/o ortodontico per 3 di questi gruppi. Verrà, quindi, effettuato monitoraggioin itinere e valutazione al termine del trattamento.

Obiettivi:Verificare l’efficacia e le differenze nei risultati ottenutidai vari approcci riabilitativifisioterapico, ortodontico e combinato, sul miglioramento della sintomatologia e dellaqualità di vita, inoltre verificare utilizzando i paramentri estrapolatidagli esami Telecranioe Formetric eventuali relazioni tra possibili adattamenti posturali e ilcambiamento dellarelazione centrica occlusale

Gran parte dei pazienti presenta accentuata rispetto al normale range la Flessione

antero-posteriore (VP-DM). E ben 19 pazienti dei 22 presenta un angolo cifotico

alterato rispetto al range di normalità(47-50), con 4 pazienti addiritturaal di sotto dei

30 gradi

Il nostro studio ha rilevato nei pazienti che presentano dislocazione riducibile del

disco un significativo aumento dei valori medi delle frecce lombari e cervicali, della

deviazione laterale VPDM e dell’ aumento dell’ angolo cifotico ICT- ITL.

La metodica offre la possibilità di avere:

• alta sensibilità

• follow up• follow up

• alta fruibilità