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Università degli Studi di Brescia

Facoltà di Ingegneria 1

La ricerca sui sistemi meccatronici per la riabilitazione CPM

La riabilitazione della mano

Maurizio MorDipartimento di Ingegneria meccanica e industriale




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Ingegneria

Mercato e

Strutture

Medici e Fisioterapisti

Paziente

Collaborazioni



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Cosa offre oggi il mercato ?

A che punto è la ricerca e in

che direzione si sta

muovendo ?

Cosa si trova in letteratura ?

Quale è la reale esigenza dei

medici ?

E quella dei fisioterapisti ?

E il paziente cosa ne

pensa ?

Patologie, facilità

d’uso, dolore, impatto

calzabilità …

Che risposte tecniche

si possono offrire ?


Facoltà di Ingegneria 3La ricerca sui sistemi meccatronici per la riabilitazione CPM


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Medico e/o Fisioterapista

Ingegnere

Dialogo:

Capacità di trasferire le conoscenze ed

applicazioni tecniche al campo medico.

Sollecitare la risoluzione di determinate

problematiche.

N.B. : In fase di progettazione il dialogo viene a

diversi livelli e stadi, dalla fase preliminare allo

sviluppo sino alla sperimentazione clinica.

Conosce in dettaglio il funzionamento e

le problematiche del corpo umano.

Conoscenze tecniche e tecnologiche.

Saprebbe come farlo, ma non sa cosa

fare.

Sa cosa ci sarebbe da fare, ma non sa

se si può fare e come farlo.




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SINTESI TECNICA

PROGETTO

PROTOTIPO

TEST

ANALISI DELLE

RICHIESTE

Scelta degli Attuatori

Trasmissione

Modalità di Controllo

Alimentazione

Studio Strutturale

Costi

Normative

Ingegneria

Tipologia del Movimento

R.O.M.

Riab. Motoria o Neurologica

Differenti Patologie

Differenti Anatomie

Letteratura

FORZE/COPPIE

VELOCITA’

N° CICLI

LEGGI DI MOTO

CONTROLLO

DIMENSIONI

INTERFACCIA




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Vantaggi della fisioterapia robotizzata

Riduzione spese (organizzative, di personale e strutture)

I tradizionali trattamenti devono proseguire anche dopo la dimissione ospedaliera

Accurata ripetibilità dei movimenti e modularità (si adatta a diversi

gradi di abilità)

Possibilità di svolgere sedute prolungate con la medesima intensità

e precisione per tutta la seduta (training intensivi)

Adattabilità delle macchine: con i controlli giusti la medesima

macchina può svolgere sia la fisioterapia attiva che passiva

Fornisce parametri clinici sui progressi della fisioterapia

Motivazione del paziente (feedback aumentativi, VR ed effetti sonori)




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B.T. Volpe et al.

Robotics and other devices in the treatment of patients recovering from stroke.

Current Neurol Neuroscie. Reports – 5(6):465-70, 2002.

S.E. Fasoli, H.I. Krebs, et al.

Effects of robotic therapy on motor impairment and recovery in chronic stroke.

Arch. Physical Med. Rehab. – 84(4):477-82, 2003.

- Complemento in aggiunta alla terapia tradizionale

- Miglioramento recuperi motori

- Miglioramento delle abilità funzionali (lesioni moderate e gravi)

- Ripetibilità e maggiore durata della terapia

F. Molteni, M. Caimmi, C. Negri.

Training assistito robot e stimolazione elettrica funzionale per il recupero dell’arto superiore post stroke.

Convegno Neuroriabilitazione e robotica, Genova, 2009.

Vantaggi della fisioterapia robotizzata




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Le modalità

Prange e al.Systematic review of the effect of robot-aided therapy on recovery of thehemiparetic arm after stroke. Journal of Rehabilitation Research &Development, 2006; Mar-Apr; 43(2):171-84.

CPM: Continuous Passive Motion

Attiva Assistita

Attiva Resistiva

Bimanuale




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La riabilitazione

della mano

modalità

CPM

terapia robotica

questionario

anatomia

vantaggi clinici

patologie




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La CPM

- Riduce il dolore postoperatorio

- Migliora la circolazione locale (arteriosa e venosa)

- Accelera il recupero della mobilità articolare

- Riduce l’incidenza di adesioni intra- ed extra-articolari

Salter R.B.Continuous passive motion (CPM): a biological concept for the healing and regeneration of articularcartilage, ligaments and tendons. From origination to research to clinical applications. Baltimore:Williams & Wilkins, 1993.

Salter R.B.Continuous passive motion. From original to research to clinical applications. The Journal of Rheumatology,2004.

- CPM riduce la permanenza negli ospedali

Brousseau L. et al. Efficacy of Continuous Passive Motion following total knee arthroplasty. A metaanalysis.

The Journal of Rheumatology, 2004; 31:2251-64.

R. B. Salter




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Questionario

5

3

10

5 5

0

2

4

6

8

10

12

Per quale articolazione ritiene ci sia

maggiore bisogno di nuovi dispositivi

riabilitativi?

46%

7%

19%

7%

4%

17%FISIATRIA/ MEDICINA

FISICA E RIABILITAZIONE

FISIOTERAPIA

MEDICINA DELLO

SPORT

MEDICINA INTERNA

19 medici specializzati

8 strutture riabilitative




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Anatomia della mano

Flesso - estensione

Ad - Abduzione

Movimento complesso del

pollice !

Pinza primaria




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Patologie

Paresi o plegia della manoin seguito a lesioni al sistema nervoso periferico o centrale (ictus, trauma cranico)

Nel periodo post-operatorio e nel trattamento post-acuto riguardanti:

1. Riduzione e sintesi di fratture2. Rigidità da immobilizzazione dopo stabilizzazione di fratture e riduzione di lussazioni4. Tenolisi dei tendini flessori ed estensori5. Sinoviectomie dei tendini flessori ed estensori6. Artrotomie7. Endoprotesi di articolazioni MCP e IP8. Reimpianto della mano o delle dita9. Aponeurectomia per il Morbo di Dupuytren10. [ … ]

[ Riferimenti bibliografici riportati nel Fascicolo Tecnico: Cap.9 - Validazione Clinica ]




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Vantaggi clinici

Mantenimento e miglioramento del range articolare (ROM)

Prevenzione di aderenze intra-articolari

Prevenzione di contratture extra-articolariPrevenzione dei danni da immobilizzazioneRiduzione del doloreRiduzione dell’edema

Stimolazione propriocettiva

Miglioramento del metabolismo articolareAccelerazione del riassorbimento di ematomiMiglioramento della circolazione linfatica e sanguigna.




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L’idea

indossabile

facile da usare

movimento corretto

trasportabile

ergonomico

flessibile e modulare

regolabile



• Studio e Realizzazione di Sistemi Meccatronici per la Riabilitazione

Specifiche progettuali

Velocità del movimento

La durata di un ciclo 20 secondi.Possibilità di variare la velocità con 3 – 4 impostazioni.

Caratteristiche

Range di movimento (ROM):

MCP: 0° - 90°

PIP: 0° - 110°

DIP: 0° - 70°

ROM regolabile dall’operatore

Tipo di movimento :

Flesso- estensione delle quattro dita lunghe (simultaneamente)

Flesso- estensione di tutte le dita indipendentemente

Flesso- estensione del pollice e flesso- estensione della mano.

Programmare il tipo di movimento desiderato.

Movimenti random

Blocco per il dolore

Possibilità per il paziente di interrompere l’esercizio in qualsiasi momento.

Conformazione del dispositivo:

Igiene e calzabilità.Guanto, ma lasciare il palmo libero.Silenziosità.Pulsantiera di controllo.Il dispositivo deve avere un design“non robotico”



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Forze

Forza massima necessaria per mano

flaccida 20 N.

F orza - T empo

-15

-10

-5

0

5

10

0 20 40 60 80 100 120

tempo [s]

forz

a [

N]

Richiesta:

Regolare la forza massima

Implementare la forza automaticamente in caso di impuntamenti

pos iz ione ang olare-tempo

0

50

100

150

0 20 40 60 80 100 120

T empo [s]

Ang olo

[g ra di]



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Il progetto




Il softwareTipo di movimento :

chiusura e apertura delle quattro dita

lunghe (simultaneamente)

chiusura e apertura del pollice

chiusura e apertura della mano.

Programmare il tipo di movimento

desiderato.

1. TIPO DI ESERCIZIO

Sequenziale

Sincrono

Casuale

Custom

Tempo [s]

N° Cicli3. DURATA

100 %

1/3

2/3

2. MOVIMENTO DITO

T. azione

T. pausa/moto

T. pausa dito a dito

4. TEMPI

Singolo esercizio

Scale predefinite

Statistiche

5. VOTO



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Documentazione




Il Fascicolo Tecnico

Contiene TUTTA la documentazione

1. Descrizione generale2. Destinazione d’uso e

classe di rischio3. Norme applicabili4. Analisi dei rischi5. Manuale d’uso6. Piano di etichettatura7. Descrizione tecnica del prodotto8. Verifiche di progettazione9. Validazione clinica

GloReHa

è un dispositivoattivo

terapeutico non invasivo

per uso temporaneo

di classe II a




Direttive e NormeDirettive comunitarie

Direttiva Dispositivi Medici 2007/47/CE(in vigore in Italia dall’aprile 2010)

Direttiva Dispositivi Medici 93/42/CEE

Direttiva Macchine 2006/42/CE (Allegato I)

Norme tecniche

CEI EN 60601: 2008 Apparecchi elettromedicali. [Parte 1]

CEI EN 62304:2006 Software per dispositivi medici - Processi relativi al ciclo di vitadel software

UNI CEI EN ISO 14971:2007 Dispositivi medici. Applicazione delle gestione dei rischi aidispositivi medici

EN ISO 10993-1:2009 Biological evaluation of medical devices. [Part 1, 5 and 10]

EN ISO 12100-1:2003 Safety of machinery. Basic concepts, general principles for design. [Part1 and 2]



Verso il prodotto …




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Aprile 2009

Giugno 2009

Marzo 2010

Settembre 2010




• Maurizio Mor Relazione Terzo Anno XXIII Ciclo di Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata26

I primi 5 dispositivi sono marcati CE

E’ stato depositato il brevetto n°

MI2010A000466

Marcatura CE

e Brevetto




• Maurizio Mor Relazione Finale XXIII Ciclo di Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata27

Rassegna stampa



Sviluppi futuri



Attività in corso

• Maurizio Mor Relazione Finale XXIII Ciclo di Dottorato di Ricerca in Meccanica Applicata


Sviluppo software con feedback sensoriali

Prove di durata.

Sperimentazione Clinica (50 pazienti su 3 strutture)



Sviluppi futuri

Ottimizzazione della componentistica del prototipo.

Sviluppo software con feedback sensoriali (II)

Studio di design, delle interfacce e dei ditali.

Sperimentazione Clinica (con gruppo di controllo).

Ingegnerizzazione del prototipo.

Implementazione dell’attuazione elettrica.

Dispositivo attivo assistivo e resistivo !



Ulteriori progetti del gruppo di meccanica applicata

Dipartimento di Ingegneria meccanica e industriale




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230 mm

250 mm

450 mm

La riabilitazione del ginocchio




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La riabilitazione

del gomito




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Sistema di visione –analisi del movimento




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Handbike



La ricerca sui sistemi di ausilio per disabili

Dal metallo al polimero: sviluppo di un telaio per

carrozzina

Gabriele BaronioDipartimento di Ingegneria meccanica e industriale


Sistemi di ausilio per disabili

Dal metallo al polimero: sviluppo di un telaio per carrozzina

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Obiettivo generale dello studio:Riprogettare le diverse parti di una carrozzina.

Primo componente preso in esame:TELAIO (elemento più critico per peso eresistenza, maneggevolezza, design ed impatto visivo, …) in materialepolimerico.

Riferimento:carrozzina a telaio rigido superleggera.

Obiettivi: Ridurre il PESO; Diminuire i COSTI di produzione; Attenzione al design.

Immagine tratta da www.rehateamprogeo.com

Persone coinvolte nel progetto:Gabriele Baronio (ingegnere);Riccardo Cosi (neolaureato in disegnoindustriale);Diego Paderno (designer).



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Esempi di carrozzine in polimero

Easyroller (Norvegia)materiale termoplastico

Immagine tratta da www.easyroller.no

Easyroller (Norvegia)Telaio in tubi di ABS e

componenti in stampaggio rotazionale

Immagine tratta da www.easyroller.no



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Immagine tratta da www.roplast.it


Tecnologia di produzione

Lo STAMPAGGIO ROTAZIONALE consente la realizzazione dimanufatti di grosse dimensioni con lotti di produzione limitati.



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Approccio al problema



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Schizzi preliminari



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Telaio

Para vestiario Schienale

Ruote

Perno ad

estrazione rapida

Pedana

- Elementi Principali -Dal metallo al polimero: sviluppo di un telaio per carrozzina

Confronto con potenziali utenti

Associazione “Alta Valsabbia Sport Hand” (Paolo Mazzacani)

Carrozzina messa a disposizione per il rilievo delle misure e larealizzazione del modello.



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Modellazione ed ottimizzazione al CAD del telaio

Peso del telaio (compresi inserti di rinforzo in alluminio): ~ 5 kg.

Peso paragonabile ai telai delle carrozzine leggere.



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Verifiche di resistenza e costo di produzione

Costo ipotizzabile di produzione delsolo telaio: 125-150 €/pz per lottidi 400-250 pezzi.Costo attuale del solo telaio in legaleggera: ~1000 €/pz.



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Realizzazione modello in legno e polistirolo



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… al polimero…


Modello Dettagli

Rendering



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… al polimero…


Prossimi sviluppi progettuali:Sostituzione delle ruoteomnidirezionali piroettanticon ruote omnidirezionali“svedesi”.

Immagine tratta da internet



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Ulteriori progetti del gruppo di disegno di macchine

Dipartimento di Ingegneria meccanica e industriale




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Progetto MarGO

Sistema d’accesso posteriore; Carreggiata anteriore e posteriore pari a 1450 mm; Passo della vettura di 1800 mm; Peso massimo pari a 350 Kg; Velocità massima di 45 Km/h.

Caratteristiche principali della MarGO:



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Layout veicolo

Motore Integrato

Sterzo Integrato

Freno Integrato

Sospensione Integrata

Progetto MarGO

Modulo ruota

Prime soluzioni ipotizzzate(ora superate)



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COST ACTION 349

(EUROPEAN COOPERATION IN

THE FIELD OF SCIENTIFIC AND

TECHNICAL RESEARCH)

Accesso a piedi

Accesso in carrozzina



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Sistema d’accesso ad edifici con due/tre gradini

Numerosi edifici ad accessopubblico, tipicamente quelli situati nei centristorici delle città, presentano all’ingressod’accesso due/tre gradini.

Piattaforma elevatrice girevole integrata nel gradino più alto.



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Tavolino da bar “accessibile”

Tavolino modulare costituito da due parti. Laridisposizione di due tavolini ne genera uno piùgrande ed accessibile.

Diversi tavolini, tipicamentequelli da bar, risultano didifficile accessibilità.

Ulteriori moduli possonoessere utilizzati perallestire situazioni diverse.



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Facoltà di Ingegneria 55Sistemi di ausilio per disabili


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