Sistemi robotici e meccatronici per la neuroriabilitazione

Macchine meccatroniche e robotiche per la riabilitazione

Macchine riabilitative: presupposti neurosiologici

Macchine per la neuroriabilitazione dell'arto inferiore

Macchine per la riabilitazione dell'arto superiore

Sistemi per la riabilitazione a distanza

Sistemi robotici e meccatronici per la

neuroriabilitazione

-

Corso di laurea in Educazione motoria preventiva ed adattata

Tecn. e strum. per il mantenimento e il recupero motorio Sistemi robotici e meccatronici per la neuroriabilitazione






Sommario

1


Denizione

2


Criteri di classicazione

3


Esoscheletriche

Operative

4


Esoscheletriche

Operative

Sistemi robotici per la riabilitazione della mano

Il sistema MIT-MANUS

5








Denizione

Sommario

1


Denizione

2



3


Esoscheletriche

Operative

4


Esoscheletriche

Operative



5








Denizione

Macchina riabilitativa

Macchina riabilitativa = sistema robotico o meccatronico in

grado di coadiuvare il terapista nella somministrazione di

procedure riabilitative programmabili e personalizzabili in

funzione

del tipo di trattamento necessario

delle delle abilit residue del paziente valutate prima e durante

il percorso riabilitativo.







Denizione

Sistemi robotici e sistemi meccatronici

In robotica riabilitativa vengono tipicamente utilizzati:

sistemi di tipo robotico: basati su

manipolatori industriali adattati ad applicazioni mediche

o bracci robotici appositamente progettati

sistemi meccatronici (ad esempio sistemi di tipo esoscheletrico

costituiti da strutture indossabili)

La macchina robotica o meccatronica ha una parte della

propria struttura e/o l'eettore a diretto contatto con l'arto

del paziente.








Plasticit

Plasticit = caratteristica del cervello dei mammiferi che

permette l'adattamento a nuove situazioni, anche grazie alla

riorganizzazione neurale.

Esiste una nutrita produzione scientica che ipotizza che

gruppi di neuroni vicini ad una lesione in un'area

sensorimotoria siano in grado di riprodurre la funzione delle

cellule danneggiate.








Plasticit

Esperimenti su animali hanno dimostrato che un particolare

atto motorio pu essere eettuato con la stimolazione non di

una sola area motoria encefalica, ma di molteplici zone, spesso

distanti fra loro parecchi millimetri movimenti identicipossono essere elicitati da siti multipli non contigui.

L'organizzazione dell'output motorio essibile:

l'apprendimento motorio e la riorganizzazione plastica sono

fondamentali per il recupero e/o la compensazione di una

funzione motoria conseguente ad una lesione.








Ruolo del paziente

Nella riabilitazione mediante macchine robotiche il ruolo del

paziente fondamentale.

Al paziente viene chiesto di eseguire un atto motorio.

Se egli non in grado di completare il movimento interviene il robot che porta a compimento l'esercizio con

velocit tarata sulle capacit residue del soggetto.








Input

Il paziente pu usufruire di input sensori-motori e cognitivi:

il proprio movimento volontario

gli stimoli sensitivi superciali

gli stimoli propriocettivi statici e dinamici

stimoli visivi

osservazione del proprio gesto

osservazione del target da raggiungere

osservazione degli eventuali miglioramenti

spinte motivazionali

consapevolezza di praticare la terapia autonomamente

consapevolezza di essere sottoposto a trattamento

tecnologicamente avanzato e potenzialmente pi ecace








Performance

stato dimostrato che la performance di compiti motori pu

essere migliorata in termini di velocit e precisione dalla

ripetizione volontaria di questi atti.

Il processo di acquisizione di nuovi compiti motori attraverso

l'esecuzione ripetuta di movimenti volontari riconducibile ai

meccanismi legati alla plasticit neurale.

L'esercizio sico frutto di movimenti volontari produce risultati

molto positivi:

promuove il recupero funzionale dopo lesioni al sistema

nervoso centrale

stimola un meccanismo che promuove la plasticit neurale.








Sommario

1


Denizione

2



3


Esoscheletriche

Operative

4


Esoscheletriche

Operative



5









Il principio di funzionamento delle macchine robotiche e

meccatroniche per neuroriabilitazione cerca di replicare le

strategie riabilitative adottate dai sioterapisti durante la

manipolazione dei pazienti.

Le macchine possono essere divise in due classi:

1

macchine riabilitative a esoscheletro o esoscheletriche =

sistemi meccatronici indossabili che eseguono lo stesso tipo di

movimento svolto dal paziente e nei quali l'interfaccia

uomo-macchina estesa a tutto l'arto (o alla parte di esso) di

interesse clinico). Il numero di gradi di libert uguale a

quello delle articolazioni sulle quali la terapia ha l'obiettivo di

intervenire;

2

macchine riabilitative operative o cartesiane = macchine in cui

il contatto fra la struttura meccanica ed il paziente limitato

all'eettore a cui il soggetto collegato tramite un'apposita

interfaccia meccanica, ad es.una maniglia o un pedale.








Vantaggi e svantaggi m.r. operative

Vantaggi:

sono meno complesse

sono pi facilmente realizzabili mediante tecnologie robotiche

gi disponibili

consentono un'agevole programmazione di compiti descritti

direttamente nel mondo reale (ad es. spostare un oggetto tra

due punti predeniti)

Svantaggi:

sfruttano per l'arto da riabilitare esclusivamente le naturali

sinergie implementate a livello di controllo motorio: questo

pu ridurre l'ecacia della terapia riabilitativa all'aumentare

del grado di disabilit.








Sembra quindi essere preferibile l'impiego di m. esoscheletriche

per il trattamento di pazienti che presentino abilit residue

molto basse all'inizio della terapia. Man mano che il paziente

recupera la capacit di svolgere compiti complessi e a

coordinare il movimento di pi articolazioni, si pu ipotizzare

l'impiego di m. operative per accelerare il conseguimento del

miglior risultato possibile.








Vantaggi e svantaggi m.r. esoscheletriche

Vantaggi:

controllano pi articolazioni separatamente

Svantaggi:

complessit tecnologica forti limitazioni nell'utilizzo inpratica clinica.







Esoscheletriche

Operative

Sommario

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Denizione

2



3


Esoscheletriche

Operative

4


Esoscheletriche

Operative



5








Esoscheletriche

Operative

Sistema Master-slave

Uno dei primi sviluppati al mondo

Realizzato in Francia negli anni '80

Basato sul principio del controllo tele-operato della macchina

(master-slave): il terapista compie dei movimenti in una

macchina esoscheletrica passiva che invia i comandi motori ad

un esoscheletro attivo indossato dal paziente.







Esoscheletriche

Operative

Lokomat

Macchina realizzata e

sperimentata presso

l'Ospedale Balgrist di Zurigo

Consente la locomozione

servo-controllata del

paziente su tappeto mobile

Sistema basato sull'ipotesi

che la locomozione in

assenza di peso corporeo

possa permettere il recupero

funzionale

Pu favorire il movimento dell'arto inferiore in soggetti con lesioni

incomplete del midollo spinale o con emiplegia dovuta ad esiti

post-ictus. http://www.youtube.com/watch?v=-zTgLyqQ3xc







Esoscheletriche

Operative

Sommario

1


Denizione

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Esoscheletriche

Operative

4


Esoscheletriche

Operative



5








Esoscheletriche

Operative

Le macchine operative per la riabilitazione dell'arto inferiore

sono prevalentemente utilizzate per terapie di tipo siatrico in

trattamenti riabilitativi post-traumatici piuttosto che per il

trattamento di pazienti con decit motori derivanti da

patologie neurologiche.

Una tipologia abbastanza diusa quella dei sistemi a pedale,

in cui l'esercizio pu essere svolto mantenendo costante:

la forza di interazione piede-pedale (pedale isotonico)

la velocit della pedalata (pedale isocinetico).







Esoscheletriche

Operative

Walking Aid

Altre tipologie di macchine per la riabilitazione dell'arto

inferiore sono basate sull'utilizzo di sistemi di ausilio alla

locomozione (es. tappeti mobili)

Un esempio la Walking Aid, prodotta dalla Hitachi Ltd e

commercializzata presso centri di riabilitazione giapponesi.







Esoscheletriche

Operative



Sommario

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Denizione

2



3


Esoscheletriche

Operative

4


Esoscheletriche

Operative



5








Esoscheletriche

Operative



Principali macchine robotiche e meccatroniche esoscheletriche:

sistema MULOS, realizzato presso la Scuola Superiore

Sant'Anna (Pisa)

sistema realizzato dall'Universit di Salford, Gran Bretagna

sistema GENTLE, Universit di Reading, Gran Bretagna

sistema realizzato presso l'Universit di Nagoya, Giappone







Esoscheletriche

Operative



Le diverse macchine dieriscono per:

numero di articolazioni controllabili

numero di gradi di libert attivi e passivi

soluzione realizzative dal punto di vista della struttura e del

sistema di controllo







Esoscheletriche

Operative



Schema di funzionamento generale della m.r. esoscheletrica

giapponese







Esoscheletriche

Operative



Sommario

1


Denizione

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3


Esoscheletriche

Operative

4


Esoscheletriche

Operative



5








Esoscheletriche

Operative



Prototipi di macchine operative bimanuali

ARM-Guide, Reabilitation Institute of Chicago, USA

MIME (Mirror Image Movement Enhancer) realizzato presso il

Veterans Administrations Research & Development Center,

Palo Alto, CA, USA

MIT-Manus, Massachussets Institute of Technology, USA

MEMOS, Scuola Superiore Sant'Anna, Pisa e Fondazione

Salvatore Maugeri







Esoscheletriche

Operative



sistema MIME

Mirror Image Movement Enhancer

Pu erogare due tipi di terapia riabilitativa:

1

terapia passiva

2

terapia attiva

1

La macchina guida il movimento di entrambe le braccia del

paziente lungo le traiettorie impostate dal terapista, mentre la

generazione del movimento lasciata alla capacit motoria del

paziente

2

La macchina pu fornire supporto al paziente anche per il

movimento dell'arto paretico.







Esoscheletriche

Operative



sistema MIME

schema di funzionamento







Esoscheletriche

Operative



sistema MIME

schema di funzionamento

Due sottosistemi principali:

2 supporti articolati a due gradi di libert passivi che hanno

un'interfaccia meccanica per alloggiare le braccia del paziente

e che servono per limitare il movimento nel piano orizzontale,

facilitando l'esecuzione dell'esercizio riabilitativo lungo la

traiettoria denita dal terapista

1 braccio robotico a 6 gradi di libert che applica forze e

coppie all'avambraccio paretico attraverso un'apposita ulteriore

interfaccia meccanica collegata al supporto passivo







Esoscheletriche

Operative



sistema MIME







Esoscheletriche

Operative



sistema MIME

Terapia

terapia realizzata attraverso posizioni e traiettorie

pre-programmate per il robot.







Esoscheletriche

Operative



sistema MIME

I giunti dei supporti per le braccia sono equipaggiati con:

encoder ottici (trasduttori di posizione angolare) che misurano

la posizione e l'orientazione degli avambracci

1 trasduttore di forza/coppia a 6 assi che misura le forze e le

coppie associate al braccio paretico.







Esoscheletriche

Operative



sistema MIME

Peculiarit

Le peculiarit del sistema sono due:

dal punto di vista clinico, esso predisposto per l'esecuzione

degli esercizi riabilitativi con entrambe le braccia e non con il

solo braccio paretico. Tale strategia di intervento ritenuta

maggiormente ecace rispetto allo svolgimento di esercizi con

il solo braccio paretico.

dal punto di vista tecnologico, le parti che lo compongono

sono gi disponibili sul mercato e non richiedono particolari

sviluppi, ma solo l'integrazione con il sistema di controllo e di

interfaccia. Il sottosistema per svolgere l'azione attiva richiesta

sul paziente un robot industriale (PUMA); i supporti per le

braccia che fungono da interfaccia meccanica tra paziente e

robot sono strumenti ortesici gi comunemente usati in pratica

clinica.







Esoscheletriche

Operative



sistema MEMOS

Sistema MEccatronico per la riabilitazione MOtoria post ictuS.

Permette la realizzazione di movimenti di reaching in

coordinate planari e sfrutta un semplice sistema di guide lineari

che permettono di raggiungere uno spazio di lavoro aventi

dimensioni max di 700 mm x 700 mm.

Prima dell'inizio della seduta di terapia, il piano di lavoro pu

essere opportunamente inclinato in funzione delle esigenze del

terapista mediante una regolazione manuale.







Esoscheletriche

Operative



sistema MEMOS







Esoscheletriche

Operative



sistema MEMOS

Il sistema permette al paziente di impugnare e spostare

l'eettore a maniglia da un qualsiasi punto P1 ad un qualsiasi

punto P2 dello spazio di lavoro planare senza alcun vincolo di

traiettoria.

La maniglia impugnata dal paziente dotata di un sensore di

forza ad estensimetri.

Se durante l'esecuzione del compito motorio la forza applicata

dal paziente sulla maniglia in direzione normale all'asse della

maniglia stessa diventa inferiore ad una soglia predeterminata

Ft, programmata prima della seduta dal terapista, e rimane

tale per un tempo Wt, il sistema di controllo interviene

spostando la maniglia lungo la traiettoria pi breve in linea

retta tra la posizione attuale e P2







Esoscheletriche

Operative



sistema MEMOS







Esoscheletriche

Operative



Sommario

1


Denizione

2



3


Esoscheletriche

Operative

4


Esoscheletriche

Operative



5








Esoscheletriche

Operative



Dicolt di realizzazione legate alla complessit della struttura

mano:

in termini meccanici

in termini di controllo motorio

I sistemi pi avanzati propongono ambienti di realt virtuale e

utilizzo di sistemi esoscheletrici o guanti aptici

Alcuni sistemi:

Sistema della Rutgers University di Piscataway, NJ, USA

Sistema della Scuola Superiore Sant'Anna di Pisa







Esoscheletriche

Operative



Esempio

Il sistema Rutgers University composto da:

1

modulo per diagnosi

2

modulo per riabilitazione







Esoscheletriche

Operative



Modulo per diagnosi costituito da

un guanto con 16 sensori ottici di posizione e 16 sensori di

forza

un dinamometro

un goniometro

un PC per registrazione dati movimento della mano del

paziente

Modulo per riabilitazione:

guanto aptico che fornisce un ritorno di forza alle dita







Esoscheletriche

Operative



Esercizi di riabilitazione implementati in ambiente virtuale

Esercizio tipico: peg-in-hole (inserzione)

Dati cinematici e di forza della mano vengono registrati

Grado di dicolt degli esercizi varia in funzione delle

prestazioni che il soggetto in grado di ottenere.







Esoscheletriche

Operative



Sommario

1


Denizione

2



3


Esoscheletriche

Operative

4


Esoscheletriche

Operative



5








Esoscheletriche

Operative




Utilizzato per la neuroriabilitazione post ictus dell'arto

superiore

Progettato specicamente per interagire con il paziente in

modo sicuro







Esoscheletriche

Operative




Il sistema pu muovere, guidare o perturbare il movimento

dell'arto superiore di un soggetto, registrando le variabili

seguenti:

velocit

posizione

forze applicate

Produce all'eettore

forze comprese tra 0 N e 45 N

impedenze comprese tra 0 e 2 N/mm







Esoscheletriche

Operative




Terapia

Al paziente vengono proposti compiti complessi, equivalenti a

giochi

Viene richiesto, per es., di muovere l'eettore del robot per

disegnare gure geometriche di base come cerchi e quadrati

Se il paziente non riesce a portare a termine il compito

proposto, il robot assiste e guida attivamente l'arto paretico

nel completarlo correttamente







Esoscheletriche

Operative




Risultati

Il sistema risulta ecace per la riabilitazione di spalla e gomito

Studi eettuati dimostrano che il paziente mantiene i beneci

della terapia anche dopo 3 anni dalla ne della terapia stessa

Il sistema consente anche di acquisire dati cinematici che

possono essere usati per la caratterizzazione delle pressioni

motorie del paziente

Il sistema stato utilizzato per lo studiare la decomposizione

dei segnali cinematici di pazienti aetti da ictus in movimenti

elementari

I pazienti intervistati giudicano positivamente la terapia, ma

sostengono che la macchina non possa sostituire il terapista







Esoscheletriche

Operative




Risultati







Teleriabilitazione

Vantaggio m.r.: possibilit di eettuare una connessione

remota (via Internet) tra paziente e riabilitatore

Il terapista, localizzato in localit remota, pu supervisionare

l'esercizio riabilitativo e, per es., variarne la dicolt a seconda

dei progressi fatti dal paziente







Teleriabilitazione con il sistema MIT-Manus

Tipico scenario sperimentale per la tele-riabilitazione: nella

stessa seduta un terapista segue una classe di pi pazienti







Tele-riabilitazione con joystick aptico commerciale

Sperimentazione di esercizi ripetitivi in ambiente remoto

utilizzando un joystick commerciale (Logitech Wingman

Forceback Pro)

Il joystick pu produrre una forza di intensit no a 10 N per

contrastare o assistere i movimenti dei pazienti

Il sistema pu fornire al paziente dierenti tipologie di

feedback aptici, quali per es. simulare elementi elastici, viscosi

e forze costanti e allo stesso tempo registrare i movimenti del

paziente.

L'arto superiore del paziente costretto dal sistema in uno

spazio di dimensioni 100 x 100 mm e i movimenti consentiti

sono la rotazione interna ed esterna della spalla e la essione

ed estensione di spalla e gomito







Tele-riabilitazione con joystick aptico commerciale


Macchine meccatroniche e robotiche per la riabilitazione Definizione

Macchine riabilitative: presupposti neurofisiologiciCriteri di classificazione

Macchine per la neuroriabilitazione dell'arto inferioreEsoscheletricheOperative

Macchine per la riabilitazione dell'arto superioreEsoscheletricheOperativeSistemi robotici per la riabilitazione della manoIl sistema MIT-MANUS


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