Conoscienza - Master in Comunicazione delle Scienze - Università degli Studi di Padova
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Un robot per la riabilitazione di pazienti colpiti da ictus
di Aldo Rossi, 05/02/2009

 

L’ictus (in inglese "stroke") è un evento vascolare acuto caratterizzato da un mancato afflusso di sangue al cervello dovuto all’occlusione oppure alla rottura di un vaso cerebrale. L’ictus è la terza causa assoluta di mortalità, essendo responsabile del 10-12% dei decessi per anno e la prima causa di disabilità e menomazione del mondo industrializzato. Nella popolazione anziana (65-84 anni) italiana la prevalenza è del 6,5%, lievemente superiore nei maschi (7,4%) rispetto alle femmine (5,9%). In Italia sono circa 194.000 le persone colpite annualmente dall’ictus e ben l’80% di questi sono nuovi episodi. Ad un anno dall’evento acuto, circa un terzo dei soggetti sopravvissuti ad un ictus presenta un grado di disabilità elevato, limitandone notevolmente l’autonomia.

L’obiettivo della riabilitazione in tali soggetti è quello di favorire, il più possibile, il recupero della funzione perduta per permettere il reinserimento precoce e l’indipendenza nell’ambiente socio-familiare. Numerose tecniche riabilitative sono state proposte con l’obiettivo di recuperare la funzione sensitiva e motoria del paziente con gravi lesioni neurologiche, tutte accomunate dalla consapevolezza che un intervento riabilitativo risulta tanto più efficace quanto più ricco di stimoli multisensoriali, somministrati precocemente e prolungatamente nel tempo.

Nei pazienti trattati con tali metodiche si è evidenziato non solo un miglioramento del risultato motorio e funzionale ma vi è stata anche l’evidenza di una riorganizzazione del territorio cerebrale che subisce delle modificazioni anatomo-fisiologiche.
Infatti, oggi è stato dimostrato come il sistema nervoso è dotato di potenzialità adattative che fanno di esso una struttura dinamica e modificabile. Le connessioni neuronali corticali possono essere rimodellate dalle esperienze individuali e le aree di rappresentazione corticali possono venir modificate da input sensoriali, esperienze ed apprendimenti così come può avvenire in seguito a lesioni cerebrali.

La “plasticità neuronale” indica dunque alcuni meccanismi del recupero e del risparmio funzionale risultanti da cambiamenti globali dell’organizzazione neuronale, ovvero la capacità che ha la cellula nervosa di adeguare la propria attività modificando opportunamente struttura e funzione quando necessario e, in senso lato, la capacità di adattamento dei sistemi di controllo dei vari parametri fondamentali della funzione cerebrale. In conclusione, quindi, il sistema nervoso possiede in sé la potenzialità di alterare anche anatomicamente oltre che funzionalmente la sua struttura, variando lo schema delle connessioni neuronali.
Quindi, nonostante non sia possibile la riparazione del danno neuronale mediante la proliferazione cellulare, un compenso, seppur parziale, può avvenire attraverso la capacità del neurone di rigenerare e/o rimaneggiare parti di sé o, più precisamente, del suo prolungamento neuritico. La potenziale importanza di questo aspetto nella prospettiva di riabilitazione dell’ictus è stata indagata da poco più di una decina d’anni. Visualizzare delle alterazioni transitorie delle aree di rappresentazione corticale è stato possibile grazie alle nuove tecnologie come ad esempio attraverso studi di stimolazione magnetica trans-cranica, o con la Risonanza magnetica funzionale, la PET o la magnetoencefalografia.

La terapia robotica.
Nelle realtà attuali, l’organizzazione dei tempi o il budget spesso limitano i programmi riabilitativi intensivi, costringendo i terapisti a mediare le esigenze delle strutture con quelle dei pazienti. Ovvero un approccio fisioterapico individuale “hand to hand” ed intensivo risulta spesso complicato e purtroppo non sempre praticabile. Da qui nasce l’idea di macchine automatizzate come possibile supporto al lavoro del terapista e come soluzione per aumentare l’intensità delle terapie e ridurre i costi. Questa nuova realtà trova origine all’inizio degli anni novanta con una nuova famiglia di macchine robotizzate indicate con il nome di “Interfacce Aptiche” (ovvero robot studiati per interagire direttamente con l’operatore umano) il cui impiego è quello di completare e rendere più efficace l’intervento fisioterapico. Essi possono svolgere diverse funzioni quali: fornire al paziente una sensazione di forza (applicazioni tipo “realtà virtuale”), far compiere una mobilizzazione passiva o attiva assistita, fornire aiuti nel compiere determinati movimenti, effettuare una stimolazione neurosensoriale.

La progettazione di macchine robotizzate per la riabilitazione di soggetti colpiti da ictus è iniziata al Massachusetts Institute of Technology di Cambridge (MA, USA) ed è poi proseguita anche in altri centri di ricerca americani ed europei.
Anche presso il Dipartimento di Innovazione Meccanica e Gestionale dell’Università di Padova, in collaborazione con la cattedra di  Medicina fisica e Riabilitazione dell’Università di Padova, è stato progettato e costruito un prototipo di apparecchio robotizzato impiegabile nel trattamento di soggetti con emiplegia/emiparesi. Il lavoro è nato come collaborazione tra il gruppo di Robotica coordinato dal sottoscritto, con particolare riferimento al Prof. Paolo Gallina ed al Prof. Giulio Rosati, e la cattedra di Riabilitazione nella persona del Dott. Stefano Masiero.
L’apparecchio robotico “NeReBot” (Neuro REhabilitation roBOT) è stato presentato per la prima volta all’8° congresso mondiale “Rehabilitation Robotics” svoltosi a Seoul nell’aprile 2003. Lo scopo del nostro studio è quello di valutare se un addizionale esercizio che produce stimoli motori, sensitivi e sensoriali, somministrati attraverso il sistema robotizzato “NeReBot” può migliorare il risultato motorio e funzionale, rispetto al trattamento tradizionale in pazienti con emiplegia da cause cerebrovascolari.

 

Il robot di Padova.
Il robot progettato e costruito presso l’Università di Padova, dal punto di vista meccanico è costituito da una struttura mobile in acciaio comprendente un basamento, una colonna e dei bracci. Sulla struttura sono collocati tre motori in corrente continua, un PC, una tastiera e un monitor LCD. Dai bracci scendono 3 cavi in nylon che convertono il moto rotatorio dei tre motori in una traiettoria spaziale per l’arto del paziente. Ogni singolo cavo è infatti avvolto ad una puleggia solidale all’albero di un motore; il cavo viene quindi rinviato ad una coppia di pulegge fino a scendere dall’estremità del braccio orizzontale. L’avambraccio del paziente è posizionato su un tutore in materiale termoplastico, che viene agganciata ai cavi tramite un sistema di sgancio magnetico che interviene nel caso in cui la trazione superi un valore di sicurezza per il paziente. Un sostegno in materiale morbido agganciato ad uno dei bracci di “NeReBot” è stato predisposto per sostenere la testa omerale e prevenirne l’abbassamento.
La particolare soluzione progettuale adottata, basata sull’utilizzo di attuatori unidirezionali (i cavi) in numero ridotto rispetto ai gradi di mobilità dell’arto superiore, ha consentito di ottenere una elevata cedevolezza dello strumento robotico, che non è in grado di vincolare completamente il moto dell’arto. In questo modo, non solo l’interazione paziente-robot diventa intrinsecamente sicura, consentendo l’utilizzo dello strumento robotico anche nelle fasi acuta e sub-acuta, ma anche viene preservato il nesso causale tra la volontà del paziente e il movimento risultante dell’arto, anche in presenza di assistenza robotica.

Mediante l’utilizzo di un software appositamente sviluppato, l’apparecchio è in grado di acquisire le posizioni spaziali dell’arto superiore che l’operatore sceglie come punti della traiettoria da compiere durante la seduta di terapia. In seguito l’apparecchio ripete ciclicamente la traiettoria spaziale derivante da un’interpolazione dei punti acquisiti. Il software inoltre consente di determinare la durata della terapia, scegliere la velocità del movimento, e soprattutto, calcolare attraverso algoritmi la forza attiva del paziente visualizzando uno “score” in relazione al grado di partecipazione del paziente.

È stato effettuato uno studio clinico presso l’Azienda Ospedaliera – Università di Padova per valutare l’efficacia dell’utilizzo di “NeReBot” per il trattamento riabilitativo dell’arto superiore dei pazienti colpiti da ictus, sottoponendo un gruppo di 18 pazienti al trattamento con “NeReBot” in aggiunta al trattamento tradizionale e confrontando i risultati con quelli ottenuti su un gruppo di controllo sottoposto al solo trattamento riabilitativo tradizionale. Lo studio, condotto sotto la direzione medico-scientifica del Dott. Masiero, è stato il primo e sinora unico al mondo ad essere effettuato in fase precoce, a partire in media dal quarto giorno dopo l’ictus.
Sulla base dei risultati ottenuti in questo studio preliminare, emerge che i soggetti emiplegici presentano un miglior risultato motorio e funzionale quando sottoposti ad un trattamento supplementare con “NeReBot”. Il gruppo trattato ha riportato un miglioramento dei punteggi in tutte le scale di valutazione significativamente superiore rispetto al gruppo di controllo, non tanto durante il periodo di trattamento, quanto a lungo termine, concordando con i risultati della letteratura che testimoniano l’importanza sugli effetti a distanza della stimolazione ripetitiva intensiva.

A questo punto qualcuno potrebbe pensare che l’affascinante realtà dei robot-terapisti sia destinata, in un futuro non troppo remoto, a rimpiazzare il lavoro del personale paramedico, “deumanizzando” la riabilitazione dei nostri pazienti. In realtà lo scopo principale di tale approccio è quello di fornire un’arma aggiuntiva per incrementare l’intensità delle terapie, in linea con i moderni principi di riabilitazione motoria. Un robot, infatti, non potrà mai sostituire l’interazione multidimensionale tra paziente e terapista basata anche su sguardi ed abilità manuali dovute all’esperienza degli operatori, che un sistema automatico difficilmente potrebbe riprodurre.

Ricerche future.
Nel breve periodo partirà un secondo studio clinico relativo all’utilizzo di NeReBot in fase sub-acuta e post-acuta, presso la Casa di cura Eremo di Arco (TN), finanziato dalla Provincia Autonoma di Trento. In parallelo, sono stati sviluppati nuovi prototipi di robot per impieghi riabilitativi, e sono state intraprese nuove linee di ricerca per indagare i meccanismi di apprendimento motorio del paziente (“motor learning”) durante l’interazione tra il paziente ed il sistema robotico, al fine di definire nuove linee guida nella progettazione di sistemi robotizzati per impiego nella riabilitazione neurologica. Questa attività viene svolta in collaborazione con il Gruppo di ricerca del Prof. Reinkensmeyer presso l’Università della California ad Irvine.

Aldo Rossi è professore ordinario del Dipartimento di innovazione meccanica e gestionale (DIMEG) dell'Università di Padova.


Per maggiori informazioni:

www.mechatronics.it

www.rehabrobotics.it (in costruzione)

 





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