TOCCARE IL CIELO CON UN DITO

Le dita non sono altro che i segmenti distali della mano umana, che è uno strumento dalle incredibili capacità; la sua perdita, a seguito di una amputazione, provoca profonda debilitazione fisica e mentale. Il progetto PPR3 condotto dal Centro Protesi INAIL in collaborazione con la Scuola Superiore Sant’Anna ha cercato di affrontare questo problema.
Di Angelo Davalli, Rinaldo Sacchetti, Simona Castellano, Emanuele Gruppioni - Centro Protesi INAIL, Christian Cipriani e Marco Controzzi - Scuola Superiore S. Anna di Pisa

Toccare è sinonimo di provare sensazioni, di entrare in contatto con qualcosa di esterno a noi, di unirci ad una realtà diversa, e tutto ciò grazie ad una piccola parte del nostro corpo: le dita. Le dita non sono altro che i segmenti distali della mano umana che è uno strumento dalle incredibili capacità e la sua perdita, a seguito di una amputazione, provoca profonda debilitazione fisica e mentale. Oltre all'ovvia inabilità di afferrare e manipolare oggetti, l'amputato perde la capacità di “sentire” ed “esplorare” il mondo circostante attraverso gli organi sensoriali delle dita; è impedito nella gestualità come strumento comunicativo e in aggiunta può sviluppare problemi psicologici dovuti alle differenze fisiche rispetto agli altri individui; le mani sono usate per far ‘parlare i muti’ e ‘leggere i ciechi’.

Le amputazioni distali delle dita sono la più frequente causa di queste problematiche. Secondo i dati del Ministero della Salute, ogni anno in Italia si verificano circa 3.600 casi di amputazione e di malformazione congenita che riguardano il distretto dell’arto superiore. Oltre l’80% dei casi riguarda il distretto della mano e in particolare le amputazioni falangee nei diversi livelli. Secondo altre fonti si stimano circa 100 mila amputati di arto superiore in Europa ed altrettanti negli Stati Uniti. Anche in questi casi l’incidenza delle amputazioni digitali è molto alta. La causa principale di queste amputazioni è il trauma a seguito di incidenti sul luogo di lavoro; tali individui perciò, sono socialmente e professionalmente attivi (fascia di età 20-60 anni).


Le sfide
Il progetto PPR3 condotto dal Centro Protesi INAIL in collaborazione con la Scuola Superiore Sant’Anna ha cercato di affrontare questo problema sviluppando nuove soluzioni di protesi falangee articolate che siano biomimetiche, sensorizzate, e motorizzate, controllate da interfacce invasive e non invasive in grado di offrire un controllo fisiologico e un feedback sensoriale intuitivo. Questa sfida tecnico-scientifica si è articolata su diversi fronti cercando di minimizzare l’invasività delle soluzioni e di ottenere dispositivi non da laboratorio, ma pronti per una sperimentazione clinica. Sono state progettate soluzioni modulari che possano adattarsi individualmente ai vari livelli di amputazione e al numero di dita amputate.

In particolare, sono state realizzate protesi specifiche per due principali scenari clinici:

  1. amputazione distale
  2. amputazione prossimale.

Per quanto concerne le interfacce di controllo sono state volutamente analizzate due metodologie di frontiera dello stato dell’arte:

  1. tecniche di controllo con segnale mioelettrico
  2. tecniche di imaging dei muscoli residui.

Trattandosi di dispositivi elettronici portatili, la necessità di minimizzare i consumi energetici ha spinto ad affrontare tutte le fasi progettuali nella logica non solo di minimizzare i consumi, ma anche di recuperare energia dall’ambiente studiando soluzioni di energy harvesting specifiche per l’ambito protesico. Sul fronte sensoriale le soluzioni realizzate hanno portato alla realizzazione di sistemi sensoriali tattili multimodali da integrare nei polpastrelli delle prostesi falangee, capaci di rilevare eventi discreti e rilevanti del task motorio. È stato sviluppato un sistema sensoriale esteso ma al contempo semplice e robusto, oltre ad essere integrabile facilmente all’interno di prototipi di protesi di dito. 


Il sistema sensoriale è dotato di:

  • sensori forza e deformazione
  • sensori di vibrazione
  • sensori di temperatura
  • Sensore di pressione

Tutte le informazioni che provengono dai sensori possono dare al paziente una sensazione sensoriale vibro- ed elettro-tattile specifica per le amputazioni digitali, stimolando gli organi sensoriali dell’uomo in base a modelli e ipotesi provenienti dal mondo delle neuroscienze. In particolare, una caratteristica importante della stimolazione elettro-tattile è la possibilità di promuovere una sensazione riferita (ovvero una sensazione percepita in una zona diversa da quella dove è piazzato l’elettrodo), quando la stimolazione è applicata in una zona prossima al passaggio del nervo. Dato che tale sensazione viene percepita in una zona più distale rispetto al posizionamento dell’elettrodo, l’ipotesi di partenza è quella di fornire sensazioni percepite in zone relative alle dita mancanti stimolando zone non coinvolte nell’amputazione come il palmo o il dorso della mano. Sono stati individuati 9 differenti siti di stimolazione sul palmo della mano, potenzialmente in grado di evocare una sensazione riferita su specifiche dita (dita target). Sui 20 soggetti sani coinvolti nello studio i risultati di questi esperimenti suggeriscono che la stimolazione elettro-tattile di siti specifici sul palmo della mano sia utile per evocare sensazioni riferite alle dita. Un ulteriore studio è stato svolto per valutare la capacità dei partecipanti (9 soggetti sani) di riconoscere diverse intensità di stimolazione al variare della corrente fornita nel punto di stimolazione. Cuore del progetto è stata la realizzazione di due soluzioni protesiche per due scenari clinici ben distinti e cioè amputazioni distali e prossimali.

Durante la progettazione di un prototipo di protesi distale dotato di elevata cosmesi e ritorno sensoriale l’obiettivo è stato realizzare un sistema protesico che si ancorasse al moncone di una falange intermedia tramite un invaso su misura. Inoltre è stato realizzato un dito protesico riscaldante, per andare incontro alle esigenze di quegli amputati di mano parziale che lamentano il problema del “moncone freddo”. Tale sistema, che si basa sull’accoppiamento induttivo tra il dito ed una batteria esterna è realizzabile con le tecniche di produzione attualmente adottate dal Centro Protesi e rappresenta un risultato concreto di tecnologia sfruttabile già allo stato attuale. Il modello sensoriale utilizzato è quello vibro-tattile con metodologia DESC secondo il modello DESC (Discrete Event-driven Sensory feedback Control). Tale tecnica di stimolazione si basa sull’ipotesi neuroscientifica secondo la quale l’esecuzione dei task motori da parte del Sistema Nervoso Centrale (SNC) è controllata in maniera predittiva, e organizzata in fasi successive, delimitate da eventi sensoriali specifici, caratterizzanti il task motorio. Ad esempio, le fasi di un classico task di presa e sollevamento sono il raggiungimento e il sollevamento; queste fasi sono delimitate e segnalate al SNC da un preciso evento sensoriale misurato dai mecanorecettori delle dita e precisamente l’istante del contatto. Eventi simili si possono trovare in altri task. Pertanto, secondo il modello DESC, è possibile ripristinare un controllo naturale fornendo brevi stimolazioni (della durata di circa 50-100 ms) rilasciate in maniera sincrona con determinati eventi meccanici; nel caso del dito al contatto e al rilascio del contatto.

La promessa di questo approccio è che fornisca uno stimolo sensoriale che dia informazioni aggiuntive rispetto alla sola vista, condizione necessaria affinché una protesi di falange distale sia accettata e indossata. Sicuramente la sfida tecnica più ambiziosa è stata quella relativa alle amputazioni prossimali dove oltre alle funzioni sensoriali è stato affrontato il tema della motorizzazione del dito e delle varie modalità di decodifica della volontà del paziente di controllarne il movimento. Molti tentativi di accedere ai segnali neurali che presiedono al controllo volontario sono stati effettuati finora; l’accesso può avvenire con diversi livelli di invasività (da impianti neurali a sensori di superficie) e locazione (SNC, SNP, muscoli scheletrici). Sebbene vi siano filoni di ricerca importanti che hanno tentato un approccio differente, la tecnica più affidabile e clinicamente perseguibile rimane, ad oggi, l’uso dell’elettromiografia (EMG, ovvero l’attività elettrica prodotta dai muscoli scheletrici come effetto della contrazione muscolare), rilevata attraverso l’uso di elettrodi di superficie per il controllo dei movimenti di protesi meccatroniche. Le attuali protesi di mano e di dita mioelettriche sono generalmente controllate da una singola coppia di segnali EMG da muscoli antagonisti dell’avambraccio, che controllano l’apertura e la chiusura della mano/dito; tuttavia in questo schema non è possibile controllare ogni dito controllo può essere lento e non intuitivo, specialmente nel caso di protesi poliarticolate (dita multiple).

L’obiettivo del progetto è stato quello di sviluppare sistemi intuitivi di controllo volontario real-time della protesi attraverso due approcci:

  • Tecniche alternative di prelievo/tipologia del segnale
  • Tecniche di elaborazione basate su reti neurali.

Una tecnica sicuramente interessante è quella dell’ecografia che è una ben nota tecnica utilizzata per raccogliere immagini in tempo reale dell’interno del corpo umano. È completamente sicura, fornisce una buona risoluzione spaziale e temporale ed è disponibile in tutti gli ospedali. Ne consegue che potrebbe essere utilizzata come interfaccia uomo-computer.

Ad oggi le dimensioni dei lettori sono ancora proibitive per pensare ad una integrazione in un sistema protesico ma i continui progressi dell’elettronica inducono a lasciare aperta questa linea di ricerca. Utilizzando invece i tradizionali segnali EMG è possibile tramite algoritmi di controllo SVM (Support Vector Machine) ottenere il controllo selettivo delle singole dita. La protesi di dito motorizzato articolato per amputazioni di dita prossimali consiste in un dito articolato, attuato e controllato attraverso un sistema di controllo integrato. Il dito è progettato per avere una cinematica di flesso/estensione simile a quella del dito anatomico e esercitare forze tali da consentire lo svolgimento delle attività di vita quotidiana.

Lo studio della parte meccanica è stato volto a garantire al dispositivo una elevata forza di presa congiuntamente ad una grande affidabilità, basso rumore e possibilità di essere ricoperto da una cosmesi in silicone.

Oltre alle dita protesiche è stata sviluppata una elettronica miniaturizzata in grado di controllare fino a 3 dita contemporaneamente e la parte sensoriale configurabile in grado di rilevare e gestire i segnali di forza, scivolamento, temperatura e pressione. Ma la risposta definitiva sulla reale efficacia ed utilità del sistema la potranno dare solo gli amputati e così dopo avere ottenuto il parere positivo del Comitato Etico, abbiamo deciso di sottoporre il sistema complessivo ad una validazione clinica che prevede una serie di valutazioni e di test che sono condotti dallo staff riabilitativo del Centro Protesi.


Conclusioni
La sfida che abbiamo lanciato per poter ritornare a ‘toccare il cielo’ è appena iniziata e siamo consci della distanza che ci separa da quella meraviglia della natura rappresentata dalla mano umana è ancora tanta. Ed è proprio per questo che riteniamo che la vera utilità di questi dispositivi sia rivolta agli amputati con la perdita di tutte le dita della mano o con solo un dito residuo, specie se bilateralmente. In questi casi poter disporre di protesi digitali sensorizzate e in grado di fornire stimoli sensoriali può veramente permettere all’amputato di migliorare la sua qualità di vita.

In tutti gli altri casi questi dispositivi vanno visti prevalentemente come ausilio all’arto naturale. Siamo altresì convinti che, affinché questi dispositivi possano arrivare ad essere realmente fruibili dai pazienti, occorrerà un forte investimento da parte dell’industria che a partire dai prototipi sviluppati arrivi a realizzare componentistica accessibile a tutti.



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