Studio sperimentale dell'interazione di pazienti mielolesi con un sistema robotico per la riabilitazione dell'arto inferiore attraverso un sistema EMG

L’Ingegneria della Riabilitazione viene definita come l’applicazione delle scienze e delle tecnologie per minimizzare l’handicap di individui con disabilità; l’obiettivo principale è, dunque, quello di rendere il paziente indipendente, di favorirne il reinserimento sociale aumentando il suo livello di autonomia. Questo lavoro di tesi presenta un metodo di analisi di segnali elettromiografici (EMG) registrati in pazienti con lesione incompleta al midollo spinale durante una sperimentazione clinica con un sistema robotico per la riabilitazione degli arti inferiori. Questi pazienti manifestano un recupero spontaneo solo in casi molto rari e la maggior parte delle volte è necessaria la somministrazione di una terapia motoria specifica. Attualmente la riabilitazione motoria è un’attività lavorativa intensiva, basata su una stretta interazione tra terapista e paziente per molte ore al giorno. La riabilitazione motoria tradizionale di pazienti con lesione al midollo spinale mira al recupero delle funzioni senso-motorie. In questi casi è molto importante muovere il prima possibile le strutture mioarticolari colpite, in modo ripetuto e in più direzioni, al fine di limitarne la perdita di motilità e per rieducare il paziente alla postura e al movimento. Tutto ciò può essere facilitato dall’impiego di sistemi robotici durante il percorso riabilitativo. La terapia tradizionale con il terapista prevede un ridotto tempo di allenamento che può provocare una limitazione del recupero funzionale delle strutture mioarticolari colpite da patologie di tipo neurologico, ed inoltre introduce soggettività dal punto di vista della valutazione funzionale. Con l’utilizzo di dispositivi robotici di tipo esoscheletrico, il paziente può eseguire esercizi personalizzati e più intensivi, con una durata superiore rispetto alla riabilitazione tradizionale ed inoltre è possibile effettuare misure quantitative nell’analisi del movimento per una valutazione funzionale oggettiva. L’epidemiologia delle lesioni midollari pone numericamente al primo posto le lesioni traumatiche da incidente stradale, lavorativo o da sport, seguite da quelle non traumatiche. Uno studio di review evidenzia come l’incidenza delle lesioni midollari nel mondo sia variabile nelle diverse nazioni da 10.4 a 83 per milione di abitanti per anno. Un terzo dei pazienti riporta una tetraplegia e il 50% una lesione completa. L’età media dei pazienti che riportano questo tipo di lesione è di 33 anni e la distribuzione di sesso (uomini/donne) è di 3,8/1. Stime relative alla popolazione europea mostrano un’incidenza media annua della patologia midollare pari a 25/30 nuovi casi per un milione di abitanti. In Italia si stimano circa 2400 nuovi casi annui e il trend è in costante aumento; il Ministero della Salute stima intorno alle 60/70 mila le persone con lesione midollare. Uno studio effettuato dalla fondazione Istud e da Faip (Federazione associazioni italiane paraplegiche) sostiene che in Italia le cause più frequenti di lesione midollare (60% dei casi) sono traumi legati a incidenti stradali, le cosiddette “stragi del sabato sera”, e infortuni sul lavoro. Gli argomenti trattati in questo lavoro di tesi sono i seguenti: 1. sono riportate le definizioni più importanti riguardanti la Bioingegneria della riabilitazione e sono elencati i principali sistemi robotici per la neuroriabilitazione, con le loro caratteristiche funzionali e la loro classificazione, sia per arti inferiori, sia per quelli superiori. Inoltre sono riportati i risultati di una ricerca epidemiologica riguardante le lesioni del midollo spinale, una breve descrizione anatomica di quest’ultimo e le varie fasi della terapia riabilitativa per i pazienti con lesione midollare; 2. è presentato dettagliatamente il sistema robotico Lokomat, sia per la parte hardware, sia per quella software, citando i principali lavori di ricerca svolti con questo dispositivo dai vari gruppi di studio; 3. sono descritti in ordine il protocollo riabilitativo che i pazienti hanno svolto con il sistema robotico Lokomat e le caratteristiche dei soggetti partecipanti alla sperimentazione clinica; 4. è presentata la metodologia di analisi impiegata per l’elaborazione dei dati EMG e per l’analisi statistica effetuata; 5. sono descritti i risultati ottenuti e la relativa discussione. Lo scopo principale della presente tesi di laurea è quello di analizzare, con un software di analisi dedicato in ambiente Matlab (Mathworks Inc., Natick, MA, USA), segnali registrati da quattro muscoli degli arti inferiori (tibiale anteriore, gastrocnemio mediale, retto femorale e bicipite femorale) mediante un esame elettromiografico (EMG) di superficie, da pazienti sani di controllo e con lesione incompleta del midollo spinale che seguono un protocollo riabilitativo con il sistema robotico Lokomat (Hocoma AG, Volketswil, Switzerland) presso l’U.O. di Neuroriabilitazione dell’Azienda Ospedaliero-Universitaria Pisana, al fine di confrontarli e analizzare gli effetti del trattamento. È stato scelto di analizzare i segnali elettromiografici di soggetti sani di controllo per avere un riferimento sulle attivazioni muscolari nelle condizioni richieste dal protocollo clinico prescelto. I soggetti analizzati sono suddivisi in 5 individui sani, 5 pazienti nella fase “pre-trattamento” riabilitativo e 5 pazienti nella fase “post-trattamento” riabilitativo. Il livello lesionale per i 5 soggetti patologici valutati in questo lavoro di tesi va da T4 a L1, l’età varia dai 33 ai 58 anni e risultano di livello C o D secondo la scala A.S.I.A. con la quale sono stati valutati. I sensori EMG superficiali utilizzati sono collegati tramite cavi a due ricetrasmettitori a 16 canali (Noraxon USA, TeleMyo 2400, Inc., Scottsdale, AZ, USA) montati su una cintura fissata al corpo del paziente, i quali trasmettono i segnali acquisiti ad un PC portatile che effettua la registrazione grazie ad un apposito software dedicato. Prima di iniziare la seduta vengono inoltre posizionati sotto i talloni del paziente due foot-switch sviluppati precedentemente in laboratorio al fine di rilevare l’impatto del piede sul tapis roulant per ogni passo e poter dividere quest’ultimo nella fase di stance e swing. Dopo aver elaborato i segnali elettromiografici, aver calcolato i parametri IEMG (Integral EMG activity), aver condotto uno studio statistico considerando sia i gruppi di soggetti sia i singoli individui, sani e patologici, è possibile affermare che pazienti affetti da lesione incompleta al midollo spinale che eseguono un protocollo riabilitativo con il sistema robotico Lokomat mostrano un miglioramento nella locomozione, grazie ad un reclutamento muscolare che era assente o minimo all’inizio della terapia. L’analisi dei segnali elettromiografici ha permesso sia di individuare in quali fasi del ciclo del passo si presenta l’attività di uno specifico muscolo, sia di effettuare confronti tra le attivazioni muscolari medie di gruppi di soggetti diversi, tenendo conto della velocità del tapis roulant (1 Km/h, 1.6 Km/h, 2.4 Km/h), dell’entità dell’allevio del peso corporeo (30%, 60%) e delle condizioni sperimentali (attiva, passiva o senza Lokomat). Al fine di poter confermare i risultati ottenuti in questo lavoro di tesi sono stati inoltre effettuati dei confronti con i principali lavori disponibili in letteratura. Il calcolo dei parametri IEMG ha permesso di effettuare una misura quantitativa dell’attivazione muscolare consentendo quindi un confronto preciso tra le fasi “pre-trattamento” e “post-trattamento”. Inoltre i valori dei parametri IEMG sono stati utilizzati per effettuare l’analisi statistica mediante i metodi dell’ANOVA a una via e a due vie per confermare in primo luogo che le differenze tra i valori prima e dopo la terapia siano statisticamente significative e successivamente per capire quali variabili del protocollo (allevio del peso, velocità del tapis roulant o modalità utilizzate) influiscono effettivamente sul recupero motorio del soggetto. Il risultato più significativo per i pazienti si ha con l’utilizzo del 30% di allevio del peso corporeo nella modalità attiva e senza Lokomat; le registrazioni elettromiografiche, infatti, mostrano al termine del trattamento un buon reclutamento bilaterale che era praticamente assente prima della terapia, a dimostrazione dell’esistenza di un’interazione positiva tra robot e paziente. Questo risultato sottolinea il contributo attivo del paziente nel modulare il reclutamento muscolare, quindi con questa tipologia di trattamento è possibile affermare che i pazienti recuperano la capacità di attivare i muscoli degli arti inferiori. L’analisi statistica effettuata sui dati del gruppo dei pazienti mielolesi mostra che allevi del peso diversi, velocità diverse e modalità diverse comportino tutti dei cambiamenti significativi dei parametri IEMG. Questi risultati confermano che i sistemi robotici possono essere integrati nei trattamenti di neuro-riabilitazione, al fine di rendere il trattamento riabilitativo specifico, ripetitivo, fisiologico e personalizzato per ciascun paziente. L’analisi elettromiografica e statistica effettuate in questo lavoro di tesi su un gruppo di pazienti affetti da lesione incompleta al midollo spinale, con elevata variabilità inter-soggetto, permette di identificare quali siano le condizioni di allenamento ottimali con il sistema robotico Lokomat per poter ottenere risultati riabilitativi ideali. L’analisi elettromiografica effettuata sui singoli soggetti patologici permette, inoltre, di studiare il recupero del paziente e determinare eventualmente quali siano i muscoli che necessitano, oltre all’esercizio con il Lokomat, di specifici trattamenti riabilitativi assistiti dal fisioterapista. L’obiettivo futuro sarà quello di integrare le analisi dei dati elettromiografici con i dati cinematici registrati dal Lokomat e con quelli elettroencefalografici, al fine di confermare i risultati ottenuti in questo lavoro di tesi