Academic literature on the topic 'Protesi mioelettriche'

Il seguente elaborato, che descrive il lavoro svolto nell’Area Ricerca e Formazione del Centro Protesi, illustra le varie fasi svolte per la progettazione e lo sviluppo di una nuova unità di controllo per protesi di arto superiore a comando mioelettrico. La trattazione è stata suddivisa in tre capitoli come di seguito riportato. Nel primo capitolo si fornisce un’introduzione sulle protesi di arto superiore e sulle loro possibili classificazioni, si approfondiscono le protesi a comando mioelettrico descrivendone singolarmente gli elementi strutturali e architetturali, e si descrivono le strategie di controllo alla base del funzionamento di questa tipologia di protesi. Nel secondo capitolo vengono trattati i materiali e i metodi utilizzati per lo sviluppo del progetto dell’unità di controllo protesica. Si analizzano le varie fasi del lavoro partendo dalla scelta dei componenti, passando alla realizzazione dello schema elettrico e del layout, attraverso Altium Designer, e giungendo infine alla programmazione della scheda, tramite Code Composer Studio, per testarne le periferiche ed il funzionamento complessivo. Il terzo capitolo espone i risultati ottenuti, con alcune considerazioni sugli sviluppi futuri del lavoro, e le conclusioni.

L’attività della tesi riguarda le protesi mioelettriche, gli arti protesici maggiormente diffusi, le quali sono descrivibili come arti robotici in cui i segmenti artificiali sono attuati da giunti elettromeccanici alimentati da batterie ricaricabili ed attivati mediante segnali elettromiografici (segnali elettrici generati dalla contrazione dei muscoli). Tali protesi di arto superiore attualmente disponibili in commercio potrebbero essere inadeguate per una riabilitazione soddisfacente di alcuni pazienti con una amputazione di alto livello che richiedono una elevata funzionalità nella vita quotidiana. In questo contesto si inserisce l’attività di ricerca del Centro Protesi INAIL di Budrio di Vigorso, Bologna, e dell’Università di Bologna i quali stanno sviluppando nuovi arti protesici con il progetto a lungo termine di rendere disponibili svariate soluzioni di protesi di arto superiore in grado di soddisfare la maggior parte delle richieste degli amputati. Lo scopo di questa tesi è l’introduzione di un nuovo rotatore omerale attivo da integrare alla protesi di arto superiore disponibile presso i nostri laboratori. Per ottenere questo risultato è stata utilizzata una procedura di progettazione già consolidata in attività precedenti per lo sviluppo di una protesi di spalla a due gradi di libertà. Differenti modelli cinematici sono stati studiati tramite analisi cinematiche per determinare l’incremento delle prestazioni a seguito dell’introduzione del nuovo rotatore omerale attivo. Sono state inoltre condotte analisi cinetostatiche per definire le specifiche tecniche di riferimento (in termini di carichi agenti sul rotatore omerale) e per guidare il dimensionamento della catena di trasmissione di potenza del nuovo dispositivo protesico. Ulteriori specifiche tecniche sono state considerate per garantire l’irreversibilità spontanea del moto sotto carichi esterni (quando i giunti attivi della protesi non sono alimentati), per salvaguardare l’incolumità del paziente in caso di caduta, per misurare la posizione angolare del rotatore omerale (in modo da implementare strategie di controllo in retroazione) e per limitare i consumi e la rumorosità del dispositivo. Uno studio di fattibilità ha permesso la selezione della architettura ottimale della catena di trasmissione di potenza per il nuovo rotatore omerale. I criteri di scelta sono stati principalmente la limitazione del peso e dell’ingombro del nuovo dispositivo protesico. Si è quindi proceduto con la progettazione di dettaglio alla quale è seguita la costruzione di un prototipo del nuovo rotatore omerale presso i nostri laboratori. La tesi tratta infine una attività preliminare di sperimentazione che ha permesso di fare considerazioni sulle prestazioni del prototipo ed osservazioni importanti per le successive attività di revisione ed ottimizzazione del progetto del rotatore omerale.

In questo elaborato si descrive l’attività di design di un’articolazione di gomito ad azionamento mioelettrico, progetto nato da una collaborazione con IIT. L’obiettivo è stato quello di creare un meccanismo in cui tutti le parti d’assieme fossero disposte lungo l’asse di rotazione così da ridurre gli ingombri e il peso rispetto alle altre soluzioni attualmente disponibili, fattori che aumentano il bacino dei pazienti potenzialmente trattabili. L’attività si è concentrata sull’ideazione di un prototipo funzionale completo di tutti i componenti per valutare le criticità e i punti di forza del sistema e aprire la strada a un futuro lavoro di ottimizzazione. Nel primo capitolo si introduce il concetto di protesica dell’arto superiore, descrivendo prima l’anatomia e la biomeccanica dell’arto sano per poi focalizzarsi sulla classificazione delle protesi, e in particolare di quelle mioelettriche. Nel secondo capitolo vengono spiegati i metodi utilizzati in fase di progettazione dell’articolazione protesica di gomito, si analizzano i razionali dello studio di fattibilità iniziale, vengono definite le specifiche tecniche da ottenere e si descrivono le parti progettate per completare l’assieme del meccanismo. Nel terzo capitolo vengono illustrati i risultati della progettazione tramite un’analisi del funzionamento del gomito assemblato. Nel quarto capitolo trovano spazio le conclusioni e i possibili sviluppi futuri.

L’assenza congenita o la perdita traumatica dell’arto superiore implicano l’incapacità di compiere una vasta gamma di movimenti essenziali per lo svolgimento di attività quotidiane, lavorative e sportive e, per questa ragione, costituiscono le principali cause per cui si ricorre alla protesizzazione. Tra quelle attualmente disponibili, le protesi mioelettriche permettono un controllo più naturale e immediato: servendosi di sensori superficiali attivi per rilevare i segnali elettromiografici e sfruttando come strategia di controllo la Pattern Recognition, è possibile riprodurre un maggior numero di movimenti rispetto alle altre protesi. L’utilizzo di questa tecnologia nelle protesi allestite per pazienti amputati a livello prossimale di braccio, che si sono sottoposti all’intervento di Targeted Muscle Reinnervation (TMR), mostra un ulteriore miglioramento nel controllo del dispositivo, dal momento che vengono utilizzati i segnali provenienti da muscoli reinnervati con nervi che in origine controllavano i movimenti del braccio amputato. In questo contesto, il presente lavoro di tesi, svolto presso il Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio, si pone l’obiettivo di realizzare una scheda elettronica, chiamata EMG Master, che costituisce l’unità di controllo di un’architettura elettronica distribuita, composta da 5 unità slave (mano, polso, gomito, spalla e gestione dell’alimentazione), e di sviluppare il firmware con cui programmare il microcontrollore dell’EMG Master, che gestisce i segnali provenienti dai sensori sEMG e comunica con le schede per l’azionamento delle articolazioni protesiche.

Con il passare degli anni le tecnologie nel campo delle protesi mioelettriche di arto superiore stanno compiendo sempre più passi in avanti. In questo elaborato di tesi si darà un iniziale introduzione sulla protesica di arto superiore cercando di coprire tutte le possibili tipologie di protesi, prestando particolare attenzione agli arti artificiali mioelettrici. Gli scopi di questo studio sono in prima analisi una miglioria dell'unità di controllo di una protesi comandata da segnali elettromiografici di superficie, tramite l'utilizzo del nuovo IDE della Microchip (MPLAB X). In seconda analisi, invece, si attuerà un confronto prestazionale a livello di consumo in corrente di un prototipo di protesi mioelettrica nata dalla sinergia tra l'azienda "Selex ES" e il "Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio". Per questo studio ci si è serviti di stereofotogrammetrica per la determinazione delle grandezze meccaniche, mentre tramite un sistema PAC si è riusciti ad ottenere specifiche grandezze elettriche. Lo studio ha portato, a livello di Firmware, l'inserimento del giusto comando di attuazione di un servofreno comandato in corrente e l'introduzione di una particolare modalità a basso consumo che consente un risparmio energetico di circa il 60% rispetto alla vecchia modalità. Discorso diverso per i risultati del confronto prestazionale che non ha portato ai risultati sperati in fase di progetto.

L'elaborato descrive il lavoro svolto in cinque mesi presso il Centro Protesi INAIL di Budrio (BO), che ha portato allo sviluppo di un banco prova per testare articolazioni elettromeccaniche. I dispositivi target, in particolare, sono stati due gomiti mioelettrici: il primo di produzione interna INAIL e il secondo prodotto da Selex ES in collaborazione con il Centro Protesi stesso. Per il controllo del movimento e l'acquisizione dei segnali elettrici si è scelto il PAC CompactRIO (National Instruments), mentre per le acquisizioni cinematiche di angolo e velocità angolare si è sfruttata la stereofotogrammetria.