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Consiglio Nazionale delle RicercheIstituto per l’Energetica e le Interfasi – Lecco
Nuove tecnologie per ortesiSimone Pittaccio, Ph.D.
HIGH-TECH IN NEURORIABILITAZIONE INFANTILE: TRAGUARDI E SFIDEIRCCS E. Medea-Associazione La Nostra Famiglia, 24-25 Settembre 2015
Indice
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① Breve introduzione alle leghe a memoria di forma
② Applicazione 1: Terapie di riposizionamento
③ Applicazione 2: Movimentazione della caviglia
④ Conclusioni
Leghe a memoria di forma: Ni-Ti
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Una modifica dell’ordinamento strutturale a livello atomico produce effetti macroscopici:
•Pseudoelasticità
•Memoria di forma
Twinning
Pseudoelasticità
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Conventional metal (e.g. steel) SMA (e.g. NiTi)
>0.1% 10%
deformation deformation
reac
ting
forc
e
reac
ting
forc
e
pseudoelasticity
slip
Memoria di forma
6
pseudoplastic deformationand constrained shape recovery
pseudoplastic deformationand free shape recovery
heating heating
reco
very
forc
e
Applications in Upper Motorneuron syndromes
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Molle di richiamo
Ortesi dinamiche con proprietà nonlineari
Risultati statistici
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Le ortesi pseudoelastiche salvaguardiano le proprietà iscoelasticheriducendo la rigidità articolare.
Aspects of rehabilitation
Rehabilitation
Segmental/joint rehabilitation
Functional/occupationalrecovery
Quality of life
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Rehabilitation
Segmental/joint rehabilitation
Functional/occupationalrecovery
Quality of life
Aspects of rehabilitation
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Rehabilitation
Segmental/joint rehabilitation
Functional/occupationalrecovery
Quality of life
Pain
Quality of sleep
Comfort of posture
Aspects of rehabilitation
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Aspects of rehabilitation
Rehabilitation
Segmental/joint rehabilitation
Functional/occupationalrecovery
Quality of life
Dynamic orthotic rehabilitation
????
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Sensorizzazione dell’ortesi
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ADC
Bluetooth
Accelerometro triassiale
Elettrogoniometro Snodo pseudoelastico
Simultaneo trattamento e monitoraggio
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Accelerations: X (red), Y (blue), Z (green).
Lorenzo Garavaglia, et al.
“Therapy monitoring and biofeedback during upper-limb rehabilitation with a new sensorised orthosis”
Ore 16.45
Studio su pazienti adulti cronici post-ictus
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6 pazienti emiplegici (esiti ictus)Età: 56.8±7.2 anniDistanza dal trauma: 3.8±1.7 anni
Durata trattamento: 1 mese Prescrizione: >6 ore/giorno
Push-pull cartridge actuator
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Inextensible thread
Coilings of SMA wire
Electric connections
Aluminium frame
Linear guide and carriage
Plastic double-groove pulleys
Passive ankle mobilisation for bed-ridden patients
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Portable ankle mobiliser for ankle mobilisation in the acute phase
Moving foot plate
Bed-ridden patients
Leg rest allowing for knee flexion
Preliminary MEG studies on healthy volunteers
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in collaboration with
11 normal volunteers (5 males, aged 24 ± 4 years)
MEG165 channels
S Pittaccio, et al. Primary sensory and motor cortex activities during voluntary and passive ankle mobilisation by the SHADE orthosis, Human Brain Mapping, 2011, 32:60–70
S Pittaccio, et al. Passive ankle dorsiflexion by an automated device and the reactivity of the motor cortical network., Proceedings 35th IEEE-EMBC, 2013, Osaka, pp. 6353-6356
Statistical results with MEG 165 channels on healthy
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Results thresholded for p<0.05 (corrected for multiple comparisons)
Statistical results with MEG 165 channels on healthy
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BET
A B
AND
ALPH
A B
AND
Event Related Desynchronization (ERD) was evaluated in alpha (8-13 Hz) and beta (15-25 Hz) bands in the period following the onset of PM and AIC.
Similar patterns of band power modulation in alpha and beta band were found for VM and O-PM in the contralateral primary sensory and motor areas.
A greater ERD in beta band was found during VM compared to O-PM in supplementary motor area and bilateral premotor areas.
PM ERD in alpha band was greater in bilateral secondary somatosensory areas than for VM, probably resulting from an increased sensory integration during PM.
Case studies on paediatric patients with UML
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in collaboration with VALUTAZIONE TECNICA
Schema Test di movimentazioneTest di sicurezza
Protocollo Test del protocollo qEEG e NIRS su sani
STUDIO PRE-CLINICO
Schema Open label
Protocollo Valutazione T0 Esame articolareqEEG (paz. Pediatrici)
Trattamento 30 min 2 i.d. – a letto20 sessioni
Valutazione T1 Esame articolare
qEEG (paz. Pediatrici)
The graph shows the timecourse of the ankle joint angle during mobilisation by the ToeUp! device; the time is segmented into REST (R) and MOVEMENT (M) intervals, used for the ERD/ERS calculations.
Pre-post clinical results
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Pediatrici post-traumatici (dettaglio questionario)
DOMANDA 1: Con quanta DIFFICOLTA’ suo figlio ha eseguito le sedute riabilitative con ToeUp?
Mio figlio non ha potuto utilizzare il dispositivo, ed il trattamento è stato interrotto perché non idoneo alla condizione di mio figlio.Estrema difficoltà, che ha ripetutamente impedito l’utilizzo del dispositivo durante le sedute riabilitative.Molta difficoltà, che talvolta ha complicato, o occasionalmente impedito il corretto utilizzo del dispositivoQualche difficoltà, che tuttavia non ha impedito il corretto utilizzo del dispositivo durante tutto il trattamento.Nessuna difficoltà. Mio figlio ha potuto eseguire correttamente tutte le sedute riabilitative programmate,
in quanto il dispositivo riabilitativo era del tutto idoneo alla condizione di mio figlio.
DOMANDA 2: Le difficoltà incontrate durante l’utilizzo del dispositivo si sono verificate principalmente:
Durante tutte le sedute(Soprattutto) nella parte iniziale del trattamento(Soprattutto) nella parte finale del trattamentoUnicamente nelle primissime sedute di trattamentoNon si sono verificate difficoltà
DOMANDA 3: Dopo aver osservato suo figlio mentre eseguiva riabilitazione con Toe-Up!, come giudica il COMFORT, cioè il grado di comodità del dispositivo?
Il dispositivo è inutilizzabile perché troppo scomodoIl dispositivo è molto poco confortevoleIl dispositivo è poco confortevoleIl dispositivo è confortevole e ben tolleratoIl dispositivo è talmente confortevole da costituire un incentivo alla riabilitazione per mio figlio.
1 preferenza4 preferenze
4 preferenze
1 preferenza
3 preferenze2 preferenze
Risultati EEG preliminari
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The graphs show the PSD spectra of channelCPz for the same patient of the ERD/ERSmaps (left). After the treatment powerincreases overall and particularly in the αband.
L. Garavaglia, et al. Pilot Study of the Cortical Correlates and Clinical Effects of Passive Ankle Mobilisation in Children with Upper Motorneuron Lesions, Proceedings 37th IEEE-EMBC, 2015, Milan
Conclusions
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Shape memory alloys, thanks to their nonlinear and adjustablemechanical and functional characteristics are a resource in designing devices for a number of applications in neuromuscularrehabilitation.
These range from passive mobilisation devicesto repositioning orthoses,and wearable devices for movementstabilisation and conditioning.
The Institute for Energetics and Interphases at Lecco
38Thanks! [email protected]
Thanks to
Lorenzo GaravagliaFabio Lazzari
Amagnetic actuators
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International patentWO/2011/141183
S Viscuso, S Pittaccio, Design and implementation of a portable amagnetic shape memory rotary actuator, 2012, Journal of Intelligent Materials Systems and Structures, 24:454-72
Orthosis sensorisarion
3-axis analogaccelometerADXL 335+-3g
ArduinoFIO v3AVR32U416MHz3.3V
BluetoothUnitRowingRN-42
Lipo battery3.7V2200mAhSingle cell (1s)rechargeable
ON-OFFswitch
3D printed orthoses
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Morphing from anatomical data
Imagesegmentation
Acquisition of anatomicaldataset
3D printed orthoses
Advantages of morphing and 3D printing
• Perfect matching of skin interface minimised contact pressures
• Perfect localisation of anatomical elbow axis best allignment of hinges
minimised sliding and friction
• Perfect parallel allignment of hinges optimal mechanical function
• Integration of electronic system minimised volume
improved comfort