IT201800010030A1

IT201800010030A1 - Unità a percussore per analisi posturale

Info

Publication number: IT201800010030A1
Application number: IT102018000010030A
Authority: IT
Inventors: Carlo Ferraresi; Walter Franco; Daniela Maffiodo; Benedictis Carlo De; Zeevi Dvir; Silvestro Roatta
Original assignee: Torino Politecnico; Univ Degli Studi Di Torino
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2020-05-05
Also published as: WO2020095204A1; EP3876823A1; EP3876823B1

Description

“Unità a percussore per analisi posturale”

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce a un'unità per impartire perturbazioni meccaniche ad un individuo. L'individuo è monitorato durante le perturbazioni al fine di raccogliere e analizzare i dati relativi alla sua reazione posturale alla perturbazione.

STATO DELL’ARTE

La capacità di mantenere la posizione eretta e / o il movimento è eseguita da meccanismi posturali / di equilibrio centrali e periferici ed è una funzione neuromotoria fondamentale e critica che consente agli esseri umani, lungo l'intera durata della vita, di funzionare e comportarsi normalmente ed efficientemente. I disturbi del normale funzionamento dei meccanismi posturali sono ben noti, in particolare nei pazienti affetti da disturbi neurologici, ma costituiscono anche una normale variante della vecchiaia, espressa da una maggiore propensione alla caduta a terra in particolare a seguito di una perturbazione inaspettata.

Un modo per valutare il normale funzionamento del sistema posturale consiste nello studiare il modello di reazione del corpo umano alle perturbazioni meccaniche mentre si è in piedi, o mentre si cammina su un tapis roulant o su una passerella strumentata. Le perturbazioni sono invariabilmente impartite sotto forma di una certa forza al corpo, sia in un punto anatomico fisso (ad esempio il tronco superiore) che alla base di supporto su cui l'individuo è in piedi, o camminando, durante l'esame.

In particolare, la perturbazione meccanica viene inaspettatamente impartita all'individuo e vari dati, tra cui elettromiografici, vengono raccolti in merito alla reazione dell'individuo alla perturbazione inaspettata. Un parametro che viene ampiamente monitorato durante la perturbazione è il centro di pressione (CoP), cioè il punto di applicazione del vettore di forza di reazione a terra. La posizione di questo punto cambia costantemente durante la sosta (e il camminare) ma finché si trova all'interno dell'area "chiusa" dai piedi, l'individuo è considerato in condizioni stabili o in equilibrio.

Al momento non esiste una procedura standard per impartire perturbazioni per lo scopo della successiva analisi del centro di pressione. Praticamente tutti i sistemi che sono stati descritti nelle pubblicazioni scientifiche sono realizzati su misura e mancano rigorosi protocolli di test o valori di riferimento. Soprattutto, e in particolare rispetto a quei casi in cui una perturbazione è stata applicata al corpo (e non alla base di supporto), la grandezza della forza è rimasta costante indipendentemente dalla singola antropometria del soggetto / paziente mentre la posizione della perturbazione era limitata a un punto / area del corpo richiesti dal progetto del sistema che ha impartito la perturbazione.

Data la rilevanza e l'importanza delle analisi perturbative precise e standard per applicazioni scientifiche e cliniche, vi è quindi la necessità di un'unità che controlli con precisione la perturbazione tenendo conto dei parametri antropometrici e biomeccanici dell'individuo al fine di conferire scalabilità, adattabilità e perturbazioni mirate.

SCOPI E RIASSUNTO DELL’INVENZIONE

Lo scopo della presente invenzione è quello di soddisfare, almeno in parte, le suddette esigenze.

Lo scopo della presente invenzione è raggiunto da un'unità per applicare perturbazioni meccaniche a un individuo comprendente:

- Almeno un percussore comprendente un attuatore e una testa di contatto movimentabile dall'attuatore lungo una direzione rettilinea in modo da applicare una perturbazione meccanica all'individuo;

- Una struttura che supporta il percussore a terra durante l'operazione di applicare la perturbazione;

- Un'unità di controllo elettronica programmata per controllare la testa di contatto durante l'operazione di applicare la perturbazione;

in cui

- una cella di carico è collegata alla testa di contatto per fornire all'unità di controllo elettronica una retroazione della forza in merito al carico applicato all'individuo durante l'operazione di applicare la perturbazione; e

- La cella di carico viene applicata alla testa di contatto in modo da misurare solo un componente della forza parallela all'asse di traslazione della testa di contatto.

Tale unità fornisce un impulso predefinito controllato tramite la cella di carico. Il richiedente ha trovato che l'ampiezza dell'oscillazione, un parametro espresso dalla lunghezza della traiettoria del CoP era meglio correlata con l'impulso (definito come l'integrale della forza applicata nel tempo), rispetto alla forza di picco della perturbazione. Un ulteriore miglioramento della precisione dell'analisi si basa sulla fornitura di un supporto stabile o mobile o una struttura a cui è attaccato il percussore durante l’applicazione della perturbazione. Inoltre, una versione dell'unità della presente invenzione ha una configurazione semplice che, secondo una forma di realizzazione, può essere portatile ed economica, in modo da poterla impiegare in applicazioni cliniche più ampie, ad es. in piccole cliniche o a casa del singolo paziente senza la necessità di eseguire tale esame in un laboratorio specializzato in analisi posturale. La semplice configurazione del percussore è anche applicabile in modo flessibile a supporti complessi comprendenti una pluralità di percussori che agiscono lungo direzioni diverse e colpiscono su diverse aree dell'individuo simultaneamente o con una differenza di tempo prestabilita, misurata in millisecondi. Il supporto e la cella di carico forniscono il pieno controllo della posizione e altre caratteristiche della perturbazione in modo che quest'ultima possa essere completamente adattata alla specifica antropometria dell'individuo e al tipo di patologia di cui è affetto. Inoltre, la cella di carico costituisce una parte integrale del percussore e ciò migliora la precisione del controllo della perturbazione e della retroazione correlata, poiché la catena cinematica tra la cella di carico e la testa di contatto è molto corta e possibili parametri di disturbo, come la rigidezzaà del supporto o simili, non influenzano il controllo della perturbazione. Inoltre, un'analisi posturale completa può essere eseguita senza richiedere una base di supporto sensorizzata / attivata, sebbene quest'ultima possa essere fornita in aggiunta al percussore per aggiungere stimoli posturali di diverso tipo. In particolare, quando la base di supporto sensorizzata / attivata è assente, la perturbazione è fornita dal percussore mentre i dati riguardanti la risposta dell'individuo vengono raccolti da altri sistemi di acquisizione dati posturali, come telecamere, sensori inerziali, elettromiografia, piastre di forza eccetera.

Secondo una forma di realizzazione preferita, l'unità di controllo è programmata in modo da applicare una perturbazione attraverso la cella di carico.

Secondo una forma di realizzazione preferita, l'unità comprende inoltre in connessione di scambio dati con l'unità di controllo elettronica, almeno una fra: una base di supporto sensorizzata dove l'individuo si trova durante l'azione del percussore; almeno un dispositivo sensore parametrico cinetico configurato per monitorare il movimento dell'individuo durante il funzionamento del percussore; almeno un dispositivo di elettromiografia di superficie per monitorare i tempi di latenza muscolare e gli schemi di coordinazione muscolare durante la perturbazione.

Quando l'unità comprende uno o più di tali dispositivi aggiuntivi di raccolta dati, la centralina elettronica raccoglie i dati relativi alle reazioni dell'individuo alla perturbazione controllata fornita dal percussore. Esempi non limitativi di possibili dispositivi di raccolta dati posturali comprendono: sensori elettromiografici, un apparecchio di motion capture, sensori inerziali.

Secondo una forma di realizzazione preferita, l'unità di controllo elettronica è programmata in modo da controllare il movimento della testa di contatto secondo un profilo cinematico predefinito prima del contatto con l'individuo e per controllare la forza impulsiva applicata all'individuo a partire dall'istante in cui la testa di contatto interagisce con il corpo dell'individuo e fino alla fine di tale interazione, cioè il decorso completo della perturbazione comprendente la combinazione di una fase di avvicinamento e una fase di impatto.

Per fornire un controllo più stabile in una gamma più ampia di condizioni di perturbazione, esempi di variabili cinematiche monitorate in modo da fornire il profilo cinematico predefinito sono la velocità e / o l'accelerazione della testa di contatto. Secondo una forma di realizzazione preferita, l'unità comprende un sensore per misurare, in uso, una distanza tra l'individuo e la testa di contatto in una posizione di partenza e l'unità di controllo è programmata in modo tale che il profilo cinematico sia basato su tale distanza.

Ciò garantisce che l'azione del percussore sia specificamente adattata alle condizioni di prova, ad es. la posizione dell'individuo rispetto all'attaccante.

Secondo una forma di realizzazione preferita, il percussore è portatile e comprende una maniglia in modo che un utente possa tenere il percussore durante l'applicazione di 7 e / o un pulsante collegato all'unità di controllo in modo da avviare l'operazione predefinita di impartire impulsi della testa di contatto.

Secondo una forma di realizzazione preferita, una direzione di traslazione è definita da un'unità di guida prismatica e la cella di carico è circondata dall'unità di guida prismatica e si trova in serie tra l'attuatore e la testa di contatto.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

L'invenzione verrà descritta di seguito sulla base di esempi non limitativi discussi a scopo esplicativo nei disegni allegati, che si riferiscono rispettivamente:

- Fig. 1 ad un diagramma di flusso di un sistema di generazione e analisi di perturbazioni comprendente un'unità a percussore secondo la presente invenzione; - Fig. 2 ad uno schizzo funzionale di un'unità a percussore secondo la presente invenzione;

- Fig.3 a un disegno di un esempio del percussore di fig. 2; e

- Fig. 4 ad una forma di realizzazione preferita di una testa di contatto del percussore secondo le figure 2 e 3.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

La figura 1 illustra uno schema teorico di un sistema di analisi posturale comprendente le fasi di descrivere un paziente 10; definire un test posturale su misura 20 basato sulla fase di descrivere 10; applicare una perturbazione 30 ad un paziente o individuo tramite un operatore o tramite una stazione attraverso un percussore 40 secondo la presente invenzione controllato sulla base della fase di definire la prova posturale 20; raccogliere dati posturali per es. dell'oscillazione dell'individuo, tramite un'apparecchiatura di rilievo dei dati posturali 50; e fornire una relazione preliminare 60 basata sull'analisi automatica e preliminare dei dati posturali raccolti tramite l'apparecchiatura di rilievo 50. Come esempio non limitativo, l'apparecchiatura di rilievo 50 comprende almeno uno tra: sensori elettromiografici, un dispositivo motion capture, sensori inerziali, una base sensorizzata di supporto ecc.

La figura 2 mostra uno schema teorico del percussore 40, che comprende un'unità di controllo elettronica 41 programmata per ricevere dati di ingresso relativi ad una perturbazione predefinita da applicare; un attuatore lineare 42 controllato dall'unità di controllo elettronica 41 tramite un dispositivo di azionamento 43, ad es. una valvola proporzionale pneumatica o idraulica nel caso in cui l'attuatore lineare 42 sia un pistone pneumatico o idraulico a doppio effetto. In una forma di realizzazione alternativa, l'attuatore lineare 42 è del tipo elettrico ed è azionato da un servocomando 43. L'attuatore lineare 42 applica una perturbazione meccanica cineticamente predefinita all'individuo tramite l'unità di controllo elettronica 41 ed è ulteriormente configurato per fornire un segnale di retroazione di forza al sistema di controllo 41. In particolare, la retroazione di forza viene fornita tramite una cella di carico come descritto nel seguito in maggior dettaglio. Esempi di parametri cinetici della perturbazione comprendono un andamento della forza nel tempo durante una fase di impatto della perturbazione. Preferibilmente, tramite l'unità di controllo elettronica 41, anche una fase di avvicinamento e / o una fase di ritiro sono predefinite, compresa la pre-definizione di parametri come l'accelerazione e / o la velocità dell'attuatore lineare 42. Preferibilmente, l'attuatore lineare 42 si ritrae rapidamente dopo il completamento della fase di impatto in modo da fornire poca o nessuna interferenza o disturbo al movimento di risposta o alla reazione dell'individuo.

La figura 3 mostra uno schema di un percussore 40 secondo una forma di realizzazione particolarmente semplice. In particolare, il percussore 40 secondo la figura 3 comprende una o più maniglie 44 in modo che un operatore tenga il percussore 40 durante l'applicazione di una perturbazione e fornisce la necessaria reazione inerziale, una testa di contatto 45 portata dall'attuatore lineare 42 e mobile per contattare l'individuo durante l'applicazione della perturbazione, e una cella di carico 46 posizionata per misurare il carico trasferito tra la testa di contatto 45 e l'attuatore lineare 42 lungo la direzione di lavoro dell'attuatore. Secondo una forma di realizzazione preferita, il percussore 40 comprende anche un pulsante di controllo 47 per dare inizio a un ciclo di lavoro di applicazione della perturbazione del percussore 40. Preferibilmente, il pulsante di controllo 47 si trova vicino ad una maniglia 44 in modo che sia possibile premere il pulsante con la stessa mano che sta tenendo la maniglia. Ad esempio, il pulsante 47 è posto sulla maniglia 44.

La figura 3 mostra anche schematicamente un supporto S in modo da definire, insieme al percussore 40, un'unità di percussione per impartire perturbazioni posturali meccaniche. Il supporto S è configurato per fornire il percussore 40 con almeno una posizione assegnata nello spazio tridimensionale. Secondo la forma di realizzazione di figura 3, il supporto S è pieghevole come un treppiede per una telecamera o simili opportunamente adattato al peso del percussore 40. Il percussore 40 è portato dal supporto S tramite un giunto a cerniera rilasciabile o scollegabile e il supporto S è preferibilmente sia pieghevole o collassabile o smontabile in un modo simile a treppiedi per una macchina fotografica in modo da essere portatile in una borsa. Anche il percussore 40 può essere configurato per essere portatile in una borsa.

La figura 4 mostra una forma di realizzazione attuativa della testa di contatto 45. La testa di contatto 45 è preferibilmente arrotondata e / o convessa per evitare creste taglienti allo scopo di impartire la perturbazione senza ferire l'individuo. Ad esempio, la testa di contatto 45 può anche comprendere una porzione imbottita U fatta di un materiale viscoelastico, per essere più confortevole per l'individuo. La testa di contatto può essere prevista in diverse dimensioni (diametri) per seguire ciascuna antropometria così come la necessità di colpire aree cutanee più piccole o più grandi. La cella di carico 46 è preferibilmente posizionata lungo l'asse di movimento A dell'attuatore lineare 42, che coincide con un asse o piano di simmetria della testa di contatto 45, se presente.

In particolare, la testa di contatto 45 è portata dall'attuatore lineare 42 tramite una base 48, ad es. una flangia e una guida prismatica 49 tra la base 48 e la testa di contatto 45 per guidare la testa di contatto 45 lungo una direzione parallela a quella dell'asse A. Preferibilmente, la guida prismatica 49 comprende una o più sporgenze P che circondano la cella di carico 46 e sono assialmente accoppiate in rispettive sedi T. Secondo la forma di realizzazione di figura 4, le sporgenze P sono portate dalla base 48 e le sedi T sono definite dalla testa di contatto 45. Come mostrato nella figura 4, preferibilmente la cella di carico 46 è situata tra la testa di contatto 45 e la base 48. La guida prismatica 49 definisce anche arresti per evitare che la testa di contatto 45 sia staccata dalla base 48 lungo una direzione dalla base alla porzione imbottita U e, allo stesso tempo, essa guida nella direzione opposta, cioè la direzione di compressione della cella di carico 46, la testa di contatto 45 durante l'applicazione della perturbazione.

Preferibilmente, l'unità di controllo elettronica 41 è programmata per fornire, tramite la cella di carico 46, una perturbazione meccanica sotto forma di un impulso, cioè l'integrale di un andamento di forza predefinito nel tempo, o in qualsiasi altra forma ritenuta conveniente. Al fine di aumentare la stabilità di tale controllo in una gamma più ampia di differenti perturbazioni, l'unità di controllo elettronica 41 è preferibilmente programmata per controllare la perturbazione anche in base alla velocità e / o all'accelerazione della testa di contatto 45. In particolare, velocità e / o accelerazione sono pre-definite in modo da raggiungere un dato valore al primo tocco della testa di contatto 45 con l'individuo. Per fare ciò, l'unità di controllo elettronica 41 è programmata per ricevere un ingresso relativo alla distanza tra la testa di contatto 45 in una data posizione di partenza di un relativo ciclo di lavoro per applicare la relativa perturbazione e un punto di contatto sull'individuo per la testa di contatto 45. Tale distanza può essere misurata dall'apparecchiatura di rilievo 50 e, in particolare, quando l'individuo è posto in una posizione adatta per l'esame posturale, e durante una fase della corsa di avvicinamento verso il bersaglio sull'individuo e nell'istante dell'impatto.

Resta inteso che modifiche o varianti all'unità a percussore possono essere fornite senza allontanarsi dall'ambito di protezione come definito nelle rivendicazioni allegate.

Ad esempio, secondo altre forme di realizzazione della presente invenzione, il supporto S si fornisce esso stesso la reazione inerziale o rigidezza sufficiente per reagire rigidamente alla perturbazione meccanica applicata all'individuo. Ad esempio, il supporto S può avere una struttura a portale e può anche portare più di un percussore 40 per applicare perturbazioni complesse all'individuo e, cosa più importante, può spostarsi lungo una guida chiusa (circolare, ovale) attorno all'individuo, per applicare perturbazione / i da diverse direzioni.

Inoltre, il posizionamento e l'orientamento del percussore 40 sul supporto S possono essere manuali, come descritto sopra, o automatizzati ad es. tramite attuatori o robot con uno o più gradi di libertà. Il posizionamento e l'orientamento angolare del percussore / i è preferibilmente eseguito in una fase di messa a punto dell'unità di percussione, dopo di che la posizione/i e l'orientamento/i rimangono invariati durante l'impartire perturbazione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Unità per applicare perturbazioni meccaniche ad un individuo comprendente: - Almeno un percussore (40) comprendente un attuatore (42) e una testa di contatto (45) movimentabile lungo una direzione rettilinea dall'attuatore in modo da applicare una perturbazione ad un bersaglio sull'individuo; - Una struttura (S) che supporta il percussore a terra durante l'operazione di applicare la perturbazione; - Un'unità di controllo elettronica (41) programmata per controllare la testa di contatto (45) durante l'operazione di applicare la perturbazione; in cui - una cella di carico (46) è collegata alla testa di contatto (45) per fornire l'unità di controllo elettronica (41) con una retroazione della forza in merito al carico applicato all'individuo durante l'operazione di applicare la perturbazione; e - la cella di carico (46) viene applicata alla testa di contatto (45) in modo da misurare solo un componente della forza di perturbazione parallela ad un asse (A) di traslazione della testa di contatto (45).
2. Unità secondo la rivendicazione 1, in cui l'unità elettronica di controllo (41) è programmata in modo da provocare l’applicazione della perturbazione secondo un profilo cinetico predefinito nel tempo tramite l'attuatore (42) e la cella di carico (46).
3. Unità secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 2, in cui l'unità di controllo (41) è programmata in modo da ritrarre rapidamente la testa di contatto (45) in una posizione tale da non ostacolare un eventuale movimento di risposta della persona sottoposta a prova dopo la perturbazione.
4. Unità secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre dispositivi di rilievo e sensori (50) in connessione di trasferimento dati con l'unità di controllo elettronica (41) e configurati per rilevare la posizione relativa tra la testa di contatto (45) e l'obiettivo durante una fase di avvicinamento e la reazione dell'individuo alla perturbazione durante e / o dopo una fase di impatto.
5. Unità secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'unità elettronica di controllo (41) è programmata in modo tale da controllare la perturbazione secondo almeno un parametro cinematico predefinito della testa di contatto (45) almeno fino a quando la testa di contatto (45) è in una fase di avvicinamento in cui si muove verso l'individuo senza contattare l'individuo.
6. Unità secondo la rivendicazione 4, comprendente inoltre un sensore per misurare, in uso, la distanza tra l'individuo e la testa di contatto (45) disposta in una posizione di partenza e in cui l'unità di controllo (41) è programmata in modo tale che il movimento della testa di contatto (45) mentre si avvicina all'individuo si basa su tale distanza per raggiungere un valore predefinito del parametro cinematico nel punto in cui la testa di contatto (45) contatta l'individuo.
7. Unità secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il percussore (40) è portatile e comprende almeno una maniglia (44) per tenere l'attuatore (42) durante l'applicazione della perturbazione.
8. Unità secondo la rivendicazione 7, in cui il supporto (S) è scollegabile dal percussore (40) ed è pieghevole o collassabile o smontabile in modo da essere portatile in una borsa.
9. Unità secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 7 o 8, comprendente un pulsante di controllo (47) collegato all'unità di controllo elettronica (41) in modo da dare inizio a un ciclo di lavoro per l’applicazione della perturbazione e posizionato in modo tale che un operatore possa premere il pulsante di controllo (47) mentre tiene la maniglia (44).
10. Unità secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pluralità di percussori (40).
11. Metodo di test per un'analisi posturale di un individuo comprendente la fase di applicare una perturbazione all'individuo tramite un'unità secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.