ITMI971526A1 - Apparecchiatura per controllare una contrazione muscolare indotta da stimolazione elettrica funzionale - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: "Apparecchiatura per controllare una contrazione muscolare indotta da stimolazione elettrica funzionale".

Campo dell'invenzione

Il trovato consiste in un'apparecchiatura, atta a controllare in tempo reale una contrazione muscolare indotta da una stimolazione elettrica funzionale, che comprende almeno (in combinazione tra loro) uno stimolatore che induce una contrazione muscolare, almeno un sensore che rileva l'effetto della contrazione muscolare rilevando la variazione di un parametro corporeo indotta dalla contrazione muscolare ed un'unità logica che controlla lo stimolatore in risposta all'entità della variazione del suddetto parametro corporeo rilevata dal sensore.

Tecnica anteriore

Quando (in seguito a traumi oppure a particolari patologie del sistema nervoso) si determina una lesione del midollo spinale, tutti i sistemi controllati da centri nervosi posti "a valle" della lesione risultano isolati dal sistema nervoso centrale e, di conseguenza, inattivi.

In particolare, i muscoli innervati da neuroni che fuoriescono dal-midollo spinale al di sotto della lesione sono paralizzati ed il numero di muscoli (e/o Fasci muscolari) paralizzati è tanto maggiore quanto più "alta" è la sede della lesione: solo gli arti inferiori (paraplegia) oppure tutti e quattro gli arti (tetraplegia).

Come noto, le cellule nervose danneggiate non sono in grado di rigenerarsi: il danno funzionale può essere (almeno parzialmente) limitato se esistono vie nervose alternative a quella lesionata ed in grado di sostituirla almeno parzialmente, ma in caso di lesione del midollo spinale non esistono vie nervose alternative ed il danno è perciò irreparabile.

Tutti tentativi finora effettuati per ripristinare chirurgicamente la continuità delle vie nervose interrotte trapiantando cellule nervose o, più recentemente, cellule staminali opportunamente selezionate e/o trattate sono falliti o non hanno comunque dato risultati tali da autorizzare ragionevoli speranze di poter ovviare, almeno in tempo ragionevolmente brevi, ai danni derivanti da una lesione del sistema nervoso centrale. La Stimolazione Elettrica Funzionale è una tecnica ben nota agli esperti del settore ed diffusamente utilizzata per ripristinare artificialmente l'attività motoria di muscoli paralizzati.

Infatti in tutti quei casi in cui il sistema nervoso periferico risulta integro, è possibile sostituire con opportuni impulsi elettrici le informazioni che dovrebbero provenire dal sistema nervoso centrale sotto forma di impulsi nervosi.

Tuttavia la stimolazione elettrica che è stato possibile ottenere fino ad ora è piuttosto grossolana, nel senso che fino ad oggi non si riesce a raggiungere le singole fibre muscolari come avviene in natura grazie alla straordinaria capillarità delle terminazioni nervose.

Ne risultano problemi di vario genere come l'affaticamento muscolare e l’irripetibilità delle contrazioni (ad uno stesso impulso elettrico non corrisponde sempre la stessa contrazione). La presente invenzione si riferisce ad un'apparecchiatura sviluppata per minimizzare i suddetti problemi connessi alla stimolazione elettrica funzionale, in particolare quello della ripetibilità, e per attenuare notevolmente quello dell'affaticamento.

Sommario dell'invenzione

Forma aggetto del presente trovato un'apparecchiatura per controllare una contrazione muscolare indotta da una stimolazione elettrica funzionale che comprende, in combinazione tra loro, almeno:

- uno stimolatore, che attiva mezzi atti ad indurre la contrazione muscolare;

- i suddetti mezzi, attivati dallo stimolatore;

- almeno un sensore, che rileva l'effetto della contrazione muscolare rilevando l'entità di un parametro corporeo (ad esempio, la flessione di un'articolazione) correlato alla contrazione muscolare;

- un'unità logica, che controlla lo stimolatore in risposta al parametro corporeo rilevato dall'almeno un sensore.

Preferibilmente, l'unità logica controlla lo stimolatore confrontando il parametro corporeo rilevato dall 'almeno un sensore con un valore di riferimento che può essere costante, variare secondo una legge prefissata oppure essere generato da un ulteriore sensore che rileva l'entità di un ulteriore parametro corporeo.

Elenco delle figure

Il trovato sarà ora meglio descritto con riferimento ad un esempio di realizzazione a carattere non limitativo illustrato nelle figure allegate, dove:

- la figura 1 mostra una schema a blocchi di un'apparecchiatura realizzata secondo il trovato;

- la figura 2 mostra un diagramma di flusso semplificato atto ad illustrare schematicamente un esempio di procedura di calibrazione dell'apparecchiatura di figura 1;

- la figura 3 mostra un diagramma di flusso semplificato atto ad illustrare schematicamente il funzionamento dell'unità logica di figura 1.

Nelle figure allegate, gli elementi corrispondenti saranno identificati mediante gli stessi riferimenti.

Descrizione dettagliata

Nell'esempio di realizzazione a carattere non limitativo illustrato nelle figure allegate, l'apparecchiatura oggetto del presente trovato utilizza quale parametro corporeo l'angolo di flessione di un'articolazione per ottenere un movimento controllato di tale articolazione, ma senza uscire dall'ambito del trovato si può utilizzare qualsiasi altro parametro corporeo (ad esempio, uno spostamento del capo) per ottenere un movimento controllato di uno o più muscoli e/o masse muscolari.

La figura 1 mostra una schema a blocchi di un'apparecchiatura realizzata secondo il trovato, comprendente in combinazione tra loro:

- un'unità logica 1;

- un elettrostimolatore 2, pilotato dall'unità logica 1;

- almeno un elettrodo stimolatore superficiale 3 (in figura 1 ne sono indicati due), per applicare al muscolo (o fascio muscolare) prescelto gli impulsi elettrici di stimolazione emessi dall'elettrostimolatore 2;

- almeno un sensore 4, atto a rilevare 1'angolo di flessione dell'articolazione mossa dai muscoli (o fasci muscolari) stimolati dagli elettrodi 3 e ad inviare all'unità logica 1 il valore dell'angolo di flessione rilevato; preferibilmente ma non necessariamente, l'almeno un sensore 4 è costituito da un elettrogoniometro.

Se il segnale generato dal sensore 4 è un segnale analogico, il sensore 4 è normalmente interfacciato con l'unità logica 1 da un convertitore analogico/digitale (non descritto in questa sede per semplicità di descrizione e comunque in sé noto) che può essere allocato nel sensore 4 o nell'unità logica 1 oppure può costituire un'unità funzionale a sé stante.

L'unità logica 1 controlla 1'elettrostimolatore 2 confrontando l'angolo di flessione dell'articolazione in esame con un valore di riferimento che può essere costante, variabile secondo una legge prefissata (l'unità logica 1 "insegue" un segnale, funzione variabile del tempo, emesso da un generatore ed applicato ad un ingresso dell'unità logica 1; il generatore ed il relativo ingresso dell'unità logica 1 sono stati omessi in figura 1 per semplicità di rappresentazione grafica) oppure costituito da un ulteriore parametro fisico che, nell'esempio di realizzazione qui descritto, consiste nell'angolo di flessione di un'ulteriore articolazione, rilevato da un ulteriore sensore 5 (preferibilmente, ma non necessariamente, un ulteriore elettrogoniometro).

Preferibilmente, l'ulteriore articolazione appartiene allo stesso soggetto: ciò consente ad un handicappato motorio una sia pur limitata possibilità di movimento, senza dover utilizzare una sedia a rotelle o altri sussidi meccanici equivalenti, controllando il movimento delle ginocchia tramite il movimento di altre parti del corpo come, ad esempio, i polsi e/o i gomiti oppure, nel caso di un tetraplegico, il capo.

Adottando un valore di rifermento variabile secondo una legge prefissata, l'apparecchiatura secondo il trovato può essere vantaggiosamente utilizzata per consentire al paziente di seguire, anche a domicilio, un adeguato programma di fisioterapia per mantenere "attivi" i muscoli (o fasci muscolari) stimolati dagli elettrodi 3 senza richiedere l'intervento di personale specializzato e/o l'uso di particolari apparecchiature, normalmente presenti nei centri di riabilitazione.

Si è verificato sperimentalmente che aumentando la frequenza degli impulsi elettrici di stimolazione diminuisce l'intensità di detti impulsi necessaria per stimolare il muscolo ma aumentano le sensazioni spiacevoli a livello epidermico e l'affaticamento del muscolo: le suddette verifiche sperimentali hanno evidenziato che, in soggetti che hanno conservato un'adeguata sensibilità cutanea, la frequenza ottimale degli impulsi di stimolazione è di circa 33 Hz e comunque compresa tra 20 e 50 Hz,

In soggetti privi di sensibilità cutanea, la frequenza degli impulsi di stimolazione può essere vantaggiosamente ridotta a circa 20 Hz, riducendo l'affaticamento del muscolo.

L'elettrostimolatore 2 e gli elettrodi 3 non saranno ulteriormente descritti in questa sede perché utilizzati nella tecnica della Stimolazione Elettrica Funzionale e comunque in sé noti; anche gli elettrogoniometri {4, 5) non saranno descritti perché in sé noti.

Senza uscire dall'ambito del trovato, è possibile sostituire almeno uno degli elettrogoniometri (3. 5) con un sensore di altro tipo, funzionalmente equivalente.

La figura 2 mostra un diagramma di flusso semplificato atto ad illustrare schematicamente un esempio di procedura di calibrazione dell'apparecchiatura di figura 1.

Quando si applica ad un paziente un'apparecchiatura secondo il trovato, per ottenere un funzionamento corretto dell'apparecchiatura stessa è necessario (o quanto meno molto opportuno) effettuarne la calibrazione per determinare i valori ottimali di parametri operativi (nell'esempio qui descritto, l'intensità ottimale e la durata minima degli impulsi di stimolazione) che variano (o possono variare) di volta in volta in funzione della specifica risposta del paziente agli stimoli, del numero e della posizione degli elettrodi 3< e cosi via.

Se si applica nuovamente l'apparecchiatura precedentemente rimossa oppure se si modifica il numero e/o la disposizione degli elettrodi 3, è necessario ripetere la procedure di calibrazione, che è comunque opportuno ripetere di quando in quando.

I parametri operativi possono essere regolati sia operando su mezzi di regolazione (potenziometri, eccetera) posti sull 'elettrostimolatore 2 (preferibilmente ma non necessariamente, i parametri operativi vengono "memorizzati" bloccando in modo in sé noto tali mezzi di regolazione al termine della calibrazione) sia operando in modo in sé noto tramite l'unità logica 1 e memorizzando i relativi valori al termine della calibrazione.

Un esempio di procedura di calibrazione dell'apparecchiatura di figura 1 è illustrato schematicamente dal diagramma di flusso semplificato di figura 2, in cui si determina prima (fasi 20-23) l’intensità ottimale degli impulsi di stimolazione e successivamente (fasi 24-29) la loro durata minima; senza uscire dall'ambito del trovato, è possibile determinare prima la durata minima degli impulsi di stimolazione e successivamente la loro intensità ottimale, modificando di conseguenza il diagramma di flusso di figura 2.

Per determinare l'intensità ottimale degli impulsi di stimolazione, tramite gli elettrodi 3 si applica al paziente (fase 20) un segnale di stimolazione impulsivo avente la frequenza ottimale (ad esempio: 33 Hz) più sopra citata, la massima durata prevista (P = PM) ed intensità minima (I = IO) e si stimola il muscolo (o fascio muscolare): se il segnale (AS) rilevato dal sensore 4 non raggiunge un valore massimo (ASM) prefissato (fase 21), si incrementa l'intensità I di una quantità prefissata (II; fase 22) e si torna alla fase 21, altrimenti si memorizza (fase 23) il valore dell'intensità ottimale così determinato e (nel diagramma di flusso qui illustrato) si passa a determinare la durata minima degli impulsi di stimolazione (fasi 24-29).

A tale scopo si riduce (fase 24) la durata P degli impulsi di stimolazione ad un minimo prefissato PO e si stimola il muscolo (o fascio muscolare; fase 25): se il segnale (AS) rilevato dal sensore 4 non rivela una contrazione (fase 26) si incrementa la durata P di una quantità prefissata (PI; fase 27) e si torna alla fase 25- altrimenti si "blocca" (fase 28) il valore della durata minima così determinato: la procedura di calibrazione è terminata.

Senza uscire dall'ambito del trovato, è possibile stimolare per la prima volta il muscolo (o il fascio muscolare; fase 25) mediante impulsi di stimolazione aventi detta durata minima prefissata PO ed un'intensità prefissata, diversa da detta intensità ottimale.

La figura 3 mostra un diagramma di flusso semplificato atto ad illustrare schematicamente il funzionamento dell’unità logica 1 di figura 1, che esegue ordinatamente la sequenza di passi funzionali che costituiscono detto diagramma di flusso.

Quando viene attivata, l'unità logica 1 esegue (fase 31) la procedura dì "START" (non descritta in questa sede perché in sé nota) acquisendo (se necessario) i valori di calibrazione dei parametri operativi, acquisisce (fase 32) il valore di riferimento (AR) e quello del segnale (AS) rilevato dal sensore li confronta tra loro (fase 33) per determinare il segnale errore (e), elabora (PID;'fase 34) il segnale di correzione in risposta al segnale errore e lo invia all'elettrostimolatore 2 (ST; fase 35) prima di tornare alla fase 32-Nell'esempio di realizzazione qui descritto, l'unità logica 1 elabora (fase 34) il segnale di correzione "simulando" un controllore tipo PID (proporzionale, integrativo, derivativo): senza uscire dall'ambito del trovato, è possibile "implementare nell'unità logica 1 un controllore di tipo diverso.

Il controllore tipo PID ed i metodi per determinarne i guadagni (proporzionale, integrativo, derivativo) non saranno descritti in questa sede perché ben noti ad un tecnico del ramo.

Senza uscire dall'ambito del trovato è possibile per un tecnico apportare all'apparecchiatura per controllare una contrazione muscolare indotta oggetto della presente descrizione tutte le modifiche ed i perfezionamenti suggeriti dalla normale esperienza e dalla naturale evoluzione della tecnica.

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per controllare una contrazione muscolare indotta da stimolazione elettrica funzionale, caratterizzata dal fatto di comprendere, in combinazione tra loro, almeno: - uno stimolatore (2), atto ad attivare mezzi (3) atti ad indurre detta contrazione muscolare; - detti mezzi (3). attivati da detto stimolatore (2); - almeno un sensore (4), atto a rilevare l'effetto di detta contrazione muscolare rilevando l'entità di un parametro corporeo correlato a detta contrazione muscolare; ed » - un'unità logica (1), atta a controllare detto stimolatore (2) in .risposta a detto parametro corporeo rilevato da detto almeno un sensore (4).
2. 2. Apparecchiatura come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta unità logica (1) controlla detto stimolatore (2) confrontando detta entità di detto parametro corporeo rilevato da detto almeno un sensore (4) con un valore di riferimento.
3. 3- Apparecchiatura come alla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto valore di riferimento è costante.
4. 4. Apparecchiatura come alla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto valore di riferimento è variabile secondo una legge prefissata.
5. 5- Apparecchiatura come alla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detto valore di riferimento è generato da un ulteriore sensore (5) atto a rilevare l'entità di un ulteriore parametro corporeo .
6. 6. Apparecchiatura come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto parametro corporeo rilevato da detto almeno un sensore (4) è la flessione di un'articolazione.
7. 7- Apparecchiatura come alla rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che detto almeno un sensore (4) è costituito da un elettrogoniometro.
8. 8. Apparecchiatura come alla rivendicazione 5. caratterizzata dal fatto che detto ulteriore parametro corporeo rilevato da detto ulteriore sensore (5) è la flessione di un'ulteriore articolazione.
9. 9- Apparecchiatura come alla rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detto ulteriore sensore (5) è costituito da un elettrogoniometro.
10. 10. Apparecchiatura come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che, in soggetti che hanno conservato una sensibilità cutanea, la frequenza degli impulsi di stimolazione generati da detto stimolatore (2) è compresa tra 20 e 50 Hz.
11. 11. Apparecchiatura come alla rivendicazione 10, caratterizzata dal fatto che detta frequenza degli impulsi di stimolazione generati da detto stimolatore (2) è di circa 33 Hz.
12. 12. Apparecchiatura come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che, in soggetti privi di sensibilità cutanea, la frequenza degli impulsi di stimolazione generati da detto stimolatore (2) è di circa 20 Hz.
13. 13. Apparecchiatura come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal Fatto che. per determinare l'intensità ottimale di detti impulsi di stimolazione, si eseguono ordinatamente i seguenti passi funzionali: - applicare tramite detti mezzi (3) attivati da detto stimolatore (2) impulsi di stimolazione aventi la massima durata prevista ed intensità minima ed indurre detta contrazione muscolare; - confrontare con un valore massimo prefissato detta entità di detto parametro corporeo rilevato da detto sensore (4); - se detta entità di detto parametro corporeo rilevato da detto sensore (4) è inferiore a detto valore massimo prefissato, incrementare di una quantità prefissata detta intensità di detti impulsi di stimolazione, indurre detta contrazione muscolare e confrontare nuovamente con detto valore massimo prefissato detta entità di detto parametro corporeo rilevato da detto sensore (4); - se detto parametro corporeo rilevato da detto sensore (4) raggiunge detto valore massimo prefissato, memorizzare detto valore di detta intensità di detti impulsi di stimolazione.
14. 14. Apparecchiatura come alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che, per determinare detta durata minima di detti impulsi di stimolazione, si eseguono ordinatamente i seguenti passi funzionali: - applicare tramite detti mezzi (3) attivati da detto stimolatore (2) impulsi di stimolazione aventi la minima durata prevista ed intensità prefissata; - se detta entità di detto parametro corporeo rilevato da detto sensore (4) non rivela una contrazione muscolare indotta da detti impulsi di stimolazione, incrementare di una quantità prefissata la durata di detti impulsi di stimolazione prima di applicare nuovamente detti impulsi di stimolazione; - se detta entità di detto parametro corporeo rilevato da detto sensore (4) rivela una contrazione muscolare indotta da detti impulsi di stimolazione, memorizzare detto valore della durata minima di detti impulsi di stimolazione.
15. 15- Apparecchiatura come alle rivendicazioni 13 e 14, caratterizzata dal fatto che detta intensità prefissata di detti impulsi di stimolazione corrisponde a detta intensità ottimale.
16. 16. Apparecchiatura come alle rivendicazioni 13 e l4, caratterizzata dal fatto che detta intensità ottimale di detti impulsi di stimolazione viene determinata prima di determinare detta durata minima di detti impulsi di stimolazione.
17. 17· Apparecchiatura come alla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che detta unità logica (1) esegue una fase di inizializzazione e, ordinatamente, i seguenti passi funzionali: - acquisire detto valore di riferimento e detta entità di detto parametro corporeo rilevato da detto sensore (4); - confrontare tra loro detto valore di riferimento e detta entità di detto parametro corporeo rilevato da detto sensore (4) per determinare un segnale errore; - in risposta a detto segnale errore, elaborare un segnale di correzione ed inviarlo a detto stimolatore (2) prima acquisire nuovamente detto valore di riferimento e detta entità di detto parametro corporeo rilevato da detto sensore (4).
18. 18. Apparecchiatura come alla rivendicazione 17. caratterizzata dal fatto che detta unità logica (1) elabora detto segnale di correzione "simulando" un controllore tipo PID (proporzionale, integrativo, derivativo).