ITRM20070489A1 - Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione di pazienti in condizioni variabili di microgravita' simulata - Google Patents

Description

Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione di pazienti in condizioni variabili di microgravità simulata.

Il presente trovato riguarda un dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata il cui scopo è di integrare la funzione locomotoria in un nuovo sistema di sgravio nel quale il paziente è in posizione orizzontale o con una adeguata inclinazione rispetto all'orizzontale.

Numerosi studi hanno dimostrato l'efficienza e i vantaggi derivanti dall'uttilizzo di dispositivi per la riabilitazione di pazienti con deficit locomotori. La riabilitazione locomotoria su un treadmill con lo sgravio del peso corporeo facilita i movimenti locomotori e fornisce un efficace livello di recupero del cammino in pazienti affetti da vari disordini neuromuscolari (Barbeau et al., 1999). Un esempio sono i pazienti spinali che hanno mostrato notevoli miglioramenti nelle funzioni locomotorie, nella spasticità e nella densità ossea. Svariati dispositivi che simulano la riduzione di gravità , come Gait Trainer (Hesse, 2004), WARD (Gazzani et al., 2000), ZGLC (Gene et al., 2006), Locomat (Wirz et al., 2005) e Erigo (Colombo et al., 2005), sono stati sviluppati nell'ambiente clinico per la riabilitazione e la pratica di movimenti simili al cammino. A differenza degli strumenti meramente passivi (come WARD), Gait Trainer, Locomat e Erigo sono alimentati con energia elettrica, dispositivi attivi che impongono il movimento sull’utilizzatore. Tuttavia, vi sono delle limitazioni. Per esempio, mentre i patterns locomotori degli estremi inferiori e l’attivazione muscolare dei principali gruppi muscolari valutati in soggetti neurologicamente intatti possono essere simili a quelli valutati durante il loro cammino, i patterns cinematici sono in gran parte derivati dal dispositivo e non dal soggetto. La generazione del movimento da parte del paziente piuttosto che dal dispositivo che sta utilizzando è particolarmente importante in vista del fatto che miglioramenti nella locomozione non possono trasferirsi automaticamente a compiti motori non ancora eseguiti (Grasso et al. 2004a). Quindi, mentre questi sistemi mostrano effetti positivi della terapia sulla riabilitazione locomotoria, essi non possono essere usati per imitare integralmente le condizioni ipogravitarie e il controllo naturale della coordinazione intersegmentale perché, benché l’arto in fase di appoggio sente una riduzione di gravità proporzionale alla forza applicata sull'arto, in fase di pendolamento insiste sempre un valore di gravità di 1 g (nel caso dello sgravio del peso corporeo) oppure perché il moto dell’arto è largamente influenzato dai motori attivi o dai sistema di sospensione (nel caso della sospensione orizzontale, Gene et al., 2006).

Oggetto del presente trovato è un dispositivo di sgravio che consente una migliore simulazione delle condizioni di ipogravità in quanto la gamba sia nella fase di pendolamento che in quella di appoggio è esposta a carichi gravitazionali congruenti.

Al fine di evitare l'effetto della gravità, i segmenti di entrambe le gambe sono fissate ad un esoscheletro costituito da profili vincolati tra loro con cuscinetti volventi che permettono il movimento delle gambe senza attrito nel piano orizzontale. Questo permette una minima resistenza al moto e facilita significativamente il paziente a compiere i movimenti ritmici delle gambe sia in aria che sul treadmill ad una velocità controllata

Il dispositivo di cui al presente trovato può essere usato nei primissimi stadi della riabilitazione neurologica. Una marcata atrofia dei motoneuroni è stata riscontrata dopo lesioni alla spina dorsale, che non appare in animali spinali che sono stati sottoposti a esercizio (Gazula et al. 2004). Una degradazione dell'attività dei neuroni spinali può essere prevenuta da un continuo allenamento intrapreso subito dopo la lesione. Il concetto di una plasticità spinale distribuita sopra e sotto la lesione (Grasso et al. 2004b; Scivoletto et al. 2007) è importante in vista dei recenti lavori scientifici che hanno suggerito che in pazienti spinali cronici (più di un anno), la degenerazione neuronaie può compromettere le possibilità di recupero (Dietz and Mulller, 2004). Pazienti con gravi disordini neurologici, ortopedici o cardio-polmonari derivanti da lesioni spinali o da lesioni cerebrali traumatiche sono spesso forzati a giacere a letto per un elevato lasso di tempo. Questo può anche causare altre complicazioni, come l’instabilità del sistema cardio-polmonare dovuto al ristagno venoso nelle estremità inferiori. Per superare l’atrofia neuronaie e alcune complicazioni secondarie, è di cruciale importanza effettuare la riabilitazione subito dopo la lesione.

Il dispositivo di cui al presente trovato permette di offrire ai pazienti una terapia locomotoria ai primissimi stadi della riabilitazione grazie ad un sistema articolato innovativo che permette movimenti locomotori degli arti inferiori e del corpo nel totale rispetto degli aspetti biomeccanici e fisiologici nel senso di generazione autonoma dei patterns cinematici. Detto dispositivo offre ai medici e ai terapisti che si occupano di riabilitazione neurologica un'opportunità di cominciare sessioni intensive di terapia motoria degli arti inferiori nelle primissime fasi successive alle lesioni neurologiche. L’intensità della terapia può essere aumentata progressivamente inclinando il dispositivo verso la posizione verticale e raggiungendo, quindi, carichi sulle gambe sempre più elevati.

La caratteristica innovativa di questo dispositivo che permette movimenti alternati senza attrito delle gambe, può anche essere combinata con altre terapie o stimolazioni sensoriali (vedi, per esempio, Gurfinkel et al. 1998) che possono riportare allo stato attivo le strutture centrali responsabili della generazione del passo o possono rinforzare i circuiti neurali della locomozione.

Il trovato verrà ora descritto con riferimento ad un esempio di realizzazione non limitativa illustrata nei disegni allegati in cui:

La fig. 1 mostra una vista schematica del dispositivo nel suo insieme

La fig. 2 mostra il dispositivo di cui alla fig. 1 con la parte centrale smontata per consentire il posizionamento corretto del paziente La fig. 3 mostra un particolare dell’esoscheletro della gamba superiore

La fig. 4 mostra il dispositivo di cui alle fig. precedenti con il paziente in movimento

La fig. 5 mostra la simulazione di microgravità attraverso l'inclinazione del soggetto: F è la forza

agente sul treadmill lungo l'asse principale del soggetto.

Con riferimento a dette figure ed in particolare alla fig.

1 il dispositivo di cui al presente trovato è costituito da

- un telaio fisso orizzontale (1);

- un treadmill (4);

- un telaio ad inclinazione variabile (2) solidale con il treadmill (4) ed inclinabile rispetto al telaio fisso (1);

- un telaio mobile (3) con supporto imbottito (12) che trasla per mezzo di guide lineari (10) rispetto al telaio ad inclinazione variabile (2);

- una struttura, centrale smontabile (5) per l’inserimento del soggetto , ancorata al telaio mobile (3), regolabile in altezza a seconda delle dimensioni del bacino del soggetto a cui è vincolato l’esoscheletro superiore,

- un esoscheletro (6) composto da profilati in lega di alluminio per entrambe le gambe con tratto femorale telescopico al fine di adattarsi alla lunghezza delle gambe; i due tratti femorale e tibiale sono vincolati per mezzo di cuscinetti volventi radiali (11), - un cilindro pneumatico (7) tra i telai (3) e (2),

- supporti anatomici (8) ,

- un cuscino (Θ) per permettere al soggetto di appoggiare la testa,

guide (10) a bassissimo attrito per la traslazione tra i due telai (3 e 2),

- un supporto imbottito (12),

- un telaio verticale (13) per il bloccaggio del telaio (2) in posizione inclinata.

Come precedentemente accennato il dispositivo è stato concepito per generare movimenti ritmici degli arti inferiori o per simulare il cammino agevolato nella posizione orizzontale od inclinata, il dispositivo si compone essenzialmente di una struttura formata da tre parti principali:

la prima , il telaio fisso (1), è costituita da un telaio vincolato al suolo; la seconda parte è costituita dal telaio mobile (2) e dal treadmill (4) che possono ruotare .rispetto all’orizzonte permettendo cosi l'inclinazione del telaio mobile (2); la terza parte è costituita dal telaio mobile (3) che rappresenta la parte centrale dove è alloggiato il paziente e che permette la traslazione rispetto al telaio (2) ed il movimento delle gambe attraverso la struttura esoscheletro (6) Il telaio (2) ed il telaio (3) sono tra di loro vincolati per mezzo delle guide lineari (10) a bassissimo attrito. Questa condizione di vicolo permette al telaio mobile (3) di traslare orizzontalmente rispetto al secondo telaio (2) che a sua volta può inclinarsi rispetto al telaio fisso (1). La posizione del treadmill (4) rispetto al telaio (2) può essere modificata per adattarsi all' altezza del soggetto , attraverso aste telescopiche, il terzo telaio , come già detto , comprende un supporto imbottito (12) ancorato al telaio (3) ; sempre al telaio rìgido (3) è resa solidale, in modo amovibile la struttura centrale (5); tale struttura (5) è smontabile e regolabile in altezza in base alle dimensioni , sul piano coronale , del bacino del soggetto ; al telaio rìgido (3) è inoltre ancorato il sistema esoscheletro (6) per entrambe le gambe del paziente con il tratto femorale regolabile in lunghezza per mezzo di un asta telescopica , ai sistema esoscheletro (6) sono inoltre solidali i supporti anatomici (8) che supportano le gambe del paziente ancorate ad essi per mezzo di fasce elastiche .

In particolare la struttura centrale (5) che può come detto essere smontata come visibile in fig.2, agevola il posizionamento del paziente e può essere regolata per far si che le cerniere del sistema esoscheletro (6) corrispondano esattamente alle articolazioni di anca e ginocchio adattandosi ai dati antropometrici del soggetto. Le regolazioni della struttura (5) riguardano : l’altezza delle struttura (5) al fine di adattarla alle dimensioni del bacino del soggetto; l'inclinazione della struttura (5); la lunghezza dei tratti femorali dell’esoscheletro.

Essendo l’esoscheletro superiore vincolato alla struttura centrale (5) inclinando quest'ultima in avanti per mezzo di un apposito dispositivo di regolazione , si può variare la distanza tra i piedi del paziente per permettere l'esecuzione di movimenti fisiologicamente corretti.

In una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, il sistema esoscheletro (6) è realizzato in lega di alluminio cosi da ridurre al massimo le masse e quindi l'inerzia durante le fasi di cammino. I profilati sono vincolati tra di loro per mezzo di cuscinetti volventi radiali che permettono un movimento fluido privo di attrito, movimento questo che può avvenire con o senza contatto con il treadmill (4).

Come detto la lunghezza della parte femorale dell'esoscheletro (6) può essere variata a piacimento per adattarsi alle dimensioni delle gambe del paziente , permettendo cosi la corrispondenza degli assi dei cuscinetti con quelli di rotazione delle articolazioni di anca e ginocchio. L’articolazione delia caviglia è libera ; la gamba superiore è sorretta dall’esoscheletro superiore mentre la gamba inferiore è appoggiata sull'esoscheletro inferiore. L’anca inferiore è appoggiata sul supporto (12) che offre uno spessore leggermente superiore rispetto al piano dell’esoscheletro permettendo una libertà di movimento che risolve una possibile non coassialità tra gli assi di rotazione del cuscinetto e dell'anca. Sempre per consentire l’adattamento della struttura ai dati antropometrici del soggetto, in particolare all’altezza del soggetto, la distanza del treadmill (4) può essere variata mediante aste telescopiche del telaio mobile (2) Il dispositivo di cui al presente trovato consente quindi movimenti del corpo al fine di simulare oscillazioni verticali durante il cammino. Questa caratteristica di funzionamento , contiene due aspetti principali : la traslazione orizzontale del paziente , insieme al telaio (3) e l’applicazione di una forza al fine di evitare il distacco dei piedi dal treadmill (4) nella fase di appoggio quando il telaio mobile (2) è in configurazione orizzontale.

La traslazione orizzontale avviene mediante l'impiego di guide lineari (10) a bassissimo attrito poste tra il telaio (2) ed il telaio ((3) che consentono un movimento relativo con escursione massima di 30 cm, valore questo compatibile con le oscillazioni naturali durante il cammino che hanno una ampiezza di circa 5/10 cm.

L'erogazione della forza di mantenimento del contatto con il treadmill (4) avviene attraverso un sistema pneumatico (7) corredato di una valvola di regolazione per modulare l’intensità della forza di richiamo. La presenza del sistema pneumatico nasce da una esigenza di carattere pratico, quella di mantenere i piedi del soggetto sempre a contatto con la superficie del treadmill (4). Essendo la traslazione orizzontale a bassissimo attrito, una volta giunti nella fase del cammino in cui la gamba si trova allineata con il tronco (questa condizione corrisponde alla massima distanza dell'articolazione coxo-femorale dalla superficie di contatto), il riavvicinamento necessario per mantenere il piede in contatto per concludere il passo (nella fase di appoggio) non sarebbe possibile se non in presenza di forze di richiamo orizzontali. Il sistema pneumatico, indispensabile nella configurazione orizzontale, è concepito in modo tale da potere essere escluso, lasciando quindi libera la traslazione tra i telai mobili (2 e 3) , soprattutto quando il piano di quest’ultimo viene inclinato, caso questo in cui l'inclinazione di per se genera una forza proporzionale alla gravità sufficiente per garantire il contatto con il treadmill (4)

Lo scopo è quello di simulare il carico gravitazionale agente sulle gambe da un valore prossimo allo zero quando il dispositivo è in configurazione orizzontate, ad un valore massimo di circa 0.4 g quando è nella sua massima inclinazione dall’orizzonte (vedi Fig. 5).

F = mg · sin(α)

Il dispositivo nella configurazione orizzontale permette di ottenere una condizione di carico gravitazionale limite prossima allo zero, tramite la presenza dell’esoscheletro (6) che sorregge i segmenti di entrambe le gambe. Questa condizione permette di simulare l’assenza di gravità sia nella fase di appoggio che nella fase di pendolamento. La posizione delle gambe avviene nel totale rispetto della loro biomeccanica attraverso l'adozione di tratti femorali telescopici dell’esoscheletro (6) che permette una regolazione fine per adattarsi al meglio alle caratteristiche antropometriche del soggetto e attraverso l'impiego di cuscinetti volventi radiali che garantiscono giunti a bassissimo attrito.

Queste caratteristiche fanno del dispositivo di cui al presente trovato un vantaggioso dispositivo per la riabilitazione neurologica di pazienti nelle primissime fasi di terapia, fasi in cui ancora non possono essere portati in posizione verticale.

L'inclinazione dei telaio mobile (2) solidale con il treadmill (4) permette di realizzare carichi variabili gravanti sul piede e quindi gravità modificata con un angolo che va da 0 circa 25°. L'inclinazione graduale permette in fasi successive della riabilitazione di sottoporre gradualmente il paziente a carichi via via crescenti. Nella posizione inclinata il soggetto non può scivolare verso il basso e questo perché la maggior parte del suo corpo è appoggiata sul supporto imbottito (12) che offre l'aderenza necessaria. L'ancoraggio del telaio mobile (2) nella posizione inclinata è realizzato tramite degli appositi dispositivi posizionati sul telaio verticale (13).

Claims (11)

1. Rivendicazioni 1. Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata caratterizzato dall'essere costituito da: è costituito da : - un telaio fìsso orizzontale (1); - un treadmill (4); - un telaio ad inclinazione variabile (2) solidale con il treadmill (4) ed inclinabile rispetto al telaio fìsso (1); - un telaio mobile (3) con supporto imbottito (12) che trasla per mezzo di guide lineari (10) rispetto al telaio ad inclinazione variabile (2); - una struttura, centrale smontabile (5) per l'inserimento del soggetto , ancorata ai telaio mobile (3), regolabile in altezza a seconda delle dimensioni del bacino del soggetto a cui è vincolato l’esoscheletro superiore, - un esoscheletro (6) composto da profilati in lega di alluminio per entrambe le gambe con tratto femorale telescopico al fine di adattarsi alla lunghezza delle gambe; i due tratti femorale e tibiale sono vincolati per mezzo di cuscinetti volventi radiali (11), un cilindro pneumatico (7) tra i telai (3) e (2), - supporti anatomici (8) , - un cuscino (9) per permettere al soggetto di appoggiare la testa, guide (10) a bassissimo attrito per la traslazione tra i due telai (3 e 2), - un supporto imbottito (12), - un telaio verticale (13) per il bloccaggio del telaio (2) in posizione inclinata.
2. 2. Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il sistema esoscheletro (6) è realizzato in lega di alluminio e che i profilai sono vincolati tra di loro per mezzo di cuscinetti volventi radiali che permettono un movimento fluido con minimo attrito degli arti inferiori del paziente.
3. 3. Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata secondo le rivendicazioni 1,2 caratterizzato dal fatto che il movimento degli arti del paziente avviene con contatto con il treadmill (4)
4. 4. Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata secondo le rivendicazioni 1,2 -caratterizzato dal fatto che il movimento degli arti del paziente avviene senza contatto con il treadmìll (4)
5. 5. Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il supporto (12 ) ha uno spessore leggermente superiore rispetto al piano dell’esoscheletro (6) così da consentire una libertà di movimento che risolve la possibile non coassialità tra gli assi di rotazione del cuscinetto e l'anca del paziente .
6. 6. Dispositivo per la locomozione e ia riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il treadmill (4) è collegato al telaio mobile (2) per mezzo di aste telescopiche che permettono la variazione della distanza rispetto al telaio (2).
7. 7. Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di consentire la traslazione orizzontale del paziente e l'applicazione di una forza al fine di evitare il distacco dei piedi dal treadmill (4) nella fase di appoggio quando il telaio mobile (2) è in configurazione orizzontale.
8. 8. Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che per mezzo delle guide lineari (10) a bassissimo attrito poste tra il telaio (2) ed il telaio (3) viene consentito un movimento relativo con escursione massima di 30 cm
9. 9. Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto il cilindro pneumatico (7) è corredato di una valvola di regolazione al fine di modulare la forza di richiamo e mantenere il contatto tra il treadmill (4) ed i piedi dei paziente.
10. 10. Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili di microgravità simulata secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto il cilindro pneumatico (7) è escluso e la traslazione dei telaio mobili (2 ) e (3) è libera
11. 11. Dispositivo per la locomozione e la riabilitazione in condizioni variabili dì microgravità simulata secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che l'inclinazione del telaio mobile (2) va da 0° a 25°