Diapositiva 1 - Scuola Superiore Sant`Anna

27/10/2010
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica
Indirizzo di Tecnologie Biomediche
Insegnamento di Bioingegneria della Riabilitazione
Anno Accademico 2010/2011
Introduzione alla Bioingegneria
della Riabilitazione
Cecilia Laschi
[email protected]
Sommario della lezione
• Definizioni, obiettivi e ambiti della Bioingegneria
della Riabilitazione
• Classificazioni ICIDH, ICIDH-2 e ICF
• Dati epidemiologici
• Schema tipico del processo riabilitativo e ruolo
dell’ingegneria:
–
–
–
–
La valutazione funzionale delle prestazioni motorie
Tecnologie per il recupero funzionale
Tecnologie per la sostituzione funzionale
Gli ausili tecnologici per il disabile e l’anziano
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L’ingegneria biomedica
o bioingegneria
Applicazione di metodi e tecniche
quantitativi, propri dell’ingegneria, nella
comprensione, determinazione e
risoluzione di problematiche di carattere
medico-fisico
Biondi E. Introduzione all’Ingegneria Biomedica. Bologna: Patron, 1997.
Biondi E., Cobelli C. (Ed.). Storia della Bioingegneria. Bologna: Patron, 2001.
Definizione di
“Biomedical Engineering”
(N.I.H., U.S.A., 1997)
L’Ingegneria Biomedica integra le scienze fisiche, chimiche,
matematiche e informatiche con i principi dell’ingegneria allo
scopo di studiare la biologia, la medicina, il comportamento e la
salute.
L’Ingegneria Biomedica
 fa avanzare i concetti fondamentali;
 crea conoscenza dal livello molecolare a quello dei sistemi d’organo;
 sviluppa approcci innovativi basati sulla biologia, sui materiali, sui
processi, sugli impianti, sui dispositivi e sull’informatica per la
prevenzione, la diagnosi e il trattamento di malattie, per la riabilitazione
dei pazienti e per il miglioramento della salute.
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Obiettivi dell’Ingegneria Biomedica
 Miglioramento delle conoscenze sul funzionamento dei sistemi
biologici, attraverso:
 modelli matematici
 metodi di elaborazione delle informazioni
 strumentazione
 sviluppo di nuove metodologie diagnostiche, terapeutiche e
riabilitative
 sviluppo di nuovi apparati diagnostici, terapeutici e riabilitativi
 sviluppo di nuovi organi artificiali, nuovi dispositivi di supporto a
funzioni alterate, nuovi ausili e dispositivi protesici per disabili
 individuazione di strutture e servizi per la gestione e l’organizzazione
dell’assistenza sanitaria, soprattutto sotto l’aspetto tecnologico
Biondi E. Introduzione all’Ingegneria Biomedica. Bologna: Patron, 1997.
Biondi E., Cobelli C. (Ed.). Storia della Bioingegneria. Bologna: Patron, 2001.
Figure professionali nell’Ingegneria
Biomedica
 Ingegnere progettista
 Ha il compito di progettare nuovi dispositivi,
protesi o strumenti di analisi
 Ingegnere clinico
 Ha il compito di gestire dispositivi, strumenti, e
sistemi in ambito ospedaliero
 Ricercatore
 Ha il compito di studiare e sviluppare nuove
metodologie e tecnologie in ambito medicobiologico
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Bioingegneria della Riabilitazione:
alcune definizioni
• Rehabilitation is the (re)integration of an individual with a disability
into society (Robinson, 1993)
=> Riabilitazione
• Rehabilitation Engineering is the application of science and
technology to ameliorate the handicaps of individuals with disabilities
(Reswick, 1982)
=> Bioingegneria della Riabilitazione
• Rehabilitation Technology (or Assistive Technology) is the selection,
design, or manufacture of augmentative or assistive devices that are
appropriate for the individual with a disability
=> Ausili
C.J. Robinson, 1993. “Rehabilitation Engineering – an editorial”, IEEE Transactions on
Rehabilitation Engineering, Vol.1, pp.1-2.
J. Reswick, 1982. “What is a rehabilitation engineer?”, in Annual Review of
Rehabilitation, Vol.2, E.L. Pan, T.E. Backer, C.L. Vash (Eds.), Springer-Verlag, New York.
Ambiti di applicazione della
Bioingegneria della Riabilitazione
• Activities of Daily Living (ADL): attività della vita quotidiana
come mangiare, lavarsi, pettinarsi, leggere, ecc.
• Mobilità: sia personale (in casa, in ufficio, a scuola) che
pubblica (trasporti urbani, accessibilità degli edifici)
• Capacità sensoriali: limitazioni della vista e dell’udito
• Comunicazione: disordini nella produzione o nella
comprensione del linguaggio
C.J. Robinson, “Rehabilitation Engineering, Science, and Technology”, in Biomedical
Engineering Fundamentals, J.D. Bronzino (Ed.), Taylor & Francis, 2006.
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Obiettivi della Bioingegneria della
Riabilitazione
• Metodi e tecniche per la modellazione dei sistemi
fisiologici preposti alla coordinazione sensomotoria
• Metodi e strumenti per la valutazione delle
prestazioni motorie e funzionali
• Tecnologie (e relativi protocolli clinici) per il
supporto alla terapia riabilitativa motoria
• Ausili tecnologici per il supporto alla vita
indipendente del disabile e dell’anziano
• Reti di servizi integrati per l’assistenza sociosanitaria al cittadino
Sbocchi professionali del bioingegnere
della riabilitazione
 Ingegnere progettista
 Ha il compito di progettare nuovi dispositivi, protesi o
strumenti di analisi
 Aziende produttrici/distributrici di ausili per disabili ed
anziani, di attrezzature per la terapia riabilitativa, di
protesi, di sistemi per l’analisi del movimento
 Ingegnere clinico
 Ha il compito di gestire dispositivi, strumenti, e sistemi
in ambito ospedaliero
 Unità di riabilitazione / Centri Ausili presso ASL,
aziende ospedaliere, strutture cliniche private
 Ricercatore
 Ha il compito di studiare e sviluppare nuove
metodologie e tecnologie in ambito medico-biologico
 Centri di ricerca di università o di aziende
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Evoluzione delle classificazioni
internazionali dell’Organizzazione Mondiale
della Sanità (OMS, WHO in inglese)
ICIDH
CLASSIFICAZIONE INTERNAZIONALE DELLE
MENOMAZIONI, DELLE DISABILITA’ E DEGLI
HANDICAP
Impairment  Menomazione
Disability  Disabilità
Handicap  Handicap
1980
ICIDH-2
CLASSIFICAZIONI DELLE MENOMAZIONI,
DELLE ATTIVITA’ PERSONALI E DELLA
PARTECIPAZIONE SOCIALE
1997
Obiettivi: uniformare il linguaggio ai
fini della pratica diagnostica, le
indagini epidemiologiche,
l’assessment clinico e l’impostazione
di programmi riabilitativi
ICF
CLASSSIFICAZIONE INTERNAZIONALE DEL
FUNZIONAMENTO, DELLA DISABILITA’ E
DELLA SALUTE
2001
ICIDH, OMS, 1980
(International Classification of Impairments, Disability and
Handicap)
Nell’individuo avviene
qualcosa di anomalo
Cambiamenti patologici manifestazioni
(sintomi e segni)
CONDIZIONE DI SALUTE
Qualcuno prende coscienza di tale
insorgenza , i segni sono “esteriorizzati”
La malattia clinica è visibile
MENOMAZIONI
Livello fisiologico
La conduzione delle attività da parte
dell’individuo può essere alterata
limitazione dell’attività (“oggettivata”)
Comportamento derivante da malattia/
fenomeni di malessere
DISABILITA’
Livello personale
L’individuo viene posto in una situazione di
svantaggio rispetto agli altri
risposta della società all’esperienza
dell’individuo (cioè restrizione della
partecipazione)
HANDICAP
Livello comunitario
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I fenomeni di compromissione
descritti nell’ICIDH 1980
Situazione
intrinseca
esteriorizzata
oggettivizzata
socializzata
MENOMAZIONE
• Definizione:
Perdita o anormalità a carico di una funzione psicologica,
fisiologica o anatomica
• Classificazione:
1. Menomazioni della capacità intellettiva
2. Altre menomazioni psicologiche
3. Menomazioni del linguaggio e della parola
4. Menomazioni auricolari
5. Menomazioni oculari
6. Menomazioni viscerali
7. Menomazioni scheletriche
8. Menomazioni deturpanti
9. Menomazioni generalizzate, sensoriali e di altro tipo
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Caratteristiche della menomazione
• La menomazione è caratterizzata da perdite materiali
o anormalità che possono essere transitorie o
permanenti e comprende l’esistenza o l’evenienza di
anomalie, difetti o perdite a carico di arti, tessuti o
altre strutture del corpo, incluso il sistema delle
funzioni mentali.
• La menomazione rappresenta l’esteriorizzazione di
uno stato patologico e in linea di principio essa
riflette i disturbi manifestati a livello d’organo.
DISABILITA’
• Definizione:
limitazione o perdita (conseguente a
menomazione) della capacità di compiere
un’attività nel modo o nell’ampiezza
considerati normali per un essere umano
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DISABILITA’
Classificazione:
1. Disabilità nel comportamento
2. Disabilità nella comunicazione
3. Disabilità nella cura della propria persona
4. Disabilità locomotorie
5. Disabilità dovute all’assetto corporeo
6. Disabilità nella destrezza
7. Disabilità circostanziali
8. Disabilità in particolari attività
9. Altre restrizioni all’attività
Caratteristiche della disabilità
• Concerne capacità funzionali che fanno riferimento ad aspetti
essenziali della vita di ogni giorno
• Le disabilità sono specifiche, non sono generiche; una persona
può essere disabile in qualcosa
• Deve essere evidenziata l’analisi dei comportamenti che le
persone manifestano durante lo svolgimento di attività
quotidiane, meglio se nel proprio contesto
• La disabilità rappresenta l’oggettivazione della menomazione e
come tale riflette disturbi a livello di persona.
• Dall’accertamento delle disabilità si possono avere le indicazioni
per il piano riabilitativo ed educativo
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HANDICAP
• Definizione:
condizione di svantaggio conseguente a una
menomazione o a una disabilità che in un certo
soggetto limita o impedisce l’adempimento del
ruolo normale per tale soggetto in relazione
all’età, al sesso e ai fattori socio-culturali
HANDICAP
Classificazione:
1. Handicap nell’orientamento
2. Handicap nell’indipendenza fisica
3. Handicap nella mobilità
4. Handicap occupazionali
5. Handicap nell’integrazione sociale
6. Handicap nell’autosufficienza economica
7. Altri handicap
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HANDICAP
• L’handicap è la conseguenza del deficit e non il deficit
stesso
• concerne persone con menomazioni e disabilità
pertanto non si può attribuire a:
–
–
–
–
difficoltà di apprendimento
svantaggio socio-culturale
difficoltà relazionali/ridotta motivazione
disadattamento
• Gli handicap si riferiscono alle “funzioni della
sopravvivenza” legate a menomazioni e disabilità
Caratteristiche dell’handicap
• L’handicap rappresenta la socializzazione di una
menomazione o di una disabilità e come tale riflette
le conseguenze – culturali, sociali, economiche e
ambientali – che per l’individuo derivano dalla
presenza della menomazione e della disabilità.
• Lo svantaggio proviene dalla diminuzione o dalla
perdita della capacità di conformarsi alle aspettative
o alle norme proprie all’universo che circonda
l’individuo.
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Struttura dell’ICIDH-2 (OMS, 1997):
classificazione a 3 dimensioni
1.
Menomazioni
Alterazioni funzionali e strutturali dell’organismo, perdite o anormalità riguardanti:
– La struttura del corpo
– Funzioni fisiologiche
– Funzioni psicologiche
2.
Attività personali (ex disabilità)
qualsiasi cosa una persona faccia, a qualsiasi livello di complessità, che può subire
limitazioni di:
– Natura
– Durata
– Qualità
3.
Partecipazione sociale (ex handicap)
L’interazione tra le menomazioni, le attività e i fattori contestuali, in tutte le aree e gli
aspetti della vita umana che può subire restrizione a livello della:
– Natura
– Durata
– Qualità
Differenze con l’ICIDH 1980
• Le dimensioni sono state denominate con termini neutri
• Ogni dimensione viene considerata per gli aspetti negativi
e positivi
• Le menomazioni sono state suddivise in:
– Funzionali
– Strutturali
• Le disabilità sono state sostituite con attività personali
• L’handicap è stato riformulato come partecipazione sociale
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ICF (OMS, 2001)
International Classification of Functioning,
Disability and Health
(Classificazione Internazionale di Funzioni, Disabilità e Salute)
• Lo scopo generale della classificazione ICF è quello di fornire
un linguaggio standard e unificato che serva da modello di
riferimento per la descrizione della salute e degli stati ad essa
correlati
• I domini contenuti nell’ICF possono essere visti come domini
della salute e domini ad essa correlati. Questi due domini
sono descritti dal punto di vista corporeo, individuale e sociale
in due elenchi principali:
– Funzioni e strutture corporee
– Attività e partecipazione
Definizioni ICIDH-2/ICF
• Funzioni corporee: funzioni fisiologiche o psicologiche dei sistemi corporei
• Strutture corporee: parti anatomiche del corpo, come gli organi, gli arti e i loro
componenti
• Menomazioni: problemi nelle funzioni o nelle strutture del corpo, intesi come
una deviazione o una perdita funzionale significativa
• Attività: esecuzione di un compito o di un’azione da parte di un individuo
• Limitazioni dell’attività: difficoltà che un individuo può incontrare nello
svolgimento delle attività (sostituisce Disabilità)
• Partecipazione: coinvolgimento di un individuo nelle situazioni di vita in relazione
alle condizioni di salute (funzioni e strutture corporee), alle attività e ai fattori di
contesto (sostituisce Handicap)
• Restrizioni della partecipazione: problemi che un individuo può avere nel
coinvolgimento nelle situazioni della vita (sociale e lavorativa)
Fonte:
ICIDH-2 Classificazione Internazionale Menomazioni-Disabilità-Handicap
dell’Organizzazione Mondiale della Sanità (WHO) (http://www.who.int/icidh)
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ICF (OMS, 2001)
(International Classification of Functioning, Disability
and Health)
• L’ICF non è più una classificazione delle
“conseguenze delle malattie” (versione del
1980), ma è diventata invece una
classificazione delle “componenti della salute”.
• Le “componenti della salute” identificano gli
elementi costitutivi della salute, mentre le
conseguenze si focalizzano sull’impatto delle
malattie.
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Fattori ambientali
1) Livello individuale: l’ambiente personale dell’individuo, inclusi –
ma non solo – la casa, il luogo di lavoro e la scuola. Questo livello
include le caratteristiche fisiche e materiali dell’ambiente in cui
l’individuo si trova e in cui ha un contratto diretto con altre
persone, quali i familiari, i conoscenti, i compagni e gli estranei.
2) Livello sociale: le strutture sociali formali e informali, i servizi e le
principali interazioni nella comunità o nella società che hanno un
impatto sugli individui. Questo livello include organizzazioni e
servizi correlati all’ambiente di lavoro, attività della comunità,
servizi statali, servizi di comunicazione e trasporto, reti sociali
informali e leggi, regolamenti, regole formali e informali,
atteggiamenti e ideologie.
Fattori personali
Rappresentano quelle caratteristiche dell’individuo che
non fanno parte della condizione di salute o degli stati
di salute.
Comprendono il sesso, la razza, l’età, altre condizioni di
salute, la forma fisica, lo stile di vita, le abitudini,
l’educazione ricevuta, la capacità di adattamento, il
background sociale, l’istruzione, la professione e
l’esperienza passata e attuale (eventi della vita passata
e eventi contemporanei), modelli di comportamento
generali e stili caratteriali, che possono giocare un certo
ruolo nella disabilità a qualsiasi livello.
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Struttura
dell’ICF
Classificazione
delle
menomazioni
dell’ICIDH e
funzioni e
strutture
corporee dell’ICF
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Classificazione
di disabilità e
handicap e di
attività e
partecipazione
Il sistema di classificazione dell’ICF
Prefisso:
• “b”: funzioni corporee
• “s”: strutture corporee
• “d”: attività e partecipazione
• “e”: fattori ambientali
Codice numerico:
• Primo numero: numero del capitolo
• Numeri successivi: livelli successivi
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Qualificatore generico
Usa la stessa scala per tutte le componenti e può indicare una
menomazione, una limitazione, una restrizione o una barriera
Le percentuali indicano il margine di errore ammesso
Qualificatori per ciascuna componente
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Dati epidemiologici riferiti all’Italia
(ISTAT 2004-05)
Persone con disabilità:
2.600.000, pari al 4,8% circa della popolazione di 6 anni e
più che vive in famiglia
+190.134 persone residenti nei presidi socio-sanitari
= circa 2.800.000
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Contesto familiare e aiuti informali
• 31,9% delle persone con disabilità:
– vive da sola
– gran parte sono donne anziane vedove
• Età media delle persone con disabilità che vivono
sole:
– 78,2 anni per gli uomini
– 81,3 anni per le donne
• Età media delle persone con disabilità nel resto della
popolazione:
– 50,8 anni per gli uomini
– 63,2 anni per le donne
Contesto familiare e aiuti informali
• La famiglia rappresenta uno dei punti di
riferimento essenziali per le persone con
disabilità:
– 68,2% degli aiuti da parenti più o meno stretti
• Aiuti
– in faccende domestiche: 32,1%
– nell'assistenza ad adulti e bambini: 28,2%
– di carattere economico: 4,4%
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Istruzione ed integrazione scolastica
• 20,9% delle persone con disabilità non
possiede nessun titolo di studio (4,3% nel
resto della popolazione)
– 25,1% donne
– 12,6% uomini
• Nella fascia di età 15-44, 16,0% nessuno titolo
di studio (1,8% nel resto della popolazione)
Istruzione ed integrazione scolastica
(dati MIUR, A.A. 2005-06 )
• 178.220 studenti con disabilità iscritti nella scuola
statale e non statale, di ogni ordine o grado, pari al
2,0% di tutti gli studenti
• 10.126 studenti con disabilità iscritti all’Università
statale (incremento del 52% rispetto al 2001)
– 28,4% con problemi di tipo motorio
– 3,2% con disturbi mentali
– maggior numero nella facoltà di Lettere e filosofia: 18,7%
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Lavoro e occupazione
• Occupate meno del 18% delle persone con disabilità in età lavorativa
(poco più del 54% delle persone non disabili)
• inabili al lavoro: 21,8% sul totale delle persone con disabilità
• nella fascia 15-44 anni, 18,4% occupati
– 22,3% maschi
– 13,9% femmine
– 50,9% inabili al lavoro
• nella fascia 45-64 anni, 17,0% occupati
– 24,6% maschi
– 10,4% femmine
– 39,0% inabili al lavoro
Condizioni di salute
• 55,7% percepisce di stare male/molto male,
• 9,3% si sente bene o molto bene
(nel resto della popolazione 3,7% e 66,8%)
Sotto il profilo epidemiologico la disabilità è fortemente associata a
forme patologiche di tipo cronico-degenerativo:
• 59,4% malattie croniche gravi
• 60,8% multicronici
• (nel resto della popolazione 11,6% e 11,8%)
• età 45-64: 43,8%
• età 65-74: 64,2% malattie croniche
(nel resto della popolazione 14,4% e 32,4%)
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Partecipazione sociale
Molto soddisfatte delle loro relazioni familiari:
• 29,5% persone con disabilità
• 34,2% persone senza disabilità
Molto soddisfatte delle loro relazioni amicali:
• 13,3% persone con disabilità
• 24,5% persone senza disabilità
Molto soddisfatte della fruizione del tempo libero:
• 11,0% persone con disabilità
• 14,1% persone senza disabilità
Partecipazione sociale
Attività svolte nel tempo libero:
• 19,4% delle persone con disabilità sotto i 44 anni è andato al cinema, teatro o a
vedere qualche spettacolo nei 12 mesi che precedono l’intervista (33,2% per le
persone senza disabilità)
• 23,8% legge libri rispetto al 45,2% delle persone senza disabilità
• 43,0% delle persone con disabilità tra i 18 e i 44 anni ascoltano la radio quasi ogni
giorno (66,4% per le persone senza disabilità).
• 92,1% guardano, quasi tutti i giorni, la televisione (94,5% per le persone senza
disabilità)
• La percentuale di persone che seguono la politica italiana è del 43,4% rispetto al
65,8% delle persone senza disabilità
• Uso dei mezzi di trasporto locali: 20,3% (24,4% senza disabilità)
• Uso del treno: 13,7% (31,2% senza disabilità)
• Uso dell’automobile come conducente: 28,7% (73,5% senza disabilità)
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Schema tipico del processo riabilitativo
Valutazione
funzionale
Intervento
riabilitativo
• Continuo
Terapia
riabilitativa
Valutazione
limitazioni
nelle attività
• Iterativo
Ausili
• Integrato
Formazione
professionale
Reinserimento
sociale e
professionale
Attività e Partecipazione
Andamento del recupero di attività e partecipazione
nel processo riabilitativo
Soglia del
reinserimento sociale e
professionale
Soglia dell’autonomia
personale
Grado di successo
della terapia
Ausili Formazione
Evento
traumatico/
patologico
Eventuale
modifica della
strategia di
intervento
Tempo
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Schema tipico del processo riabilitativo
Valutazione
funzionale
Intervento
riabilitativo
Terapia
riabilitativa
Valutazione
limitazioni
nelle attività
Come può contribuire
l’ingegneria?
Con quali benefici?
Ausili
Formazione
professionale
Reinserimento
sociale e
professionale
Quali sono le
problematiche
tecniche poste da
questo settore?
Obiettivi dell’applicazione
dell’ingegneria in Riabilitazione
 migliorare la qualità della prestazione riabilitativa
in tutte le sue componenti, in termini di:
 Accuratezza
 Predicibilità dei risultati
 migliorare la qualità della vita di disabili ed
anziani, principalmente attraverso l’incremento
dell’autonomia personale
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Schema tipico del processo riabilitativo
Valutazione
funzionale
Intervento
riabilitativo
Terapia
riabilitativa
Valutazione
limitazioni
nelle attività
Come può contribuire
l’ingegneria?
Con quali benefici?
Ausili
Formazione
professionale
Reinserimento
sociale e
professionale
Quali sono le
problematiche
tecniche poste da
questo settore?
Intervento riabilitativo
Recupero Funzionale:
•Ortesi
•FES
•Sistemi ibridi FES+ortesi
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Ortesi
 Dispositivo che aumenta
(non sostituisce) una
funzione del sistema
scheletro-motorio,
controllando il
movimento
Reciprocating Gait Orthosis
FES – Functional Electrical Stimulation
(Stimolazione Elettrica Funzionale)
• Stimolazione dei muscoli per
ottenere contrazioni attraverso
impulsi elettrici
Tipi di elettrodi:
A. Applicati sulla superficie della pelle:
Transcutanei
B. Impiantati sotto la superficie della
pelle:
1. Subcutanei
2. Percutanei
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Un esempio di sistema FES:
FES per il ‘piede cadente’ (foot drop)
The external Controller (A) is positioned over the site of the
Implant Receiver (D) using the Leg Strap (B). The Footswitch (C) is
placed under the heel of the foot inside the shoe and plugged into
the Controller.
While the Controller is switched on:
1. When the heel leaves the floor, the Footswitch triggers the
Controller to transmit power and control signals, through the
skin, to the Implant Receiver.
2. The Implant Receiver converts the received power and control
signals into electrical signals which are then sent along the
Cooper Cables (E) to the Electrodes (F).
3. These signals stimulate the two branches of the common
peroneal nerve causing the combination of muscles to contract
appropriately, thus lifting and rotating the foot to the correct
position for walking.
The Controller stops the stimulation when the Footswitch senses
that the heel has struck the ground again.
Walk-Aide, by
Un esempio di sistema FES:
FES per la deambulazione
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Un esempio di sistema ibrido ortesi +
FES per l’arto superiore
NESS H200™ System
The NESS H200 Hand
Rehabilitation System from
Bioness, is a non-invasive,
advanced neuroprosthesis
indicated for the treatment of
upper limb paralysis from
hemiplegic stroke, traumatic
brain injury or C5-C6 spinal cord
injury. The system contains a
custom-fit orthosis that uses
Functional Electrical Stimulation
(FES) to sequentially activate
muscle groups in the forearm to
produce functional movement
patterns in the hand.
Clinical evidence suggests an
increase in functionality
In clinical studies, the NESS H200
has been shown to improve
selected hand function in patients
with C5-C6 SCI and improve hand
and upper limb function
associated with chronic poststroke paresis, as well as selected
functional outcomes in stroke
patients including ADL grasp,
hold, and release tasks.
Intervento riabilitativo
Sostituzione Funzionale:
• Protesi di arto superiore
• Protesi di arto inferiore
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Protesi
 Dispositivo interno (endoprotesi) o esterno che
sostituisce parti o funzioni perdute del sistema
neuro-scheletro-motorio
 Protesi di arto superiore: spalla, braccio e mano
 Protesi di arto inferiore
Amputazioni
Si classificano in base al livello a
cui avvengono:
• Trasversali:
all’altezza di un osso. Es:
–
–
–
–
transfemorali
transtibiali
transomerali
transradiali
• Disarticolazioni:
all’altezza di un’articolazione.
Es:
– disarticolazione del gomito
– disarticolazione dell’anca
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Classificazione delle protesi
 Protesi estetiche (o cosmetiche)
 di tipo tradizionale
 di tipo modulare (scheletriche)
 Protesi funzionali (cinematiche) ad energia corporea
(con comando a trazione)
 Protesi funzionali ad energia extracorporea
(mioelettriche)
Classificazione delle protesi
 Protesi estetiche (o cosmetiche)
 protesi passive il cui unico scopo è la ricreazione dell’aspetto
esteriore
 Protesi funzionali (cinematiche) ad energia corporea (con
comando a trazione)
 protesi azionate da una fonte di energia corporea indiretta, le cui
funzioni vengono attivate da un bendaggio a trazione comandato
dalla spalla e dal moncone
 Protesi funzionali ad energia extracorporea (mioelettriche)
 protesi azionare da energia extracorporea, alimentate per mezzo di
un accumulatore. Per il comando delle protesi mioelettriche ci si
avvale di potenziali mioelettrici rilevati sull’epidermide, provocati
dalla contrazione muscolare
Nel caso in cui vengano combinati forza corporea ed
extracorporea, come nel caso di una mano azionata
mioelettricamente e di un gomito con comando a trazione, si
parla di protesi ibrida
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Componenti principali di una protesi
d’arto inferiore
INVASO
Schema di protesi d’arto superiore
mioelettrica
34
27/10/2010
Implantable system for neural
stimulation and recording
Bionic Prosthetic Hand
Bio-inspired mechatronic
hand prosthesis with
embedded biomimetic
sensors
Neural electrodes
Telemetric link (transceiver)
for both efferent and
afferent signals
Unit for decoding patient's
intentions, for delivering the
cognitive feedback to the patient
and for prosthesis control
www.cyberhand.org
Bionic Prosthetic Hand
Biomechatronic hand
SmartHand Prototype
(2009) .
Interfaces
Short-term implant of 4 tfLIFEs (from
IBMT) in one amputee for direct
neural control hand prostheses
Nov. 2008 @ UCBM, Rome
16 DoF
4 Motors
40 Sensors
Non-invsasively interfaced
tfLIFE insertion
2009 Clinical ev. (8 patients):
-Lund University, Sweden;
-Johns Hopkins University, USA;
2010 Clinical evaluation:
-Belgrade University, Serbia;
-Aalborg University, Denmark;
Smarthand
FP6-NMP-2006-33423
Cyberhand
IST-FET 2001-35094
Neurobotics FP6-IST-001917
35
27/10/2010
Intervento Riabilitativo
(Recupero Funzionale o Sostituzione Funzionale)
Contributo dell’ingegneria:
• Modelli degli arti e del controllo motorio
• Tecnologie (robotiche) e dispositivi per il recupero o la sostituzione
funzionale
• Tecnologie per la realizzazione di elettrodi
Benefici attesi:
•
•
•
•
Maggiore funzionalità
Sistemi di controllo sensorizzato “closed-loop”
Miglior feed-back all’utente
Controllo neurale
Sfide:
•
•
•
•
•
Progettazione meccatronica che tenga conto anche degli aspetti cosmetici
Sviluppo di microcomponenti (sensori ed attuatori)
Integrazione del controllo umano nel loop di controllo
Accettabilità vs. funzionalità
Tele-monitoraggio e tele-manutenzione
Schema tipico del processo riabilitativo
Valutazione
funzionale
Intervento
riabilitativo
Terapia
riabilitativa
Valutazione
limitazioni
nelle attività
Come può contribuire
l’ingegneria?
Con quali benefici?
Ausili
Formazione
professionale
Reinserimento
sociale e
professionale
Quali sono le
problematiche
tecniche poste da
questo settore?
36
27/10/2010
Caratteristiche fondamentali del processo di
terapia riabilitativa
 I pazienti manifestano un recupero spontaneo solo in casi molto
rari: nella maggior parte dei casi il recupero deve essere favorito
mediante la somministrazione di una terapia motoria specifica
(eventualmente coadiuvata da supporti farmacologici)
 Attualmente, la riabilitazione motoria è una attività lavorativa
molto intensiva ed è basata su una interazione uno-ad-uno con il
terapista per molte ore al giorno
 Esiste un forte bisogno di valutare in modo oggettivo il progresso
della terapia, di definire nuovi protocolli e strumenti per la
riabilitazione che consentano di dosare la terapia al fine di
indirizzare il processo verso il miglior esito possibile
 Il paziente è obbligato a recarsi presso il centro di riabilitazione per
alcuni mesi, a volte oltre un anno
Tecnologie per il supporto alla terapia
riabilitativa
 Dispositivi robotici
(esoscheletri, manipolatori
ed altri strumenti
meccatronici) per:
 Movimenti passivi, esercizi
motori supervisionati o
master-slave
 Misure quantitative
nell’analisi del movimento
37
27/10/2010
Macchine riabilitative OPERATIVE
– La traiettoria dell’effettore
della macchina nello
spazio operativo coincide
con quella della mano o
del piede
– Le traiettorie dei singoli
giunti della macchina
NON coincidono con le
traiettorie dei singoli
giunti dell’arto
Macchine riabilitative ESOSCHELETRICHE
• La traiettoria
dell’effettore della
macchina nello spazio
operativo coincide con
quella della mano o del
piede
• Le traiettorie dei singoli
giunti della macchina
approssimano le
traiettorie degli
omologhi giunti
dell’arto
The LOKOMAT system
Upper Limb Exoskeleton
(Kiguchi et al.)
38
27/10/2010
The LOKOMAT
Treadmill training is a new rehabilitation
technique in which the patient is standing on a
treadmill and his body weight is reduced by a
special suspension system. The walking-like leg
movements are generated and/or assisted by
manual handwork of two physiotherapists.
The LOKOMAT is a four degree-of-freedom
(DOF) robotic orthosis developed at the Balgrist
University (Switzerland) to allow the mechanical
control of the movements of the hip and the
knee of the subject.
The actuation is obtained by DC motors and the
angles are measured by potentiometers. The
reference trajectories that are used to control
the motion are physiological hip and knee angle
trajectories.
Il MIT-MANUS
Il MIT-manus è un robot planare a 2 DoF ad elevata backdriveability progettato per essere sicuro, stabile e cedevole
nell’interazione fisica con il paziente
39
27/10/2010
The MIT-MANUS
•
•
•
This system has been developed in the laboratory directed by prof. N. Hogan at MIT
The MANUS is configured for safe, stable and compliant operation in close physical
contact with humans by developing the impedance control which modulates the way the
robot reacts to mechanical perturbation from a patient or clinician and ensures a gentle
compliant behavior
The machine was designed to have a low intrinsic end-point impedance (i.e., be backdriveable), with a low and nearly-isotropic inertia (1 0.33 kg, maximum anisotropy 2:1)
and friction (0.84 0.28 N, maximum anisotropy 2:1), and be capable of producing a
predetermined range of forces (0–45 N) and impedances (0–2N/mm).
Il MIT-MANUS
Caratteristiche principali:




Struttura SCARA (selective
compliance) a 2 DOF planare
2 Motori DC fissi e posizionati
nella base
Tramissione rigida
(quadrilatero articolato) con
connessione direct drive per
aumentare la reversibilità
cinematica
Assenza di accoppiamento tra i
giunti
40
27/10/2010
Il MIT-MANUS
Caratteristiche principali:




Basso attrito complessivo (0.84 N ± 0.28 N)
Bassa inerzia apparente: 1 ± 0.33 kg
Spazio di lavoro planare: 0.2 x 0.2 m
Rapporto fra gli assi dell’ellisse d’inerzia:
2:1 (anisotropia inerziale)
MEMOS
MEchatronic system for
Motor recovery after Stroke
• Robot cartesiano (WS: 66 cm x 44 cm)
• 2 dof (motori DC brushless)
• Forza nominale 40 N;
• velocità massima 400 mm/s
• Il robot è realizzato con un sistema di
guide perpendicolari con carrelli a
ricircolo di sfere
• Trasmissione con cinghie sincrone e
pulegge
41
27/10/2010
MEMOS
• Per il controllo in
velocità si usano
encoder ottici
(risoluzione di 0.15 mm)
• La forza sull’end-effector
è misurata tramite
strain-gauge
Micera, Carrozza, Guglielmelli et al, “A Simple Robotic System for Neurorehabilitation”, Autonomous Robots,
19, 271-284, 2005
MIME
• The MIME system was developed in the framework of
the Stanford Robotic Aid Project in collaboration with
the US VA Spinal Cord Injury Service
• The MIME uses two standard mobile arm supports that
limit the movements to the horizontal plane, and a
6DOF robot arm that applies forces and torques to the
arm of the patient
42
27/10/2010
The potential market of robots for
neurorehabilitation is huge
In the United States:
 Every year 700,000 US citizens are
affected from a stroke (a new disable
every minute)
 4,000,000 US citizens are still living
with a sensory-motor deficit due to a
stroke
 7 years after the stroke, 71% of the
patients has severe problems in
making many activities of daily living
 The annual cost of the problems is 30
millions USD (25% for the loss of
productivity)
Terapia Riabilitativa
Contributo dell’ingegneria:
• Modelli degli arti e del controllo motorio
• Tecnologie (robotiche) e macchine per la terapia
• Misurazioni quantitative del movimento dell’arto del paziente
Benefici attesi:
• Somministrazione della terapia con frequenza maggiore
• Maggiore accuratezza nel controllo della traiettoria degli arti
• Maggiore coinvolgimento del paziente nella terapia
Sfide:
• Identificazione del numero ottimo di DOF che il robot deve
controllare e dell’insieme ottimo di variabili da monitorare per
applicazioni diverse
• Sistemi di controllo dell’interazione con il paziente
• Incremento dell’accettabilità di questi sistemi
• Dimostrazione del rapporto costo/beneficio
43
27/10/2010
Schema tipico del processo riabilitativo
Valutazione
funzionale
Intervento
riabilitativo
Terapia
riabilitativa
Valutazione
limitazioni
nelle attività
Come può contribuire
l’ingegneria?
Con quali benefici?
Ausili
Formazione
professionale
Reinserimento
sociale e
professionale
Quali sono le
problematiche
tecniche poste da
questo settore?
Strumenti e procedure di misura in
bioingegneria della riabilitazione
Misure di:
• Strutture: dimensioni, masse, momenti di inerzia,
circonferenze, forme, rigidezze e altri aspetti del
sistema fisico
• Funzioni: svolgere compiti, muovere arti,
comunicare, ecc.
• Performance: quanto un sistema fisico svolge
‘bene’ la propria funzione, con accezione
multifunzionale (es. forza, ampiezza, velocità,
accuratezza, stabilità, resistenza)
• Comportamento: caratterizzazione di quello che un
sistema fa naturalmente
44
27/10/2010
Strumenti e procedure di misura in bioingegneria
della riabilitazione – organizzazione gerarchica
Scale di valutazione
• Misurazione del danno nelle funzioni o
strutture corporee (ex menomazione*)
• Misurazione della limitazione dell’attività (ex
disabilità*)
• Misurazione della restrizione della
partecipazione (ex handicap*)
• Misurazione della qualità della vita o dello
stato di salute
* ICIDH: International Classification of Impairment, Disability and Handicap
45
27/10/2010
Scale di misurazione del danno
• Le scale di misurazione del danno quantificano
l’effetto della patologia sulle strutture
anatomiche o sui sistemi funzionali
dell’organismo umano.
• Le scale più diffuse sono:
–
–
–
–
–
Motricity Index
EDSS
ASIA
NIH (valuta lo stato neurologico del paziente con ictus)
Ashworth Scale (misura il grado di spasticità di un
gruppo muscolare)
Scale di misurazione della disabilità
• Le scale di misurazione della disabilità valutano le attività di
vita quotidiana (ADL) o le attività strumentali di vita quotidiana
(IADL)
• Gli strumenti ADL misurano le attività personali:
–
–
–
–
Vestirsi
Mangiare
fare il bagno
Cura della persona
• Gli strumenti IADL valutano le capacità del soggetto di:
– adattarsi all’ambiente
– condurre la gestione della casa
– fare la spesa
• Le scale più diffuse sono:
– Barthel Index
– FIM
– PULSES Profile
46
27/10/2010
Scale di misurazione dell’handicap
• Le scale di misurazione dell’handicap valutano
gli aspetti psicologici, sociali ed economici del
soggetto.
• Le scale più diffuse sono:
– Chart Questionnaire
– CIQ
Scale di misurazione della qualità della
vita
• Le scale di misurazione della qualità della vita
valutano l’impatto della malattia dal punto di
vista del paziente e misurano parametri legati
alla percezione che il soggetto ha di sé dal
punto di vista psicologico e fisico
• Le scale più applicate sono:
– SIP
– SF-36
47
27/10/2010
Caratteristiche delle scale di
valutazione
• Affidabilità: grado al quale una misura è libera da errori
(Domholdt E., 1993)
• Ripetibilità: grado al quale una misura è riproducibile
quando è amministrata più volte o da più esaminatori,
appropriatamente e in circostanze simili (Johnston MV,
1992)
– Riproducibilità inter-esaminatori : grado al quale i punteggi
ottenuti da un esaminatore addestrato sono sovrapponibili
a quelli registrati da un altro esaminatore addestrato
– Riproducibilità test-retest: grado di variabilità dei punteggi
in seguito a misurazioni ripetute in uno stato cosiddetto
stabile
Donatella Bonaiuti “Le scale di misura nelle malattie muscolo-scheletriche” Publisher, 2000
Requisiti delle scale di valutazione
Una scala di valutazione ideale
• deve valutare la prestazione complessiva del sistema utenteattività-(ausilio)-contesto e non solo il grado di disabilità della
persona fisica o il carico assistenziale richiesto
• deve valutare i soggetti in modo globale e non solo su alcune
tipologie di attività (cura della persona, vita quotidiana, studio,
divertimento, inserimento lavorativo, ecc.)
• deve misurare contemporaneamente il grado di abilità, di
partecipazione e della qualità della vita
• deve mettere in risalto anche il grado di autonomia percepito
dalla persona, specialmente in riferimento ai bisogni
considerati prioritari e alle preferenze dalla persona. Ciò può
comportare la necessità di un eventuale utilizzo di pesi nella
valutazione.
48
27/10/2010
Analisi del movimento
studio quantitativo del movimento umano
Sistemi di analisi del movimento
Nell’analisi del movimento si misurano tre diversi
tipi di dato:
– Dati cinematici: cioè i movimenti del corpo;
vengono misurati utilizzando i sistemi di MOTION
CAPTURE;
– Dati dinamici: cioè le forze e i momenti
angolari; vengono misurati utilizzando
piattaforme di forza e altri sensori;
– Dati elettromiografici: cioè i segnali elettrici di
attivazione dei muscoli; vengono misurati con
degli elettrodi.
49
27/10/2010
Valutazione Funzionale
Contributo dell’ingegneria:
• Metodi e tecniche di misura quantitative
• Strumenti di misura (sensori e sistemi)
Benefici attesi:
•
•
•
•
Valutazioni quantitative
Maggiore accuratezza
Ripetibilità
Protocolli clinici innovativi, standardizzati e facilmente condivisibili
tra tutti gli attori del processo riabilitativo
Sfide:
• Sistemi per la misura del movimento, delle forze, delle traiettorie
non invasivi
• Analisi dei dati
Schema tipico del processo riabilitativo
Valutazione
funzionale
Intervento
riabilitativo
Terapia
riabilitativa
Valutazione
limitazioni
nelle attività
Come può contribuire
l’ingegneria?
Con quali benefici?
Ausili
Formazione
professionale
Reinserimento
sociale e
professionale
Quali sono le
problematiche
tecniche poste da
questo settore?
50
27/10/2010
Main Motivations for the Development
of Assistive Technology
• Increased need for personal
assistance due to:
– elongation of life
expectations, with
increased prevalence of
debilitating conditions
and diseases
– increased risks of
traumas, in car
accidents and hazardous
sports
– increased survival rates
from traumatic injury
Ausili (Assistive Technology)
Qualsiasi dispositivo, attrezzatura o
prodotto acquisito commercialmente,
modificato o personalizzato, usato per
aumentare o migliorare le capacità
funzionali di individui con disabilità
Public Law 100-407 - Stati Uniti
51
27/10/2010
Ausili per soggetti con limitazione delle
attività motorie
Animali addestrati
Assistente umano
Ausili meccanici e robotici
Sistemi per l’automazione
domestica (Domotica)
Ausili telematici
Il Laboratorio Ausili della
ASL6 di Livorno
Eroga servizi di consulenza per
informazione, identificazione,
adattamento, test e validazione di
ausili tecnologici
Convenzionato con la Scuola
Superiore Sant’Anna
Attivo dal 1996, nasce in sinergia
con l’esperienza del Centro Auxilia
di Livorno (1995-1997)
Via S. Gaetano 7, Livorno
52
27/10/2010
Livorno
Laboratorio per la valutazione e la sperimentazione di
ausili robotici e telematici per l’autonomia del disabile
A.S.L. 6
Livorno
1995
Categorie di Ausili utilizzati
presso il Centro di Livorno

Mobilità

Comunicazione

Ausili sensoriali - Visione

Accesso al Computer

Ausili di base per il controllo
ambientale
53
27/10/2010
Classificazione SSN degli Ausili
(Nomenclatore Tariffario)
• 22 – Ausili per la stabilizzazione,postura e
deambulazione
• 25 – Protesi per laringectomizzati
• 27 – Accessori (per protesi e tutori di arto)
• 30 – Protesi fisiognomiche
• 101 – Ausili per l’incontinenza
• 201 – Ausili per la funzione visiva
• 301 – Ausili per la funzione acustica
• 401 – Ausili per la fonazione/comunicazione
• 501 – Ausili per la funzione motoria
Es. 22.51.137 corrisponde al codice delle
Carrozzine (51)
Elettriche (137)
Nomenclatore Tariffario SSN:
http://intranet.dongnocchi.it/siva/ITA/servizi/guida/siva.htm
Classificazione ISO degli Ausili
Ausili per terapia e l’addestramento
Ortesi e Protesi
Ausili per la cura e la protezione personale
Ausili per la mobilità personale
Ausili per la cura della casa o per altri edifici
Mobilia e adattamenti per la casa o per altri
Ausili per comunicazione, informazione e
segnalazione
• 24 - Ausili per manovrare oggetti o dispositivi
• 27 - Adattamenti dell'ambiente, utensili e macchine
• 30 - Ausili per le attività di tempo libero
•
•
•
•
•
•
•
03
06
09
12
15
18
21
-
Es. 12.21.27
corrisponde al codice delle Carrozzine (21)
Elettriche (27)
Classificazione ISO:
http://intranet.dongnocchi.it/siva/ITA/bancadati/ausili/albero.asp
54
27/10/2010
Esempio di Corrispondenza tra i due
Sistemi di Classificazione (Carrozzine)
E’ importante conoscere questa corrispondenza perchè in Italia solo gli
ausili contenuti nel Nomenclatore Tariffario sono rimborsati dal SSN
Tabella di Corrispondenza SSN-ISO:
http://www.handylex.org/stato/ntp/elenco2.PDF
Una caratterizzazione generale degli ausili
tecnologici
• Ausili per l’assistenza vs. tecnologie
riabilitative/didattiche
• Ausili low tech vs. high tech
• Tecnologie hard vs. soft
• Appliance (elettrodomestico) vs. tool
(strumento/utensile)
• Tecnologie minime vs. massime
• Tecnologie di applicazione generale vs. specifica
• Tecnologie commerciali vs. personalizzate
55
27/10/2010
Ausili per la Manipolazione:
Classificazione
Bassa Tecnologia Alta tecnologia
Compiti Specifici
(Es. nutrizione)
Uso Generale
La piramide degli ausili per l’autonomia personale del
disabile motorio
(Dario et al., 1996)
Dispositivi meccatronici
per compiti specifici
Sistemi per l’automazione della casa (domotica)
Strumenti informatici e servizi telematici (telemedicina)
Grado di disabilità
Ausili
robotici
Costo
Complessità tecnica,
Obiettivo generale: incremento dell’indipendenza personale
Percentuale della popolazione
56
27/10/2010
Principi per l’adozione di ausili
1. Gli obiettivi, i bisogni e i compiti dell’utente devono sempre essere definiti
chiaramente, elencati e incorporati il prima possibile nel processo di intervento
2. Il coinvolgimento di professionisti della riabilitazione con competenze diverse
massimizza la possibilità di successo
3. Le preferenze, le capacità e le limitazioni cognitive e fisiche, le condizioni di vita e
l’atteggiamento verso le tecnologie dell’utente e le loro possibili variazioni nel
tempo devono essere valutate, analizzate e quantificate in maniera completa
4. Attenta e completa considerazione delle tecnologie disponibili per rispondere ai
bisogni dell’utente deve essere svolta per evitare di trascurare soluzioni
potenzialmente utili
5. Le preferenze e le scelte dell’utente devono essere tenute in considerazione nella
scelta dei dispositivi di ausilio
6. L’ausilio deve essere personalizzato e installato nello scenario in cui sarà usato
7. Non solo l’utente deve essere addestrato all’uso dell’ausilio, ma anche i familiari e
gli assistenti
8. Follow-up, riadattamenti e rivalutazioni dei modelli d’uso e dei bisogni dell’utente
sono necessari a intervalli periodici
Convinzioni errate sull’adozione di
ausili:
1. Gli ausili possono risolvere tutti i problemi – sebbene possa essere utile nello
svolgimento di molti compiti, la tecnologia da sola non può risolvere tutti i problemi
connessi con la disabilità
2. Persone con la stessa disabilità hanno bisogno degli stessi ausili – gli ausili devono
essere personalizzati perché pazienti con disabilità molto simili possono avere
bisogni molto diversi
3. Gli ausili sono necessariamente complessi e costosi – ausili a bassa tecnologia
possono talvolta risultare preferibili, per la loro semplicità, facilità d’uso e di
manutenzione, e basso costo
4. Le prescrizioni di ausili sono sempre accurate e ottimali – l’adozione di ausili è
tipicamente inesatta e cambia con il tempo, in accordo allo stato di salute
dell’utente, delle condizioni di vita, delle preferenze
5. Gli ausili vengono sempre usati dai pazienti – secondo dati statistici americani del
1990, circa 1/3 dei dispositivi adottati, non necessari per la sopravvivenza, non
vengono più usati dopo soli 3 mesi
57
27/10/2010
Fattori chiave per la progettazione di
ausili
• Progettazione centrata sui fattori
umani (human-centred design)
• Modularità
• Espandibilità/Scalabilità
• Interoperabilità (interfaccia, scambio
dati, funzioni)
• Valutazione ex-ante ed in itinere della
accettabilità delle soluzioni progettuali
proposte
• Valutazione costo/beneficio estesa
(Cost-of-illness)
Ausili robotici
Gli Ausili Robotici hanno l’obiettivo di
aumentare attività e partecipazione di un
soggetto con limitazioni dell’attività, derivanti in
particolare da menomazioni agli arti superiori,
interponendo un manipolatore robotico tra il
soggetto stesso e l’ambiente esterno. Il robot
diventa un’interfaccia tra il soggetto e
l’ambiente esterno
58
27/10/2010
Profilo tipico dell’utente di un ausilio
robotico
• Profilo fisico: disabilità motoria grave, che
coinvolge la capacità di manipolazione
Es: tetraplegia, emiplegia, spasticità gravi
• Profilo psicologico: capacità di desiderare
l’indipendenza
Es: disabili da trauma o patologia insorta dopo
l’età dello sviluppo
Evolution of
Robotics for
Personal
Assistance
Fixed Workstations
Master-Raid
TOU
Devar/Provar
TIDE-Omni
Wheelchair Mounted
Manipulators and
Intelligent
Wheelchairs
Sprint Immediate
Mobile Robotic
Systems
Modular Distributed Systems
HWRS ERC system
INAIL-RTR
P3
TIDEMOVAID
Helpmate
URMAD Project
CareOBot
59
27/10/2010
Stazioni robotiche fisse
Un manipolatore
robotico
impiegato presso
una stazione di
lavoro fissa
DeVar/ProVar
VA R&D Rehabilitation Center, Palo Alto, CA
Primo prototipo: 1982
Prima valutazione: 1985
Stazioni robotiche fisse
EU TIDE Programme,
“RAID” Pilot Project, EPIRAID Project
Primo prototipo: 1993
Prima valutazione: 1995
Stazione robotica
per soggetti
disabili in
ambiente
lavorativo
(mansioni
amministrative)
60
27/10/2010
Manipolatori su carrozzina
SPRINT-IMMEDIATE
1992-94
Manipolatore Manus a bordo
di una carrozzina elettrica ad
assetto variabile per il
superamento delle barriere
architettoniche (TGR
Explorer) dotato di interfacce
utente integrate per il
controllo braccio-carrozzina
Il manipolatore robotico Manus
• 6 motori (gradi di libertà)
• trasmissione a cinghie reversibile
(braccio cedevole)
• progetto meccatronico con controllore
di basso livello a bordo
• unità di controllo portatile
• interfaccia a joystick e tastierino
• alimentazione a batteria
Exact
Dynamics,
Paesi Bassi,
1991
61
27/10/2010
Sistemi robotici mobili: URMAD
CNR-URMAD
Sistema robotico mobile per
l’assistenza personale
Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa,
1992-1995
TIDE-MOVAID: Sistema robotico per l’assistenza domestica
Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, 1994-1997
62
27/10/2010
Il sistema MOVAID: un’unità robotica mobile in grado di
‘attraccarsi’ a stazioni fisse
Elettrodomestici
Ambiente domestico tipico
Camera
Cucina
Interfacce
dedicate per
elettrodomestici
Ausilio
robotico
Stazione di controllo fissa
Sistema di attracco
MOVAID mobile unit
Head:
auto-localisation
+ vision system
Arm + Hand
Tray
Mobile base
+ low level controls
Docking
system
63
27/10/2010
Il sistema di ‘attracco’ (docking) di
MOVAID
Ruolo del bioingegnere nella
progettazione di ausili
Ruolo tradizionale
Bioingegnere
Medici/personale sanitario
Nuovo ruolo
Bioingegnere
Pratica
clinica
Dispositivo
biomedico
Prodotto/
servizio
sanitario
Paziente
(utente
finale)
Pazienti
Specifiche di progetto: disegno
industriale, ergonomia,
psicologia
Prodotto /
servizio
sanitario
Paziente
(utente
finale)
Pazienti
64
27/10/2010
Il modello HAAT: Persona-Attività-Ausili Tecnologici
(Human-Activity-Assistive-Technology)
ATTIVITA’
AUSILI
TECNOLOGICI
Tecnologia
Persona
Attività
Contesto
PERSONA
CONTESTO
L’approccio orientato all’utente
adottato in MOVAID
Analisi dei
bisogni utente
Definizione
dell’utente
FASE 1
Funzionale
Requisiti utente
Psicologica
Specifiche
funzionali
Simulazione
Prodotto
Ingegnerizzaz.
Prove
utente
FASE 6
Prototipo
FASI 3, 4 e 5
Lineeguida di
progetto
Feed-back
dagli utenti
FASE 2
65
27/10/2010
I compiti di MOVAID
I compiti di MOVAID
66
27/10/2010
Industrial designers designing a
personal robot
Existing components
L’aspetto di MOVAID
67
27/10/2010
Validazione del sistema MOVAID
Prima di
MOVAID
Prove
Sperimentali
Immagini l’assistenza
di un Robot?
Sì
10%
Non so
48%
No
42%
64 utenti coinvolti in
prove e dimostrazioni in
3 diversi paesi Europei
Dopo
MOVAID
Vorresti avere un
Robot come
Assistente?
Sì
43%
Non So
36%
No
21%
Research trends for Assistive
Robotics
• Two main paths for assistive robotics:
– Long-Term: general purpose robotic servants,
which MAY have human-like, humanoid
appearance BUT IN ANY CASE SHALL BE capable
of operating without heavy environmental
adaptations, and of interacting at cognitive level
– Medium/Short-Term: the robotic appliance. The
concept of a novel generation of task-specific
appliances taking full advantage of enabling
micromechatronics and ICT technology, and of
human-centred design
68
27/10/2010
Task-specific Robots
• Pros:
MySpoon
Handy 1
Rehab
Robotics
– Natural evolution of
today’s appliances
– Less invasive
– Lower cost to benefit
– More commercially viable
– Shorter development cycle
• Cons:
– Need many devices to
meet total need
– Less natural in human
environment
Cye Robot
ProRobotics
Roomba
iRobots
Il concetto di sistema di ausili
modulare ed integrato
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27/10/2010
La robotica umanoide oggi
alcuni esempi
Ausili
Contributo dell’ingegneria:
• Tecnologie e dispositivi per funzioni sensoriali e motorie
• Tecnologie (robotiche) per lo svolgimento di una grande varietà di
attività
Benefici attesi:
• Maggiore livello di autonomia personale
• Possibilità di monitoraggio e di assistenza continuativi
• Riqualificazione dell’assistenza personale umana
Sfide:
• Nuove metodologie di progetto per tecnologie “accettabili”
• Soluzioni meccatroniche per lo sviluppo di ausili ottimizzati per la
funzione di interesse (minima complessità necessaria) e per i
requisiti utente (interfacce)
• Virtual prototyping & customization
• Controllo dell’interazione fisica (cedevolezza funzionale, sicurezza)
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27/10/2010
Obiettivi del corso di Bioingegneria
della Riabilitazione
• Fornire allo studente le conoscenze di base relative
all’applicazione di strumenti e dispositivi ingegneristici
in ambito riabilitativo
• Fornire allo studente solide competenze teoriche e
pratiche sugli strumenti modellistici, metodologici e
tecnologici che la bioingegneria può offrire al settore
della riabilitazione, inteso come pieno recupero alla
vita sociale e lavorativa di un paziente.
• In particolare, lo studente dovrà acquisire le capacità
di base necessarie per la progettazione e per la
valutazione di strumenti biomedici per la riabilitazione,
con particolare riferimento alle macchine per la
riabilitazione, gli ausili per l’autonomia del disabile e
dell’anziano e le protesi d’arto.
Programma del corso
Valutazione
funzionale
Intervento
riabilitativo
Terapia
riabilitativa
Valutazione
limitazioni
nelle attività
Ausili
Formazione
professionale
Reinserimento
sociale e
professionale
A. Introduzione alla
Bioingegneria della
Riabilitazione
B. Cenni di Anatomia e
Menomazioni
C. Scale di Valutazione
Funzionale
D. Fondamenti di Robotica e
di Controllo di Robot
E. Robotica Riabilitativa
F. Ausili per l’Indipendenza
Personale
G. Protesi d’Arto Superiore
H. Interfacce Neurali
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27/10/2010
Materiale didattico
http://www-arts.sssup.it/tiki/tiki-index.php?page=courses
http://www-arts.sssup.it/
[email protected]
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