L`attività e i risultati della Linea 1 dalla

Transcript

Fondazione Don Gnocchi e diverse tipologie di ausili per la
mobilità.
I questionari hanno dimostrato di essere compatibili con la
routine organizzativa dei servizi di riabilitazione, potendo essere somministrati nell’ambito dei normali percorsi di trattamento. L’esecuzione dell’intera intervista richiede un tempo
medio di 50 min. Oltre a raccogliere i dati necessari per le
elaborazioni aggregate, che consentono al gestore del Servizio e all’ASL di valutare l’efficacia sul campo degli ausili
forniti, l’intervista fa emergere informazioni sulla situazione
dell’utente già immediatamente interpretabili da parte dell’operatore e, quindi, utili per eventuali decisioni da assumere
in corso di trattamento.
I 79 intervistati (49 uomini e 30 donne) appartenevano a
varie fasce di età, con maggiore concentrazione nella fascia 21-40 (44%). Le diagnosi principali comprendevano:
paralisi cerebrale infantile (23%), Sclerosi Multipla (19%),
ictus (13%) e varie altre patologie (reumatiche e del connettivo, esiti di poliomielite, patologie connatali acquisite,
gravi lesioni cerebrali acquisite, amputazione arti inferiori, mielopatia, lesioni midollari, SLA, malattie cardiache).
In termini di deficit funzionale, gli intervistati per metà erano
caratterizzati da tetraparesi (48%), gli altri da difficoltà di deambulazione (22%), paraplegia (16%) ed emiplegia (14%).
45 utilizzavano la carrozzina all’esterno, 8 solo all’interno e
ATTIVITÀ
Nel 2014 sono state portate a termine le prime due fasi dello
studio. La Fase 1 (gennaio-febbraio) ha compreso la messa a
punto dei questionari di follow-up, la somministrazione a un
primo campione di 10 utenti per sperimentarne l’utilizzabilità, il perfezionamento dei questionari stessi e la predisposizione degli strumenti operativi per gli intervistatori. La Fase
2 (Marzo-Dicembre) ha compreso la formazione degli intervistatori, i contatti preparatori con gli utenti, la somministrazione dei questionari, l’elaborazione dei risultati, la reportistica
e la preparazione di pubblicazioni sui risultati.
Nella Fase 3, prevista nel 2015, lo studio sarà allargato a un
campione più vasto, che includerà utenti di vari Centri della
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49
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di
Fig. 1
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or
Utilizzo giornaliero in ore (79 rispondenti)
Ricerca corrente
for people with lowerlimb Mobility impairment) (Gray et
al., 2008), per l’identificazione dei facilitatori e delle barriere ambientali in cui l’utente s’imbatte nell’uso quotidiano
dell’ausilio;
• il questionario SCAI (Siva Cost Analysis Instrument) (Andrich e Caracciolo 2007), per la stima del costo sociale
dell’intervento di fornitura dell’ausilio.
I tre questionari di origine estera (Quest, Piads e Fabs/m)
erano già disponibili in lingua italiana, già tradotti e validati in
precedenti studi.
Nella popolazione in esame (i 159 utenti cui era stata prescritta una carrozzina elettronica secondo il protocollo DAT dal
2009 al 2013) sono state reclutate 136 persone in base a tre
criteri: capacità di comprendere le domande del questionario,
capacità di elaborare e comunicare una risposta, aver effettivamente utilizzato la carrozzina per almeno 6 mesi. Le interviste sono state però possibili solo per 79 persone (57 drop-out
per ragioni di: decesso, peggioramento di salute, indisponibilità all’intervista) e sono state svolte presso le abitazioni degli
utenti dai terapisti occupazionali domiciliari del Servizio DAT.
Prima di iniziare l’intervista, ogni partecipante è stato informato sulle finalità del progetto e sul modo in cui i dati sarebbero
stati trattati e ha dato il proprio consenso informato.
I dati sono stati memorizzati in un database sviluppato con
Microsoft Access® 2010, che ha permesso tutte le elaborazioni necessarie: medie, frequenze, dispersioni, associazioni
e correlazioni.
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26 sia all’interno che all’esterno. Solo 6 persone non la utilizzavano più (7,6%: tasso di abbandono molto basso rispetto a
quelli citati in letteratura). In media, 49 la usavano per meno
di 6 ore al giorno, 12 per più di 6 ore, 10 per più di 12 ore, 2
per più di 18 ore (Fig. 1).
La grande maggioranza degli utenti si è detta soddisfatta
dell’ausilio, sia riguardo alle caratteristiche tecnico-funzionali che ai servizi connessi alla fornitura. Il questionario
QUEST ha, infatti, rilevato punteggi da “piuttosto soddisfatto” a “molto soddisfatto” per la maggior parte degli
item (Fig. 2).
Per la maggior parte degli utenti la carrozzina ha avuto un impatto psicosociale positivo, rilevato dallo strumento PIADS.
Una piccola minoranza, composta di persone che la utilizzavano per la prima volta, ha segnalato effetti negativi sull’autostima, avendo percepito l’ausilio come stigmatizzante o
avendolo ricevuto in coincidenza con un deterioramento del
proprio stato di salute (Fig. 3).
I principali fattori ambientali percepiti come facilitatori nella
vita quotidiana sono stati la carrozzina elettronica stessa, i
luoghi pubblici solitamente frequentati e la rete di supporto
(amici, familiari, operatori sanitari), mentre quelli percepiti
come barriera riguardano alcune caratteristiche fisiche della
casa, alcuni fattori climatici, le situazioni affollate e i mezzi
di trasporto. Le stime effettuate tramite lo strumento SCAI
dicono che il costo sociale medio relativo alla carrozzina, in
un arco temporale di 5 anni, rappresenta circa il 30% del
costo sociale medio che si sarebbe dovuto sostenere se non
fosse stata fornita.
Ciò è dovuto al fatto che chi è riuscito a mantenere o riconquistare autonomia nella mobilità grazie alla carrozzina
elettronica, se non avesse avuto la carrozzina avrebbe avuto bisogno di molta più assistenza da parte di caregiver per
mantenere lo stesso stile di vita. I questionari di follow-up
sono liberamente scaricabili dal Portale SIVA (www.portale.
siva.it).
QUEST punteggio sul prodotto (media 4,3)
0
1
5
Ricerca corrente
12
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QUEST punteggio sul prodotto (media 4,2)
0
non risponde
da 1 (per niente soddisfatto)
a 2 (non molto soddisfatto)
2
da 2 (non molto soddisfatto)
a 3 (più o meno soddisfatto)
7
da 3 (più o meno soddisfatto)
a 4 (piuttosto soddisfatto)
da 4 (piuttosto soddisfatto)
a 5 (molto soddisfatto)
61
Fig. 2A
15
non risponde
da 1 (per niente soddisfatto)
a 2 (non molto soddisfatto)
da 2 (non molto soddisfatto)
a 3 (più o meno soddisfatto)
da 3 (più o meno soddisfatto)
a 4 (piuttosto soddisfatto)
da 4 (piuttosto soddisfatto)
a 5 (molto soddisfatto)
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20
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numero rispondenti
60
80
Fig. 2B
20
40
numero rispondenti
Punteggio complessivo di soddisfazione rilevato tramite lo strumento QUEST
60
80

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PIADS punteggio di abilità (media 1,1)
PIADS punteggio di adattabilità (media 1,0)
1
non risponde
1
non risponde
0
da -3 (ha diminuito molto)
a -2 (ha diminuito abbastanza)
1
da -3 (ha diminu to molto)
1
da -2 (ha diminuito abbastanza)
a -1 (ha diminuito un po )
0
da -2 (ha diminu to abbastanza)
1
da -1 (ha diminuito un po )
a 0 (non ha modificato)
2
da -1 (ha diminu to un po )
33
da 0 (non ha modificato)
a +1 (ha aumentato un po )
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da +1 (ha aumentato un po )
a +2 (ha aumentato abbastanza)
16
da +1 (ha aumentato un po )
17
da +2 (ha aumentato abbastanza)
a +3 (ha aumentato molto)
14
Fig. 3A
20
40
60
80
numero rispondenti
Fig. 3B
a +1 (ha aumentato un po’)
20
40
60
80
numero rispondenti
PIADS punteggio di autostima (media 1,0)
1
non risponde
2
da -3 (ha diminuito molto)
0
da -2 (ha diminu to abbastanza)
3
da -1 (ha dim nuito un po )
a +1 (ha aumentato un po )
40
da +1 (ha aumentato un po’)
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14
Fig. 3C
20
40
60
80
numero rispondenti
Fig. 3
A-B-C
Punteggio psicosociale complessivo
Ricerca corrente
PRODOTTI SCIENTIFICI
Articoli
–– Salatino C, Andrich R, Converti RM, Saruggia M. “Carrozzine elettroniche: sono davvero efficaci? Risultati di una
sperimentazione”. Riabilitazione Oggi. 2015 (in press).
Presentazioni Convegni
–– Salatino C, Andrich R, Converti RM, Saruggia M. “Outcome assessment of powered wheelchairs provision: findings of a study”. Assistive Technology (paper accepted
for publication – 2/2/2015).
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Tecnologie Assistive, Domotica e Ambient
Assisted Living
Responsabile: Andrich Renzo
BACKGROUND
Ricerca corrente
Nel corso del 2014 l’Organizzazione Mondiale della Sanità ha
aperto una consultazione preparatoria a un’iniziativa strategica nel campo delle tecnologie assistive (dette anche ausili), il
cui lancio è previsto nel 2016. L’iniziativa, denominata GATE
(Global Cooperation on Assistive Technology), si prefigge
quattro principali obiettivi:
1.includere tra le priorità dell’OMS l’accesso agli ausili per
tutte le persone che ne abbiano bisogno;
2.ridefinire il concetto di ausilio “assistive health product”;
3.favorire l’implementazione dell’art. 32 della Convenzione
ONU sui diritti delle persone con disabilità;
4.favorire la diffusione di ausili di alta qualità che siano alla
portata economica degli utenti.
In questo contesto, questa ricerca ha inteso contribuire allo
sviluppo di efficaci modelli d’intervento nel settore degli ausili, mobilitando una vasta gamma di stakeholder, quali:
a.medici e operatori della riabilitazione;
b.funzionari del Servizio Sanitario Nazionale (e dei vari sistemi regionali) impegnati a vari livelli (decisionale, amministrativo, operativo) nel sistema pubblico di assistenza
protesica;
c.aziende produttrici di ausili impegnate nello sviluppo della
qualità dei loro prodotti;
d.persone con disabilità e loro familiari in quanto utenti diretti di questo tipo di tecnologie;
e.operatori coinvolti nell’integrazione scolastica, lavorativa e
sociale delle persone con disabilità.
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OBIETTIVI
Questa ricerca ha preso in considerazione uno specifico
aspetto del percorso riabilitativo e assistenziale: quello del
reinserimento della persona con disabilità nel proprio normale ambiente di vita e della consegna degli strumenti per
diventare egli stesso attivo protagonista della propria partecipazione alla vita sociale; fase in cui giocano un ruolo di
primo piano sia gli ausili che le tecnologie capaci di rendere
l’ambiente abilitante ambient assisted living in particolare,

l’ambiente domestico (domotica). La ricerca si è proposta di:
1.proseguire nello sviluppo di metodi e protocolli la valutazione individualizzata degli ausili appropriati alle esigenze
di ogni singolo utente;
2.mettere a punto tassonomie e dataset per descrivere in
modo standardizzato le tecnologie assistive;
3.monitorare l’offerta del mercato garantendo un aggiornamento costante dell’informazione attraverso il Portale
Italiano degli Ausili (www.portale.siva.it) e il Portale della Rete Informativa Europea sulle tecnologie Assistive
EASTIN (www.eastin.eu).
METODI
Trattandosi di una ricerca orientata ad approfondire tematiche di carattere generali trasversali al vasto mondo delle
tecnologie assistive, più che a non sperimentare specifici
modelli o protocolli d’intervento, le metodologie utilizzate
sono state principalmente:
1.ricerca bibliografica;
2.consultazione di esperti (workshop, focus group, interviste) sia a livello nazionale (Rete SIVA dei Servizi Informazione e Valutazione Ausili della Fondazione Don Gnocchi;
Rete GLIC dei Centri Ausili italiani) sia internazionale (Rete
AAATE – Association for the Advancement of Assistive
Technology in Europe);
3.raccolta di dati tecnici sugli ausili tecnologici direttamente
presso le aziende produttrici o distributrici o attraverso i
loro siti Web.
Il sito SIVA (www.siva.it) e il Portale SIVA (www.portale.
siva.it) sono stati gli strumenti di base per la gestione delle informazioni raccolte e per la messa a disposizione del
pubblico del materiale formativo prodotto, mentre il Portale
EASTIN (www.eastin.eu) e il sito dell’AAATE hanno consentito di divulgare, in ambito, interesse internazionale. Per la
trasmissione delle conoscenze acquisite nel progetto ai vari
stakeholder sono stati previsti anche degli specifici eventi
formativi.
ATTIVITÀ
Nel corso del 2014 le attività si sono concentrate principalmente su quattro linee di lavoro.
La prima ha riguardato lo sviluppo sul Portale SIVA di stru-

“Global Cooperation on Assistive Health Technology”, organizzato dall’OMS presso il suo quartier generale di Ginevra il
3-4 luglio, dal quale è scaturita – anche con il nostro contributo – la roadmap per i futuri passi di questa iniziativa (https://
mednet-communities.net/gate).
La quarta riguarda infine la produzione di contenuti informativi per l’aggiornamento costante del Portale SIVA e, conseguentemente, del Portale Europeo EASTIN. A partire dal
2014 la redazione del Portale pubblica mensilmente anche
una newsletter (alla quale sono attualmente iscritte 1.700
persone) che mette in luce le principali novità. Quest’attività
ha comportato l’analisi sistematica dell’evoluzione dell’offerta del mercato e intense consultazioni con le aziende produttrici e distributrici. Attenzione particolare è stata dedicata
alle applicazioni software (Apps) per i dispositivi mobili con
sistema operativo IOS e Android, un nuovo mercato in rapidissima evoluzione che sta iniziando a offrire valide e inedite soluzioni di ausilio per persone con disabilità. Nel corso
dell’anno sono state inserite e aggiornate 700 schede prodotto, principalmente nel settore degli ausili per la mobilità
(331), della mobilia e degli adattamenti della casa (83), degli
ausili per la comunicazione (77) e per la cura personale (71).
Sono state, inoltre, inserite e aggiornate 161 schede azienda
e varie informazioni relative a Centri e pubblicazioni.
Articoli
• Andrich R. “Il repertorio CSR degli ausili”. Tecnologie Riabiltative 3:32-37. 2014.
• Gower V, Andrich R. “A taxonomy for ICT assistive
technology products”. Technology and Disability. 2014.
26:127–136. doi: 10.3233/TAD-140409.
• De Anna L, Canevaro A, Ghislandi P, Striano M, Maragliano R, Andrich R. “Net@ccessibility: a research and training project regarding the transition from formal to informal learning for university students who are developing
lifelong plans”. Alter Europ. Journal Disability Research.
2014. doi: 10.1016/j.alter.2014.02.002.
• Andrich R. “Valutare, consigliare, scegliere gli ausili: sintetica guida per gli operatori della riabilitazione”. IRCCS
Fondazione Don Gnocchi (2015).
Ricerca corrente
menti e metodologie per migliorare la qualità dell’informazione nel settore. In collaborazione con i partner della rete EASTIN (European Assistive Technology Information Network)
è stata portata a termine la definizione delle tassonomie e
dei dataset per la descrizione degli ausili; su questa base,
assieme alle aziende produttrici di ausili afferenti a Confindustria-Federvarie e partecipanti all’iniziativa CSR (Centro
Studi e Ricerche Ausili), sono stati messi a punto una procedura standard per la descrizione degli ausili e un codice
di autodisciplina atto a garantire la qualità e l’affidabilità dei
dati forniti. Il sistema è stato implementato sul Portale SIVA,
presentato “live” in un convegno pubblico a Roma il 16/10
presso il Senato e messo a regime a partire da dicembre.
La seconda ha riguardato l’organizzazione di un Corso di Alta
Formazione (“Tecnologie per l’autonomia e la partecipazione delle persone con disabilità”) della durata di 100 ore cui
sono stati assegnati 50 crediti ECM. Vi hanno partecipato 29
allievi. Tutto il materiale didattico prodotto nel corso è pubblicamente disponibile sul Portale SIVA e comprende dispense
che trattano i vari ambiti tecnologici e applicativi (cura personale, postura, mobilità, comunicazione, arredo e impiantistica domestica, domotica, accessibilità informatica ecc.),
protocolli clinici per la valutazione individualizzata degli ausili
nell’ambito del percorso riabilitativo, metodi e strumenti per
la misurazione dell’outcome e del rapporto costi/benefici. I
principali concetti emersi dal Corso sono stati sintetizzati in
una sintetica guida divulgativa da diffondere ad ampio raggio
tra gli operatori del Sistema Sanitario Nazionale (attualmente
in fase di stampa). Oltre al Corso, nel 2014, sono stati organizzati tre eventi pubblici di presentazione di nuovi ausili.
La terza linea riguarda il networking tra i ricercatori nel settore delle tecnologie di ausilio, a livello nazionale (attraverso le reti SIVA dei Servizi Informazione e Valutazione Ausili
della Fondazione Don Gnocchi e GLIC dei Centri Ausili italiani), europeo (attraverso le reti AAATE – Association for
the Advancement of Assistive Technology in Europe – ed
EASTIN – European Assistive Technology Information Network) e globale (attraverso la succitata rete GATE dell’Organizzazione Mondiale della Sanità). Il momento più rilevante
di questa linea di lavoro è stato il Workshop GATE sul tema
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La cute come “spettro” del corpo: utilizzo
della spettroscopia Raman per diagnosi in vivo
non invasiva – Fase I (2013)
Responsabile: Bedoni Marzia
Ricerca corrente
BACKGROUND
La visita del medico e le analisi di laboratorio, effettuate con
tecniche di biologia molecolare e istologiche, rappresentano
i capisaldi su cui è basata oggigiorno la diagnostica medica.
Sebbene questi strumenti siano indiscutibilmente necessari,
nuove tecniche basate sulla biofotonica (spettroscopia Raman) si stanno rapidamente affiancando a quelle tradizionali.
La spettroscopia vibrazionale Raman offre numerosi vantaggi per le applicazioni in ricerca biomedica poiché mette in
luce modificazioni della struttura e della composizione molecolare dei campioni biologici. Grazie all’osservazione delle
frequenze di luce riemesse in seguito all’esposizione del
campione a un fascio laser si evidenziano possibili alterazioni
molecolari nelle cellule correlate a una determinata patologia, come per esempio nelle patologie cutanee [Edwards et
al., 1995; Caspers et al., 1998]. I principali benefici di questa
metodica rispetto ai metodi convenzionali di diagnosi, sono
la specificità, la rapidità di analisi e la mancanza di processamento del campione. Questi vantaggi sono già stati discussi
in letteratura e hanno trovato riscontro in studi di fattibilità
scientifica della metodica (Chang et al., 2011), ciò che non
è stato del tutto affrontato ad oggi è uno studio approfondito sulla riproducibilità dei dati ottenuti nei diversi strati della
cute normale (strato corneo, epidermide e derma) al fine di
definire dei parametri affidabili che possano servire da controllo verso campioni di cute invece patologici.
L’obiettivo principale nell’utilizzo della spettroscopia Raman
in questo progetto è, dunque, quello di valutare l’effettiva
applicazione di questa tecnica in ambito biomedico, come
supporto di diagnosi precoce di psoriasi o altre patologie cutanee, grazie all’individuazione di un pattern che possa essere
scomposto nelle sue componenti evidenziando la presenza di
nuove bande (o la variazione di intensità di bande già presenti)
che possano fungere da biomarcatori della malattia.
OBIETTIVI
Lo scopo di questo progetto è quello di effettuare uno studio
56

sistematico sugli spettri Raman raccolti dalla cute nei diversi
strati per andare a identificarne le componenti principali e le
molecole, come per esempio la melanina, la filaggrina, il collagene, i ceramidi che possano essere più facilmente correlate
con stati patologici. Quindi, gli obiettivi del progetto sono:
1.valutare, mediante prove sperimentali, la riproducibilità
dei risultati, verificandoli anche con quanto già presente
in letteratura;
2.valutare l’efficacia della tecnica come supporto diagnostico
per le patologie cutanee, grazie all’individuazione/variazione
di molecole correlate alla patologia psoriasica in un modello
sperimentale di coltura tridimensionale di cute umana;
3.creare un “atlante” digitale dei segnali Raman di riferimento che possano essere utili per un’identificazione precoce di patologia, come psoriasi;
4.studiare in vivo, in volontari sani, i segnali raccolti dalla
cute con una sonda Raman portatile per una futura effettiva traslazionalità della tecnica in ambito clinico.
METODI
Modalità di reclutamento campioni
I campioni di cute umana sana ex vivo sono stati forniti dalla
banca della pelle dell’Ospedale Niguarda Ca’ Granda attraverso una convenzione opportunamente predisposta. I campioni
di cute umana per il modello sperimentale in vitro di microambiente psoriasico sono stati forniti dal Laboratorio di Morfologia Strutturale e Ultrastrutturale dell’Università degli Studi di
Milano e provenivano da interventi di chirurgia estetica.
Casi/Controlli
1.8 campioni di cute umana normale ex vivo per l’analisi
Raman e la raccolta di spettri per la creazione dell’atlante
informatico degli spettri;
2.12 campioni di cute umana ex vivo dal modello della condizione psoriasica (3 campioni per ciascun gruppo sperimentale, vedi in seguito), al fine di analizzare con la Raman le molecole d’interesse patologico.
Setup sperimentale
Tutti i frammenti bioptici di cute analizzati comprendevano:
epidermide completa e derma, con un’area di circa 1 cm2. I
campioni di cute umana sana sono stati analizzati “freschi”
(dopo qualche ora dalla rimozione), mentre i campioni psoria-
sici dopo esser stati trattati in vitro (coltura organotipica) per
24 ore con le citochine proinfiammatorie coinvolte nell’eziopatogenesi psoriasica: TNF-alfa e IL-17 a diverse concentrazioni (4 gruppi sperimentali: 50 ng/ml, 100 ng/ml, 20 ng/ml o
combinate) aggiunte al terreno di coltura. Tutti i campioni di
cute, per poter esser analizzati mediante microspettroscopio Raman (Aramis-Horiba), sono stati prima montati su un
vetrino porta-oggetti con l’epidermide o il derma rivolti verso
l’alto. Sono stati quindi settati i seguenti parametri di misura:
laser a 785 nm, reticolo di 600, hole di 400 mm, potenza a
250 mW, tempo d’illuminazione di 60 s per 4 volte, obiettivi di 10x e 50x e range spettrale da 600-2.000 cm-1. Dopo
pochi minuti di misura sono stati raccolti gli spettri di entrambi i modelli sperimentali cute sana e dopo esposizione
alle citochine (cute psoriasica), con attribuzione dei picchi di
emissione dei principali componenti degli strati cutanei e in
particolare delle molecole di interesse psoriasico.
ATTIVITÀ
Come sopra descritto lo scopo principale di questo primo
anno di progetto è stato quello di dimostrare, mediante alcune prove di concetto, la validità scientifica della spettroscopia Raman, innovativa nell’ambito biomedico, come tool
diagnostico per le patologie cutanee. In particolare siamo
riusciti a valutare l’efficacia e la capacità di discernere i diversi costituenti molecolari all’interno di una miscela biologica
complessa quale quella rappresentata dalla cute umana. Per
questo obiettivo è stata inizialmente svolta una grande attività
sperimentale di messa a punto della metodica, per esempio
a livello di lunghezza d’onda della luce impiegata, di reticoli
ottici e di filtri adatti all’analisi di ciascun campione. Sebbene
esistessero alcuni studi preliminari in letteratura, gran parte
di questi parametri sono dipendenti dai singoli strumenti utilizzati in quanto, soprattutto per quanto riguarda i rilevatori,
ogni fornitore e ogni singolo detector hanno delle specifiche
di efficienza propria che si riflettono in diversi parametri da
utilizzare nell’acquisizione della misura. Una volta acquisite le
impostazione dello strumento più adatte al tipo di studio richiesto per il progetto, in una seconda fase, abbiamo analizzato i campioni di cute normale e quelli provenienti da modello
in vitro di cute psoriasica. I campioni di cute sono stati analiz-
Linea di Ricerca 1
zati con i parametri sopra descritti e i diversi spettri sono stati
comparati sia tra di loro sia con i dati già disponibili in letteratura al fine di riconoscere i principali costituenti molecolari.
Lo spettro Raman dell’epidermide ha evidenziato moltissimi
picchi (Fig. 1), alcuni dei quali riconducibili alle principali molecole che compongono i diversi strati (strato corneo e i restanti
dell’epidermide vitale) come i ceramidi (bande a 1.061; 1.128;
1.296 cm-1), l’ammide III (banda a 1.270 cm-1), l’ammide I in
particolare della cheratina in conformazione α-elica (banda a
1.650-1651 cm-1), i fosfolipidi (bande a 746, 758 e 773 cm-1)
del DNA (883-898 cm-1) e delle molecole CH2 CH3 nei lipidi e
proteine (banda a 1.447 cm-1).
Nello spettro Raman del derma (Fig. 2) si notano preponderanti i picchi dei diversi costituenti del collagene, prolina e
idrossiprolina (857 e 936 cm-1), del collagene di tipo I (banda
a 1.448 cm-1), le bande dei legami amidici (1.247, 1.270 cm1) ed è chiaramente distinguibile la parte dello spettro relativa alla elevata presenza di proteine nella regione tra 2.800
e 3.000 cm-1. I risultati preliminari dell’analisi spettroscopica su cute trattata in coltura con TNF-alfa e IL-17 (Fig. 3),
modello sperimentale di psoriasi, hanno evidenziato alcune
modificazioni molecolari a livello dei picchi dei ceramidi, delle cheratine e dei carotenoidi rispetto ai campioni controllo.
Inoltre, si nota un abbassamento relativo del picco del DNA
(calcolato in rapporto al picco adiacente relativo alla prolina)
nei campioni trattati rispetto al campione di cute sana di
controllo. Questi risultati, confrontati con alcuni dati ottenuti
con metodiche convenzionali nel Laboratorio di Morfologia
Strutturale e Ultrastrutturale, suggeriscono che vi sia un’alterazione dell’omeostasi degli strati soprabasali dell’epidermide (strato granulare e corneo) che si nota a livello di un’inibizione della proliferazione cellulare (nello strato basale) e
una modifica nell’espressione dei biomarcatori di differenziazione terminale. I risultati ottenuti in questa prima parte
di progetto hanno, dunque, mostrato che la spettroscopia
Raman è stata in grado di identificare in modo specifico la
composizione chimica dei diversi strati cutanei e le relative
alterazioni. Tale metodica potrebbe essere un valido tool diagnostico di supporto per le patologie cutanee, essendo non
invasivo e sensibile alle modificazioni delle molecole target.
Ricerca corrente

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Linea di Ricerca 1
ATTIVITÀ
In primo luogo, le condizioni di analisi sono state ottimizzate per lo studio di campioni di cute umana normale al fine
di mettere a punto il protocollo di acquisizione su biopsia intera di organo. Successivamente, è stata verificata la capacità della tecnica di distinguere fra i diversi costituenti del
Fig. 1
tessuto epidermico ed è stato creato un database dei principali spettri Raman caratteristici dei diversi strati cutanei,
come mostrato in Fig. 1. Tale risultato costituisce un solido
punto di partenza per il confronto della firma biochimica di
campioni di cute normale e derivanti da lesioni cutanee.
Per quanto riguarda invece l’analisi della cute derivante da
lesione, è stata analizzata una biopsia di tumore benigno,
classificata come nevo nevocitico. L’indagine ha rivelato un
aumento generalizzato e consistente dell’intensità dei segnali Raman negli intervalli considerati, dato riconducibile a
un aumento complessivo di fluorescenza del campione dovuto alla presenza di abbondante melanina. Tale pigmento,
prodotto tipicamente dai melanociti, risulta infatti particolarmente abbondante in questa tipologia di lesione a causa
del’iperproliferazione dei melanociti stessi. Al contempo i
picchi corrispondenti ad amide I e amide III sono risultati rispettivamente ridotti e aumentati rispetto alla cute di
controllo, a suggerire un riarrangiamento della componente
proteica principale dell’epidermide che è rappresentata dai
filamenti intermedi di cheratina, noti per il loro ruolo nella
Tabella riassuntiva dei principali picchi Raman tipici della firma biochimica dell’epidermide sana
Ricerca corrente
Raman Aramis di Horiba opportunamente calibrato. I campioni bioptici sono stati posizionati con il compartimento
epiteliale rivolto verso l’alto, all’interno di una petri su un
foglio di carta assorbente imbevuto di soluzione fisiologica
per evitare la disidratazione del campione. I parametri di
misura messi a punto e ottimizzati nelle nostre condizioni sperimentali dopo ripetute prove sui frammenti di cute
sana sono così riassunti: laser 785 nm, reticolo 600, hole
400 μm, potenza 250 mW, tempo d’illuminazione 60 s per
4 volte, obiettivi 10x e 50x e risoluzione spettrale di 1 cm-1.
Gli spettri sono stati acquisiti nel’intervallo 400-1.800 cm-1
e 2.800-3.200 cm-1 a diverse profondità rispetto alla superficie cutanea, in modo da acquisire informazioni sulla composizione chimica dei diversi strati epidermici e del derma.
61
Linea di Ricerca 1
lo sono la maggior parte dei metodi diagnostici biochimici e
molecolari (Cregger et al., 2006). A questo livello sono quindi
necessari dei metodi capaci di distinguere campioni istologici,
analogamente a quanto viene fatto dall’occhio esperto di un
medico, ma in modo oggettivo, quantitativo, riproducibile e potenzialmente automatizzabile. A tale scopo, abbiamo preso in
considerazione il caso della leucemia mieloide acuta (LMA), la
cui diagnosi e classificazione si basa in prima istanza sul conteggio delle cellule tumorali (blasti) in campioni di sangue e nel
midollo osseo e sul conteggio delle diverse sottopopolazioni di
cellule ematopoietiche (Vardiman et al., 2002). Risulta, quindi,
necessaria la messa a punto di metodi capaci di classificare
con accuratezza alcuni sottotipi di LMA con prognosi più severa già durante l’analisi morfologica del campione.
La microspettroscopia Raman è una tecnica emergente in
campo clinico che combina il microscopio ottico a uno spettrometro Raman (capace di identificare differenti strutture
molecolari sulla base delle loro proprietà vibrazionali), grazie alla quale è possibile ottenere informazioni relative alla
composizione molecolare della cellula (Mahadevan-Jansen
et al., 1996). Attraverso questa tecnica è, quindi, possibile
riconoscere e distinguere cellule differenti in modo oggettivo e riproducibile sulla base della loro composizione/distribuzione molecolare e senza l’impiego di coloranti e anticorpi
(label-free). Wachsmann-Hogiu et al., 2009. Cregger et al.,
2006. Arch. Pathol. Lab. Med. 130, 1026–1030.
Mahadevan-Jansen et al., 1996. J. Biomed. Opt. 1, 31–70.
Pully VV et al., 2011. 42, 167–173. Vardiman JW et al., 2002.
Blood 100, 2292–2302. Wachsmann-Hogiu S et al., 2009.
Curr. Opin. Biotechnol. 20, 63–73.
Ricerca corrente
OBIETTIVI
64
Il principale obiettivo di questo progetto era la messa a punto e la validazione di un metodo oggettivo, riproducibile e
potenzialmente automatizzabile per una valutazione accurata di cellule con differenti caratteristiche morfologiche (sane,
malate, tipiche di diversi sottotipi di malattia). Nel caso specifico, l’obiettivo della ricerca si focalizza sulla distinzione di
quattro sottotipi cellulari (mieloblasti, promielociti, promielociti anormali, eritroblasti) (Fig. 1 a-b-c-d), caratteristici di quattro diversi sottotipi di LMA attraverso Spettroscopia Raman.

METODI
I soggetti inclusi in questo studio hanno firmato un consenso informato per l’utilizzo di campioni di midollo ai fini della
ricerca scientifica secondo i protocolli stabiliti dall’Ospedale
S. Raffaele di Milano che ha seguito il reclutamento e approvati dal relativo comitato etico. A tale scopo, sono stati
selezionati 7 pazienti affetti da quattro differenti sottotipi
di leucemia mieloide acuta secondo lo schema seguente:
2 pazienti affetti da “AML with minimal differentiation”; 2
pazienti affetti da “AML with t(8;21); RUNX1-RUNX1T1”; 2
pazienti affetti da “APL with t(15;17); PML-RARA”; 1 paziente affetto da “acute erythroid leukaemia”. Per ognuno dei
pazienti selezionati è stata svolta la normale procedura di
diagnosi basata su esame morfologico (istologico), immunofenotipico, citogenetico e molecolare in accordo con le più
recenti linee guida.
Per ogni paziente, una frazione di midollo osseo aspirato è
stato processato per l’isolamento di cellule mononucleate
attraverso gradiente di densità Ficoll. Le cellule sono state
poi immobilizzate su substrati ottici di calcio fluoruro e fissate con paraformaldeide 2%.
Le misure Raman sono state svolte dai ricercatori del
gruppo LABION (Dr. Vanna) presso l’Università di Twente (Enschede – NL), grazie alla collaborazione con il Prof.
Cees Otto (molecular cell BioPhysics group (MCBP)). Per
le misurazioni è stato utilizzato uno strumento sviluppato e
costruito ad hoc dal gruppo olandese per misure su cellule
(Pully et al., 2011). In breve, lo strumento implementa un
microscopio ottico con obiettivo a immersione 63x0,1NAW (Zeiss), un laser con emissione a 647,1 nm e uno spettrometro EMCCD con range spettrale di circa 3.600 cm-1
e risoluzione di 2,25 cm-1. Ogni cellula è stata scansionata
da 64x64 (4.096) acquisizioni da 0,100 sec cadauna. I dati
sono stati analizzati con i programmi Origin (OriginLAb) e
con programmi costruiti ad hoc attraverso MatLab (The
Math Works) e LabView (National Instrument Corp.). Tutti gli spettri sono stati pre-processati al fine di rimuovere
segnali relativi a raggi cosmici, per rimuovere il rumore di
fondo e per correggere la diversa sensibilità dello strumento a diverse lunghezze d’onda.

BACKGROUND
Le possibilità offerte dai sistemi basati su Brain-Computer
Interface (BCI) in campo riabilitativo sono molteplici. Essi, infatti, possono essere utilizzati sia come tecnologie assistive
sia come strumenti per la riabilitazione in senso più stretto,
dato il loro legame con la neuroplasticità.
Numerose evidenze sperimentali indicano che la pratica della
motor imagery può rappresentare un utile strumento per migliorare la performance motoria e, dato che questo è uno degli obiettivi della neuroriabilitazione in caso di pazienti con esiti
di ictus, l’utilizzo di un sistema BCI non invasivo basato su un
paradigma di tipo motor imagery si configura come promettente in ambito neuriabilitativo nel trattamento di tali pazienti.
Tuttavia, i sistemi BCI portano con sé la necessità, per i vari
attori coinvolti nel loro utilizzo, di accettare una tecnologia
complessa e, specificamente per l’end-user, caratterizzata
dal fenomeno indicato come mutual learning. Infatti, così
come l’end-user deve imparare a eseguire il task cognitivo
associato al paradigma su cui si basa il sistema BCI, anche
il software alla base dell’implementazione del paradigma
deve “imparare a riconoscere” come si modifica il segnale cerebrale dell’utente nel momento in cui esegue il task
assegnato. Inoltre, trattandosi di un contesto in cui avviene
apprendimento, è importante considerare anche il ruolo e
la tipologia del feedback eventualmente fornito all’utente.
Date queste premesse, lo scopo della presente ricerca è
quello di valutare la fattibiltà di un protocollo riabilitativo per
pazienti con esiti di ictus, che integri l’approccio riabilitativo
“classico” (basato, cioè, sulla fisioterapia) con l’utilizzo di
una tecnologia avanzata quale quella dei sistemi BCI, nella
versione basata su motor imagery.
OBIETTIVI
Lo scopo dell’attività svolta durante il primo anno è stato
quello di mettere a punto un protocollo BCI basato su motor imagery che possa essere utilizzato a integrazione del
normale trattamento fisioterapico per pazienti trattati all’arto
superiore in seguito a ictus.
METODI
Un sistema BCI richiede la messa a punto di tre componenti
software, rispettivamente relative a:
1.gestione acquisizione biosegnali e preelaborazione degli
stessi;
2.classificatore, componente su cui si basa la componente di
mutual learning associata alla parte “computer” del sistema;
3.interfaccia verso l’end-user, elemento chiave al fine dell’esecuzione del task cognitivo richiesto (in questo caso, motor imagery in riferimento alla mano).
Per ciascuna di queste componenti sono state definite le specifiche di implementazione. In particolare, sulla base di evidenze sperimentali raccolte in precendenza su soggetti sani
(Carabalona, 2010 Proceedings of “Applied Sciences in Biomedical and Communication Technologies (ISABEL)”) e con
l’integrazione con risultati in letteratura, sono state defnite le
specifiche per il protocollo BCI in termini tipologia di task di
motor imagery, numero di trial per il task di motor imagery, tipo
di feedback e modalità di somministrazione dello stesso. Sono
stati, inoltre, definiti gli strumenti e i tempi per la valutazione
delle performance del paziente da un punto di vista clinico.
ATTIVITÀ
Durante il primo anno di attività sono state implementate le
tre componenti sofware: gestione acquisizione biosegnali,
implementazione classificatore, implementazione interfaccia
verso end-user. La somministrazione del protocollo BCI-Motor Imagery (BCI-MI) prevede più sessioni equispaziate nel
tempo rispetto al trattamento fisioterapico, ciascuna composta da gruppi di 30 task di motor imagery (15 relativi alla mano
destra e 15 relativi alla sinistra). Il feedback esterno è di tipo
continuo, visivo e astratto. Inoltre, tale feedback viene fornito
all’utente solo nelle sessioni centrali (non nella prima e nell’ultima) della sequenza associata al trattamento BCI-MI.
Il protocollo BCI-MI implementato è stato messo a punto
sia offline (cioè senza la necessità di acquisire biosegnali
concorrenti) sia saggiandone l’effetto su un volontario sano
(maschio, 55 anni, scolarità 21 anni) e su un soggetto con
emiplegia destra (maschio, 60 anni, scolarità 18 anni).
Ricerca corrente
BIFORA: Brain-Computer Interface for post-stroke
rehabilitation
Responsabile: Carabalona Roberta
Linea di Ricerca 1
Lo studio è in corso.
67
Linea di Ricerca 1
QIN, Quality in Interaction: valutare e migliorare
la qualità dell’interazione uomo-macchina
Responsabile: Carabalona Roberta
Ricerca corrente
BACKGROUND
68
Quando si fa riferimento alla interazione uomo-macchina, si
chiamano in causa tre elementi anche se solo due (uomo e
macchina) emergono esplicitamente. La componente relativa all’interfaccia, benché implicita è tuttavia fondamentale.
Essa, infatti, rappresenta il punto di incontro tra la componente umana e quella hardware e/o software. Nell’interfaccia convergono non solo gli obiettivi per cui il sistema è
costruito, ma anche i diversi modi di interpretare il raggiungimento degli stessi da parte dell’utente finale (end-user)
e del progettista dell’interfaccia stessa. Dal punto di vista
dell’end-user l’interfaccia e il sistema sottostante sono indistinguibili, cioè l’utente tende a identificare il funzionamento
del sistema con quello dell’interfaccia. Dal punto di vista del
progettista, invece, i due elementi sono separati e l’interfaccia è spesso pensata come un elemento non chiave. Questa
distinzione di punti di vista nella percezione dell’interfaccia
è, invece, un elemento estremamente critico per la qualità
dell’interazione uomo-macchina e tale criticità è ancora maggiore per quanto riguarda i sistemi Bran-Computer Interface (BCI). Nei sistemi BCI, infatti, l’interfaccia rappresenta lo
strumento attraverso il quale l’end-user può eseguire il task
cognitivo richiesto dal paradigma BCI selezionato e, quindi,
il carico cognitivo associato all’end-user risulta amplificato.
Inoltre, in tali sistemi l’input verso la macchina è dato dalle
modifiche dell’attività cerebrale dell’end-user, conseguenti
all’esecuzione del task cognitivo e questo implica che nella
valutazione della qualità dell’interazione debba entrare anche
la componente dedicata all’acquisizione dei biosegnali.
Nel caso di un’applicazione in ambiente domotico e per
comunicazione con altre persone, il task è tipicamente
visuo-attentivo ed è associato al potenziale evento-relato
P300 elicitato durante la somministrazione di stimoli di tipo
alfa-numerico (speller per la comunicazione) oppure iconici
(speller per l’ambiente domotico). I risultati di una precende ricerca (Carabalona et al., Ergonomics, 2012) condotta
nell’appartamento domotico presente nella struttura DAT

del Centro Santa Maria Nascente hanno mostrato che soggetti affetti da malattie neurodegenerative sono in grado di
utilizzare entrambi gli speller. Tuttavia, pur senza modificare
il tipo di paradigma BCI sottoposto all’end-user (P300 visiva), i risultati ottenuti hanno evidenziato che le performance
con lo speller basato su icone sono state, per alcuni utenti,
peggiori rispetto a quelle che gli stessi hanno ottenuto con
lo speller basato su caratteri. Partendo da tale evidenza, si
è voluto indagare l’origine di tale differenza nelle performances degli end-user con i due tipi di speller.
OBIETTIVI
In relazione alle criticità esposte nel paragrafo precedente, la
presente ricerca ha avuto come obiettivi:
1.messa a punto di un protocollo di acquisizione finalizzato allo studio delle criticità nell’uso di sistemi speller BCI
basati su P300 visiva sia per la comunicazione sia per il
controllo di un ambiente domotico;
2.valutazione della sostenibilità per l’end-user dei due differenti speller (in collaborazione con il servizio DAT dell’IRCCS
Santa Maria Nascente, Fondazione Don Gnocchi);
3.estensione della versione prototipale del sistema portabile per l’acquisizione di biosegnali da 8 a 32 canali (in collaborazione con il Politecnico di Milano);
4.implementazione dell’interfaccia per la gestione della configurazione del sistema di cui al punto 3, (in collaborazione
con il Politecnico di Milano).
METODI
Rispetto ai primi due obiettivi, è stato implementato un
protocollo sperimentale di tipo entro-soggetti. Sono state
manipolate due variabili (fattori) relative all’interfaccia verso
l’end-user: contrasto (F1 su 2 livelli: A1 e B1, A1 è pari a
quello utilizzato nella ricerca precedente) e tempo di somministrazione dello stimolo (F2 su 2 livelli: A2 e B2, A2 è
pari a quello utilizzato nella ricerca precendente). Per ciascun
tipo di speller (sempre matrici 6x6) si avevano quattro possibili prove, originate dalla combinazione dei livelli dei due
fattori. La randomizzazione delle sequenze sperimentali per
ciascun tipo di speller è stata fatta sulla base di un quadrato
latino bilanciato. Tutte le acquisizioni sono state effettuate
nell’appartamento domotico presente all’interno del servizio
Linea di Ricerca 1
Complessità dei biosegnali in fisiologia e clinica –
Fase I (2013)
Responsabile: Castiglioni Paolo
BACKGROUND
L’andamento nel tempo di grandezze fisiologiche (biosegnali)
monitorate al letto del paziente o, come sempre più frequentemente è il caso, registrate con dispositivi indossabili durante le attività quotidiane, può dare utili informazioni sullo stato
di salute del soggetto. In particolare, alcuni aspetti della dinamica dei biosegnali possono rivelare l’efficacia di trattamenti
riabilitativi o precoci alterazioni nei meccanismi fisiologici di
regolazione. L’estrazione e l’interpretazione di queste informazioni sono però rese difficili dal carattere di “complessità”
(e cioè irregolarità, impredittibilità e autosomiglianza) che può
assumere la dinamica dei biosegnali. La dinamica complessa
è dovuta alle interazioni tra diversi sistemi fisiologici di regolazione dell’organismo, spesso strutturalmente organizzati secondo geometrie frattali. Nasce, quindi, l’esigenza da un lato
di sviluppare metodi di analisi di complessità per estrarre al
meglio queste informazioni, dall’altro di applicarli in condizioni
specifiche per comprenderne il significato fisiologico e clinico.
Ricerca corrente
OBIETTIVI
70
La ricerca è volta a sviluppare e interpretare nuovi metodi di
analisi della dinamica complessa dei biosegnali, cioè algoritmi che tengano conto delle caratteristiche di impredittibilità
e autosomiglianza. In particolare, gli obiettivi sono:
1.definire nuovi stimatori più adatti degli attuali a descrivere
il grado di impredittibilità e la struttura di autosomiglianza;
2.applicare tali stimatori a segnali di diversa natura (elettromiografie EMG e meccanomiogrammi MMG, tracciati di
variabilità pressoria battito-battito BPV, monitoraggi pressori ambulatoriali ABPM), in diverse condizioni sperimentali, per ricavarne possibili chiavi interpretative.
METODI
EMG e MMG. Si è studiata una nuova procedura per quantificare il grado di irregolarità o entropia, basata sull’algoritmo
Norm Component Matrix (NCM) recentemente proposto in
letteratura per il calcolo veloce della somma di correlazione su numerose dimensioni di immersione. Per verificare
la validità di questo nuovo approccio sono stati considerati

tracciati EMG e MMG registrati in 8 volontari sani durante
contrazione isometrica della durata di 25 s, confrontando il
nuovo stimatore con gli stimatori tradizionali di entropia.
BPV. Per valutare l’influenza del controllo nervoso autonomo
sulla dinamica di complessità di biosegnali di natura cardiovascolare sono state selezionate, dal database di laboratorio, registrazioni di pressione arteriosa sanguinea battito-battito precedentemente acquisite in 11 ratti prima e dopo blocco simpatico
completo con infusione di esametonio e in 5 volontari prima e
dopo blocchi farmacologici selettivi delle efferenze simpatiche
e parasimpatiche cardiache. La dinamica battito-battito è stata
analizzata in termini di struttura di autosomiglianza e di entropia
condizionale. In particolare, in collaborazione con l’Università di
Milano, è stato studiato un nuovo stimatore di entropia condizionale basato sulla tecnica K-nearest neighbor (KNN) e sono
stati valutati due nuovi metodi incentrati su entropia condizionale e probabilità condizionale per ricavare:
1.le componenti lineari e non lineari dell’accoppiamento
pressione-frequenza;
2.le relazioni di causa-effetto tra i segnali di frequenza cardiaca, di pressione arteriosa sistolica e di movimento respiratorio del torace.
ABPM. Dispositivi automatici con sfigmomanometro a bracciale sono ora disponibili per monitorare la pressione arteriosa
su lunghi periodi, per esempio 24 ore. Il loro uso permette di
descrivere le variazioni notte/giorno sia del livello pressorio che
dell’ampiezza delle fluttuazioni pressorie, anche se limitazioni
tecniche non consentono di avere più di una misura di pressione ogni 20 o 30 minuti. A causa, però, della bassa frequenza
con cui avvengono le misure di pressione, nessuna informazione viene invece ricavata sulla struttura della dinamica del segnale pressorio. Per descrivere la struttura di autosomiglianza
dei segnali di pressione sistolica e diastolica e di frequenza cardiaca ricavati da questi monitoraggi ambulatori della pressione
sanguinea (ABPM), si è considerato un algoritmo di stima della
dimensione frattale recentemente proposto per l’analisi di serie temporali particolarmente brevi (decine di valori) quali sono
quelle ricavate dai monitoraggi ABPM. A questo scopo, in collaborazione con l’Istituto Auxologico Italiano, sono stati analizzati
tracciati ABPM sulle 24 ore ottenute in 67 ipertesi non trattati.

so. Dal giorno alla notte essa non si modifica per la pressione
sistolica, mentre aumenta significativamente per la pressione
diastolica. Questi risultati mostrano che la dimensione frattale
può fornire informazioni sulla dinamica complessa delle serie
pressorie e, quindi, sulla regolazione pressoria di lungo periodo
che sono complementari a quelle ricavate dagli indici che tradizionalmente descrivono i tracciati ABPM.
Prodotti Scientifici
• Castiglioni P, Zurek S, Piskorski J, Kosmider M, Guzik P, Cè
E, Rampichini S, Merati G. Assessing Sample Entropy of
physiological signals by the norm component matrix algorithm: Application on muscular signals during isometric contraction. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2013. 2013:50536. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24110871.
• Castiglioni P, Di Rienzo M, Radaelli A. Effects of autonomic ganglion blockade on fractal and spectral components
of blood pressure and heart rate variability in free-moving
rats. Auton Neurosci. 2013. 178:44-9. http://www.ncbi.
nlm.nih.gov/pubmed/23465355.
• Porta A, Castiglioni P, Bari V, Bassani T, Marchi A, Cividjian
A, Quintin L, Di Rienzo M. K-nearest-neighbor conditional
entropy approach for the assessment of the short-term
complexity of cardiovascular control. Physiol Meas. 2013.
34:17-33. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23242201.
• Porta A, Castiglioni P, Di Rienzo M, Bari V, Bassani T, Marchi A, Wu MA, Cividjian A, Quintin L. Information domain
analysis of the spontaneous baroreflex during pharmacological challenges. Auton Neurosci. 2013. 178:67-75.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23541296.
• Porta A, Castiglioni P, Di Rienzo M, Bassani T, Bari V, Faes
L, Nollo G, Cividjan A, Quintin L. Cardiovascular control
and time domain Granger causality: insights from selective autonomic blockade. Philos Trans A Math Phys Eng
Sci. 2013. 371:20120161. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
pubmed/23858489.
• Faini A, Parati G, Di Rienzo M, Castiglioni P. Night and Day
Changes in Heart Rate and Blood Pressure Fractal Dimensions from 24-hour Ambulatory Blood Pressure Monitoring
Devices. Computing in Cardiology. 2013. 40:475-478 ISSN
2325-8861 http://www.cinc.org/archives/2013/pdf/0475.pdf.
Ricerca corrente
ATTIVITÀ
EMG. Lo studio teorico dell’algoritmo NCM ha suggerito
che il modo migliore per stimare l’entropia di un segnale sia
di fissare i parametri di stima in modo da massimizzare la
variazione, tra successive dimensioni di immersione, nella
somma di correlazione. Il nuovo metodo è particolarmente
efficace per analizzare segnali di lunga durata. Applicato ai
tracciati EMG e MMG, questo metodo ha fornito stime statisticamente più stabili degli stimatori tradizionali evidenziando peculiari caratteristiche nella dinamica dei due segnali.
BPV. L’analisi di autosomiglianza dei segnali pressori battitobattito nel ratto prima e dopo blocco simpatico completo ha
permesso di descrivere in modo preciso come la struttura
frattale dei segnali cardiovascolari dipenda dall’attività nervosa simpatica vascolare e cardiaca.
Lo stimatore di entropia condizionale KNN applicato ai tracciati pressori registrati in volontari soggetti a blocchi autonomici
farmacologici ha mostrato performance statistiche superiori
agli stimatori tradizionali quando i segnali sono di breve durata (alcuni minuti). L’analisi basata sull’entropia condizionata
dell’accoppiamento lineare e non lineare tra pressione sistolica e frequenza cardiaca nei volontari sottoposti a blocchi
autonomici farmacologici ha permesso di quantificare aspetti
del controllo riflesso barocettivo non evidenziabili coi metodi
tradizionalmente impiegati in letteratura. In particolare, si è
messo in luce il ruolo delle efferenze vagali nell’introdurre una
componente non lineare nel baroriflesso.
L’analisi delle relazioni di causa effetto tra segnali cardiovascolari e respiratori negli stessi volontari ha mostrato una forte relazione bidirezionale tra frequenza cardiaca e pressione
sistolica (feedback baroriflesso e accoppiamento meccanico
diretto) e una relazione unidirezionale tra respiro e pressione
sistolica (accoppiamento meccanico) in condizione basale e
che i blocchi autonomici modificano l’intensità di tali relazioni. I risultati suggeriscono quindi l’utilità di analisi di causalità
per descrivere il controllo cardiocircolatorio.
ABPM. L’analisi dei tracciati pressori nei soggetti ipertesi ha
mostrato che, a fronte di una significativa riduzione dal giorno
alla notte della pressione media e dell’ampiezza delle fluttuazioni pressorie, la dimensione frattale segue un andamento diver-
Linea di Ricerca 1
71
Linea di Ricerca 1
Complessità dei biosegnali in fisiologia e clinica –
Fase II (2014)
Responsabile: Castiglioni Paolo
BACKGROUND
Nel dicembre 2014 si è conclusa la presente ricerca, nata
dall’esigenza di estrarre al meglio le informazioni sullo stato
di salute del paziente da specifici aspetti della dinamica dei
biosegnali. Questa dinamica è sensibile alle interazioni tra
differenti sistemi di regolazione e controllo dell’organismo e,
quindi, può riflettere le differenti condizioni in cui si trova il
soggetto (riposo, attività fisica ecc.) e, soprattutto, eventuali
alterazioni dovute a patologie. Le interazioni tra questi sistemi sono spesso caratterizzate da numerosi gradi di libertà e
avvengono tra strutture con geometrie frattali; ciò fa si che
i biosegnali monitorati sul paziente abbiano caratteristiche
di “dinamica complessa”. Per questo motivo è utile saper
quantificare e interpretare correttamente le componenti di
irregolarità, impredittibilità e autosomiglianza, che costituiscono una parte consistente della dinamica complessa dei
biosegnali.
Ricerca corrente
OBIETTIVI
72
La presente ricerca ha un duplice obiettivo. Il primo è di
sviluppare nuovi metodi di analisi dei biosegnali per meglio
quantificare determinati aspetti di dinamica complessa. Il
secondo è di applicare le tecniche di analisi di complessità
in condizioni specifiche, per comprenderne il significato in
fisiologia e in clinica e per valutarne la capacità di riconoscere differenti condizioni fisiologiche o lo stato di salute
dei pazienti. In particolare, obiettivi della ricerca nel secondo anno di attività hanno riguardato come quantificare la
complessità di serie multivariate e l’applicazione di analisi
frattali e di entropia per identificare disturbi del sonno o
descrivere aspetti della regolazione cardiovascolare nelle
24 ore.
METODI
L’attività di ricerca specificatamente dedicata allo sviluppo di
nuovi metodi si è focalizzata, nel corso del secondo anno, su:
1.ideare uno stimatore che misuri la densità con cui le traiettorie di tracciati multivariati ricoprono lo spazio delle fasi
(indice di “convolutedness”);

2.estendere a serie multivariate uno stimatore di dimensione frattale da noi proposto in passato;
3.valutare l’applicabilità di stimatori di entropia di permutazione per lo studio di serie cardiovascolari.
Per queste attività si sono utilizzate serie sintetizzate e tracciati reali bivariati composti da: elettromiogramma (EMG),
meccanomiogramma (MMG), da tacogramma battito-battito
e respirogramma in volontari sani.
Per quanto riguarda l’attività di ricerca volta a comprendere
aspetti legati alla fisiologia o allo stato di salute dell’individuo da metodi di complessità, nel corso del secondo anno si
sono considerati differenti aspetti del controllo cardiocircolatorio. In particolare:
4.l’algoritmo NCM per la stima della Sample Entropy, da noi
studiato nel primo anno di questa ricerca corrente, è stato
applicato su registrazioni Holter ECG di 24 ore per verificare l’esistenza di modulazioni circadiane nel contenuto di
complessità;
5.l’indice di dimensione frattale da noi recentemente proposto è stato usato per quantificare alterazioni locali nella
dinamica della frequenza cardiaca, in tracciati polisonnografici di 10 pazienti che soffrivano di apnee ostruttive o
miste durante il sonno;
6.lo stesso indice è stato anche applicato a monitoraggi di
pressione arteriosa ambulatoriale in 47 volontari normotesi per valutare differenze nella struttura di complessità di
lungo periodo della pressione arteriosa e della frequenza
cardiaca, sia di giorno che di notte;
7.differenti misure di variabilità della frequenza cardiaca
sono state correlate alla performance fisica per valutare
se indici legati al controllo neurovegetativo predicono la
qualità della performance anaerobica (lo studio ha coinvolto 13 atleti);
8.si sono utilizzati sia indici spettrali che di autosomiglianza
della variabilità di frequenza cardiaca per verificare se le
alterazioni che caratterizzano i pazienti post-infartuati con
ridotta frazione di eiezione si presentano anche in pazienti
con patologia coronarica, ma con intatta frazione di eiezione. Lo studio è stato condotto su 11 pazienti post-infartuati
e su 11 pazienti coronarici.

esercizi intensi, ma di breve durata. Infine, l’applicazione
degli indici di variabilità di frequenza cardiaca ai tracciati di
pazienti cardiologici ha mostrato che, anche se non è compromessa la capacità pompante del cuore, gli indici spettrali
di frequenza cardiaca sono sostanzialmente alterati, in modo
del tutto simile a quanto si osserva nei pazienti cardiologici
con ridotta frazione di eiezione. L’analisi nel dominio della
complessità (indici di autosomiglianza) sembra suggerire l’esistenza di marginali differenze tra i due gruppi di pazienti,
ma ulteriori approfondimenti sono necessari per confermare
questo risultato.
Articoli
• Merati G, Maggioni MA, Invernizzi PL, Ciapparelli C, Agnello L, Veicsteinas A, Castiglioni P. “Autonomic modulations
of heart rate variability and performances in short-distance
elite swimmers”. Eur J Appl Physiol. 2014, Dec 4. [Epub
ahead of print].
• Radaelli A, Mancia G, Balestri G, Rovati A, Anzuini A, Di
Rienzo M, Paolini G, Castiglioni P. “Cardiovascular variability is similarly altered in coronary patients with normal
left ventricular function and in heart failure patients”. J
Hypertens. 2014, Nov. 32(11):2261-6; discussion 2266.
doi: 10.1097/HJH.0000000000000312.
• Castiglioni P, Merati G, Faini A. “Assessing the convolutedness of multivariate physiological time series”. Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2014
36th Annual International Conference of the IEEE . 2014,
26-30 Aug. Vol., no., page(s): 6024,6027. doi: 10.1109/
EMBC.2014.6945002.
• Castiglioni P, Faini A, Parati G, Lombardi C. “Fractal
analysis of cardiorespiratory signals for sleep stage classification”. 8th Conference of the European Study Group
on Cardiovascular Oscillations (ESGCO). 2014, 25-28 May.
Page(s): 83,84. doi: 10.1109/ESGCO.2014.6847530.
• Porta A, Bari V, Marchi A, Bassani T, Castiglioni P, Di Rienzo M, Cividjian A, Quintin L. “Comparison between
permutation and coarse-grained entropy approaches for
the assessment of short-term complexity of heart period
Ricerca corrente
ATTIVITÀ
Per quanto riguarda lo sviluppo di nuovi metodi di complessità, l’analisi di serie simulate e di tracciati EMG e MMG in
volontari sani ha mostrato la capacità dell’indice di “convolutedness” – da noi proposto – di quantificare aspetti specifici di complessità e di rivelare fenomeni di affaticamento
muscolare meglio di altri indici. La valutazione del nuovo
stimatore di dimensione frattale bivariata applicato su tacogrammi e respirogrammi registrati durante riposo notturno
ha indicato che esso può aiutare a discriminare le fasi del
sonno. Lo studio dell’indice di entropia di permutazione ha
invece mostrato criticità quando applicato su tacogrammi,
consigliando di usare altri stimatori di entropia, perlomeno in
ambito cardiovascolare.
Per quanto riguarda la parte di ricerca volta a studiare come
l’analisi di complessità possa aiutare a meglio comprendere
variazioni nelle condizioni fisiologiche di un soggetto, l’applicazione dell’algoritmo NCM per la stima della sample entropy ha rivelato sostanziali modulazioni giorno/notte nella
struttura di complessità della frequenza cardiaca, indicando,
quindi, un’influenza dei ritmi circadiani sulla dinamica complessa di questa serie temporale. Inoltre, l’indice di dimensione frattale da noi ideato e validato in passato, applicato
nella presente ricerca per valutare alterazioni locali nella
dinamica complessa della frequenza cardiaca, ha mostrato di differire significativamente se calcolato in presenza
di un’apnea centrale piuttosto che in presenza di un’apnea
mista. Ciò suggerisce la possibilità di usare tale indice in futuro per identificare il tipo di apnea notturna dalla semplice
registrazione congiunta di tacogramma e saturimetria. Lo
stesso indice, applicato a misure di pressione arteriosa ambulatoriale su 24 ore, ha mostrato sostanziali differenze tra
il giorno e la notte nella struttura di correlazione della pressione arteriosa e della frequenza cardiaca, rivelando aspetti
della regolazione di lungo termine non evidenziabili con altri
metodi. Inoltre, diversi stimatori indipendenti della dinamica
di frequenza cardiaca hanno coerentemente indicato l’esistenza di una relazione inversa tra tono vagale a riposo e
capacità di compiere uno sforzo anaerobico, fornendo nuove evidenze sull’adattamento cardiovascolare in risposta a
Linea di Ricerca 1
73
Linea di Ricerca 1
variability”. 8th Conference of the European Study Group
on Cardiovascular Oscillations (ESGCO). 2014, 25-28 May.
Page(s): 7,8. doi: 10.1109/ESGCO.2014.6847492.
• Zurek S, Piskorski J, Guzik P, Kosmider M, Lewandowski
M, Castiglioni P. “Day-to-night variations of RR intervals
complexity observed in 24-h ECG Holter R”. 8th Conference of the European Study Group on Cardiovascular Oscillations (ESGCO), 2014, 25-28 May. Page(s): 203,204. doi:
10.1109/ESGCO.2014.6847590.
• Castiglioni P, Faini A, Lombardi C, Di Rienzo M, Ciullo
A, De Felice A, D’Addio G. “Characterization of apnea
events in sleep breathing disorder by local assessment
of the fractal dimension of heart rate”. 8th Conference
of the European Study Group on Cardiovascular Oscillations (ESGCO). 25-28 May 2014. Page(s): 107,108. doi:
10.1109/ESGCO.2014.6847542.
• Faini A, Parati G, Bilo G, Di Rienzo M, Castiglioni P. “Fractal characteristics of blood pressure and heart rate from
ambulatory blood pressure monitored over 24 hours”. 8th
Conference of the European Study Group on Cardiovascular Oscillations (ESGCO). 2014, 25-28 May. Page(s): 73,74.
doi: 10.1109/ESGCO.2014.6847525.

Architetture per la misura non intrusiva di segnali
biologici e comportamentali attraverso sensori
indossabili e sensori ambientali con applicazioni
nella domotica sanitaria, home care, telemedicina
e teleriabilitazione – Fase I (2013)
Responsabile: Di Rienzo Marco
BACKGROUND
Nel corso del 2013 si sono svolte attività in collaborazione con
l’Istituto Auxologico Italiano per valutare l’utilizzabilità del sistema MagIC per il monitoraggio dei pazienti con scompenso
cardiaco diastolico, con la Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa
per il monitoraggio remoto dei pazienti portatori di sistemi per
l’assistenza ventricolare (VAD), con l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) per la valutazione
della funzionalità cardiovascolare in microgravità e con l’Ospedale Buzzi per lo sviluppo di una nuova versione dell’indumento MagIC per un uso in ambito neonatale (Baby-MagIC).
È inoltre proseguita l’attività interna di sviluppo e ottimizzazione
per la rilevazione della meccanica cardiaca dei pazienti durante
la loro attività quotidiana attraverso l’uso di accelerometri.
Le attività di questo progetto sono svolte dal Laboratorio per lo
Sviluppo dei Sensori Indossabili, Domotica Sanitaria e Telemedicina (WeSTLab). Alcune delle attività sono svolte in collaborazione con il Laboratorio di Ricerche Cardiovascolari (LaRC).
Ricerca corrente
OBIETTIVI
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1.Valutare l’utilizzabilità del sistema MagIC in vari ambiti applicativi.
2.Sviluppare una versione pediatrica del sistema MagIC e
una piattaforma per il monitoraggio remoto dei bambini.
3.Sviluppare un sistema indossabile per la rilevazione della
meccanica cardiaca durante l’attività spontanea quotidiana e in condizioni di microgravità.
4.Sviluppare una nuova piattaforma di sensori wireless (mote)
per la creazione di una Wireless Body Area Network.
METODI
1.Le attività di sperimentazione sui pazienti con scompenso
cardiaco diastolico si sono svolte in sinergia con il progetto “Tele-HF” della Regione Lombardia. Si è proceduto in
particolare alla miniaturizzazione del modulo elettronico
del sistema MagIC e all’integrazione nello stesso della cir-
cuiteria per la misura dell’impedenza elettrica toracica. Si
sono inoltre analizzati i dati raccolti durante l’intero progetto, incluse le registrazioni domiciliari effettuate nel corso
del 2012 su 7 pazienti per un periodo di 90 gg. L’analisi di
fattibilità dell’utilizzo del sistema MagIC in pazienti con VAD
è stata effettuata in collaborazione con il consorzio del progetto europeo SensorART ed è stata finalizzata a verificare la compatibilità tra il nostro sistema e l’apparecchiatura
VAD in termini ergonomici e di interferenza elettrica.
2. In collaborazione con l’Ospedale Buzzi, a valle di prove
e prototipazioni effettuate nel 2012, si è proceduto a un
affinamento del sistema di monitoraggio neonatale.
3.Le attività in questo settore si sono focalizzate: a. sullo sviluppo di una metodologia indossabile che permetta la rilevazione di parametri della meccanica cardiaca durante l’attività
spontanea attraverso la misura delle microvibrazioni prodotte dal cuore nel corso di ogni contrazione (sismocardiogramma); b. sull’implementazione di questa metodologia in un
indumento sensorizzato per la rilevazione dei segni vitali in
microgravità a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.
4.Il piano della ricerca include lo sviluppo di una rete di microcircuiti elettronici, ciascuno della dimensione approssimativa di una moneta, totalmente senza fili (mote), che
permettano di alloggiare svariati tipi di sensori biologici e
che siano posizionabili su qualunque parte del corpo attraverso del nastro biadesivo.
ATTIVITÀ
1.La sperimentazione della piattaforma di telemedicina basato sulla maglietta MagIC effettuata sui pazienti con scompenso cardiaco diastolico ha evidenziato che la rilevazione
domiciliare dei segnali attraverso indumenti sensorizzati è
fattibile, la qualità del segnale ECG è in generale buona, la
metodica di trasmissione dei dati basata su una chiavetta
UMTS è affidabile (previa accertamento iniziale della copertura del servizio nella zona di domicilio del paziente) e il sistema di veicolazione dei dati attraverso la posta elettronica
permette una facile utilizzazione e consultazione da parte
del caregiver. Si è invece rilevata una certa instabilità nella
rilevazione domiciliare dell’impedenza toracica.
Poiché durante le prove in laboratorio il segnale dell’impe-
Linea di Ricerca 1
denza era decisamente più stabile, i risultati ottenuti suggeriscono l’opportunità di ulteriori affinamenti per quanto
riguarda gli aspetti ergonomici dell’indumento, in modo
da assicurare un corretto posizionamento dei 4 elettrodi
tessili utilizzati per la rilevazione del segnale anche durante l’uso domiciliare in assenza, quindi, della supervisione
da parte di personale specializzato. Ulteriori dettagli sulle
attività e risultati sono riportati nella relazione finale del
progetto Tele-HF. L’analisi di fattibilità dell’utilizzo del sistema MagIC in pazienti con VAD è stata effettuata in 6
soggetti durante attività fisica (test dei 6 minuti o esercizio su cyclette). La qualità dei segnali registrati è risultata
buona e non si sono rilevate interferenze da parte delle
componenti elettroniche ed elettromeccaniche (pompa)
del sistema VAD. I pazienti hanno anche trovato confortevole l’utilizzo di MagIC. I dettagli di queste prove saranno riportati nella relazione finale del progetto SensorART.
Inoltre, si è giunti alla pubblicazione di un lavoro ottenuto
dalle ulteriori analisi fatte sui dati raccolti attraverso MagIC durante la spedizione in alta quota sul Monte Everest
effettuata nel 2008. Obiettivo principale del lavoro era
di valutare eventuali differenze di genere nella risposta
all’ipossia ipobarica durante il sonno. È noto che la riduzione della pressione dell’ossigeno in alta quota provoca
apnee di origine centrale durante il sonno. I dati raccolti
indicano che in quota le donne rispondono meglio all’ipossia e hanno significativamente meno apnee notturne
centrali degli uomini. Lo studio include anche una parte
metodologica. Infatti, utilizzando dati ottenuti in un’altra
spedizione in alta quota sul Monte Rosa, si è comparato il
sistema MagIC con un sistema polisonnografico portatile
commerciale (Embletta). In 14 soggetti partecipanti alla
spedizione, sono state effettuate rilevazioni nel sonno
utilizzando simultaneamente i due sistemi e l’analisi delle
registrazioni ha fornito misure praticamente sovrapponibili. Questo risultato costituisce un positivo supporto alla
applicabilità di MagIC per monitoraggi in condizioni ambientali estreme. Per ulteriori approfondimenti si rimanda
alla pubblicazione.
2.Per quanto riguarda la collaborazione con l’Ospedale Buz-
Ricerca corrente

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zi, è proseguita la messa a punto del nuovo indumento
sensorizzato neonatale. Inoltre, in sinergia con gli altri
obiettivi qui riportati si è provveduto alla miniaturizzazione
del modulo elettronico del sistema, in modo da aumentare il comfort per il neonato.
3.In questo settore si è proceduto all’affinamento di aspetti
tecnologici e di analisi dei segnali che hanno permesso
di giungere alla stima di parametri della meccanica cardiaca durante il comportamento quotidiano spontaneo
attraverso la misura del sismocardiogramma rilevato dalla
maglietta MagIC. La metodologia è stata testata analizzando dati precedentemente raccolti in 5 soggetti che
hanno indossato l’indumento per 24 ore. Abbiamo verificato che di notte si ottengono stime battito a battito
degli indici di meccanica cardiaca e quindi che è possibile
valutarne le caratteristiche di variabilità sia a breve che
a lungo termine. La stessa metodologia è stata, inoltre,
utilizzata per lo sviluppo di un indumento, derivato dalla
maglia MagIC, che verrà utilizzato in una serie di esperimenti volti a studiare la fisiologia del sonno in microgravità
a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. L’esigenza
nasce dall’osservazione che durante le missioni spaziali
la qualità del sonno degli astronauti è ridotta, sebbene i
tracciati EEG siano normali, i motivi di questo fenomeno
non sono stati ancora accertati. I risultati dello studio sono
anche attinenti alla comprensione dei meccanismi responsabili di distrurbi del sonno a terra. Le attività, iniziate
nel maggio 2013, hanno riguardato il completo ridisegno
del sistema MagIC in modo da renderlo compatibile con il
contesto ambientale specifico e con le normative vigenti
per l’utilizzo spaziale. Gli esperimenti a bordo inizieranno
nel dicembre 2014 e prevedono 5 registrazioni effettuate
durante il sonno nell’arco di 3 mesi. Le attività sono svolte
nell’ambito dei progetti “3d-BCG” e “WearMon” finanziati dall’ASI.
4.Nel corso del 2013 a valle di un’indagine sulle tecnologie
esistenti è iniziata la progettazione del mote.
• Di Rienzo M, Racca V, Rizzo F, Bordoni B, Parati G, Castiglioni P, Meriggi P, Ferratini M. Evaluation of a textile-

based wearable system for the electrocardiogram monitoring in cardiac patients. Europace (2013) 15 (4): 607-612.
• Lombardi C, Meriggi P, Agostoni P, Faini A, Bilo G, Revera
M, Caldara G, Di Rienzo M, Castiglioni P, Maurizio B, Gregorini F, Mancia G, Parati G. High altitude hypoxia, and periodic breathing during sleep: gender related differences.
J Sleep Res. 2013, 22(3):322-30
• Di Rienzo M, Vaini E, Castiglioni P, Merati G, Meriggi P, Parati G, Faini A, Rizzo F. Wearable seismography: towards
a beat-to-beat assessment of cardiac mechanics in ambulant subjects. Auton Neurosci 2013, 178:50-59.
Atti di Congresso
• Di Rienzo M, Vaini E, Castiglioni P, Meriggi P, Rizzo F. “Beat-to-beat estimation of LVET and QS2 indices of cardiac
mechanics from wearable seismocardiography in ambulant subjects. Engineering in Medicine and Biology Society
(EMBC)”. 2013 35th Annual International Conference of the
IEEE Digital Object Identifier: 10.1109/EMBC.2013.6611173.
Publication Year: 2013. Page(s): 7017-7020.
Congressi – organizzazione di sessioni e partecipazione a
invito
• Di Rienzo M. “Beat-to-beat assessment of the interaction between systolic time intervals and blood pressure
variability”. 2013, June 13. Annual Conference of the European Society of Hypertension – Investigator Generated
Satellite Symposium. (Invito)
• 35th Annual Conference of the IEEE EMBS. 2013, Osaka.
“Organizzatore sessione: Ballistocardiography and Seismocardiography: towards an assessment out of the laboratory setting. Methods, Algorithms, Interpretation and
Clinical Value (Part I & II)”.
• Di Rienzo M. “Wearable sensors: a smart solution for the
monitoring of vital signs in daily life and extreme environmental conditions”. International Conference of Medical Physics. 2013, Brigthon. (Invito)
• Di Rienzo M. “Nuova metodica per la valutazione della
meccanica cardiaca durante il sonno mediante sensori
indossabili. Simposio Apnee nel sonno e insufficienza cardiaca”. 74° Congresso Nazionale della Società Italiana di
Cardiologia. 2013. (Invito)
Metodologie per lo studio del sistema
cardiorespiratorio e dei suoi meccanismi
di controllo e loro applicazioni in ambito
fisiologico e clinico – Fase I (2013)
BACKGROUND
In vari settori della clinica e della fisiologia clinica si registra
una crescente necessità di metodiche non invasive e non
intrusive che permettano:
1.la valutazione in fase di diagnosi e di trattamento farmacologico/riabilitativo della funzionalità cardiorespiratoria e dei
suoi meccanismi di controllo;
2.lo studio dei meccanismi fisiopatologici legati a disfunzioni del controllo neurogeno del circolo e delle strategie
di adattamento del sistema cardiovascolare a condizioni
ambientali e comportamentali estreme. Questo progetto
rappresenta il proseguimento delle attività pregresse del
nostro gruppo nel settore e si articola in una serie di ricerche di tipo metodologico e applicativo focalizzate sui due
punti sopra citati. Le attività sono svolte dal Laboratorio di
Ricerche Cardiovascolari (LaRC).
Alcune delle attività sono svolte in collaborazione con il Laboratorio per lo Sviluppo dei Sensori Indossabili, Domotica
Sanitaria e Telemedicina (WeST Lab).
Obiettivi
1.Sviluppare algoritmi e procedure per la valutazione della
funzionalità meccanica del cuore durante l’attività quotidiana spontanea (in collaborazione con il WeSTLab) e delle interazioni con il controllo neurogeno del circolo.
2.Applicare le metodiche sviluppate per il monitoraggio in
remoto dello stato di salute, degli effetti della terapia e dei
trattamenti riabilitativi in pazienti con patologie specifiche.
3.Studiare i meccanismi di controllo cardiovascolare nella
patologia e in condizioni ambientali estreme (alta quota e
microgravità).
ATTIVITÀ
1.A seguito di una valutazione dello stato dell’arte e delle
problematiche specifiche, si sono sviluppate procedure
software per: a. l’analisi dei tracciati multiparametrici di lunga durata del sismocardiogramma, elettrocardiogramma,
Linea di Ricerca 1
respiro; b. l’identificazione ed editing degli artefatti; c. la
rilevazione automatica dei punti fiduciali del sismocardiogramma utilizzati per la stima della funzionalità meccanica
del cuore (apertura e chiusura delle valvole mitrale e aortica
e punto di massima accelerazione del sangue nel passaggio dal ventricolo in aorta); d. l’estrazione battito-a-battito
dei parametri derivati. Inoltre, si sono sviluppati algoritmi
specifici che permettono di correlare i parametri di meccanica cardiaca ottenuti dal sismocardiogramma con il segnale continuo della pressione arteriosa digitale rilevato dal
Finometer, al fine di studiare le interrelazioni esistenti tra
pressione arteriosa, Pulse Transit Time, PTT e le varie fasi
del ciclo cardiaco.
2.Le metodiche sviluppate sono poi state utilizzate per valutare i monitoraggi in remoto effettuati nei pazienti con
scompenso cardiaco diastolico e descritte nelle attività
del progetto di Ricerca Corrente “Architetture per la misura non intrusiva di segnali biologici e comportamentali
attraverso sensori indossabili e sensori ambientali con applicazioni nella domotica sanitaria, home care, telemedicina e teleriabilitazione”.
3.Nel 2013 parte delle attività in questo settore si sono
concentrate nella preparazione e pubblicazione di lavori
basati su dati sperimentali raccolti negli anni scorsi. In
particolare si sono studiate: a. le interrelazioni tra sodiosensitività e modifica del profilo della pressione arteriosa
nelle 24 ore; b. le modificazioni delle componenti non lineari della variabilità di frequenza cardiaca e pressione arteriosa in risposta a modificazioni nel funzionamento del
sistema nervoso autonomo; le ricerche a. e b. sono state
effettuate in collaborazione con il Laboratorio per l’Analisi
dei Biosegnali; c. gli effetti della ipossia nel sonno in alta
quota. Inoltre, in vista della misura del sismocardiogramma durante il sonno in microgravità si sono approfonditi,
attraverso prove sperimentali, gli aspetti metodologici
relativi alla stabilità e riproducibilità nel tempo di questo
segnale. Sono state effettuate anche rilevazioni simultanee ecocardiografiche e del sismocardiogramma, al fine
di verificare la corrispondenza tra i punti di repere del segnale e gli effettivi eventi cardiaci di apertura e chiusura
Ricerca corrente

77
Linea di Ricerca 1
delle valvole aorta e mitrale. Infine, in collaborazione con
l’Unità di Riabilitazione Cardiologica del Centro SMN della
Fondazione, è proseguita la raccolta dei dati sui pazienti
affetti da Sclerosi Multipla, finalizzata a valutare gli effetti
sul controllo autonomo cardiovascolare della somministrazione del farmaco Gylenia.
Ricerca corrente
78
• Radaelli A, Castiglioni P, Cerrito MG, De Carlini C, Soriano
F, Di Rienzo M, Lavitrano ML, Paolini G, Mancia G. Infusion of E. coli lipopolysaccharides toxin in rats produces
an early and severe impairment of baroreflex function in
absence of blood pressure changes. Shock. 2013, Feb.
39(2):204-9.
• Porta A, Castiglioni P, Bari V, Bassani T, Marchi A, Cividjian
A, Quintin L, Di Rienzo M. K-nearest-neighbors conditional entropy approach for the assessment of short-term
complexity of cardiovascular control. Physiol Meas. 2013.
34:17-33.
• Lombardi C, Meriggi P, Agostoni P, Faini A, Bilo G, Revera
M, Caldara G, Di Rienzo M, Castiglioni P, Maurizio B, Gregorini F, Mancia G, Parati G. High altitude hypoxia, and periodic breathing during sleep: gender related differences.
J Sleep Res. 2013. 22(3):322-30.
• Castiglioni P, Di Rienzo M, Radaelli A. Effects of autonomic ganglion blockade on fractal and spectral components
of blood pressure and heart rate variability. Auton Neurosci. 2013. 178:44-49.
• Porta A, Castiglioni P, Di Rienzo M, Bari V, Bassani T, Marchi A, Wu MA, Cividjian A, Quintin L. Information domain
analysis of the spontaneous baroreflex during pharmacological challenges. Auton Neurosci. 2013. 178:67-75.
• Di Rienzo M, Vaini E, Castiglioni P, Merati G, Meriggi P, Parati G, Faini A, Rizzo F. Wearable seismography: towards
a beat-to-beat assessment of cardiac mechanics in ambulant subjects. Auton Neurosci. 2013. 178:50-59.
• Porta A, Castiglioni P, Di Rienzo M, Bassani T, Bari V, Zanirato M, Faes L, Nollo G, Cividjian A, Quintin L. Cardiovascular control and time domain Granger causality: insight
from autonomic blockades. Phil Trans R Soc A 371(2013):
20120161.

• Castiglioni P, Parati G, Brambilla L, Brambilla V, Gualerzi M,
Di Rienzo M, Coruzzi P. A new index of sodium sensitivity
risk from arterial blood pressure monitoring durimg habitual salt intake. Int J Cardiol. 2013, Oct. 9 168(4):4523-5.
• Castiglioni P, Parati G, Brambilla L, Brambilla V, Gualerzi M,
Di Rienzo M, Coruzzi P. A cautious view of the relationship
between ambulatory blood pressure monitoring data and
salt-sensitivity of blood pressure. J Hypertens. 2013, Sep.
31(9):1910-1.
Atti di Congresso
• Faini A, Parati G, Di Rienzo M, Castiglioni P. “Night and
day changes in heart rate and blood pressure fractal dimensions from 24-hour ambulatory blood pressure monitoring devices. Computing in Cardiology Conference
(CinC)”. Publication Year 2013. Page(s): 475-478.
• Di Rienzo M, Vaini E, Castiglioni P, Meriggi P, Rizzo F.
“Beat-to-beat estimation of LVET and QS2 indices of cardiac mechanics from wearable seismocardiography in
ambulant subjects. Engineering in Medicine and Biology
Society (EMBC)”. 2013 35th Annual International Conference of the IEEE Digital Object Identifier: 10.1109/
EMBC.2013.6611173. Publication Year 2013. Page(s):
7017-7020.
• Parati G, Coruzzi P, Brambilla V, Brambilla L, Gualerzi M, Di
Rienzo M, Castiglioni P. “The sodium resistance index: a
new measure of salt-sensitivity risk from 24h Ambulatory
Blood Pressure Monitoring (ABPM) in hypertensives under habitual diet”. European Heart Journal (2013) 34 (Abstract Supplement ), 1050-1051.
• Castiglioni P, Parati G, Brambilla V, Brambilla L, Gualerzi
M, Di Rienzo M, Coruzzi P. “8A.02 Assessing salt-sensitivity from 24h ambulatory bp monitoring in hypertensive subjects during habitual diet. Role of a new index of
nocturnal blood pressure fall”. 23rd European Meeting on
Hypertension and Cardiovascular Protection, Journal of
Hypertension eSuppl A, e115.
Congressi – organizzazione di sessioni e partecipazione a
invito
• Di Rienzo M. “Beat-to-beat assessment of the interaction
between systolic time intervals and blood pressure varia-

Architetture per la misura non intrusiva di segnali
biologici e comportamentali attraverso sensori
indossabili e sensori ambientali con applicazioni
nella domotica sanitaria, home care, telemedicina
e teleriabilitazione – Fase II (2014)
BACKGROUND
Negli anni passati si è sviluppato nei nostri laboratori il sistema di monitoraggio MagIC costituito da una maglia in cotone
contenente sensori tessili per la rilevazione dell’elettrocardiogramma (ECG) e del respiro e un modulo elettronico per
la raccolta dei dati provenienti dai sensori tessili e per la rilevazione del movimento.
Le attività per il 2014 si sono in gran parte concentrate sulla
realizzazione e certificazione di una versione particolare di
questo sistema (denominata MagIC-Space) per un utilizzo
a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Queste
attività si sono svolte in sinergia con il progetto WearMon,
parzialmente finanziato dalla Agenzia Spaziale Italiana, contratto 2013-061-I.O. Il sistema sviluppato verrà utilizzato nel
2015 per studiare la fisiologia del sonno in microgravità, attraverso la registrazione delle attività elettrica e meccanica
del cuore, del respiro e della temperatura cutanea. È prevista l’esecuzione di 6 registrazioni notturne da effettuarsi tra
gennaio e maggio 2015. La tematica è importante poiché in
microgravità la qualità del sonno è ridotta e le cause sono
ancora in gran parte sconosciute.
Le caratteristiche del dispositivo (peso e volume ridotti,
comfort e semplicità d’uso) lo rendono pronto per un utilizzo
a terra per il monitoraggio notturno di pazienti e, opportunamente adattato, di neonati con patologie cardiorepiratorie. Il
sistema, inoltre, può essere facilmente integrato all’interno
di piattaforme di telemedicina e teleriabilitazione per garantire il continuum assistenziale dei pazienti al domicilio in termini sia terapeutici che riabilitativi.
È, inoltre, proseguito il disegno di una architettura hardware miniaturizzata e wireless (mote) che permetta la rilevazione non
intrusiva di variabili biologiche attraverso una serie di sensori
posizionati in diverse zone del corpo (Body Sensor Network) .
Questa attività è attualmente oggetto di una tesi di dottorato.
Ricerca corrente
bility”. June 13th, 2013. Annual Conference of the Europeas Society of Hyoertension – Investigator Generated
Satellite Symposium. (Invito)
• 3
5th Annual Conference of the IEEE EMBS, Osaka, 2013
(Organizzatore sessione su: Ballistocardiography and Seismocardiography: towards an assessment out of the laboratory setting. Methods, Algorithms, Interpretation and
Clinical Value, Part I & II).
• Di Rienzo M. “Wearable sensors: a smart solution for the
monitoring of vital signs in daily life and extreme environmental conditions”. International Conference of Medical Physiscs, 2013, Brigthon. (Invito).
• Di Rienzo M. “Nuova metodica per la valutazione della
meccanica cardiaca durante il sonno mediante sensori
indossabili. Simposio Apnee nel sonno e insufficienza cardiaca”. 74° Congresso Nazionale della Società Italiana di
Cardiologia. 2013. (Invito).
Capitoli di libro
• Parati G, Di Rienzo M, Castiglioni P, Mancia G. CHAPTER
24 – Computer analysis of blood pressure and heart rate
variability in subjects with normal and abnormal autonomic
control. In Mathias CJ, Bannister R: Autonomic Failure –
A textbook of clinical disorders of the autonomic nervous
system. Oxford University Press. 2013. Page(s): 307-322.
Linea di Ricerca 1
79

Articoli
• Inan O, Migeotte P F, Park K S, Etemadi M, Tavakolian
K, Casanella R, Zanetti J, Tank J, Funtova I, Prisk GK, Di
Rienzo M. “Ballistocardiography and Seismocardiography:
A Review of Recent Advances”. J Biomed Health Inform.
2014, Oct 7. [Epub ahead of print].
• Di Rienzo M, Vaini E, Bruno B, Castiglioni P, Lombardi P,
Parati G, Lombardi C, Meriggi P and Rizzo F. “Wearable
Seismocardiography: Towards the Beat-to-Beat Assessment of Cardiac Mechanics during Sleep in Microgravity”. In Proc. of the 8th Conference Of The European Study Group On Cardiovascular Oscillations (ESGCO 2014).
Page(s): 239-240.
• Di Rienzo M, Vaini E, Castiglioni P, Lombardi P, Parati G,
Lombardi C, Meriggi P, Rizzo F. “Wearable seismocardiography for the beat-to-beat assessment of cardiac intervals
during sleep”. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2014,
Aug; 2014:6089-91. doi: 10.1109/EMBC.2014.6945018.
PMID: 25571386
• Di Rienzo M, Vaini E, Castiglioni P, Lombardi P, Meriggi P,
Rizzo F. “A textile-based wearable system for the prolonged assessment of cardiac mechanics in daily life”. Conf
Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2014, Aug; 2014:6896-8.
doi: 10.1109/EMBC.2014.6945213. PMID: 25571581.
Libri-capitoli libro
• Beat-to-beat assessment of cardiac intervals by wearable
seismography in sleep and ambulant subjects, European
e-Cardiology and e-Health Congress 2014, Bern, CH.
• Towards the Remote Assessment of Cardiac Mechanics
by Wearable Seismocardiography in Ambulant Subjects.
International BioMedical Engineering Conference 2014 –
uHealthcare 2014, Gwangju (Corea del Sud).
Ricerca corrente
seguito il disegno vero e proprio del nuovo dispositivo. Per la
parte hw si è aggiunta alla rilevazione dell’ECG e del respiro,
già presenti nel sistema precedente, la misura della temperatura e del sismocardiogramma, cioè delle vibrazioni prodotte dalla contrazione del cuore e dal passaggio del sangue
dai ventricoli nel letto vascolare (da questo segnale vengono
estratti indici di meccanica cardiaca). Con il nuovo sistema,
quindi, è possibile monitorare contemporaneamente non
solo le caratteristiche elettriche del cuore, ma anche quelle
meccaniche durante il comportamento spontaneo. Attualmente queste informazioni si ottengono solo attraverso un
esame ecocardiografico che, ovviamente, non potrebbe essere effettuato durante il sonno perché sveglierebbe l’astronauta.
Particolare attenzione è stata posta alla riduzione del volume
del dispositivo. Anche per la parte tessile del sistema è stato necessario ridisegnare l’indumento e il posizionamento dei
sensori per ottimizzarlo alla conformazione specifica dell’astronauta (Samantha Cristoforetti) che effettuerà gli esperimenti.
In Fig. 1 è illustrato il dispositivo prodotto.
Come si vede è composto da: una maglietta contenente
sensori tessili per la rilevazione dell’elettrocardiogramma e
del respiro, un’unità di monitoraggio per la raccolta dei dati
e la misura del sismocardiogramma, un termometro per la
misura della temperatura cutanea e un pacco batterie per l’alimentazione del dispositivo. Il sistema è stato progettato in
modo da integrare gran parte dei sensori e dei fili all’interno
della maglietta.
Questo accorgimento ha permesso di semplificare il setup
iniziale del dispositivo e ridurre il tempo-astronauta necessario per la preparazione dell’esperimento.
Il dispositivo è quindi stato realizzato in 4 esemplari e sottoposto alle procedure e test di verifica imposti dalle normative NASA per la certificazione al volo. Dal 6 all’8 ottobre 2014
si è proceduto alla raccolta dei dati a terra presso l’European
Astronaut Center di Colonia. Due esemplari dei dispositivi
sono infine stati consegnati alla NASA al Kennedy Space
Center di Orlando per il trasporto a bordo della ISS con la
capsula cargo SpX-5, che è successivamente avvenuto il 12
gennaio 2015.
Linea di Ricerca 1
81
Linea di Ricerca 1
Metodologie per lo studio del sistema
cardiorespiratorio e dei suoi meccanismi
di controllo e loro applicazioni in ambito
fisiologico e clinico – Fase II (2014)
Ricerca corrente
BACKGROUND
82
Nel 2014 le attività di questo progetto si sono principalmente
focalizzate sullo sviluppo degli algoritmi necessari per l’analisi del sismocardiogramma (SCG) e l’estrazione dei relativi
parametri biologici di interesse. In breve, l’SCG è la misura
delle microvibrazioni prodotte dalla contrazione cardiaca e dal
passaggio del sangue dai ventricoli al letto vascolare. Come
illustrato nella Fig. 1, a ogni battito corrisponde un complesso
sismocardiografico caratterizzato da una sequenza di picchi
e valli associati a specifici eventi della meccanica cardiaca.
Nell’esempio illustrato sono identificati i punti del segnale
corrispondenti all’apertura e chiusura delle valvole aortica
e mitrale. L’SCG viene rilevato attraverso un accelerometro
posizionato sullo sterno del soggetto. L’ampiezza dell’accelerazione prodotta dalla vibrazione cardiaca è, tuttavia, estremamente ridotta, nell’ordine di pochi milliG e, quindi, il segnale
SCG può essere soggetto a rumore se il soggetto si muove.
Se il movimento non è eccessivo l’SCG può essere comunque analizzato, ma richiede un pre-trattamento di rimozione
del rumore basato su filtraggi o tecniche di averaging.
Le attività di sviluppo di questo software sono state svolte in sinergia con il progetto WearMon in parte finanziato
dall’Agenzia Spaziale Italiana che prevede la realizzazione di
un dispositivo per il monitoraggio non intrusivo dei parametri vitali, tra cui il sismocardiogramma e il suo utilizzo per
la valutazione a bordo della Stazione Spaziale Internazionale della fisiologia del sonno in assenza di gravità. I dettagli
sulle attività legate allo sviluppo del dispositivo sono state
descritte nella relazione del progetto RC: “Architetture per
la misura non intrusiva di segnali biologici e comportamentali
attraverso sensori indossabili e sensori ambientali con applicazione nella domotica sanitaria, home care, telemedicina e
teleriabilitazione”.
Inoltre, nel 2014 sono arrivati alla pubblicazione lavori relativi
ad attività sperimentali pregresse. In particolare:

1.sull’utilizzo della classificazione ICF per la valutazione della riabilitazione nei pazienti cardiologici;
2.sulla variabilità cardiovascolare nei pazienti coronarici e
pazienti con scompenso cardiaco;
3.sulla maggiore sensibilità chemocettiva degli uomini rispetto alle donne e relativa maggior frequenza di respiro
periodico durante il sonno in alta quota.
Sono infine giunti alla pubblicazione tre lavori metodologici: il
primo relativo alle metodiche da utilizzare per lo studio delle
componenti complesse della variabilità cardiaca; il secondo
sulle modalità di rilevazione della pressione arteriosa per valutare la sodio-sensibilit;il terzo sulle procedure per la rilevazione del sismocardiogramma e del ballistocardiogramma.
Per i dettagli si rimanda ai lavori stessi.
Le attività sopra riportate sono state svolte dal Laboratorio di Ricerche Cardiovascolari (LaRC). Alcune delle attività sono svolte
in collaborazione con il Laboratorio per lo Sviluppo dei Sensori
Indossabili, Domotica Sanitaria e Telemedicina (WeST Lab).
OBIETTIVI
Sviluppo di algoritmi per l’analisi del sismocardiogramma e
la messa a punto di indici per la valutazione della funzionalità
meccanica del cuore durante l’attività quotidiana spontanea
e in microgravità (in collaborazione con il WeSTLab).
ATTIVITÀ
Le procedure software sviluppate sono finalizzate all’analisi
dei tracciati di lunga durata di SCG. In particolare sono in grado di riconoscere e rimuovere gli eventuali artefatti contenuti nella registrazione e di riconoscere i punti salienti associati
a eventi specifici della meccanica cardiaca.
L’algoritmo per l’identificazione degli artefatti è basato sulla
congruenza dell’ampiezza del segnale accelerometrico, della
sua modulazione durante il ciclo cardiaco, della varianza e del
contenuto spettrale stimato attraverso l’analisi wavelet. L’algoritmo per il riconoscimento dei punti salienti del segnale,
esegue invece su un’analisi morfologica attraverso filtraggi
seguiti da un’analisi sintattica. Attualmente i punti salienti
considerati sono quelli corrispondenti all’apertura e chiusura
delle valvole aortica e mitralica come indicato nella sezione
introduttiva e illustrato in Fig. 1. Questi algoritmi sono ora in
fase di verifica e si sta valutando l’opportunità di ottimizzar-
Linea di Ricerca 1
Studio delle alterazioni motorie in patologie
del sistema neuro-muscolare tramite analisi
strumentale del movimento: ottimizzazione
dei protocolli e applicazioni nel clinical decision
making e nel monitoraggio longitudinale – Fase I
(2013)
Responsabile: Ferrarin Maurizio
Ricerca corrente
BACKGROUND
84
L’analisi strumentale del movimento umano, nelle sue componenti cinematiche, dinamiche ed elettromiografiche, consente di approfondire le conoscenze sulla fisiologia del movimento fondamentali per interpretare le alterazioni motorie
che si osservano nei pazienti affetti da patologie del sistema
neuro-muscolo-scheletrico. L’utilizzo di queste tecniche nei
pazienti con disordini motori si sta rivelando sempre più uno
strumento utile in clinica per i seguenti aspetti:
1.quantificare le alterazioni locomotorie presenti in varie patologie nei diversi stadi (acuti, cronici, degenerativi) della
malattia (assessment/monitoring);
2.aiutare nella pianificazione dell’intervento terapeutico/riabilitativo (treatment decision making);
3.valutare quantitativamente l’efficacia di trattamenti terapeutici, chirurgici, riabilitativi, farmacologici (outcome assessment);
4.indirizzare nella scelta e personalizzare ausili, ortesi, protesi (device adaptation).
Il valore aggiunto dell’approccio strumentale all’analisi del
cammino rispetto alle valutazioni cliniche (scale motorie,
analisi video-osservazionali) è stato accertato nelle paralisi
cerebrali infantili, ma non in altre patologie a elevato impatto, quali gli esiti stabilizzati di ictus cerebrovascolare. Inoltre,
sono stati recentemente sviluppati nuovi approcci per lo studio delle sinergie muscolari (Bizzi, Cheung) tramite l’analisi
dei segnali elettromiografici, che sembrano promettenti per
chiarire il recupero motorio in pazienti con stroke a seguito
di riabilitazione neuromotoria, ma non sono ancora stati applicati longitudinalmente per valutare il miglioramento della funzionalità locomotoria in fase sub-acuta. È, inoltre, da
accertare la responsività di questi metodi nel monitorare il
decorso di malattie degenerative, quali la malattia di Char-

cot-Marie-Tooth (CMT) e la capacità di classificare le diverse
forme di distonia focale. Infine, poca attenzione è stata finora prestata all’analisi del movimento degli arti superiori.
OBIETTIVI
Obiettivo principale dello studio è l’ottimizzazione di protocolli di analisi multifattoriale del movimento umano e la loro
applicazione al fine di:
a.quantificare il valore aggiunto della Gait Analysis nel clinical decision making di pazienti post-ictus in fase cronica
rispetto alle valutazioni cliniche tradizionali,
b.studiare la modifica delle sinergie muscolari in pazienti
post-stroke in fase sub-acuta,
c.valutare la responsività di queste tecniche di valutazione in
malattie lentamente degenerative, come la malattia di CMT,
d.analizzare le diverse forme di distonia focale.
Un ulteriore obiettivo riguarda la raccolta dati su soggetti
sani e gruppi omogenei di pazienti con disturbi motori, al fine
di incrementare il database del laboratorio, in particolare per
i task motori meno studiati, quali quelli relativi alla stabilizzazione posturale e agli arti superiori. Infine, si svilupperanno
metodi per il monitoraggio del movimento in condizioni non
confinate tramite sensori inerziali. Nel corso del 2013 sono
stati portati avanti i seguenti sottoprogetti:
1.responsività dell’analisi del movimento nella malattia di CMT;
2.analisi posturografica in alcune malattie neurologiche;
3.sviluppo di protocolli di analisi del movimento degli arti
superiori;
4.sviluppo di metodi di elaborazione del segnale proveniente da sensori inerziali.
METODI
Sono state utilizzate le strumentazioni in dotazione presso
il laboratorio di analisi del movimento LAM del Polo Tecnologico (sistema optoelettronico stereofotogrammetrico a 9
telecamere SmartD BTS, 2 piattaforme dinamometriche Kistler, elettromiografi wireless ZeroWire, Aurion e FreeEmg,
BTS). Per l’elaborazione dei dati acquisiti sono stati sviluppati, in ambiente Matlab, dei modelli biomeccanici relativi ai
segmenti corporei analizzati (arti inferiori, bacino, tronco, arti
superiori, capo) e ai task motori considerati (locomozione,
postura, reaching, grasping). È stata, inoltre, sviluppata una
procedura per l’elaborazione del segnale EMG che, attraverso un algoritmo di fattorizzazione, consente di risalire ai moduli spinali di reclutamento dei diversi muscoli durante l’esecuzione di movimenti volontari. Inoltre, sono stati utilizzati
dei sistemi indossabili a sensori inerziali (Xsense e Technobody) per lo studio del movimento al di fuori del laboratorio
(condizioni non confinate) e per effettuare l’identificazione
automatica delle fasi del passo utilizzando il segnale di accelerometri inglobati nei sensori elettromiografici di nuova
generazione (Cometa Srl).
ATTIVITÀ
Le attività e i risultati ottenuti nel corso del 2013 sono descritti nel seguito per ciascun sottoprogetto.
1. Responsività dell’analisi del movimento nella malattia
di CMT
Questo studio longitudinale dei disturbi locomotori di pazienti,
adulti e bambini, con malattia di CMT si è concretizzato nel
corso del 2013 con le acquisizioni di laboratorio su 27 pazienti, di cui: 1 nuovo reclutamento, 18 al primo follow-up, 3 al
secondo follow-up e 5 al terzo. Nel corso dell’anno è stato
pubblicato un full-paper su rivista indicizzata (Ferrarin et al.,
2013) sui cambiamenti rilevati in 19 pazienti in età evolutiva al
follow-up a 18 mesi rispetto alla valutazione iniziale. Il quadro
che emerge è che, nonostante gli score clinici non siano cambiati significativamente, la maggior parte dei pazienti presenta una modifica dei parametri biomeccanici associati ai segni
primari (foot-drop e deficit di spinta), con un peggioramento
del deficit di foot-drop (–15%) nei pazienti originariamente
appartenenti al sottogruppo asintomatico e un miglioramento
nella spinta alla caviglia (+58%) e nei pattern articolari prossimali nei pazienti che originariamente presentavano sia FD che
deficit di spinta (FD&POD) e che sono stati operati tra le due
valutazioni. Si conferma, quindi, la maggiore responsività dei
metodi strumentali rispetto alle valutazioni cliniche.
2. Analisi posturografica in pazienti con malattie
neurologiche
Sono state analizzate le performance di stabilizzazione posturale di pazienti con CMT (Lencioni et al., 2013) e con alcune malattie neurologiche del SNC, specificatamente PD,
SM e post-ictus (Carpinella et al., 2013). I dati sono ancora
Linea di Ricerca 1
in corso di elaborazione e i risultati preliminari sono stati presentati a un congresso nazionale di settore (Siamoc, 2013
26-28 Ottobre, Pisa). Sono in fase di scrittura e sottomissione a rivista due full-paper.
3. Analisi del movimento degli arti superiori
È stato sviluppato, in collaborazione con il Laboratorio del Movimento del Centro FDG di Roma, un protocollo di valutazione
strumentale dei movimenti di reaching e di portare un bicchiere alla bocca, che è successivamente stato applicato a un
gruppo di 6 pazienti post-stroke e 6 soggetti sani di controllo.
I risultati hanno mostrato che i pazienti presentano una ridotta elongazione dell’arto superiore e rotazione del tronco, con
movimenti compensatori di inclinazione del tronco e della testa, indicando l’utilità del metodo nella focalizzazione del trattamento riabilitativo e nella valutazione dei suoi effetti sulla
funzionalità dell’arto superiore (Aprile et al., 2013). Nel corso
del 2013 è stato anche steso, inviato a rivista indicizzata ed attualmente in fase di revisione, un full paper sul metodo di valutazione strumentale tramite sensori inerziali del test ARAT,
i cui risultati su pazienti con SM sono già stati descritti in una
relazione precedente (Carpinella et al., 2013).
4. Sensori inerziali
È stato sviluppato un metodo per l’identificazione automatica degli eventi temporali del passo (foot strike-FS e foot
off-FO) utilizzando il segnale proveniente da sensori accelerometrici triassiali e un algoritmo di cross-correlazione che
permette di riconoscere il replicarsi di una data morfologia. I
risultati su soggetti sani e pazienti con malattia di CMT hanno mostrato che il riconoscimento degli eventi avviene con
un errore minore/uguale a 40 ms nel 97,5% dei FS e nel
96,6% del FO. Queste percentuali si riducono a 75,8% e
58,0% se si considerano errori minori/uguali a 10 ms. Solo
il 2,1% degli eventi non è stato individuato dall’algoritmo
(Marzegan et al., 2013). L’interesse di questo metodo risiede nella possibilità di effettuare la segmentazione del passo
anche in assenza di registrazioni cinematiche tramite sistemi
stereofotogrammetrici.
• Ferrarin M, Lencioni T, Rabuffetti M, Moroni I, Pagliano
E, Pareyson D. Changes of gait pattern in children with
Ricerca corrente

85
Ricerca corrente
Linea di Ricerca 1
86
Charcot-Marie-Tooth disease type 1A: a 18 months followup study. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation.
2013, July 2. 10(1): 65.
• Lencioni T, Beghi E, Di Sipio E, Forni M, Minciotti I, Moroni
I, Padua L, Pagliano E, Pareyson D, Pazzaglia C, Piscosquito G, Rabuffetti M, Russo G, Schenone A, Ferrarin M. Development of an Instrumented Movement Analysis protocol for the multitasking analysis of locomotor functions in
adult and young patients with Charcot-Marie-Tooth disease: multicenter study to characterise reliability and responsiveness. In: XVII Scientific Convention Telethon. 2013,
March 11-13, Riva del Garda, Italy. Page(s): 76-77, 2013.
• Lencioni T, Rabuffetti M, Bovi G, Marchesi C, Pagliano E,
Moroni I, Pareyson D, Ferrarin M. Natural history of CMT disease: A 18 months follow-up study through Gait Analysis,
Gait & Posture. Volume 37, Supplement 1. 2013, April.
Page(s): S10.
• Carpinella I, Cattaneo D, Bertoni R, Ferrarin M. Quantitative
analysis of upper limb motor function in subjects with multiple sclerosis through instrumented “ARAT”, Gait & Posture. Volume 37, Supplement 1. 2013, April. Page(s): S21.
• Carpinella I, Cattaneo D, Ferrarin M, Montesano A,
Jonsdottir J. Stabilometric assessment of balance in three
neurological diseases. XIV Congresso Siamoc. 2013, 2628 Ottobre, Pisa (in press on Gait & Posture).
• Marzegan A, Rabuffetti M, Ferrarin M. Gait event identification by pattern recognition algorithm applied to MEMS
recording. XIV Congresso Siamoc. 2013, 26-28 Ottobre,
Pisa.
• Aprile I, Rabuffetti M, Di Sipio E, Simbolotti C, Russo G,
Padua L, Ferrarin M. Kinematic analysis of reaching and
bringing a glass to the mouth in post-stroke patients. XIV
Congresso Siamoc. 2013, 26-28 Ottobre, Pisa.
• Lencioni T, Rabuffetti M, Piscosquito G, Pareyson D, Aiello A, Di Sipio E, Padua L, Stra F, Ferrarin M. Postural stabilization and balance assessment of Charcot-Marie-Tooth
types 1A, 2 and X1. XIV Congresso Siamoc. 2013, 26-28
Ottobre, Pisa.

Sviluppo, ottimizzazione e applicazione pilota
di tecnologie per la riabilitazione neuromotoria –
Fase I (2013)
BACKGROUND
La riabilitazione motoria di pazienti con disabilità a causa di diverse patologie del sistema neuromuscolare può trarre notevole vantaggio dalle possibilità offerte dalle tecnologie avanzate.
Dalla letteratura emerge, per esempio, che l’uso della FES
nelle fasi precoci post-ictus, facilita il recupero del controllo
volontario del movimento se viene applicata in un contesto
di riabilitazione orientata al task motorio. Lo stesso sembra
avvenire attraverso l’utilizzo di sistemi robotici che assistono
il movimento o creano campi di forze adattativi tali da indurre
apprendimento motorio. L’efficacia di questi approcci è poi
facilitata dal fornire al paziente dei feedback informativi su
come viene svolto il compito o sulle caratteristiche qualitative di alcune variabili biologiche (biofeedback). L’invio di informazioni aggiuntive facilita infatti l’apprendimento motorio e
favorisce i meccanismi di plasticità del SNC.
Per ora questi approcci sono stati sviluppati e testati su casistiche molto ridotte a causa della complessità della strumentazione disponibile. È quindi importante ottimizzare gli
strumenti, per favorirne un uso clinico più ampio ed estendere le applicazioni a diverse patologie del sistema nervoso,
sia con insorgenza acuta (stroke, lesioni spinali) che di tipo
degenerativo (Sclerosi Multipla, M. di Parkinson).
OBIETTIVI
Obiettivo del progetto è lo sviluppo di dispositivi e metodi
innovativi per la riabilitazione motoria di soggetti con lesioni
del sistema neuromuscolare. L’attività di ricerca riguarda lo
studio esplorativo di nuove tecnologie di ausilio alla riabilitazione motoria, lo sviluppo di dispositivi innovativi, la realizzazione e validazione tecnica di prototipi e la loro applicazione
pilota su pazienti.
Nel corso del 2013 sono stati portati avanti i seguenti sottoprogetti:
1.ottimizzazione e valutazione di sistemi multicanale di FES a
controllo elettromiografico per la riabilitazione dell’arto superiore in pazienti con emiplegia da ictus cerebrovascolare;

METODI
1.Questa attività si basa sull’uso del sistema MeCFES: uno
stimolatore elettrico funzionale sviluppato nel corso degli anni precedenti presso il Polo Tecnologico della FDG.
La peculiarità del sistema è che l’intensità della stimolazione erogata viene controllata in modo proporzionale
dal segnale EMG registrato su un muscolo del paziente,
permettendo quindi un controllo volontario diretto del
paziente sul reclutamento dei muscoli paretici. Il recente
sviluppo di un sistema a due canali di registrazione EMG
e di stimolazione ha consentito di aumentare l’applicabilità
del dispositivo e l’implementabilità di esercizi riabilitativi
su più muscoli simultaneamente. È in corso la valutazione
del sistema MeCFES multicanale tramite uno studio RCT
su pazienti emiplegici in collaborazioni con le stroke unit
degli ospedali di Niguarda e di Monza, l’Ist. Palazzolo e il
Centro di Rovato della FDG. Il sistema viene impiegato
durante 25 sedute di fisioterapia quotidiane e ne viene
valutata l’efficacia a livello di funzionalità dell’arto superiore (test ARAT, Fugl-Meyer), disabilità (IPPA, Q-DASH) e
qualità di vita (SF-16).
2.L’attività relativa alla valutazione del sistema esoscheletrico robotizzato HandExos (HX) per la riabilitazione della
mano prevede l’uso di un sistema stereofotogrammetrico
(SmartD, BTS, freq. Campionamento = 200 Hz) per la misura dei movimenti relativi tra esoscheletro e segmenti
anatomici della mano. A questo scopo sono stati collocati
alcuni marker passivi semisferici (diametro = 5 mm) sull’HX, in corrispondenza della falange distale del dito pollice (2 marker), del dito indice (2 marker) e del supporto
posto sul dorso della mano (3 marker). Sono stati calcolati
degli indici di instabilità per l’accoppiamento pollice-HX,
indice-HX e dorso-HX, in termini di deviazione standard
della posizione di un marker posto sulla cute rispetto ai
corrispondenti sistemi di riferimento locali su HX. I movimenti relativi tra i marker posti sui frame rigidi sono stati
utilizzati come livello di rumore del setup sperimentale.
Sono stati analizzati i seguenti task: movimenti globali
dell’arto superiore con mano ferma (no-hand-movement);
movimenti attivi dell’HX mentre il soggetto non oppone
movimento (incluso grasp, pinch e key grip); movimenti
attivi delle dita (stessi task) che agiscono contro la resistenza passiva di HX; apertura attiva completa delle dita
contro l’HX (full-open).
ATTIVITÀ
1. Sistemi FES multicanale a controllo EMG
Per lo studio clinico di efficacia del sistema MeCFES multicanale, nel 2013 sono stati reclutati ulteriori 25 pazienti post-ictus per un totale di 53 pazienti al 31 dicembre 2013. I pazienti
che hanno completato il protocollo e di cui si dispongono le
valutazioni Pre e Post sono attualmente 44. Il quadro dei risultati sull’outcome primario (ARAT score) è riportato in Tab. 1,
da cui si evince che entrambi i gruppi, trattati e controlli, hanno mostrato un miglioramento al test ARAT (valori mediani
Post-Pre > 0) significativo. Il gruppo trattato con MeCFES ha
ottenuto un miglioramento maggiore del gruppo di controllo
(valore mediano 6,5 vs 2), ma la differenza tra i due miglioramenti non raggiunge la significatività statistica (p = 0,2397).
Analizzando i due sottogruppi dei pazienti cronici (stroke >
6 mesi) e subacuti (stoke < 6 mesi) si conferma un miglioramento nello score in entrambi i gruppi trattati e controlli,
con un miglioramento particolarmente elevato nei pazienti subacuti (12 vs 2), sebbene senza raggiungere la significatività
statistica (p = 0,2115). I dati in Tab. 2 mostrano che il 55%
dei pazienti trattati presenta un miglioramento clinicamente
significativo (delta ARAT > 5,7), mentre nel gruppo di controllo tale percentuale è del 37,5%. Questo comporta una probabilità doppia di “successi” nel gruppo sperimentale (OR =
2,0). Se ci si limita ai pazienti subacuti, la differenza tra le due
percentuali aumenta (75% vs 33,3%), l’Odds Ratio sale a 6,0.
Tuttavia, la differenza delle % nei due gruppi non raggiunge la
significatività statistica, pur essendo al limite nel sottogruppo
dei pazienti subacuti (p = 0,0542). Si può quindi concludere
che l’utilizzo del dispositivo MeCFES nella riabilitazione dei
pazienti post-stroke migliora la funzionalità dell’arto superiore paretico, particolarmente nei pazienti in fase subacuta e
si verifica un trend di maggior efficacia rispetto alla riabilitazione tradizionale, sebbene non si raggiunga la significatività
Ricerca corrente
2.studio della stabilità e usabilità di un sistema esoscheletrico robotizzato per la riabilitazione della mano (Handexos).
Linea di Ricerca 1
87

Linea di Ricerca 1
Mean Force [N]
2.6
2.4
p (Ft) = 0.048
*
4.6
2.2
4.4
2
4.2
1.8
4
1.6
3.8
1.4
3.6
Fig. 1A
1
2
3
4
5
6
7
8
Session
Mean Lateral Deviation [cm]
3
Reaching Duration [S]
4.8
p (Ft) = 0.914
*
Fig. 1B
1
2
7
3
4
5
6
7
8
Session
No. of Sub-movements
7.3
6.7
2.5
p (Ft) = 0.004
*
p (Ft) = 0.037
*
6.4
6.1
5.8
2
5.5
5.2
4.9
Fig. 1C
1
2
3
4
5
6
7
8
Session
Fig. 1D
1
2
3
4
5
6
7
8
Session
T-ratio [%]
38
p (Ft) = 0.002
36
32
30
*
*
28
26
24
22
Fig. 1E
1
2
3
4
5
Session
6
7
8
• Thorsen R, Cortesi M, Jonsdottir J, Carpinella I, Morelli D,
Casiraghi A, Puglia M, Diverio M, Ferrarin M. Myoelectrically driven functional electrical stimulation may increase
motor recovery of upper limb in poststroke subjects: a randomized controlled pilot study. J Rehabil Res Dev. 2013.
50(6):785-94. doi: 10.1682/JRRD.2012.07.0123. PubMed
PMID: 24203541.
Ricerca corrente
34
89
Linea di Ricerca 1
Ricerca corrente
• Thorsen R, Cortesi M, Jonsdottir J, Ferrarin M. Rehabilitation of the hemiplegic hand. Can we do better? 41°
Congresso nazionale SIMFER. 2013, Roma 13-16 ottobre.
Page(s): 97-99, Edizioni Minerva Medica, Torino 2013,
ISBN: 978-88-7711-616-1.
• Bonora G, Carpinella I, Casati E, Cattaneo D, Chiari L, Ferrarin M. Development of a new instrumented system for
evaluating the “stair negotiation” based on inertial sensors. XIV Congresso Siamoc. 2013, 26-28 ottobre, Pisa.
• Ferrarin M, Cempini M, Cortese M, Marzegan A, Rabuffetti M, Vitiello N, Carrozza M C. Analysis of relative instability
between hand and a robotic exoskeleton. XIV Congresso
Siamoc. 2013, 26-28 ottobre, Pisa.
• Cempini M, Marzegan A, Rabuffetti M, Cortese M, Vitiello
N, Ferrarin M. Analysis of relative instability in the physical interaction between a wearable exoskeleton and user
hand. Submitted to: J Neuroeng Rehab, 2014.
90

Studio delle alterazioni motorie in patologie
del sistema neuro-muscolare tramite analisi
strumentale del movimento: ottimizzazione
dei protocolli e applicazioni nel clinical decision
making e nel monitoraggio longitudinale – Fase II
(2014)
BACKGROUND
L’analisi strumentale del movimento umano, nelle sue componenti cinematiche, dinamiche ed elettromiografiche, consente di approfondire le conoscenze sulla fisiologia del movimento fondamentali per interpretare le alterazioni motorie
che si osservano nei pazienti affetti da patologie del sistema
neuro-muscolo-scheletrico. L’utilizzo di queste tecniche nei
pazienti con disordini motori si sta rivelando sempre più uno
strumento utile in clinica per i seguenti aspetti:
1.quantificare le alterazioni locomotorie presenti in varie patologie nei diversi stadi (acuti, cronici, degenerativi) della
malattia (assessment/monitoring);
2.aiutare nella pianificazione dell’intervento terapeutico/riabilitativo (treatment decision making);
3.valutare quantitativamente l’efficacia di trattamenti terapeutici, chirurgici, riabilitativi, farmacologici (outcome assessment);
4.indirizzare nella scelta e personalizzare ausili, ortesi, protesi (device adaptation).
Il valore aggiunto dell’approccio strumentale all’analisi del
cammino rispetto alle valutazioni cliniche (scale motorie,
analisi video-osservazionali) è stato accertato nelle paralisi
cerebrali infantili, ma non in altre patologie a elevato impatto,
quali gli esiti stabilizzati di ictus cerebrovascolare.
È, inoltre, da accertare la responsività di questi metodi nel
monitorare il decorso di malattie degenerative e la capacità
di classificare le diverse forme di distonia focale. Infine, poca
attenzione è stata finora prestata all’analisi del movimento
degli arti superiori.
Obiettivi
Obiettivo principale dello studio è l’ottimizzazione di protocolli di analisi multifattoriale del movimento umano e la loro
applicazione al fine di
a.quantificare il valore aggiunto della Gait Analysis nel clinical decision making di pazienti con disabilità locomotorie
rispetto alle valutazioni cliniche tradizionali;
b.valutare la responsività di queste tecniche di valutazione
in malattie lentamente degenerative, come la malattia di
CMT;
c.studiare il ruolo dell’interazione visuo-motoria nella locomozione.
Un ulteriore obiettivo riguarda la raccolta dati su soggetti
sani e gruppi omogenei di pazienti, al fine di incrementare
il database del laboratorio, in particolare per i task motori
meno studiati, quali quelli relativi alla stabilizzazione posturale e agli arti superiori.
Nel corso del 2014 sono stati portati avanti i seguenti sottoprogetti:
1.analisi della stabilizzazione posturale in pazienti con malattia di CMT1A;
2.analisi della stabilizzazione posturale in pazienti con SM;
3.studio dell’interazione visuo-motoria nella locomozione.
METODI
Sono state utilizzate le strumentazioni in dotazione presso il
laboratorio di analisi del movimento del Polo Tecnologico: sistema optoelettronico a 9 TCV SmartD (BTS); 2 piattaforme
dinamometriche Kistler; elettromiografi wireless ZeroWire
(Aurion) e FreeEmg (BTS); sistemi a sensori inerziali (Xsense
e Technobody). Per l’elaborazione dei dati acquisiti sono stati sviluppati, in ambiente MatLab, dei modelli biomeccanici
relativi ai segmenti corporei analizzati e ai task motori considerati (locomozione, postura, reaching, grasping). È stata,
inoltre, sviluppata una procedura per l’estrazione di indici di
stabilità posturale sia in condizioni statiche che durante la
transizione posturale. Le casistiche analizzate sono descritte, per ciascun sottoprogetto, nel paragrafo successivo.
ATTIVITÀ
1. Analisi della stabilizzazione posturale in pazienti
con malattia di CMT1A.
Sono state analizzate le performance di stabilizzazione posturale dopo un movimento di sit-to-stand in 47 pazienti con
Linea di Ricerca 1
CMT1A (età: 44,5 ± 12 anni) e in 41 soggetti sani di controllo di pari età. I risultati hanno mostrato che i pazienti con
CMT1A sono meno stabili dei soggetti sani, sia durante la
fase di stabilizzazione posturale (ICMT = 0,106 m/s, Icon =
0,059 m/s, p < 0,01) che durante la postura statica a regime
(YinfCMT = 0,018 m/s2, Yinfcon = 0,010 m/s2, p < 0,01). La
ridotta stabilità nella fase statica è risultata correlata prevalentemente alla debolezza dei muscoli flessori plantari della
caviglia. Al contrario, le difficoltà di stabilizzazione nella fase
dinamica sono risultate correlate sia alla riduzione di forza
dei muscoli distali degli arti inferiori, che alla riduzione della
sensibilità vibratoria, ascrivibile alla funzionalità delle fibre
sensoriali di diametro maggiore.
Questi risultati, hanno dimostrato come il test di sit-to-stand
su piattaforma dinamometrica sia in grado di caratterizzare
le performance posturali di pazienti con CMT1A, mostrando
il differente ruolo del deficit motorio e sensitivo nelle due
diverse fasi di stabilizzazione posturale e di postura statica
a regime.
2. Analisi della stabilizzazione posturale in pazienti
con SM
La procedura modellistica di analisi della stabilizzazione posturale è stata applicata anche su un gruppo di 20 pazienti
con Sclerosi Multipla (età: 50,3 ± 11 anni), nei quali è noto
un elevato rischio di caduta. Sono stati considerati oltre al
sit-to-stand, anche l’esecuzione di un passo anteriore e di
un movimento di bending. In tutti i task considerati i pazienti
con SM hanno mostrato, rispetto ai soggetti sani di controllo, un aumento degli indici di instabilità posturale sia durante
la fase di transizione posturale che in condizioni di postura
eretta statica. Inoltre, è risultato aumentato il tempo necessario per esaurire il transitorio e pervenire a condizioni di regime (vedi tabella riportata in Fig. 1). I risultati, pubblicati in
un full paper (Cattaneo et al., 2014), suggeriscono la necessità di trattamenti riabilitativi focalizzati sia sulle componenti
motorie che su quelle percettive e finalizzati a due aspetti:
a. migliorare il coordinamento motorio durante l’esecuzione
del movimento, in modo da ridurre le oscillazioni residue,
b. migliorare la percezione del movimento del proprio centro
di massa, per ridurre i tempi di esaurimento del transitorio.
Ricerca corrente

91
Linea di Ricerca 1
Ricerca corrente
3. Studio dell’interazione visuo-motoria
nella locomozione
In un gruppo di 10 soggetti sani (range età: 24-37 anni) è stato studiato l’effetto della visione periferica durante la salita
di una scala composta da 5 gradini. Il task è stato ripetuto in
condizioni di full vision (FV) e di lower vision occlusion (LO).
È emerso che la clearance verticale del piede dallo spigolo
del gradino (assumibile come indice cautelativo per evitare
l’inciampo) era maggiore nella condizione LO rispetto alla
condizione FV (p < 0,013) nel raggiungimento del 1° e del 2°
gradino, ma non nei successivi. Si può ipotizzare che:
a. le informazioni propriocettive sono in grado di compensare l’assenza della visione periferica dal 3° gradino in avanti
per la predittibilità dell’altezza;
b. mentre si sale sul 1° gradino la visione è allineata con il
4°/5° gradino, aumentando così la memoria di lavoro visiva degli ultimi 2 gradini.
Inoltre, in entrambe le condizioni di visibilità, la clearance
dell’ultimo gradino era maggiore rispetto a quella di tutti gli
altri (p < 0,002), facendo pensare che il programma motorio
per il raggiungimento dell’ultimo gradino sia differente e indipendente dalle condizioni di visibilità (Graci, Rabuffetti et
al., 2014). Le ricadute cliniche di questo studio, di cui è in
preparazione un full-paper, riguardano la messa a punto di
strategie riabilitative per affrontare in sicurezza questo gesto
92
Fig. 1

locomotorio quotidiano ad alto rischio di caduta, in particolar
modo in soggetti con limitazioni visive.
In un ulteriore studio sono state analizzate le strategie locomotorie in 25 soggetti con strabismo congenito o precoce (range età: 5-50 anni). L’analisi cinematica del cammino ha mostrato che i pazienti con strabismo divergente
(exotropia) presentano un cammino più alterato, rispetto ai
soggetti sani, di quelli con strabismo convergente (esotropia), caratterizzato da una larghezza maggiore del passo e
da alterazioni della potenza prodotta alla caviglia e al ginocchio, verosimilmente dovuti a meccanismi compensatori. La
spiegazione di queste alterazioni risiede probabilmente nelle
differenti modifiche del campo visivo associato alle diverse
forme di strabismo e induce a individuare appropriate strategie riabilitative che includano sia aspetti locomotori che
visuo-percettivi. Questi risultati sono stati pubblicati in un
full paper (Aprile, Ferrarin et al., 2014).
Sempre nell’ambito della presente ricerca corrente, nel corso del 2014 sono infine stati pubblicati altri due full paper
sull’analisi del movimento degli arti superiori, i cui risultati
erano stati descritti in precedenti relazioni: uno sull’analisi
cinematica dei movimenti di reaching di pazienti post-stroke
(Aprile, Rabuffetti et al., 2014) e uno sullo sviluppo di una
versione strumentata del test ARAT e sulla sua applicazione
su pazienti con SM (Carpinella, Cattaneo et al., 2014).
Articoli
• Lencioni T, Rabuffetti M, Piscosquito G, Pareyson D, Aiello A, Di Sipio E, Padua L, Stra F, Ferrarin M. “Postural stabilization and balance assessment in Charcot-Marie-Tooth
1A subjects”. Gait & Posture. 2014, Sep; 40(4):481-6.
• Cattaneo D, Rabuffetti M, Bovi G, Mevio E, Jonsdottir J,
Ferrarin M. “Assessment of postural stabilization in three
task oriented movements in people with Multiple Sclerosis”. Disability and Rehabilitation. 2014; 36(26):2237-43.
• Aprile I, Ferrarin M, Padua L, Di Sipo E, Simbolotti C,
Petroni S, Tredici C, Dickmann A. “Walking strategies in
subjects with congenital or early onset strabismus”. Frontiers in Human Neuroscience. 2014; 8:484.
• Aprile I, Rabuffetti M, Padua L, Di Sipio E, Simbolotti C,
Ferrarin M. “Kinematic analysis of the upper limb motor
strategies in stroke patients as a tool towards advanced
neurorehabilitation strategies: a preliminary study”. BioMed Research International. 2014, Apr 24; 2014:636123.
• Carpinella I, Cattaneo D, Ferrarin M. “Quantitative assessment of upper limb motor function in Multiple Sclerosis
using an instrumented Action Research Arm Test”. J Neuroeng Rehabil. 2014, Apr 18; 11(1):67.
• Carpinella I, Cattaneo D, Jonsdottir J, Ferrarin M. “Stabilometric assessment of balance in three neurological diseases”. Gait & Posture, Volume 40, Supplement 1. 2014,
August. Page(s): S11-S12.
• Aprile I, Rabuffetti M, Di Sipio E, Simbolotti C, Russo G,
Padua L, Ferrarin M. “Kinematic analysis of reaching and
bringing a glass to the mouth in post-stroke patients”.
Gait & Posture, Volume 40, Supplement 1. 2014, August.
Page(s): S3.
• Lencioni T, Rabuffetti M, Piscosquito G, Pareyson D, Aiello A, Di Sipio E, Padua L, Stra F, Ferrarin M. “Postural stabilization and balance assessment of Charcot-Marie-Tooth
types 1A, 2 and X1”. Gait & Posture, Volume 40, Supplement 1. 2014, August. Page(s): S9.
• Graci V, Rabuffetti M, Ferrarin M. “How is peripheral information used for stair climbing?”. Book of Abstracts
Linea di Ricerca 1
of the 1st Clinical Movement Analysis World Congress,
15th Annual meeting of SIAMOC, 23rd Annual Meeting of
ESMAC. 2014, 29 September-4 October. Rome. Page(s):
124.
• Lencioni T, Rabuffetti M, Moroni I, Pagliano E, Pareyson
D, Piscosquito G, Ferrarin M. “Responsiveness of gait parameters to changes in locomotor impairments induced
by CMT disease: a 12 months follow-up study”. Book of
Abstracts of the 1st Clinical Movement Analysis World
Congress, 15th Annual meeting of SIAMOC, 23rd Annual
Meeting of ESMAC. 2014, 29 September-4 October.
Rome. Page(s): 83.
• Jonsdottir J, Lencioni T, Gervasoni E, Crippa A, Rovaris
M, Ferrarin M, Montesano A, Cattaneo D. “Influence of
gait rehabilitation on muscle synergies and their activation
profiles in persons with Multiple Sclerosis”. Book of Abstracts of the 1st Clinical Movement Analysis World Congress, 15th Annual meeting of SIAMOC, 23rd Annual Meeting of ESMAC. 2014, 29 September-4 October. Rome
Page(s): 93.
• Aprile I, Ferrarin M, Padua L, Di Sipio E, Simbolotti C,
Petroni S, Tredici C, Dickmann A. “Walking strategies in
subjects with congenital or early onset strabismus”. Book
of Abstracts of the 1st Clinical Movement Analysis World
Meeting of ESMAC. 2014, 29 September-4 October.
Rome. Page(s): 104.
Ricerca corrente

93

ATTIVITÀ
1. Studio pilota della Robot Therapy nella riabilitazione
dell’arto superiore in pazienti con PD
Sono stati reclutati 6 soggetti con Malattia di Parkinson (range età: 68-81) e riduzione della funzionalità dell’arto superiore (con cutoff al 9HPT > 30 s) e sono poi stati sottoposti a un
ciclo di 8 sedute con “Braccio di Ferro” come descritto nei
metodi. È risultato che, come mostrato in Fig. 1 (A-B-C-D-E),
col progredire delle sessioni di Robot Therapy diminuivano
significativamente le forze di interazione con il robot e le
durate dei movimenti e la loro segmentazione (n. di sottomovimenti), mentre aumentava il T-ratio (durata del primo
sotto-movimento rispetto alla durata complessiva del task).
Dal confronto tra le valutazioni pre-post riabilitazione è, inoltre, emerso un miglioramento significativo al 9HPT (mediane
40,4 s vs 29,8 s, p < 0,05), ma non al punteggio clinico ARAT,
sebbene si riducano significativamente le durate e il jerk index misurati con sistema inerziale durante l’esecuzione del
test. Questi dati, sebbene preliminari e riferiti a un gruppo
limitato di pazienti supportano, quindi, l’efficacia della Robot
Therapy nel miglioramento della funzionalità dell’arto superiore in pazienti con PD.
Mean Force [N]
2.6
2.4
p (Ft) = 0.048
*
2.2
2
1.8
1.6
1.4
Fig. 1A
1
2
4
5
6
7
8
Session
Reaching Duration [S]
4.8
4.6
3
p (Ft) = 0.004
*
4.4
4.2
4
3.8
3.6
Fig. 1B
1
2
3
4
5
6
7
8
Session
Mean Lateral Deviation [cm]
3
p (Ft) = 0.914
*
2.5
2
Fig. 1C
1
2
3
4
5
6
7
8
Ricerca corrente
centro di pressione attraverso piattaforma di forza (Kistler)
e, successivamente, è stata utilizzata in un gruppo di pazienti con PD per caratterizzarne le alterazioni rispetto a
soggetti sani di controllo.
3.Questa attività si basa sull’uso del sistema MeCFES, uno
stimolatore elettrico funzionale sviluppato nel corso degli anni precedenti presso il Polo Tecnologico della FDG.
La peculiarità del sistema è che l’intensità della stimolazione erogata viene controllata in modo proporzionale
dal segnale EMG registrato su un muscolo del paziente,
permettendo, quindi, un controllo volontario diretto del
paziente sul reclutamento dei muscoli paretici. Il sistema
viene impiegato durante 25 sedute di fisioterapia quotidiane e ne viene valutata l’efficacia a livello di funzionalità dell’arto superiore (test ARAT, Fugl-Meyer), disabilità
(IPPA, Q-DASH) e qualità di vita (SF-16).
Linea di Ricerca 1
Session
95
Linea di Ricerca 1
No. of Sub-movements
7.3
7
6.7

p (Ft) = 0.037
*
6.4
6.1
5.8
5.5
5.2
4.9
Fig. 1D
1
2
3
4
5
6
7
8
Session
T-ratio [%]
38
p (Ft) = 0.002
36
34
32
30
*
*
1
2
28
26
24
22
Ricerca corrente
Fig. 1E
96
3
4
5
6
7
8
Session
2.Sistema indossabile per la rilevazione degli APA
in pazienti con PD
La validazione del metodo accelerometrico rispetto al gold
standard dinamometrico è stata realizzata su 20 soggetti
sani e 5 pazienti con PD, dimostrando la correlazione sia dei
parametri temporali che di quelli spaziali (nel piano mediolaterale) misurati con i due metodi.
La caratterizzazione delle alterazioni negli APA è stata poi
svolta su 11 pazienti con PD (range età: 62-83), confrontati
con 11 soggetti sani di età confrontabile (range: 65-82). I pazienti hanno mostrato, rispetto ai sani, una riduzione significativa (p < 0,05) nell’accelerazione medio-laterale del tronco
durante la fase di imbalance in entrambi i task locomotori (GI
e SC) e durante la fase di un loading nello SC. Inoltre, i pazienti hanno mostrato delle difficoltà nell’adattare l’ampiezza delle accelerazioni medio-laterali nel passare da GI a SC
evidenziando, quindi, una difficoltà a modulare gli aggiustamenti anticipatori a seconda delle esigenze dei diversi task
motori. Questi risultati confermano l’utilità dell’analisi degli
APA tramite sensori inerziali nei pazienti con PD, ipotizzandone un possibile impiego come strumento di monitoraggio
e/o teleriabilitazione domiciliare, visti i bassi costi e la facilità
d’uso. Questi dati sono stati presentati a un congresso internazionale del settore (Bonora et al., 2014).
3.Sistemi FES multicanale a controllo EMG
Per lo studio clinico di efficacia del sistema MeCFES multicanale, nel 2014 sono stati reclutati ulteriori 22 pazienti per
un totale di 74 pazienti post-stroke al 31/12/2014. La parte
sperimentale dello studio è ormai conclusa ed è in corso
l’elaborazione dei dati per analizzare l’efficacia dell’uso del
sistema MeCFES nel recupero funzionale dell’arto superiore
nei pazienti con emiparesi da ictus cerebrovascolare rispetto
al trattamento riabilitativo tradizionale senza dispositivo.
Infine, sempre nell’ambito delle attività di questo progetto di
ricerca corrente, sono stati pubblicati due full paper su rivista
relativi a dati raccolti in precedenza e descritti nella relazione
dello scorso anno:
a.studio della stabilità meccanica dell’esoscheletro attuato
di mano Handexos (Cempini et al., 2014);
b.valutazione combinata tramite fMRI e Gait Analysis
dell’effetto del biofeedbak elettromiografico nella riabilitazione di pazienti post-stroke (Del Din et al., 2014).
Articoli
• Cempini M, Marzegan A, Rabuffetti M, Cortese M, Vitiello
N, Ferrarin M. “Analysis of relative displacement between the HX wearable robotic exoskeleton and the user’s
hand”. J Neuroeng Rehabil. 2014, October. 18;11(1):147.
• Del Din S, Bertoldo A, Sawacha Z, Jonsdottir J, Rabuffetti M, Cobelli C, Ferrarin M. “Assessment of biofeedback
rehabilitation in post-stroke patients combining fMRI and
Gait Analysis: a case study”. J Neuroeng Rehabil. 2014,
April. 9;11(1):53.

Sviluppo di soluzioni tecnologiche innovative
in ambito nanobiofotonico per applicazioni
di diagnostica avanzata
Responsabile: Gramatica Furio
BACKGROUND
L’utilizzo convergente di Key Enabling Technologies (KETs) è
una tendenza crescente, recepita come fondante anche nei
programmi di ricerca, sviluppo e innovazione internazionali,
come Horizon2020, in funzione delle sinergie virtuose che
da questa convergenza possono scaturire e dei vantaggi che
si ricavano nell’affrontare le complessità intrinseche di alcuni
problemi nell’ambito delle scienze della vita.
In particolare, come citato nel razionale originario del progetto, l’utilizzo combinato delle KETs è la base più promettente
per affrontare la sfida della diagnostica avanzata in vitro e in
vivo in termini di specificità e sensibilità, nell’ottica di studiare la fattibilità di metodologie note in ambito tecnico, di frontiera nell’ambito delle scienze della vita – ove si aggiungono
variabili non definibili a priori in laboratorio – e potenzialmente disruptive in ambito clinico.
Nel dettaglio e, come primo esempio, la diagnostica in vivo
per via transdermica e la diagnostica in vitro su materiale genetico estratto automaticamente da campioni integri di fluidi
corporei, sono due sfide di crescente interesse per le quali le
tecnologie convergenti nano-bio-fotoniche possono essere
messe alla prova.
Obiettivi
Gli obiettivi specifici del progetto erano gli studi di fattibilità
relativamente a:
1.un prototipo di sonda transdermica per l’analisi non invasiva dei tessuti cutanei e sottostanti, possibilmente con
l’effettuazione di alcuni test preliminari di laboratorio sulle
funzionalità della sonda stessa;
2.l’integrazione tra spettrocopia Raman/SERS in uso presso
i nostri laboratori con un dispositivo in preparazione presso il CEA/LETI di Grenoble, finalizzato all’estrazione automatica di materiale genetico da campioni di fluido umano.
Metodi
Relativamente al primo obiettivo, la metodologia applicata
in questa prima fase di fattibilità è consistita nell’utilizzo di
Ricerca corrente
• Thorsen R, Binda L, Chiaramonte S, Dalla Costa D, Redaelli T, Occhi E, Beghi E, Ferrarin M. “Correlation among
lesion level, muscle strength and hand function in cervical
spinal cord injury”. Eur J Phys Rehabil Med. 2014, February. 50(1):31-8.
• Ferrarin M, Cempini M, Cortese M, Marzegan A, Rabuffetti M, Vitiello N, Carrozza MC. “Analysis of relative instability between hand and a robotic exoskeleton”. Gait
& Posture, Volume 40, Supplement 1, Page(s) S29. 2014,
August.
• Bonora G, Carpinella I, Casati E, Cattaneo D, Chiari L, Ferrarin M. “Development of a new instrumented system for
evaluating the “stair negotiation” based on inertial sensors”. Gait & Posture, Volume 40, Supplement 1, Page(s)
S4-S5. 2014, August.
• Bonora G, Carpinella I, Cattaneo D, Chiari L, Ferrarin M.
“Evaluation of the initiation of level walking and stair
ascending in Parkinson’s Disease: an instrumented method based on inertial sensors”. Book of Abstracts of the
1st Clinical Movement Analysis World Congress, 15th Annual meeting of SIAMOC, 23rd Annual Meeting of ESMAC.
Page(s): 184. 2014, 29 September-4 October, Rome.
• Aprile I, Di Sipio E, Simbolotti C, Germanotta M, Cortellini
L, Rabuffetti M, Padua L, Ferrarin M. “Effects of the upper limb robot-assisted therapy on a daily task in stroke
patients: preliminary results using motion analysis”. Book
of Abstracts of the 1st Clinical Movement Analysis World
Meeting of ESMAC. Page(s): 112. 2014, 29 September-4
October, Rome.
Linea di Ricerca 1
97
Ricerca corrente
Linea di Ricerca 1
98
spettroscopia Raman direttamente su campioni di cute umana provenienti da biopsie e interventi di chirurgia plastica,
ottenuti nell’ambito di una convenzione tra la Fondazione
Don Gnocchi e la biobanca della pelle dell’Ospedale Niguarda. I campioni vengono crioconservati e/o attivati in colture
organotipiche che ne preservano le proprietà fisiologiche
fino a tre giorni. Gli spettri Raman ottenuti vengono analizzati sia attraverso software commerciali di analisi spettrale
(LabSpec) che attraverso algoritmi specifici sviluppati ad hoc
da bioingegneri computazionali della Fondazione Don Gnocchi.
Riguardo al secondo obiettivo, si è scelto di mettere a punto
i protocolli per la rilevazione di spettri SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) sia attraverso lo spettrometro in
dotazione al laboratorio LABION (Laboratorio di Nanomedicina e Biofotonica Clinica) della Fondazione, un microRaman
confocale Aramis (Horiba Jobin Yvon) sia tramite uno spettrometro assemblato presso i laboratori del CEA (Commissariat
à l’Energie Atomique) di Grenoble – l’apparecchio BacRAM.
Anche in questo, l’analisi spettrale è stata effettuata sia attraverso il software commerciale di postprocessing LabSpec
sia attraverso l’algoritmo di riduzione del background di fluorescenza sviluppato ad hoc presso i laboratori della Fondazione Don Gnocchi.
L’enhancement dell’effetto Raman, cioè il raggiungimento
dell’effetto SERS, è stato ottenuto tramite una specifica
tecnica “a sandwich” tra una superficie SERS-attiva nanostrutturata (Plasmore Srl) e un layer di nanoparticelle d’oro
coniugate con un opportuno reporter Raman, che attivano
per vicinanza un plasmone di risonanza e, dunque, l’effetto
SERS solo in presenza del marker genetico cercato, coniugandosi alla sua sequenza specifica.
Attività
Attività relative al primo obiettivo – sonda SERS
per la cute
Lo studio, in questa prima fase, si è focalizzato sulle tecniche di differenziazione spettrale tra la cute sana e quella
lesionata (lesioni tumorali). In particolare, dopo l’ottimizzazione per lo studio di campioni di cute umana normale al fine
di mettere a punto il protocollo di acquisizione su biopsia

intera di organo, è stata verificata la capacità della tecnica di
distinguere fra i diversi costituenti del tessuto epidermico ed
è stato creato un database dei principali spettri Raman caratteristici dei diversi strati cutanei, come punto di partenza per
il confronto della firma biochimica di campioni di cute normale e derivanti da lesioni cutanee. È stata poi analizzata una
biopsia di tumore benigno, classificata come nevo nevocitico, rivelando un aumento generalizzato e consistente dell’intensità dei segnali Raman negli intervalli considerati, dato
riconducibile a un aumento complessivo di fluorescenza del
campione dovuto alla presenza di abbondante melanina. Al
contempo, i picchi corrispondenti ad amide I e amide III sono
risultati rispettivamente ridotti e aumentati rispetto alla cute
di controllo (a suggerire un riarrangiamento della componente proteica principale dell’epidermide che è rappresentata
dai filamenti intermedi di cheratina, noti per il loro ruolo nella
differenziazione terminale dei cheratinociti) e frequentemente alterati in condizioni di trasformazione neoplastica.
Attività relative al secondo obiettivo – integrazione di test
Raman su materiale genetico
Il lavoro di integrazione del kit SERS per la detezione di biomarcatori genetici attualmente in sviluppo presso i laboratori
della Fondazione Don Gnocchi con i dispositivi di analisi e
preparazione del campione sviluppati presso il CEA-LETI di
Grenoble, durante questa prima fase del progetto, si è focalizzata sulla possibilità di impiegare un particolare dispositivo
Raman, denominato Bacram, originariamente sviluppato per
l’identificazione rapida dei batteri, che dovrebbe permettere una maggiore facilità nell’analisi del kit, data la possibilità
di questo strumento di analizzare un gran numero di spettri
Raman in diverse posizioni del substrato in un tempo molto
ridotto. I primi test svolti hanno fino a oggi evidenziato “delle criticità” riguardanti le diverse configurazioni ottiche dello
strumento presente in FDG rispetto a quello sviluppato al
CEA. In particolare, Bacram è stato sviluppato per lavorare
ad una lunghezza d’onda pari a 533 nm (verde) mentre il test
SERS è stato ottimizzato per una lunghezza d’onda pari a
633 nm (rosso). Di conseguenza i primi risultati sono stati
negativi ed è al momento in sviluppo un sistema Bacram
capace di lavorare alle lunghezze d’onda richieste per il test
Linea di Ricerca 1
3.lavorare alla produzione di articoli scientifici.
Infine, ultimo obiettivo era l’organizzazione di seminari tematici su nuove tecnologie che potessero essere di aiuto alle
investigazioni scientifiche delle varie aree.
Ricerca corrente
METODI
100
L’attività del Laboratorio si è articolata in una parte di scouting (interno ed esterno) e, in parallelo, da una parte operativa caratterizzata dal completamento delle collaborazioni su
progetti già avviati e dall’inizio delle attività di integrazione
e/o design e sviluppo delle soluzioni tecnologiche in risposta
ai concreti problemi applicativi rilevati.
In questa fase iniziale, lo scouting interno si è rivolto soprattutto a quelle realtà con cui si avevano contatti preesistenti (es. Neuropsichiatria Infantile, Neurologia, Cardiologia,
Riabilitazione). Attraverso il contatto con alcuni referenti di
queste aree, si è analizzata l’eventuale domanda di soluzioni
tecnologiche avanzate che potessero contribuire a un miglioramento della pratica clinica e riabilitativa.
Lo scouting esterno si è basato invece su azioni di networking con le principali realtà dei produttori di tecnologia e/o
dei loro distributori, concentrandosi soprattutto sui dispositivi e sensori integrabili “attorno alla persona”. C’è anche
stata una limitata ricerca e valutazione di aziende e terzisti
interessanti per gli aspetti di technology transfer.
Per gli aspetti operativi, oltre al proseguimento delle attività di collaborazione già in essere (es. MiniMagIC – sistema
indossabile di monitoraggio dei parametri fisiologici e del
movimento – e MecFES – innovativo sistema di stimolazione elettrica funzionale controllato dallo stesso o altri gruppi
muscolari del soggetto), proprio in seguito all’analisi delle
esigenze dell’area della neuropsichiatria infantile, si è aperta una collaborazione molto interessante e promettente che
ha già dato i suoi primi frutti, sia in termini di pubblicazioni
sia di progetti.
ATTIVITÀ
Accanto alle attività di scouting interno ed esterno, nel primo
anno di vita, le attività del laboratorio hanno ruotato attorno
ad alcune principali collaborazioni.
Collaborazione con area Neuromotoria
La collaborazione con l’area Neuromotoria (Ing. Rabuffetti) si

è concentrata sullo sviluppo di un’applicazione per la valutazione della differente attività degli arti superiori nei pazienti
emiplegici. Sono stati messi a punto e confrontati diversi indici descrittivi dell’attività registrata sotto forma di tracciato
accelerometrico. Per la raccolta delle informazioni si è deciso di utilizzare un orologio sensorizzato prodotto dalla Texas
Instruments e disponibile in commercio (EZ-Chronos) per
procedere, quindi, all’inserimento all’interno dell’orologio
degli algoritmi sviluppati. Per questo è stato completamente
riscritto il firmware e, contemporaneamente, è stato sviluppato un software per la gestione dell’orologio e il trasferimento dei dati verso un computer. Attualmente i prototipi
dell’orologio stanno raccogliendo i dati dai primi pazienti e
la previsione è di realizzare appena possibile (entro il 2014)
un primo articolo scientifico. Alcuni mesi sono anche stati dedicati ad attività di messa a punto legate al dispositivo
MecFES, sia nell’ambito del re-design del dispositivo, che
anche per quanto riguarda attività di manutenzione e messa a punto dei dispositivi esistenti, in vista di un trial con i
pazienti.
Collaborazione con area Cardiovascolare e Wearable
La collaborazione ha riguardato il completamento dello sviluppo dell’elettronica MiniMagIC e l’inizio dello sviluppo della versione MiniMagIC Space, che servirà per raccogliere
dati relativi al sonno dell’astronauta italiano durante la prossima missione sulla ISS, nel 2015. Sono state effettuate,
inoltre, anche attività di supporto per la parte di software
di visualizzazione ed analisi dei segnali acquisiti dal sistema
indossabile MagIC.
Collaborazione con Unità di Neuropsichiatria Infantile
In seguito a diversi confronti con la referente dell’area
(Dott.ssa Angelini) e con alcune referenti cliniche (in particolare la Dott.ssa Olivieri), è stato identificato un progetto (adozione precoce di carrozzine elettroniche da parte di bambini)
in cui l’utilizzo di soluzioni tecnologiche avanzate potrebbe
dare un contributo importante nel monitoraggio remoto (domiciliare). Si è proceduto, quindi, allo studio delle soluzioni
possibili, anche in collaborazione con l’area delle tecnologie
assistive del CITT (Ing. Gower). Inoltre, a partire dalla valutazione dei limiti dell’attuale sistema di Realtà Virtuale (VR) in

• Analisi e preparazione di un report sui sensori, processori
e sistemi di trasmissione di potenziale interesse nell’ambito wearable.
• Olivieri I, Chiappedi M, Meriggi P, Mazzola M, Grandi A,
Angelini L. Rehabilitation of Children with Hemiparesis: A
Pilot Study on the Use of Virtual Reality. BioMed Research
International 10/2013; doi:10.1155/2013/695935.
• Di Rienzo M, Vaini E, Castiglioni P, Merati G, Meriggi P,
Parati G, Faini A, Rizzo F. Wearable seismocardiography:
Towards a beat-by-beat assessment of cardiac mechanics
in ambulant subjects, Autonomic Neuroscience: basic &
clinical. 05/2013; doi:10.1016/j.autneu.2013.04.005.
• Agostoni P, Swenson ER, Fumagalli R, Salvioni E, Cattadori G, Farina S, Bussotti M, Tamplenizza M, Lombardi C,
Bonacina D, Brioschi M, Caravita S, Modesti P, Revera M,
Giuliano A, Meriggi P, Faini A, Bilo G, Banfi C, Parati G.
Acute high-altitude exposure reduces lung diffusion: Data
from the HIGHCARE Alps Project, Respiratory Physiology
& Neurobiology. 04/2013; doi:10.1016/j.resp.2013.04.005.
• Lombardi C, Meriggi P, Agostoni P, Faini A, Bilo G, Revera M, Caldara G, Di Rienzo M, Castiglioni P, Maurizio B,
Gregorini F, Mancia G, Parati G. High-altitude hypoxia and
periodic breathing during sleep: gender-related differences. Journal of Sleep Research, Jan. 2013; doi:10.1111/
jsr.12012.
Ricerca corrente
utilizzo, si è studiato e messo a punto il progetto VITAMIN
(VIrtual realiTy plAtform for Motor cognItive rehabilitatioN),
per la creazione di una piattaforma per la somministrazione
a bambini di esercizi di riabilitazione sotto forma di giochi o di
interazioni con elementi virtuali. Il progetto è iniziato a gennaio 2014. Infine, proprio a partire dall’esperienza effettuata
sulla parte di VR con il sistema commerciale attualmente
in uso (VRRS, Khymeia, Padova) è stato realizzato un primo
ma promettente lavoro scientifico sull’utilità dell’approccio
quantitativo nell’uso della realtà virtuale come ambito per la
riabilitazione o la somministrazione di esercizi a bambini.
Altre collaborazioni
Oltre alle collaborazioni sopra descritte, esistono anche altre
collaborazioni scientifiche interne, in particolare con l’area
dei Biosegnali (Linea di Ricerca 1), Neurofisiopatologia (Linea di Ricerca 2B), ed esterne, con l’IRCCS Istituto Auxologico Italiano (in particolare con l’area Cardiovascolare – Prof.
Parati e Dott.ssa Lombardi, e follow-up del progetto eBrain,
Dott.ssa Poletti), e con l’IRCCS Centro Cardiologico Monzino (Prof. Agostoni).
Infine, per quanto riguarda le attività di formazione, i contatti con il Centro di Formazione Orientamento e Sviluppo
della Fondazione Don Gnocchi (CeFOS) hanno contribuito a
definire alcuni corsi di formazione per il personale tecnico
della Fondazione, che si sono concretizzati nel 2013 sotto
il coordinamento del CeFOS con l’aiuto di aziende esterne.
Elenco dei risultati ottenuti
• Sviluppo di prototipi funzionanti dell’orologio sensorizzato,
per la raccolta dell’attività dei pazienti e del relativo software per il trasferimento dei dati.
• Supporto allo sviluppo del sistema MiniMagIC standard e
preparazione all’estensione “spaziale”. Supporto allo sviluppo del relativo software di interfaccia.
• Supporto allo sviluppo del progetto MecFES nella versione
originale e in una versione avanzata.
• Supporto all’attività di analisi dei dati rilevati tramite il sistema di realtà virtuale VRRS (Khymeia, Padova).
• Analisi e sviluppo del progetto per la realizzazione di un
motore di esercizi in realtà virtuale (progetto VITAMIN, iniziato nel 2014 con finanziamento privato).
Linea di Ricerca 1
101
Linea di Ricerca 1
Integrazione di un front-end A/D miniaturizzato
ad alte prestazioni per segnali EEG/EMG
e applicazione per Brain Computer Interface
a basso costo
Responsabile: Meriggi Paolo
Ricerca corrente
BACKGROUND
102
L’evoluzione tecnologica sta rendendo disponibili componenti elettronici le cui capacità di trasduzione, calcolo, memorizzazione e comunicazione, insieme alla progressiva miniaturizzazione, consentono di realizzare dispositivi portabili
o addirittura indossabili per l’acquisizione e l’elaborazione di
segnali fisiologici adatti al contesto ambulatoriale e/o domiciliare. Date le grandi potenzialità di questo segmento del
mercato medicale, molti dei principali produttori di circuiti
integrati stanno proponendo in soluzioni single-chip i cosiddetti “front-end” analogici (Analog Front End o AFE), che
permettono l’acquisizione di biosegnali con qualità elevata a
fronte di ingombri circuitali contenuti.
Tra questi AFE, recentemente ne sono stati introdotti alcuni
dedicati all’acquisizione e al trattamento iniziale dei segnali
EEG ed EMG, dedicati allo sviluppo di dispositivi molto compatti e con un eccellente rapporto segnale/rumore.
Il presente studio si pone lo scopo di integrare questi componenti per realizzare dei dispositivi in grado di sfruttare le
caratteristiche di qualità del segnale acquisito e di compattezza, sia a scopo diagnostico sia come input per sistemi
di interazione uomo-macchina (Human Machine Interface)
a partire da segnali EMG e/o EEG. Quest’ultimo utilizzo in
particolare potrebbe risultare molto interessante, aprendo la
strada allo sviluppo o all’integrazione di sistemi di comunicazione alternativa (Augmentative and Alternative Communication – AAC) a basso costo.
Purtroppo, infatti, i sistemi di interfaccia uomo-macchina basati su EMG presenti sul mercato sono pochissimi e, solitamente, in grado di rilevare pochi canali oppure in gran parte
ancora oggetto di investigazione scientifica. Nel caso dei segnali EEG, invece, il costo dei sistemi adatti per controllare le
selezioni operate da un calcolatore è ancora elevato (svariate
migliaia di euro) e le alternative a basso costo commercialmente disponibili presentano spesso limitazioni tali da com-

prometterne l’efficacia per impieghi AAC. La complessità,
i costi elevati e l’inadeguatezza delle caratteristiche (per i
sistemi commerciali a basso costo) continuano a costituire
delle barriere alla diffusione di queste soluzioni, sommandosi ad altre problematiche intrinseche nell’acquisizione e
utilizzo dei biosegnali di piccola ampiezza quali i segnali EEG
ed EMG (rapporto segnale/rumore, stabilità del segnale nel
lungo periodo, tolleranza del paziente a elettrodi attaccati alla
pelle ecc.).
A partire dall’esperienza maturata negli scorsi anni nel campo
dello sviluppo hardware e software, unita alla disponibilità di
questi nuovi AFE specificamente dedicati all’acquisizione dei
segnali EEG ed EMG, il Laboratorio di Integrazione di Tecnologie Biomediche si pone l’obiettivo di integrare un dispositivo
di acquisizione di biosegnali, compatto e a basso costo (inferiore ai 1.000 euro), che possa trovare impiego anche nel
campo HMI (Human Machine Interface) e in particolare BCI.
OBIETTIVI
Il presente studio aveva il duplice scopo di:
1.integrare un dispositivo di acquisizione di segnali EEG/
EMG a elevata risoluzione, compatto e a basso costo;
2.utilizzare il dispositivo di acquisizione integrato per la realizzazione di un sistema BCI completo a basso costo.
A causa della sensibile riduzione del budget disponibile
per il progetto, si è proceduto a privilegiare il primo punto
giungendo, come vedremo, alla realizzazione di un prototipo funzionante del dispositivo di acquisizione. Dispositivo di
acquisizione che, per come è stato disegnato, può rilevare
segnali EMG/EEG con una versione dell’hardware del frontend, mentre con una differente versione può acquisire segnali EMG/ECG.
METODI
Il presente progetto ha riguardato lo studio e la messa a
punto di un dispositivo di acquisizione per EMG/EEG (e altri
biosegnali) a basso costo.
Le attività svolte hanno, dapprima, riguardato un’attenta analisi di quanto già presente sul mercato e, quindi, la selezione
dei migliori componenti secondo i criteri di robustezza, basso costo, qualità dei segnali acquisiti e facilità realizzativa,
per giungere alla messa a punto del prototipo.
Linea di Ricerca 1

Ricerca corrente
modo assolutamente specifico la sequenza del gene target
WT1, permettendo di ottenere un sistema che combini la
sensibilità con la specificità.
Oltre a questo è necessario sviluppare i protocolli necessari
per ottenere un corretto appaiamento delle sequenze genetiche e quelli per permettere una efficace rilevazione del
segnale tramite la spettroscopia Raman.
106
Fig. 1
ATTIVITÀ
Lo sviluppo del kit per il rilevamento di marcatori genetici
della leucemia mieloide acuta ha richiesto la messa a punto
di diverse fasi quali: la sintesi di nanoparticelle d’oro di diversa forma e dimensione, la funzionalizzazione delle nanoparticelle con diversi oligonucleotidi, il monitoraggio del processo
di annealing tra le diverse sequenze di DNA mediante spet-
Schema del biosensore

Linea di Ricerca 1
troscopia UV-visibile e il rilevamento delle molecole target
attraverso spettroscopia SERS. Al momento è stato sviluppato un modello di biosensore semplificato in cui il DNA target è coniugato con un Raman reporter (malachite verde).
Allo scopo di valutare quale fosse il tipo di nanoparticella più
adatto al nostro progetto, in una prima fase sono state sintetizzate tre differenti classi di nanoparticelle d’oro differenti
per forma e dimensione. Le prime nanoparticelle sintetizzate
sono state di forma sferica, con dimensione di circa 40 nm di
diametro. Queste nanoparticelle presentano un protocollo di
sintesi abbastanza semplice e riproducibile e si sono dimostrate stabili nel tempo, tuttavia mostrano un buon grado di
enhancement dei segnali Raman.
Il secondo tipo di nanoparticelle preparate è di forma stellata
di dimensione di circa 70 nm ottenute seguendo diversi protocolli. Rispetto alle nanoparticelle sferiche le nanoparticelle
stellate si sono dimostrate essere molto più efficaci nell’amplificare i segnali Raman delle molecole target; al contempo
però risultano essere meno stabili e per questo motivo è
stato difficile utilizzarle nelle fasi di funzionalizzazione e di
detezione.
Da ultimo sono stati preparati dei nanorods (nanoparticelle di
forma allungata) mediante un innovativo protocollo sempre
basato sull’impiego dell’idrochinone come agente riducente.
Queste nanoparticelle non hanno però mostrato una particolare capacità nell’amplificazione dei segnali Raman e, quindi,
non sono state impiegate nelle successive fasi del progetto.
Per la coniugazione di DNA alle nanoparticelle e in particolare alle nanosfere, si è scelto di usare la ben nota reazione tra l’oro e i gruppi tiolo (-SH). Questa è una procedura
relativamente semplice, ben consolidata per questo tipo di
applicazioni ed è basata sulla formazione di legami covalenti
dativi tra gli atomi di oro presenti sulla superficie delle nanoparticelle e l’atomo di zolfo del tiolo coniugato al DNA.
Dopo la fase di funzionalizzazione è stato necessario mettere a punto il processo di annealing. Questo punto è particolarmente critico dato che per far avvenire la corretta ibridazione tra le sequenze target e le sequenze di DNA coniugate
alle nanoparticelle è necessario uno stretto controllo delle
condizioni sperimentali quali la temperatura, la concentrazione salina della soluzione in cui avviene il processo e la natura
del tampone utilizzato per evitare di incorrere nella denaturazione del DNA o in appaiamenti non corretti. In aggiunta,
per il nostro sistema, è stato necessario scegliere delle condizioni che fossero compatibili con la stabilità delle nanoparticelle in soluzione. Questo è particolarmente importante in
Spheres
Stars
20000
1000
15000
5000
Fig. 2A
1000
1250
Raman Shift (cm-1)
1500
Fig. 2B
1000
1250
Raman Shift (cm-1)
1500
Ricerca corrente
10000
500
Confronto tra l’enhancement dei segnali Raman ottenuti utilizzando nanoparticelle sferiche e stellate.
107
Linea di Ricerca 1

quanto un’eccessiva forza ionica del tampone provocherebbe la completa schermatura delle cariche elettrostatiche che
mantengono le nanoparticelle in soluzione.
Dopo numerosi tentativi si è scelto di utilizzare un tampone
tris-acetato (25 mM) a pH = 8,2 con una concentrazione di
NaCl pari a 300 mM.
Per far avvenire l’ibridazione si è quindi provveduto a miscelare le nanoparticelle coniugate con la sequenza target
marcata con un Raman reporter. In seguito, si è portata la
miscela a 95 °C per 5 minuti per denaturare il DNA complementare a doppio filamento ed eventuali strutture secondarie formatesi tra i diversi oligonucleotidi, successivamente
il sistema è stato fatto raffreddare lentamente fino ai 37 °C
per favorire il corretto assemblaggio dei diversi filamenti con
il DNA complementare.
Una volta effettuato il riconoscimento della sequenza target,
le nanoparticelle sono state centrifugate per eliminare il restante materiale genetico, risospese in acqua e fatte riaggregare con acido cloridrico al fine di massimizzare l’aumento
del segnale Raman.
Grazie all’utilizzo di questa metodica siamo stati in grado di
rilevare la presenza del DNA target a concentrazioni dell’ordine del nanomolare (Fig. 3).
Intensity (a.u.)
Ricerca corrente
25000
20000
15000
10000
5000
Fig. 3
200
400
600
800
Complementer oligo (nM)
108
1000
rodotti Scientifici
• Mehn D, Morasso C, Vanna R, Schiumarini D, Bedoni M,
Ciceri F, Gramatica F. Surface Enhanced Raman Spectroscopy based method for leukemia biomarker detection
using magnetic core @ gold shell nanoparticles. BioNanoScience, under review (second round).
• Morasso C, Mehn D, Vanna R, Bedoni M, Forvi E, Colombo M, Prosperi D, Gramatica F. One-Step Synthesis of
Star-Like Gold Nanoparticles for Surface Enhanced Raman
Spectroscopy. Materials Chemistry and Physics. 2014.
(143) 1215-1221.
• Mehn D, Morasso C, Vanna R, Bedoni M, Prosperi D,
Gramatica F. Immobilized gold nanostars in a paper based
test system for Surface Enhanced Raman Spectroscopy.
Vibrational Spectroscopy. 2013. (68) 45-50. Per reviewed
international conference proceedings.
• Morasso C, Mehn D, Vanna R, Bedoni M, García CP, Prosperi D, Gramatica F. Star-like gold nanoparticles as highly
active substrate for Surface Enhanced Raman Spectroscopy. Proceedings of SPIE. 2013. Vol. 8595, 859507.
Congressi
• Morasso C. “Hydroquinone based synthesis of Au nanoparticles with shape control for SERS applications”. Presented at: Italian Crystal Growth 2013. 2013, 14-15 November, Parma Italy.
• Morasso C. “Star-like gold nanoparticles as highly active
substrate for surface enhanced Raman spectroscopy. Presented at: BIOS – Colloidal Nanoparticles for Biomedical
Applications VIII. part of Photonic West. Organized by
SPIE. 2013, 2–7 February, San Francisco, United States.
Poster
• Méhn D, Morasso C, Vanna R, Schiumarini D, Bedoni M,
Ciceri F, Gramatica F. “Surface Enhanced Raman Spectroscopy based method for leukemia biomarker detection
using magnetic core @ gold shell nanoparticles”. Presented
at NanoBioEurope. 2013, 10-12 June, Toulouse, France.

BACKGROUND
Il background dell’attività svolta nel 2013 nell’ambito della
presente attività di Ricerca Corrente è rappresentato da:
1.attività, svolta presso il Polo Tecnologico dell’IRCCS Fondazione Don Gnocchi precedente all’anno 2013, di sviluppo di strumenti, metodologie e protocolli sperimentali
nell’ambito delle neuroscienze cognitive sperimentali; 2.integrazione profonda tra la componente tecnologica e la
componente clinica della Fondazione Don Gnocchi; collaborazione con istituzioni, universitarie e non, esterne alla
Fondazione e, in particolare, il Dipartimento di Psicologia
dell’Università di Torino.
Tale background consente di rispondere alla domanda pressante nel presente contesto di approfondimento dei disturbi
cognitivi, originati sia da un evento focale, sia da un processo
degenerativo, sia da un danno/lesione congenito. In particolare, tale richiesta è giustificata dalla consapevolezza che un
migliore inquadramento del disturbo possa potenzialmente
migliorare l’approccio terapeutico e riabilitativo. Analogamente, si ritiene che l’identificazione precoce di fattori che determinano disturbi dell’apprendimento in una popolazione infantile consenta un trattamento più efficace dei disturbi stessi.
Nel presente progetto si è sviluppata ulteriormente la piattaforma testistica, risultato di attività di ricerca corrente e
trascorsa, si è proceduto a campagne sperimentali con popolazioni selezionate, si sono sviluppati modelli matematici
per l’analisi dell’outcome grezzo al fine di ottenere indici di
performance specifici dei diversi aspetti coinvolti nel task
richiesto. Particolare attenzione è stata rivolta a test che
implicano la scrittura e il disegno manuale, con particolare
attenzione a popolazioni di individui giovani frequentanti la
scuola dell’obbligo.
OBIETTIVI
Gli obiettivi perseguiti nell’anno 2013 sono stati:
a.consolidamento e ulteriore sviluppo della piattaforma
computerizzata già realizzata;
b.implementazione di test e in particolare di sequenze di
copia di figure (Rey, batteria VMI ecc.);
c.implementazione di modelli matematici di indici significativi dei diversi aspetti delle performance;
d.svolgimento di campagne sperimentali in collaborazione
con partner clinici e universitari su popolazioni con caratteristiche specifiche (bambini normali all’inizio o alla fine
del percorso della scuola primaria; bambini border-line in
ambito scolastico; bambini con disturbi in trattamento
presso reparti di Neuropsichiatria Infantile; soggetti adulti
con danno cerebrale focale o derivante da malattia neurodegenerativa).
METODI
I metodi utilizzati sono basati sulle piattaforme computerizzate sviluppate presso l’IRCCS Don Gnocchi e modificate
eventualmente per adeguarsi alle attività svolte.
Tra i setup sperimentali e le piattaforme computerizzate utilizzate elenchiamo:
• tablet PC per lo studio di movimenti ciclici in compiti bimanuali congruenti o incongruenti;
• tavoletta grafica Wacom per lo studio della performance
grafica in compiti di disegno e in test di prassia costruttiva;
• sistema di analisi del movimento per lo studio dei movimenti degli arti superiori in compiti unimanuali e bimanuali;
• touchscreen monitor per lo studio della performance in
test di reazione o di attenzione sostenuta.
In specifiche applicazioni il setup sperimentale è stato integrato con l’inclusione di un sistema elettromiografico per il
rilievo delle attività muscolari.
ATTIVITÀ
Nel 2013 sono state realizzate le seguenti attività sperimentali e ottenuti i relativi risultati.
Sperimentazione con protocollo Cerchi e Righe su tablet PC
in collaborazione con Dip Psicologia Università Torino: • 12 sessioni (3 oggetti): soggetti con distonia focale, prepost TMS;
• 2 soggetti: soggetti con sindrome di arto fantasma (PhantomLimb);
• 28 soggetti: studio interferenza arto alieno (RubberHand);
• 11 soggetti: soggetti con Schizofrenia;
Ricerca corrente
Sviluppo e applicazione di metodi strumentali
per la valutazione delle funzioni cognitive – Fase I
(2013)
Responsabile: Rabuffetti Marco
Linea di Ricerca 1
109
Linea di Ricerca 1
• 21 sessioni (6 soggetti): soggetti pre-post TMS aree corticali.
Sperimentazione con protocollo disegno su tavoletta grafica in collaborazione con reparto Riabilitazione Neurologica
e con Dipartimento Psicologia Università di Milano Bicocca:
• 28 soggetti di controllo;
• 20 soggetti con malattia di Parkinson;
• 14 soggetti con lesione cerebrale focale destra.
Sperimentazione con protocollo disegno su tavoletta grafica
in collaborazione con U.O. Neuropsichiatria Infantile (Angelini) e Dip Psicologia Uni Bari e Uni Lecce:
• 32 soggetti (19 bambini di 5a elementare, 13 bambini di 3a
elementare): studio competenze ortografiche (Bari);
• 98 soggetti: studio competenze grafomotorie e prassiche
in bambini dalla 2a alla 5a elementare (Milano);
• 4 soggetti (studio pilota): studio competenze grafomotorie
e prassiche in bambini con disturbi apprendimento (Milano).
Nel 2013 sono state condotte le seguenti analisi di data set
precedentemente acquisiti e i risultati sono stati utilizzati per
la scrittura di manoscritti da sottoporre per pubblicazione:
• 6 soggetti protocollo di grasping bimanuale in presenza di
target congruenti o incongruenti;
• 20 soggetti studio dell’interfereza in compiti bimanuali
in modalità passiva o in presenza di un blocco periferico
meccanico;
• 2 soggetti studio integrato O&I + fMRI su un soggetto con
neglect motorio e un soggetto di controllo.
Ricerca corrente
110
Nel 2013 sono stati pubblicati 5 articoli su riviste per reviewed internazionali con IF medio 5.98.
• Garbarini F, D’Agata F, Piedimonte A, Sacco K, Rabuffetti
M, Tam F, Cauda F, Pia L, Geminiani G, Duca S, Graham S
J, Berti A. Drawing lines while imagining circles: Neural basis of the bimanual coupling effect during motor execution
and motor imagery. Neuroimage. 2013, Nov. 2;88C:100112 doi:10.1016/j.neuroimage.2013.10.061. (IF 6.25).
• Piedimonte A, Garbarini F, Rabuffetti M, Pia L, Berti A.
Executed and Imagined Bimanual Movements: A Study
Across Different Ages. Dev Psychol. 2013, Sep 23. [Epub
ahead of print] PubMed PMID: 24059255. (IF 2.98).

• Rabuffetti M, Folegatti A, Spinazzola L, Ricci R, Ferrarin
M, Berti A, Neppi-Modona M. Long-lasting amelioration
of walking trajectory in neglect after prismatic adaptation.
Front Hum Neurosci. 2013, Jul. 15;7:382. doi:10.3389/
fnhum.2013.00382. (IF 2.91).
• Garbarini F, Pia L, Piedimonte A, Rabuffetti M, Gindri P,
Berti A. Embodiment of an alien hand interferes with intact-hand movements. Curr Biol. 2013, Jan. 21;23(2):R578. doi:10.1016/j.cub.2012.12.003. (IF 9.49).
• Pia L, Spinazzola L, Rabuffetti M, Ferrarin M, Garbarini F,
Piedimonte A, Driver J, Berti A. Temporal coupling due to
illusory movements in bimanual actions: evidence from
anosognosia for hemiplegia. Cortex. 2013, Jun. 49(6):1694703. doi:10.1016/j.cortex.2012.08.017. (IF 6.16).

BACKGROUND
L’actigrafia è l’insieme di metodologie di misura che consentono il monitoraggio delle attività motorie nella vita quotidiana degli individui.
L’opportunità del monitoraggio esiste in tutte le situazioni in
cui l’esame di laboratorio non è opportuno o non è sufficiente per i seguenti motivi:
1.il sintomo (disturbo motorio) non è presente all’esame di
laboratorio (in cui esiste motivazione specifica del paziente), ma si presenta nella vita quotidiana;
2.il sintomo (disturbo motorio) ha carattere transitorio e,
quindi, è probabile che non sia evocato durante la permanenza in laboratorio;
3.il deficit/recupero funzionale evidenziato da esami clinici
o di laboratorio deve essere confermato da un correlato
quantificabile osservabile nella vita quotidiana;
4.il dato di interesse consiste nell’attività spontanea e non
nell’attività svolta secondo richiesta specifica.
Allo stato attuale sono disponibili piattaforme di sviluppo per
l’actigrafia che rendono disponibili su un hardware con caratteristiche wearable (indossabili) sensori, memoria e microprocessori in grado di sostenere lo sviluppo di sistemi dedicati. Tali sistemi risultano di costo inferiore, maggiormente
aderenti alle necessità della ricerca scientifica e dell’indagine
medica e di utilità maggiore di sistemi di monitoraggio readyto-use assimilabili alla categoria degli smart-watch.
Obiettivi
L’obiettivo della ricerca è il consolidamento e l’applicazione
di una metodologia di monitoraggio della mobilità con particolare attenzione alla simmetria/asimmetria dei livelli di attività motoria osservabili ai due arti superiori; tale obiettivo
fondamentale si traduce nei seguenti punti:
1.consolidamento di un sistema actigrafico di monitoraggio
motorio che quantifichi in modo differenziale i livelli di attività dei due arti superiori;
2.validazione della metodologia;
3.taratura, ovvero raccolta di dati normativi, su soggetti normali (con particolare attenzione al fattore età e, quindi,
contemplando l’inclusione di soggetti anziani che, pur non
presentando danni al SNC, possono essere considerati
“fragili”);
4.studio sperimentale su soggetti con esiti di stroke in condizioni croniche;
5.studio sperimentale su soggetti in fase acuta post stroke;
6.studio sperimentale su soggetti con esiti di danno cerebrale con ipotesi della specifica sindrome di neglect motorio;
7.studio sperimentale pilota su soggetti con esiti di danno
cerebrale in cui valutare, mediante monitoraggio, l’effetto
di un trattamento terapeutico e, in particolare, riabilitativo.
Metodi
Il sistema actigrafico è sviluppato presso il nostro IRCCS partendo da una piattaforma di sviluppo commerciale: il sistema
ezChronos 430 di Texas Instruments. Tale piattaforma consiste in un sistema indossabile dalle apparenze di un orologio
digitale sportivo che rende disponibile un sensore triassiale
accelerometrico, una memoria di 8 kbytes e un micro-controllore 430 in grado di elaborare i dati grezzi accelerometrici
registrati e di estrarre indici di performance riassuntivi. Tale
potenzialità consente di analizzare registrazioni eseguite su
epoche di durata limitata e di memorizzare soltanto l’indice
o gli indici di performance motoria riassuntivi.
Lo sviluppo di indici di performance motoria e la definizione
di indici di asimmetria, laddove si considerino le registrazioni di due actigrafi posizionati simmetricamente sul soggetto
(per quanto riguarda la presente applicazione, si considerano
i due polsi), sono verificati secondo criteri di robustezza delle
grandezze considerate che devono essere spazio-invarianti. Tale sviluppo e il consolidamento operato nell’anno 2014
sono frutto di attività svolte presso il nostro Centro IRCCS.
La validazione del sistema è basata sullo svolgimento di
esperimenti in cui i risultati hanno valori attesi (per esempio
se i due actigrafi sono indossati sullo stesso polso, l’indice
di asimmetria dovrebbe restituire un valore nullo, quindi il valore restituito sarà considerato la soglia di accuratezza della
valutazione di asimmetria).
Ricerca corrente
Sviluppo di protocolli sperimentali basati
su sistemi actigrafici per il monitoraggio delle
attività motorie a supporto dei processi clinici
Linea di Ricerca 1
111
Linea di Ricerca 1
Sviluppo e applicazione di metodi strumentali
per la valutazione delle funzioni cognitive – Fase II
(2014)
BACKGROUND
L’analisi strumentale, in particolare realizzata mediante sistemi computerizzati, della performance cognitiva consente di
caratterizzare, oltre allo score finale, anche le modalità spazio-temporali con cui il risultato è conseguito. Oltre a ciò, il
computer consente una gestione avanzata degli stimoli (non
solo visivi statici, ma anche in movimento, nonché degli stimoli uditivi, meccanici ecc.) che migliora la standardizzazione della somministrazione e l’automatizzazione della refertazione e consente il progetto di test innovativi. Un paradigma sperimentale in ambito cognitivo basato su
piattaforma computerizzata e rilevante per la presente ricerca è stato sviluppato presso l’IRCCS Don Gnocchi in collaborazione con il Dipartimento di Psicologia della Università
degli Studi di Torino: il paradigma Cerchi e Righe.
è noto che l’esecuzione di compiti bimanuali non congruenti
determina un reciproco effetto modulante (il cosidetto “coupling”). Nella specifica implementazione, il disegno in contemporanea e in modo continuo di una riga e di un cerchio
da parte dei due arti determina, nel soggetto normale, un
effetto di ovalizzazione di entrambe le figure. L’implementazione computerizzata, oggetto di pubblicazioni a
partire dal 2011, si presta al disegno di esperimenti in cui esplorare ipotesi sul controllo motorio come nella presente RC.
Ricerca corrente
Obiettivi
114
L’obiettivo generale della presente RC di sviluppo e applicazione di metodi quantitativi e strumentali allo studio della
performance cognitiva è stato realizzato nel 2014 dal perseguimento dei seguenti obiettivi parziali:
1.consolidamento e ulteriore sviluppo della piattaforma
computerizzata già realizzata (paradigma Cerchi e Righe);
2.implementazione di test di copia di figure (Rey-Osterrieth,
VMI);
3.implementazione di modelli matematici di indici significativi dei diversi aspetti delle performance;
4.svolgimento di campagne sperimentali in collaborazione

con partner clinici e universitari su popolazioni con caratteristiche specifiche.
In particolare, il paradigma Cerchi e Righe è stato adottato
per esplorare ipotesi relative al ruolo della “body ownership”
nel modulare il controllo motorio. La condizione illusoria di
body ownership è stata realizzata sperimentalmente in due
differenti contesti:
a.utilizzando una realtà virtuale immersiva in cui un avatar
replicante i propri movimenti (riga per riga) o realizzante
movimenti incongrui (cerchio per riga) in modo sincrono
poteva essere percepito in prima persona (e quindi “embodied”) oppure in terza persona (e quindi rappresentante
un altro da sé);
b.utilizzando il paradigma della “Rubber Hand illusion”, ovvero della possibilità, in virtù di stimolazioni multisensoriali
appropriate, che un arto estraneo in una posizione congrua venga annesso a sé (“embodied”).
METODI
Il paradigma OeI Cerchi e Righe è stato adottato in due contesti:
1.realtà virtuale immersiva in cui il proprio movimento controlla in tempo reale il movimento sincrono (o asincrono)
di un avatar che può essere visto in prima (condizione
1PP) o in terza persona (condizione 3PP);
2.soggetto sottoposto all’illusione cosidetta della “Rubber
Hand” in cui, in virtù di una contemporanea stimolazione
tattile sul proprio arto e una stimolazione simile eseguita su un arto alieno e percepita visivamente, determina
l’inclusione dell’arto alieno nel proprio schema corporeo
e, quindi successivamente, i movimenti di tale arto determinano risposte nel comportamento assimilabili a quelle
che si ottengono normalmente (incluso il coupling motorio considerato nel paradigma Cerchi e Righe, in cui due
movimenti incongrui dei due arti interferiscono vicendevolmente).
Il test computerizzato di copia della figura di Rey è realizzato
utilizzando una tavoletta grafica equipaggiata con uno stilo
dotato di punta scrivente a inchiostro: il soggetto esegue
il compito grafico disegnando su un foglio sovrapposto alla
tavoletta che registra la performance grafica nella sua evolu-
Linea di Ricerca 1
Studio di fattibilità per migliorare la presa
nel paziente tetraplegico tramite
un nuovo dispositivo (MeCFES) – sviluppo
e sperimentazione di nuovi metodi di controllo
e di applicazione bilaterale – Fase I (2013)
Responsabile: Thorsen Rune Asbjørn
BACKGROUND
Ricerca corrente
I costi sanitari annuali per soggetti affetti da lesione spinale cervicale C5-C7 (tetraplegia) ammontano a 431.033 USD
annuali (Webster B, Giunti G et al., Work-related tetraplegia:
cause of injury and annual medical costs, Spinal Cord. 2004,
doi: 10.1038/sj.sc.3101526). Parte di questa spesa è riconducibile alla ridotta funzionalità delle mani.
Il MeCFES (sviluppato presso il Polo Tecnologico FDG-SMN)
è uno stimolatore neuromuscolare controllato da segnali mio-elettrici che potrebbe essere prodotto e applicato a
basso costo (< 500 euro). Specificamente, il MeCFES può
migliorare la prensione in soggetti affetti da tetraplegia e,
quindi, incrementare l’autonomia nella vita. La sperimentazione clinica ha dimostrato un immediato miglioramento della prensione in 17 su 27 soggetti tetraplegici arruolati. Una
buona parte dei soggetti avrebbe bisogno dell’applicazione
del sistema su entrambe le mani. Finora il MeCFES è stato
testato su un arto singolo utilizzando un solo canale finalizzato a rinforzare la chiusura della mano. Aumentando il numero
di muscoli stimolati si potrebbe ampliare la casistica nonché
incrementare notevolmente l’utilità per la vita quotidiana. Lo
studio precedente (articolo in fase di submission) ha stimato
che il 9% della popolazione tetraplegica potrebbe trarre vantaggio dal MeCFES nella vita quotidiana, un numero che il
presente studio mira ad aumentare.
116
OBIETTIVI
Lo studio è rivolto a pazienti tetraplegici con lesione midollare compresa fra i livelli C5 e C7 e che rispondono a specifici
criteri di inclusione. L’obiettivo dello studio è di aumentare
l’utilità dello strumento come tecnologia assistiva per soggetti tetraplegici. Si intende valutare la fattibilità di:
1.applicare il MeCFES su due mani simultaneamente;
2.sviluppare e testare un metodo aggiuntivo al rinforzo della
chiusura per facilitare l’apertura della mano.

METODI
La ricerca fa parte di un percorso strategico di pre-marketing
per consolidare la validità del dispositivo MeCFES come tecnologia riabilitativa e/o assistiva per persone con lesione midollare o cerebrale. Una volta che le prospettive del mercato
saranno consolidate si intende procedere con il technology
transfer.
Saranno reclutati 5-10 soggetti con tetraplegia a livello C5C7 che siano conformi ai criteri standard per stimolazione
elettrica ricoverati alle unità spinali collaboranti. Verrà eseguita una valutazione delle mani poi, a distanza di mesi e
a valle dell’implementazione degli algoritmi di controllo, si
sperimenterà col dispositivo. Eventuali soggetti dismessi
verranno sostituiti reclutando altri soggetti.
La prensione verrà testata senza stimolazione e con il
MeCFES e confrontata per ogni soggetto. Quindi, ogni soggetto funge da controllo pre-post applicazione.
La presente ricerca è uno studio osservazionale prospettico
in cui si confronteranno le abilità funzionali dei pazienti con
e senza l’ausilio del dispositivo, dopo un opportuno periodo
di uso funzionale controllato da un terapista occupazionale.
Per la rilevazione delle variabili di outcome si utilizzeranno
un test di valutazione funzionale della mano (ARAT) e due
questionari (IPPA e QUEST).
Le fasi del progetto sono le seguenti:
• WP1) Predisposizione documentazione, protocollo;
• WP2) Analisi approfondita dell’apertura/chiusura della
mano tetraplegica tramite valutazione della mano di un
campione limitato (5-10 soggetti tetraplegici), che servirà
a implementare una sequenza di stimolazione. La valutazione (test funzionale) verrà filmata per ulteriori analisi;
• WP3) Realizzazione della versione pluricanale sistema
MeCFES, implementazione firmware e software di controllo. Implementazione di un controllore di stimolazione
elettrica che integra l’approccio MeCFES con una sequenza di stimolazione bicanale;
• WP4) Reclutamento di un campione limitato (5-10 soggetti tetraplegici) e applicazione del MeCFES bilaterale e/o
con due canali di stimolazione. Verrà richiesto ai soggetti
di utilizzare il sistema per circa un’ora di attività della vita

Linea di Ricerca 1
ATTIVITÀ
Analisi di risultati clinici hanno confermato la necessità di un
sistema per assistere la prensione nel tetraplegico [Thorsen
et al., 2013 (a)] la fattibilità e l’utilità del sistema MeCFES
sono state dimostrate [Thorsen et al., 2013 (b)] e la possibilità di espandere i risultati ad altre patologie sono confermate
[Thorsen et al., 2013 (c)] con notevoli vantaggi se inserito in
un regime di riabilitazione intensiva [Thorsen et al., 2013 (d)].
I recenti sviluppi nel campo dell’elettronica di consumo hanno reso disponibili nuove tecnologie che cambiano radicalmente lo scenario del progetto. L’analisi delle esperienze
con il MeCFES multicanale ha dimostrato che è necessario
ridurre al minimo la necessità di connessioni via cavo per il
paziente (WP1).
Le parti cliniche dello studio (WP2 & WP4) avevano due requisiti: disponibilità di un MeCFES multicanale e la disponibilità di personale nelle unità spinali di collaborazione. È stato
necessario riservare il MeCFES multicanale per completamento di un altro studio clinico su pazienti stroke e, quindi,
non è stata più disponibile la strumentazione MeCFES necessaria per la parte clinica del presente studio. Uno specializzando medico che aveva dato disponibilità a condurre la
parte clinica è stato spostato ad altra unità e, quindi, non è
stato più in posizione di seguire il progetto. Poiché entrambi
i fattori hanno determinato un ritardo indefinito, la parte clinica del progetto sarà sospesa.
Come previsto nella revisione di medio termine, occorre che
la parte hardware del progetto sia modificata per cogliere i
recenti progressi nella tecnologia wireless e del elettronica
consumer.
Il focus è stato posto sulla fattibilità della parte tecnica
(WP3). I MeCFES possono essere realizzati come moduli
wireless di registrazione EMG (motes), che, attraverso connessioni wireless possono essere collegati a un computer
host per controllare moduli wireless per la stimolazione. In
questo modo si eliminano i problemi fondamentali nel funzionamento del MeCFES: grovigli di fili e disturbo a causa
della terra elettrica comune. Sono 3 le possibili soluzioni da
testare: utilizzare un sistema EMG commerciale di un possibile project partner, utilizzare un sistema EMG che in gran
parte fa parte di un progetto Open Source, oppure costruire
un sistema dedicato utilizzando circuiti integrati di recentissima versione con elevate prestazioni. Dopo qualche ritardo
nella fornitura di materiale, è stato condotto uno studio di
fattibilità per confrontare i due amplificatori commerciali. I
risultati mostrano che l’EMG da un muscolo stimolato può
essere registrato, anche se non con la stessa sensibilità dei
sistemi MeCFES originali. Le revisioni da rispetto ai sistemi
commerciali sono principalmente legate a integrare circuiti
sviluppati specificamente per il funzionamento del MeCFES.
Lo studio di fattibilità mostra anche i segnali EMG possono
essere trasmessi via Bluetooth a un dispositivo Android per
l’acquisizione in tempo reale ed elaborazione del segnale.
Questo apre la strada per la realizzazione della rete di sensori
e stimolatori che sono interconnessi mediante un dispositivo portatile (per esempio un telefono intelligente) lasciando
al terapeuta o al paziente la massima flessibilità di scegliere la funzione dell’applicazione. Ulteriori lavori sul progetto
saranno rivolti sul come realizzare il sistema modulare da
proporre poi in una sperimentazione clinica.
• Thorsen R, Binda L, Chiaramonte S, Dalla Costa D, Redaelli T, Occhi E, Beghi E, Ferrarin M. Correlation among lesion
level, muscle strength and hand function in cervical spinal
cord injury. Eur J Phys Rehabil Med. 2013, July 2.
• Thorsen R, Dalla Costa D, Chiaramonte S, Binda L, Redaelli T, Occhi E, Beghi E, Ferrarin M. A Non-Invasive Neuroprosthesis Augments Hand Grasp Force In Individuals
With Cervical Spinal Cord Injury – The Functional and
Therapeutic Effects. The Scientific World Journal, Volume 2013 (2013), Article ID 836959, 7 pages http://www.
hindawi.com/journals/tswj/2013/836959/ref/ http://dx.doi.
org/10.1155/2013/836959.
• Thorsen R, Cortesi M, Jonsdottir J, Carpinella I, Morelli
D, Casiraghi A, Puglia M, Diverio M, Ferrarin M. Myoelectrically driven functional electrical stimulation may
increase motor recovery of upper limb in poststroke
Ricerca corrente
quotidiana (terapia occupazionale). L’effetto del sistema
verrà valutato tramite ARAT, IPPA e QUEST confrontando
pre/post terapia e con/senza il sistema.
117
Linea di Ricerca 1
Ricerca corrente
subjects: A randomized controlled pilot study. J Rehabil
Res Dev. 2013; 50(6):785–94.http://dx.doi.org/10.1682/
JRRD.2012.07.0123.
Convegni
• Thorsen R, Cortesi M, Jonsdottir J, Ferrarin M. “Rehabilitation of the hemiplegic hand. Can we do better? “. 41°
Congresso nazionale SIMFER. 2013, Roma 13-16 ottobre.
Page(s): 97-99, Edizioni Minerva Medica, Torino ISBN:
978-88-7711-616-1.
118

Studio di fattibilità per migliorare la presa
nel paziente tetraplegico tramite
un nuovo dispositivo (MeCFES) – sviluppo
e sperimentazione di nuovi metodi di controllo
e di applicazione bilaterale – Fase II (2014)
Responsabile: Thorsen Rune Asbjørn
BACKGROUND
I costi sanitari annuali per soggetti affetti da lesione spinale cervicale C5-C7 (tetraplegia) ammontano a 431.033 USD
annuali (Webster B, Giunti G et al., Work-related tetraplegia:
Cause of injury and annual medical costs, Spinal Cord. 2004,
doi: 10.1038/sj.sc.3101526). Parte di questa spesa è riconducibile alla ridotta funzionalità delle mani.
Il MeCFES (sviluppato presso il Polo Tecnologico FDG-SMN)
è uno stimolatore neuromuscolare controllato da segnali mio-elettrici che potrebbe essere prodotto e applicato a
basso costo (< 500 euro). Specificamente il MeCFES può
migliorare la prensione in soggetti affetti da tetraplegia e
quindi, incrementare l’autonomia nella vita. La sperimentazione clinica ha dimostrato un immediato miglioramento della prensione in 17 su 27 soggetti tetraplegici arruolati. Una
buona parte dei soggetti avrebbe bisogno dell’applicazione
del sistema su entrambe le mani. Finora il MeCFES è stato
testato su un arto singolo utilizzando un solo canale finalizzato a rinforzare la chiusura della mano. Aumentando il numero
di muscoli stimolati si potrebbe ampliare la casistica nonché
incrementare notevolmente l’utilità per la vita quotidiana. Lo
studio precedente (articolo in fase di submission) ha dimostrato che il 9% della popolazione tetraplegica potrebbe trarre vantaggio dal MeCFES nella vita quotidiana, un numero
che il presente studio mira ad aumentare.
Obiettivi
Lo studio è rivolto a pazienti tetraplegici con lesione midollare compresa fra i livelli C5 e C7 e che rispondono a specifici
criteri di inclusione. L’obiettivo dello studio è di aumentare
l’utilità dello strumento come tecnologia assistiva per soggetti tetraplegici. Si intende valutare la fattibilità per:
1.applicare il MeCFES su due mani simultaneamente;
2.sviluppare e testare un metodo aggiuntivo al rinforzo della
chiusura per facilitare l’apertura della mano;

quotidiana (terapia occupazionale). L’effetto della sistema
verrà valutato tramite ARAT, IPPA e QUEST confrontando
pre/post terapia e con/senza il sistema.
Attività
Le analisi dei risultati clinici hanno confermato la necessità di
un sistema per assistere la prensione nel soggetto tetraplegico [Thorsen et al., 2014 (a)], la fattibilità e l’utilità del sistema
MeCFES [Thorsen et al., 2013 (b)] e la possibilità di espandere
i risultati ad altre patologie [Thorsen et al., 2013 (c)].
I recenti sviluppi nel campo dell’elettronica di consumo hanno reso disponibile nuove tecnologie che cambiano radicalmente lo scenario del progetto. L’analisi delle esperienze
con il MeCFES multicanale ha dimostrato che è necessario
ridurre al minimo la necessità di connessioni via cavo per il
paziente (WP1).
Come da comunicazione di avvio del progetto è stata inserita una variazione del progetto per quel che riguarda le parti
cliniche dello studio (WP2 & WP4) che sono state rimandate nell’attesa del trasferimento tecnologico che renderebbe
fattibile la sperimentazione clinica, nonché la disponibilità di
risorse e personale competente disponibili a completare la
parte clinica.
Il progetto si è sviluppato con la seguente modificazione del
piano originale:
1.valutazione della possibilità di ridurre i costi per sviluppo
HW sfruttando maggiormente componenti esistenti;
2.realizzazione della parte elettronica;
3.realizzazione della parte meccanica, in collaborazione con
Politecnico di Milano;
4.test preclinici in laboratorio per dimostrarne fattibilità.
La variazione dell’implementazione MeCFES consiste di moduli che, attraverso connessioni wireless, vengono intercollegati intorno a un hub che potrebbe essere, per esempio,
un cellulare.
Sono stati testati due sistemi EMG di facile reperimento
commerciale con lo scopo di coinvolgere i produttori come
possibili project partner. Oltre dieci aziende sono state individuate come possibili partners per il technology transfer. Uno
studio di fattibilità a confronto dei due amplificatori commerciali ha portato alla conclusione che l’EMG di un muscolo
Ricerca corrente
Metodi
La ricerca fa parte di un percorso strategico di pre-marketing
per consolidare la validità del dispositivo MeCFES come tecnologia riabilitativa e/o assistiva per persone con lesione midollare o cerebrale. Una volta che le prospettive del mercato
saranno consolidate si intende procedere con il technology
transfer.
Saranno reclutati 5-10 soggetti con tetraplegia a livello C5C7 e che siano conformi ai criteri standard per stimolazione
elettrica ricoverati nelle unità spinali collaboranti. Verrà eseguita una valutazione delle mani, poi a distanza di mesi e a
valle dell’implementazione degli algoritmi di controllo si svolgerà la sperimentazione col dispositivo. Eventuali soggetti
che durante la sperimentazione non saranno più disponibili
per l’attività verranno sostituiti reclutando altri candidati.
Per ogni soggetto la prensione verrà testata senza stimolazione e con il MeCFES e poi confrontata in modo tale che
ogni soggetto funga da controllo pre-post applicazione.
La ricerca è uno studio osservazionale prospettico in cui si
confronteranno le abilità funzionali dei pazienti con e senza
l’ausilio del dispositivo, dopo un opportuno periodo di uso
funzionale controllato da un terapista occupazionale. Per la
rilevazione delle variabili di outcome si utilizzeranno un test
di valutazione funzionale della mano (ARAT) e due questionari (IPPA e QUEST). Le fasi del progetto sono le seguenti:
• WP1) Predisposizione documentazione, protocollo;
• WP2) Analisi approfondita dell’apertura/chiusura della
mano tetraplegica tramite valutazione di un campione limitato (5-10 soggetti tetraplegici), che servirà per implementare una sequenza di stimolazione. La valutazione (test
funzionale) verrà filmata per ulteriore analisi;
• WP3) Realizzazione della versione pluricanale del sistema
MeCFES, implementazione firmware e software di controllo. Implementazione di un controllore di stimolazione
elettrica che integra l’approccio MeCFES con una sequenza di stimolazione bi-canale;
• WP4) Reclutamento di un campione limitato (5-10 soggetti tetraplegici) e applicazione del MeCFES bilaterale e/o
con due canali di stimolazione. Verrà richiesto ai soggetti
di utilizzare il sistema per circa un’ora di attività nella vita
Linea di Ricerca 1
119
Linea di Ricerca 1
stimolato può essere registrato, anche se non con la stessa sensibilità del sistema MeCFES originale. In parallelo è
stato sviluppato il software di controllo per il MeCFES sul
microcontrollore ARM fornito con un ADC di 24 bit, dimostrando la fattibilità nell’utilizzo di un componente moderno
per amplificazione riducendo qualche volta la dimensioni del
precedente circuito discreto.
Lo studio di fattibilità mostra anche che i segnali EMG possono essere trasmessi via Bluetooth da un dispositivo Android per l’acquisizione in tempo reale del segnale e la sua
elaborazione.
Ricerca corrente
120
Articoli
• Thorsen R, Binda L, Chiaramonte S, Dalla Costa D, Redaelli T, Occhi E, Beghi E, Ferrarin M. “Correlation among
lesion level, muscle strength and hand function in cervical
spinal cord injury”. European Journal of Physical and Rehabilitation Medicine (Europa Medicophysica). 2014, febbraio. 50(1):31-8 ISSN: 1973-9087: IF:2,06.
• Thorsen R, Dalla Costa D, Chiaramonte S, Binda L, Redaelli T, Occhi E, Beghi E, Ferrarin M. “A Non-Invasive
Neuroprosthesis Augments Hand Grasp Force In Individuals With Cervical Spinal Cord Injury – The Functional and Therapeutic Effects”. The Scientific World
Journal, Volume 2013. Article ID 836959, 7 http://dx.doi.
org/10.1155/2013/836959.
• Thorsen R, Cortesi M, Jonsdottir J, Carpinella I, Morelli
D, Casiraghi A, Puglia M, Diverio M, Ferrarin M. “Myoelectrically driven functional electrical stimulation may
increase motor recovery of upper limb in poststroke
subjects: A randomized controlled pilot study”. J Rehabil
Res Dev. 2013. 50(6):785–94. http://dx.doi.org/10.1682/
JRRD.2012.07.0123.
Brevetti
Italia: TV2012A000026 “Un dispositivo multiplexer ad alto
voltaggio per la commutazione di impulsi di corrente”.
Cina: CN104160622A “Un dispositivo multiplexer ad alto
voltaggio per la commutazione di impulsi di corrente”.
Europa: WO2013124178A2 “High voltage current switch
circuit”.

Invecchiamento e meccanismi di regolazione
della pressione arteriosa: effetti dell’allenamento
aerobico – Fase I (2013)
Responsabile: Veicsteinas Arsenio
BACKGROUND
L’ipertensione arteriosa rimane anche nell’anziano il principale fattore di rischio cardiovascolare e cerebrovascolare, nonché la più importante causa di morte e di disabilità. Inoltre,
l’ipertensione arteriosa sembra anche costituire nell’anziano
un fattore di rischio per lo sviluppo della disfunzione cognitiva e della demenza. Anche se tale ruolo necessita di ulteriori
conferme sperimentali, l’evidenza che la demenza post-ictus
rappresenti la più importante causa di demenza vascolare
nell’anziano suggerisce immediatamente un legame con
l’ipertensione arteriosa. La prevalenza dell’ipertensione
aumenta infine drammaticamente con l’età: tutti gli adulti
che risultano normotesi a 50 anni hanno una probabilità del
90% di diventare ipertesi nella parte successiva della loro
vita, quasi come se l’ipertensione facesse parte dei normali
processi di invecchiamento. I meccanismi fisiopatologici che
sottendono l’aumento della pressione con l’età riguardano
essenzialmente i vasi di grande calibro, che vanno incontro
a deposizione di collagene, calcificazione della tonaca media e ipertrofia della muscolatura liscia. Lo sviluppo della
disfunzione endoteliale (che comporta uno sbilanciamento
della produzione locale di fattori vasocostrittori e vasodilatatori) e l’attivazione del sistema renina-angiotensina giocano
anch’essi un ruolo importante. La conseguente degenerazione aterosclerotica delle grandi arterie ne aumenta la rigidità
(stiffness), causando un incremento soprattutto della pressione arteriosa sistolica. Occorre infine ricordare che nell’anziano è possibile assistere anche alla riduzione di efficienza
dei meccanismi di controllo della pressione arteriosa, dovuta
essenzialmente alla fisiologica riduzione della sensibilità del
baroriflesso arterioso e alla desensibilizzazione dei recettori
b-adrenergici. Poiché tale variazione comporta generalmente un’iperattività simpatica, anche questo meccanismo può
alimentare l’innalzamento della pressione arteriosa. In particolare, esso tende ad aumentare la cosiddetta “labilità pressoria”, cioè l’alternarsi di valori elevati e valori ridotti di pres-
Ricerca corrente
Linea di Ricerca 1
122
meccanismo baroriflesso di controllo della pressione arteriosa. Di particolare interesse è stata poi l’analisi del comportamento della risposta autonomica cardiovascolare durante il
passaggio dalla posizione supina all’ortostatismo attivo, a cui
tutti i soggetti sono stati sottoposti. La totalità dei soggetti
testati ha mostrato una risposta autonomica fisiologica nella
norma, passando da uno stato caratterizzato da un accentuato tono vagale a uno caratterizzato da intenso tono ortosimpatico. La transizione posturale è stata accompagnata, oltreché da un atteso aumento della frequenza cardiaca, da un
incremento significativo del tono vascolare simpatico (come
stimato dalle fluttuazioni in bassa frequenza – attorno a 0,1
Hz – della pressione diastolica: DBP-LF) e di bilanciamento
simpato/vagale (come stimato dal rapporto tra alte – attorno
a 0,25 Hz – e basse – attorno a 0,1 Hz – frequenze nella serie
RR di intervalli cardiaci registrati in entrambe le condizioni:
LF/HF), da un ridotto tono vagale (RRI-HF) e da una ridotta sensibilità barocettiva. Considerando in modo integrato il
controllo cardiaco e pressorio, pur mostrando simili valori di
bradicardia (50 bpm) e di bilanciamento simpato/vagale (LF/
HF = 0,8), il gruppo dei maratoneti d’élite si è caratterizzato,
poi, per una più elevata capacità di modulare la frequenza
cardiaca in funzione delle variazioni pressorie (BRS = 55 ms/
mmHg) e da un minor tono simpatico vascolare (DBP-LF =
0,5). È verosimile che tale capacità di adattamento rapido
della frequenza cardiaca e della pressione arteriosa ai passaggi posturali possa rappresentare un vantaggio selettivo
indotto dall’allenamento sul controllo cardiovascolare. Infatti, tale migliorato controllo permette di “bufferizzare” meglio
i repentini cambiamenti pressori dovuti ai cambiamenti di
stato, che si stimano costituire una delle cause di “affaticamento cardiaco” più rilevante. Su queste basi, si spera di poter valutare quale debba essere l’impegno minimo per ottenere e mantenere un buon tono autonomico cardiovascolare
durante la senescenza. I test autonomici condotti permetteranno anche, verosimilmente, di settare nuove metodiche
di studio del rischio di ipotensione ortostatica nell’anziano.
• Cè E, Maggioni MA, Boniello S, Veicsteinas A, Merati G.
Anthropometric and physiologic profiles of female profes-

sional yoga practitioners and energy expenditure during
asanas execution. The Journal of Sports Medicine and
Physical Fitness. 2015 Jan-Feb;55(1-2):51-7.
• Di Rienzo M, Vaini E, Castiglioni P, Merati G, Meriggi P, Parati G, Faini A, Rizzo F. Wearable seismocardiography: Towards a beat-by-beat assessment of cardiac mechanics in
ambulant subjects. Auton Neurosci. 2013: 178 (1-2): 50-9.
Persi A, Maltese PE, Bertelli M, Cecchin S, Ciaghi M,
• Guarnieri MC, Agnello L, Maggioni MA, Merati G, Veicsteinas A. Polymorphisms of alpha-actinin-3 and ciliary neurotrophic factor in national-level Italian athletes. Panminerva
Med. 2013, Jun. 55(2):217-24.
Presentazioni a convegni
• Bonato M, Rospo G, Merati G, La Torre A, Agnello L. “Autonomic nervous system changes during 21 half-marathon
in 21 days: a case report”.
• Poster Merati G, Veicsteinas A. “Sport e disabilità; un binomio indispensabile”. Convegno SISMES. 2013, Pavia.
• Convegno “L’ambulatorio di medicina dello sport: oltre l’idoneità sportiva”. 2013, marzo, Saronno. Invited Speaker.
• Merati G. II Convegno Nazionale della Corte di Giustizia
Popolare per il Diritto alla Salute. L’importanza dell’attività
fisica nella prevenzione e cura dell’obesità. 2013, novembre, Rimini. Invited Speaker.

BACKGROUND
È noto come il segnale elettromiografico rappresenti la complessa somma delle interazioni del potenziale d’azione delle
singole unità motorie. Uno degli aspetti più rilevanti che riguardano la decodifica di tale segnale nella detenzione delle patologie neuromuscolari, in particolare di quelle in cui il
primo marker biologico di patologia è rappresentato da un
precoce affaticamento muscolare (es. distrofie muscolari,
sclerosi laterale amiotrofica ecc.) è la possibilità di stabilire
gli effetti di un eventuale affaticamento muscolare, anche di
grado molto lieve, all’interno del segnale elettromiografico.
Tale evenienza rappresenterebbe infatti un importante indicatore di una variazione della frequenza di scarica, del livello
di reclutamento e della variazione della sincronizzazione del
potenziale d’azione delle singole fibre muscolari. A oggi, la
possibilità di visualizzare tali variazioni è stata limitata all’analisi mediata del segnale elettromiografico, per esempio
mediante lo studio della semplice Root Mean Square (RMS).
Un approccio analitico basato sull’analisi nel dominio delle
frequenze ha, inoltre, rilevato un tipico spostamento verso
le frequenze più basse a carico della frequenza media (Mean
Frequency, MF) dello spettro di potenza del segnale elettromiografico negli ultimi due decenni si è tuttavia sviluppata
nella teoria dei segnali biologici anche l’idea che molti segnali complessi, nei quali ricorre simultaneamente l’effetto della
somma di tanti segnali oscillatori singoli, possano essere
valutati anche sotto il profilo delle cosiddette dinamiche non
lineari. Ciò ha sviluppato metodi di computazione dei segnali
che permettono di valutare secondo dimensioni matematiche alcune delle caratteristiche salienti dei segnali ad alta
complessità geometrica e temporale. Molti di questi indici
devono essere ancora completamente validati e, soprattutto, non è ancora nota la loro reale capacità discriminante
delle eventuali condizioni patologiche influenti sul segnale
elettromiografico.
Uno degli indici matematici di dinamica non lineare, attual-
mente più utilizzati nella valutazione dei segnali biologici
complessi che variano nel tempo, è l’entropia approssimata
(Approximate Entropy, ApEn), sviluppata inizialmente da Pincus e collaboratori nel 1995. Si tratta di una misura di entropia del segnale che valuta il grado di imprevedibilità di una
serie temporale. Una delle problematiche più rilevanti nel
calcolo di tali segnali è sempre stata tuttavia quella dei tempi
computazionali, in quanto il confronto tra segmenti diversi di
una sede temporale, ognuno dei quali viene confrontato con
tutti gli altri possibili segmenti della stessa serie, richiede
capacità di calcolo e tempi macchina molto elevati. Per tale
motivo, si cerca ancora in questi ultimi anni di ottimizzare gli
algoritmi di calcolo di queste promettenti misure non lineari
in modo da ridurre al massimo i tempi computazionali.
OBIETTIVI
L’obiettivo del progetto è stato quello di valutare una serie di
indicatori di dinamiche non lineari applicati al segnale elettromiografico, con lo scopo di verificare se tali indicatori fossero
in grado di svelare le variazioni precoci a carico del segnale
elettromiografico e meccanomiografico (MMG) conseguenti
a un affaticamento muscolare indotto da un esercizio affaticante di tipo standardizzato.
METODI
Sono stati reclutati 30 soggetti sani di età pari a 23,1 ± 2,2
anni, peso 71,7 ± 8,7 kg, e statura di 177 ± 9 cm. I soggetti sono stati testati inizialmente per la potenza muscolare del bicipite brachiale mediante un ergometro anatomico
che permettesse lo sviluppo di forza unidirezionale, a partire
da un angolo articolare al gomito di 115°, secondo un metodo sviluppato in precedenza. La sonda elettromiografica
è stata applicata al ventre muscolare del bicipite brachiale
e ai soggetti è stato richiesto di produrre inizialmente una
contrazione isometrica massimale per la valutazione della
massima contrazione volontaria (MCV). La forza generata dal
bicipite brachiale è stata registrata mediante l’applicazione
all’ergometro di una cella di carico, con risposta lineare da
0 a 1.000 Newton. Il segnale elettromiografico è stato rilevato con una serie di elettrodi a schiera e convogliato in un
registratore a quattro canali. Una volta registrato, il segnale
elettromiografico è stato amplificato per 1.000 volte, nuova-
Ricerca corrente
Metodi non-lineari applicati al segnale
elettromiografico per l’identificazione
dell’affaticamento muscolare
Linea di Ricerca 1
123
Modificazioni del tendine rotuleo in seguito
ad allenamento e a cessazione dell’allenamento –
Fase I (2013)
BACKGROUND
Il tendine è un tessuto connettivo poco vascolarizzato, in grado di resistere a elevate forze di tensione. La regione in cui
un tendine, un legamento o una capsula si collega con l’osso
è denominata entesi ed è un’area fibro-cartilaginea che assicura che le forze prodotte dalla contrazione muscolare si trasmettano all’apparato scheletrico. La regione di innesto del
tendine sul muscolo costituisce la giunzione miotendinea
(MTJ) ed è caratterizzata da protusioni digitiformi che penetrano nella massa muscolare, aumentando l’area di contatto
tra muscolo e tendine. Tali regioni sono sicuramente meno
indagate rispetto al tendine sia dal punto di vista morfologico
sia dal punto di vista delle modificazioni che si instaurano in
diverse situazioni fisio-patologiche.
OBIETTIVI
Gli scopi dello studio sono molteplici:
a.approfondire la conoscenza istomorfologica del tendine
rotuleo, dell’entesi e della giuntura mio-tendinea;
b.valutare le modificazioni indotte in tali tessuti dall’allenamento e confrontarne la struttura con quella dei tessuti
dell’animale sedentario;
c.valutare le modificazioni che si instaurano in seguito a
cessazione dell’allenamento, nell’ipotesi di convalidare
le osservazioni precedenti, che indicavano la presenza di
una profonda disorganizzazione della struttura del tendine
e dell’entesi;
d.valutare l’effetto di ripetute infiltrazioni di acido ialuronico (HA) nella capsula articolare rotulea dopo cessazione
dell’allenamento, al fine di osservare il possibile verificarsi
dell’effetto benefico di tali infiltrazioni.
Nel corso dello studio si è, inoltre, evidenziata la necessità di
stabilire una scala di valutazione oggettiva, che tenesse conto di diversi aspetti qualitativi dell’entesi e che assegnasse
un punteggio a ciascuna alterazione osservata.
METODI
Sono stati studiati 3 gruppi di ratti:
Linea di Ricerca 1
a.controlli sedentari (Untrained, n = 6);
b.allenati a correre per 10 settimane (a regime, 1 ora per
tre volte alla settimana), su nastro trasportatore, con un
livello di allenamento medio (Trained, n = 6);
c.allenati come sopra e sottoposti a un periodo di cessazione dell’allenamento di 4 settimane (Detrained, n =
12). Il gruppo c) è stato poi suddiviso in due gruppi di pari
numero, uno dei quali sottoposto a 4 infiltrazioni di acido
ialuronico, con cadenza settimanale, nell’articolazione
rotulea della zampa destra (Detrained-HA, n = 6) e l’altro sottoposto a infiltrazioni di pari volume di soluzione
fisiologica, sempre nell’articolazione rotulea della zampa
destra (Detrained–NaCl, n = 6). Le zampe sinistre, non
sottoposte ad alcun trattamento, sono state ugualmente
esaminate al termine del periodo di disallenamento. Il
protocollo di ricerca è stato approvato dal Comitato Etico
degli Istituti Ortopedici Rizzoli (Italia). Il trattamento degli
animali si è conformato alle norme italiane ed europee.
I ratti sono stati acquistati all’età di 8 settimane; l’allenamento, iniziato dopo 1 settimana di acclimatazione, è
stato progressivo raggiungendo, al termine delle 10 settimane, un livello stimato di circa il 65-70% del VO2 max.
Alla fine dell’allenamento o di pari periodo di vita sedentaria, gli animali furono sacrificati in anestesia generale. I
12 ratti allenati che non furono sacrificati subito, vennero
lasciati in gabbia per 4 settimane. A 6 di essi vennero
iniettati nell’articolazione rotulea della zampa destra, una
volta alla settimana per quattro settimane, 300 μl di HA
alla concentrazione di 20 mg/2 ml; agli altri 6 pari volume di soluzione fisiologica. Al termine delle 4 settimane
anch’essi furono sacrificati. Quindi, i vari tessuti vennero
sottoposti alle indagini previste.
ATTIVITÀ
A. allenamento dei ratti e loro sacrificio;
B. preparazione dei tendini e delle entesi;
C. valutazione dei vari parametri morfologici e assegnazione
dei punteggi;
D. valutazioni statistiche;
E. stesura di un primo articolo scientifico, attualmente al vaglio di una rivista internazionale.
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Conclusioni
Questi dati rivestono, a nostro parere, molto interesse
per diversi motivi. Innanzitutto costituiscono un’indagine
estremamente completa e accurata di due tessuti, il tendine e l’entesi, indispensabili per il movimento corporeo.
Mentre il tendine è stato indagato abbondantemente e la
letteratura scientifica ha potuto guidarci nell’interpretazione dei risultati, sull’entesi le pubblicazioni sono veramente
molto poche e il nostro lavoro contribuisce alla conoscenza di tale fondamentale struttura, la cui integrità assicura
il collegamento del tendine con l’osso. La valutazione “a
punteggio”, da noi messa a punto per l’occasione, sarà a
nostro parere molto utilmente applicata in diversi contesti
fisiologici e patologici. I dati hanno, inoltre, messo in luce
il fatto che il tendine e l’entesi si rafforzano, come atteso,
con l’allenamento fisico e, come da noi per la prima volta evidenziato nel nostro primo studio [Frizziero A, Fini M,
Salamanna F, Veicsteinas A, Maffulli N, Marini M. Effect
of training and sudden detraining on the patellar tendon
and its enthesis in rats. BMC Musculoskelet Disord. 2011;
12:20], perdono gravemente in qualità strutturale in caso di
brusca sospensione dell’attività fisica. Rispetto a tale lavoro del 2011, il presente lavoro aggiunge numerose nuove
informazioni e conferme. Dal punto di vista dei medici e dei
fisiatri e, in particolare, di coloro che si occupano di sportivi,
queste informazioni sono particolarmente utili e giustificano l’osservazione, relativamente frequente, di infortuni che
si verificano in caso di sospensione degli allenamenti o di
cambiamenti bruschi del tipo di allenamento. Il tendine e
l’entesi, una volta danneggiati, hanno difficoltà a riparare
a causa del lento metabolismo che li caratterizza. Il motivo
per cui la struttura del tendine e dell’entesi dopo brusca
sospensione dell’allenamento risulta pessima dal punto di
vista strutturale (e quindi funzionale) rispetto a quella del
sedentario può essere spiegato dalla presenza nel tessuto
di metalloproteinasi. Tali enzimi aumentano attivamente in
caso di allenamento, in quanto funzionali alla riorganizzazione tissutale associata al rinforzo e alla più efficiente organizzazione tridimensionale delle fibre che si realizza con
l’allenamento. Con il cessare di tale attività fisica, peraltro,

le metalloproteinasi continuerebbero ad agire in assenza di
nuova sintesi di collagene e determinerebbero una disorganizzazione del tessuto. Subentra anche la sintesi di collagene III, per effetto di una reazione tissutale, che contribuisce a una struttura del collagene meno organizzata in fasci
e fascetti. Un’altra informazione che questi dati mettono
a disposizione di medici e fisiatri è relativa all’utilità delle
infiltrazioni articolari con acido ialuronico. Esso è risultato
straordinariamente utile per mantenere integra la struttura di tendine ed entesi, sottolineando così la sua efficacia
in numerosi processi fisiologici, come la migrazione e la
proliferazione cellulare, il differenziamento e, soprattutto,
la regolazione dell’organizzazione della matrice extracellulare. Un articolo scientifico è stato redatto e inviato a una
rivista internazionale. Lo studio che abbiamo iniziato non
termina tuttavia con questi dati. Infatti, restano da indagare
altri aspetti: innanzitutto, la giunzione miotendinea è stata fissata e inclusa per lo studio in microscopia elettronica
e per uno studio di tipo immunoistochimico. Il completamento dello studio della giunzione miotendinea è previsto
a breve. Frammenti dei tendini sono stati inoltre preparati
per ottenere da essi i tenociti, che sono stati posti in coltura. Anche i risultati di questo studio sono attesi a breve.
Infine, in vista del fatto che alla base del presente studio vi
è stato un lavoro preliminare molto considerevole e qualificato nell’allenamento dei ratti, abbiamo approfittato di tale
allenamento per studiare anche alcuni aspetti del miocardio, ovviamente non associati al tendine rotuleo, ma al più
ampio ruolo svolto dall’allenamento nel mantenimento di
un sistema cardiovascolare sano ed efficiente. Lo studio
prosegue nel 2014.
• Frizziero A, Salamanna F, Giavaresi G, Ferrari A, Martini L,
Marini M, Veicsteinas A, Maffulli N, Masiero S, Fini M.
Effect of training and sudden detraining on the patellar
tendon mechanobiology: sudden detraining and hyaluronic acid injection in rat patellar tendon m submitted.
• Magherini F, Gamberi T, Pietrovito L, Fiaschi T, Bini L,
Esposito F, Marini M, Abruzzo PM, Gulisano M, Modesti A. Proteomic and carbonylation profile analysis of

Stretching, esercizio muscolare e riabilitazione.
Analisi dei determinanti della riduzione di forza
indotta dallo stretching – Fase I (2013)
BACKGROUND
L’allungamento dell’unità muscolo-tendinea (stretching) è
una pratica usata diffusamente in ambito sportivo e fisioterapico. Diverse sono le modalità di somministrazione, tra cui lo
stretching attivo, lo stretching passivo, la facilitazione neuromuscolare propriocettiva ecc. Quando applicato in maniera
acuta, lo stretching passivo si pensa abbia le seguenti azioni:
1.aumento dell’escursione articolare;
2.riduzione dell’incidenza degli infortuni a livello muscolare
e articolare;
3.miglioramento della massima prestazione di forza e potenza muscolare.
Se, però, il primo effetto è stato dimostrato a livello di evidenza
scientifica, il secondo presenta risultati contrastanti. Infatti, a
fianco di studi che dimostrano che lo stretching acuto passivo
riduce l’incidenza di infortuni, esistono pubblicazioni che non
ne dimostrano l’efficacia. Di sicuro, però, la maggior parte degli studi sugli effetti dello stretching sulla massima prestazione
evidenziano che esso abbia un effetto deprimente sulla massima espressione di forza e potenza muscolare, sia durante
contrazioni stimolate, sia durante contrazioni volontarie. I meccanismi alla base della riduzione della forza massimale dopo
somministrazione di stretching acuto passivo sono duplici:
a.una inibizione centrale a livello del motoneurone indotta
dall’allungamento attraverso un meccanismo di feedback
propriocettivo;
b.una modificazione della rigidità dell’unità muscolo-tendinea,
con conseguente alterazione del rapporto tensione/lunghezza a livello sarcomerale e della trasmissione della forza a
livello dell’inserzione tendinea.
Queste modificazioni possono persistere anche diverse ore
dopo applicazione della manovra. Analogamente al massaggio sportivo, anche lo stretching acuto passivo è utilizzato
alla fine di una prestazione fisica di elevata intensità, per velocizzare il recupero e favorire l’eliminazione del lattato dalle
cellule muscolari e dal sangue. Uno studio recente ha però
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rat skeletal muscles following acute swimming exercise. PLoS One. 2013, Aug. 8(8):e71839. doi: 10.1371/
journal.pone.0071839. eCollection 2013. PubMed PMID:
23967250; PubMed Central PMCID: PMC3742498.
• Ghezzo A, Visconti P, Abruzzo PM, Bolotta A, Ferreri C,
Gobbi G, Malisardi G, Manfredini S, Marini M, Nanetti
L, Pipitone E, Raffaelli F, Resca F, Vignini A, Mazzanti L.
Oxidative Stress and Erythrocyte Membrane Alterations
in Children with Autism: Correlation with Clinical Features. PLoS One. 2013, Jun. 19;8(6):e66418. Print 2013.
PubMed PMID: 23840462; PubMed Central PMCID:
PMC3686873.
• Abruzzo PM, Esposito F, Marchionni C, Di Tullio S, Belia
S, Fulle S, Veicsteinas A, Marini M. Moderate exercise
training induces ROS-related adaptations to skeletal muscles. Int J Sports Med. 2013 Aug. 34(8):676-87. doi:
10.1055/s-0032-1323782. Epub 2013, Jan 16. PubMed
PMID: 23325712.
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dimostrato che il massaggio sportivo, di tipo profondo, non
migliora, ma addirittura rallenta, l’eliminazione di lattato.
Infine, mentre gli effetti dello stretching sulla massima prestazione anaerobica alattacida sono stati studiati ampiamente, pochissimi sono gli studi sugli effetti di tale manovra sulla
massima prestazione aerobica. Durante esercizio al cicloergometro, inoltre, la riduzione della massima forza e della rigidità muscolare potrebbero influire sulla trasmissione di forza
a livello dei pedali, riducendo l’efficienza di un esercizio a carico costante. Tutti questi effetti, se dimostrati, potrebbero
far considerare con più cautela l’utilizzo dello stretching prima di una prestazione neuromuscolare di intensità elevata,
sia essa in ambito sportivo sia in ambito riabilitativo. L’utilizzo
di un approccio combinato di elettromiografia di superficie
(EMG) e di meccanomiografia (MMG) permette di ricavare
importanti informazioni sugli aspetti elettrici e meccanici della contrazione muscolare. Questa tecnica, infatti, permette
di analizzare la risposta meccanica del muscolo nello stesso
punto di rilevamento della sua attività elettrica, a monte della
catena articolare. Il progetto termina a dicembre 2014.
OBIETTIVI
Gli obiettivi perseguiti sono stati principalmente due:
1.valutare l’effetto dello stretching acuto passivo sulla massima prestazione aerobica e sull’efficienza meccanica
dell’esercizio durante test al cicloergometro;
2.determinare gli effetti dello stretching acuto passivo e di
una tecnica di massaggio superficiale, in comparazione a recupero passivo, attivo e massaggio profondo, sulla cinetica
del lattato alla fine di esercizi di media ed elevata intensità.
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METODI
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Per questi studi sono stati reclutati 40 soggetti sani di sesso maschile e di età compresa tra i 20 e i 25 anni. Alcuni
hanno partecipato al primo studio (effetto stretching su prestazione aerobica), altri al secondo (effetto dello stretching
sulla cinetica del lattato post-esercizio). Il primo studio ha
previsto un test incrementale con carichi a onda quadra al cicloergometro per determinare la massima potenza aerobica
(VO2 max), in giorni diversi con e senza stretching. Sempre
in giorni diversi, gli stessi soggetti hanno svolto un esercizio
costante all’85% VO2 max fino a esaurimento, con e senza

stretching, per determinare l’efficienza dell’esercizio. Durante i test le variabili cardiorespiratorie e metaboliche sono
state determinate con un metabolimetro respiro per respiro.
Il secondo studio ha visto i soggetti effettuare un esercizio
di 8 minuti al cicloergometro al 90% VO2 max. Successivamente, in cinque occasioni diverse, i soggetti sono stati
sottoposti a:
1. recupero attivo;
2. recupero passivo;
3. stretching acuto passivo;
4. massaggio superficiale;
5. massaggio profondo, tutti della durata di 10 minuti, in ordine casuale.
Durante le cinque modalità di recupero, il lattato ematico è
stato prelevato dal lobo dell’orecchio ogni minuto.
ATTIVITÀ
Dal primo studio è emerso che lo stretching non altera la massima potenza aerobica. Infatti, i valori medi di VO2 max con
stretching sono risultati non significativamente diversi da quelli
senza stretching. L’efficienza dell’esercizio, invece, è risultata significativamente inferiore con stretching. Infatti, a parità
di carico il VO2 era significativamente più alto con stretching,
suggerendo che tale manovra induca delle alterazioni a carico
dell’unità muscolo-tendinea e dello schema di attivazione delle
unità motorie che portano a un maggior dispendio energetico.
Dal secondo studio è emerso che l’unica modalità che riesca a
velocizzare la cinetica di eliminazione del lattato dopo esercizio
di intensità elevata sia il recupero attivo. Stretching passivo,
massaggio superficiale e profondo, infatti, hanno evidenziato
cinetiche di lattato durante il recupero non significativamente
diverse tra loro e dal recupero passivo. Tale risultato suggerisce che l’uso di stretching e di massaggio superficiale non
abbia un fondamento scientifico nel favorire l’eliminazione del
lattato e di velocizzare il recupero dopo uno sforzo strenuo. Prodotti Scientifici
• Limonta E, Cè E, Rampichini S, Veicsteinas A, Esposito
F. Effects of acute passive stretching on mean response
time during an incremental ramp test. Sport Sciences for
Health. 2013. Vol. 9, Page(s): 25-30, ISSN: 1824-7490, doi:
10.1007/s11332-013-0141-1 S.

Adattamenti funzionali a livello vascolare
in soggetti anziani: effetti del tipo e dell’intensità
dell’allenamento
BACKGROUND
Le malattie cardiovascolari (CVDs) sono la maggior causa di
mortalità e disabilità permanente nella popolazione dei paesi
occidentali. Diversi fattori di rischio contribuiscono allo sviluppo delle CVDs, i più importanti sono elevati livelli di colesterolo, diabete, obesità, il fumo di sigaretta e l’ipertensione
(HYP). In considerazione della strettissima correlazione tra
l’aumento dei fattori di rischio CVDs e uno stile di vita sedentario, le più aggiornate linee guida internazionali sottolineano l’importanza dell’esercizio fisico come trattamento
non farmacologico per l’HYP. In specifico, l’esercizio di tipo
aerobico si è dimostrato efficace nella riduzione dell’HYP, nel
miglioramento dell’emodinamica cardiaca, periferica e del
consumo d’ossigeno massimo. Inoltre, altri fattori di rischio
CVDs, come il livello di glucosio e colesterolo ematico, sono
migliorati dall’esercizio aerobico. Altre tipologie di esercizio,
per esempio il circuit training, sono spesso praticate da popolazioni di anziani o da persone con HYP, sebbene i potenziali effetti di questa tipologia d’intervento sulla riduzione dei
fattori di rischio CVDs non sia ancora del tutto chiarita. Sempre in questo scenario, altri approcci più olistici, basati sulla
respirazione e rilassamento, sembrano ugualmente efficaci
nella riduzione dell’HYP, ma non è chiaro se la pratica del
rilassamento possa generare effetti positivi anche sugli altri
fattori di rischio CVDs.
OBIETTIVI
In considerazione dell’evidenza scientifica dimostrata dall’esercizio aerobico (AE) nel miglioramento di molti fattori di
rischio CVDs, massimo consumo d’ossigeno e qualità della
vita di persone con HYP, l’obiettivo di questo studio è stato
di analizzare se altri approcci non farmacologici, basati sull’esercizio eseguito in circuit training (CT) o la pratica di esercizi
di rilassamento (RT), siano ugualmente efficaci nel miglioramento dei suddetti fattori di rischio CVDs e della capacità di
effettuare esercizio. La nostra ipotesi sperimentale era che
AE, CT, e RT avessero uguali benefici sull’abbassamento
Ricerca corrente
• Rampichini S, Cè E, Limonta E, Esposito F. Effects of
fatigue on the electromechanical delay components in
gastrocnemius medialis muscle. European Journal of Applied Physiology. 2013. ISSN: 1439-6319, doi: 10.1007/
s00421-013-2790-9.
• Cè E, Rampichini S, Agnello L, Limonta E, Veicsteinas A,
Esposito F. Effects of temperature and fatigue on the electromechanical delay components. Muscle & Nerve. 2013.
Vol. 47, Page(s): 566-576, ISSN: 0148-639X, doi: 10.1002/
mus.23627.
• Cè E, Rampichini S, Limonta E, Esposito F. Fatigue effects
on the electromechanical delay components during the relaxation phase after isometric contraction. Acta Physiologica. 2013. ISSN: 1748-1708, doi: 10.1111/apha.12212 P.M.
• Abruzzo PM, Esposito F, Marchionni C, Di Tullio S, Belia
S, Fulle S, Veicsteinas A, Marini M. Moderate Exercise
Training Induces ROS-Related Adaptations to Skeletal Muscles. International Journal of Sports Medicine. 2013. Vol.
34, Page(s): 676-687, ISSN: doi: 10.1055/s-0032-1323782.
• Magherini F, Gamberi T, Pietrovito L, Fiaschi T, Bini L,
Esposito F, Marini M, Abruzzo PM, Gulisano M, Modesti
A. Proteomic and Carbonylation Profile Analysis of Rat
Skeletal Muscles following Acute Swimming Exercise.
PLOS ONE. 2013. Vol. 8, Page(s): 1-10, ISSN: 1932-6203,
doi: 10.1371/.
• Cè E, Limonta E, Maggioni MA, Rampichini S, Veicsteinas A, Esposito F. Stretching and deep and superficial
massage do not influence blood lactate levels after heavy-intensity cycle exercise. Journal of Sports Sciences.
2013. Vol. 31, Page(s): 856-866, ISSN: 0264-0414, doi:
10.1080/02640414.2012.753158.
• Limonta E, Cè E, Rampichini S, Veicsteinas A, Esposito
F. The influence of mouth guard usage on neuromuscular activation and performance. Sport Sciences for Health.
2013. Vol. 9, Page(s): S91, ISSN: 1824-7490.
• Cè E, Rampichini S, Limonta E, Esposito F. Torque and
mechanomyogram correlations during muscle relaxation:
effects of fatigue and time-course of recovery. Journal
of Electromyography and Kinesiology. 2013. ISSN: 10506411, doi: 10.1016/j.jelekin.2013.09.007.
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129

“Effects of non-pharmacological interventions on cardiovascular risk factors in hypertensive elderly patients”, Hypertension Research (in press).
Analisi accoppiata biomeccanica/bioenergetica
del movimento sit-to-stand nell’anziano
BACKGROUND
Le cadute sono molto frequenti negli anziani e le loro conseguenze hanno un’elevata incidenza sui tassi di morbilità
e mortalità. Circa il 40% della popolazione di questa fascia
d’età che vive al domicilio cade almeno una volta l’anno. Di
questo 40%, 1 paziente su 40 necessita di ricovero ospedaliero, ma solamente la metà dei ricoverati sarà ancora in vita
un anno più tardi. La frequenza delle cadute è in costante
aumento con l’età, fino a risultare raddoppiata nella fascia >
75 anni. In coloro che vivono in istituti di cura a lunga degenza si riscontrano percentuali ancora maggiori.
La caduta nell’anziano è spesso accoppiata a un’ipotensione posturale (riduzione > 20 mmHg della pressione sistolica
nella transizione clino-ortostatica). Tale riduzione può essere
peggiorata anche dalla concomitanza di fattori quali diabete,
danni cerebrali, ipovolemia, Morbo di Parkinson, bassa gittata cardiaca, disordini metabolici/endocrini, uso di farmaci
come sedativi, anti-ipertensivi e antidepressivi.
Il sit-to-stand (STS) è il movimento maggiormente connesso alle variazioni posturali di pressione arteriosa: nella posizione seduta, un ampio volume di sangue ristagna infatti
nelle zone declivi degli arti inferiori. Se la pompa muscolare
e i meccanismi barorecettoriali diminuiscono di efficienza,
come in età avanzata, la risposta autonomica al STS potrebbe rilevarsi insufficiente a produrre l’immediata centralizzazione della massa sanguigna che garantisce una buona
perfusione cerebrale. Per valutare la velocità del blood-shift
durante il passaggio posturale del STS il nostro gruppo di
lavoro ha, tra l’altro, in quest’anno, sviluppato un apparato
elettronico bioimpedeziometrico che permetterà di valutare
l’entità degli spostamenti istantanei di fluido tra distretti superiori e inferiori durante il movimento di alzata nell’anziano.
Oltre alla sollecitazione pressoria, sollevarsi della posizione
seduta a quella ortostatica necessita di uno sforzo muscolare discreto: la transizione dalla posizione seduta alla stazione
eretta comprende momenti verticali e orizzontali generati dai
movimenti di flessione ed estensione della testa, degli arti
Ricerca corrente
cantemente solo dopo l’esecuzione del programma di AE.
Riassumendo, i dati di questo studio indicano, confermando
la nostra ipotesi sperimentale, che interventi non farmacologici basati sull’esercizio fisico (AE e CT) e rilassamento (RT)
producano effetti positivi simili sulla pressione sanguigna a
riposo in persone anziane con HYP. Questo risultato positivo
sulla pressione sanguigna non è stato però accompagnato
da uguali modificazioni di altri fattori di rischio CVDs e capacità d’esercizio. In specifico, è emerso che un programma
di esercizio fisico basato sul CT produce miglioramenti dei
valori plasmatici di glucosio e un incremento significativo del
consumo di ossigeno di picco. Al contrario, il programma di
RT sembra non indurre significativi adattamenti al profilo lipidico, colesterolo ematico e consumo di picco. In considerazione di questi risultati, possiamo concludere che la scelta di
adottare un approccio non farmacologico per il trattamento
dei fattori di rischio CVDs deve necessariamente tenere in
considerazione non solo gli effetti diretti sullo stato di salute
cardiocircolatorio, ma anche quei risultati accessori (consumo di ossigeno di picco ed efficienza meccanica) che sicuramente influiscono direttamente sui livelli d’indipendenza
e qualità della vita di persone anziane ipertese. Inoltre, è
fondamentale considerare le predisposizioni personali dei
singoli soggetti (più o meno inclini alla pratica dell’esercizio
fisico) e le barriere economiche, che spesso riducono l’efficacia dell’intervento per una scarsa aderenza al programma.
Sicuramente, uno stile di vita attivo caratterizzato dalla pratica di esercizio fisico di tipo aerobico è la miglior scelta per
combattere i fattori di rischio CVDs, ma anche un approccio
basato su esercizi di tipo CT sembra ugualmente efficace.
Anche il RT si è dimostrato un efficace metodo per ridurre
la pressione sanguigna in anziani ipertesi, ma per il ridotto
effetto sul miglioramento di altri fattori di rischio CVDs dovrebbe essere indicato a persone che non possono eseguire
esercizio fisico attivo.
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131

Articoli
• Villa F, Magnani A, Merati G, Castiglioni P. “Feasibility of
long-term monitoring of multifrequency and multisegment
body impedance by portable devices”. IEEE Trans Biomed
Eng. 2014, Jun. 61(6):1877-86.
• Merati G, Agnello L, Rampichini S, Maggioni MA, Scurati
R, Veicsteinas A. “Cardiovascular adaptation to mudpack
therapy in hypertensive subjects treated with different antihypertensive drugs”. Eur Rev Med Pharmacol Sci. 2014.
18(17):2544-50.
• Di Rienzo M, Vaini E, Castiglioni P, Merati G, Meriggi P, Parati
G, Faini A, Rizzo F. “Wearable seismocardiography: towards
a beat-by-beat assessment of cardiac mechanics in ambulant subjects”. Auton Neurosci. 2013, Nov. 178(1-2):50-9.
• Merati G. “Il rischio di cadute nell’anziano. L’importanza
del movimento sit-to-stand”. 12° Convegno Nazionale di
Medicina e Scienza dello Sport. 2015, Saronno.
• Invited Speaker “Sport e disabilità: un binomio indispensabile”. 10° Convegno Nazionale di Medicina e Scienza dello
Sport. 2015, Saronno.
Ricerca corrente
di esecuzione del STS in questi soggetti è così elevata che la
contrazione muscolare non riesce a generare attorno i vasi
sanguigni una pressione sufficiente per contrastare il calo
di pressione. Lo sviluppo della forza di reazione al terreno
nel tempo ha seguito un pattern tipico del STS già descritto
in letteratura scientifica per i soggetti sani. In particolare, si
è verificato un doppio picco positivo all’apice dello sviluppo
della forza verticale, che è stato osservato nella maggioranza
dei soggetti testati. In termini di potenza muscolare assoluta
richiesta, lo sforzo non è risultato gravoso, infatti, il picco di
forza massimale verticale richiesto è risultato in media inferiore al 2% del peso corporeo. Sono stati, infine, registrati i
tempi parziali delle singole fasi di spinta che si susseguono
nell’esecuzione del STS: dall’inizio del movimento al picco
del contromovimento, da quest’ultimo al picco della forza
verticale, da quest’ultimo al raggiungimento del valore di rebound e da quest’ultimo al raggiungimento della posizione di
standing. La durata totale dell’intero movimento si è attestata per tutti i soggetti testati vicino a un valore di circa 0,5 s.
Sebbene in via del tutto preliminare, i primi dati ottenuti su
soggetti anziani ipertesi, in trattamento con diverse classi
di antipertensivi, hanno mostrato un adattamento pressorio
acuto differente al movimento del STS in un protocollo di lavoro analogo a quello del presente progetto, ma svolto in un
ambiente caldo-umido come quello di una stazione termale
(10 min. supini, seguiti da 10 min. di standing con transizione STS a velocità volontaria). Queste reazioni cardiovascolari
differenziate per gruppo di trattamento antipertensivo meritano un ulteriore approfondimento.
Nonostante i dati del primo anno di studio di questo progetto
siano ancora da considerarsi del tutto preliminari, le osservazioni sperimentali ottenute suggeriscono la necessità di
programmi di attività motoria specifica per ridurre i rischi di
caduta e portare, quindi, a un miglioramento della qualità della vita dell’anziano.
Nella programmazione andrebbero presi in considerazione
senza dubbio il potenziamento muscolare degli arti inferiori
(soprattutto dell’apparato estensorio) e il miglioramento della capacità di equilibrio sia statico che dinamico con specifiche routine di allenamento.
Linea di Ricerca 1
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Invecchiamento e meccanismi di regolazione
della pressione arteriosa: effetti dell’allenamento
aerobico – Fase II (2014)
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BACKGROUND
134
Esistono importanti evidenze sperimentali, derivanti soprattutto da ampi studi epidemiologici di tipo prospettico, che
indicano come l’attività fisica di endurance, di tipo aerobico,
sia inversamente correlata con l’incidenza delle patologie
cardiovascolari e della mortalità nella popolazione generale.
Tali benefici sono stati osservati, anche e soprattutto, nella popolazione dei pazienti ipertesi. Per quanto attiene alla
pressione arteriosa, sono molti gli studi che hanno analizzato il rapporto tra l’attività fisica abituale e i livelli pressori
sisto-diastolici. Nonostante alcuni di questi studi non si siano
rivelati in grado di stabilire una connessione indipendente tra
i due fattori, molti hanno concluso che l’effetto di riduzione
pressoria prodotto dall’esercizio fisico di tipo aerobico è significativo anche nella popolazione anziana, in cui il tipico
sviluppo dell’ipertensione arteriosa è legato alla riduzione
della capacità regolatoria della pressione arteriosa stessa e
a una serie di modificazioni morfo-funzionali dell’albero circolatorio, soprattutto a carico di vasi di grande calibro (con
alterazione del rapporto di produzione di fattori vasocostrittori e vasodilatatori locali) che provocano un incremento della
stiffness globale dell’albero arterioso con conseguente aumento cronico delle resistenze vascolari periferiche.
Nei pazienti ipertesi l’entità della riduzione pressoria indotta dall’esercizio fisico aerobico risulta maggiore rispetto a
quanto osservato nei normotesi e, in particolare grazie alla
riduzione significativa delle resistenze periferiche, a riprova
di un rimodellamento vascolare indotto dal training, della
concentrazione plasmatica di noradrenalina e della attività
reninica plasmatica. Questi ultimi risultati suggeriscono un
effetto significativo dell’esercizio fisico dinamico di tipo aerobico sullo stato autonomico dei pazienti con ipertensione arteriosa. Interessante notare come tali effetti risultino
indipendenti dal tipo di disciplina sportiva praticata, come
dimostrato recentemente dal nostro gruppo di lavoro confrontando gruppi di praticanti dello yoga con soggetti pra-

ticanti distance running, sprinter e soggetti praticanti arti
marziali come il karate (Cè et al., 2014) e da diversi altri
lavori in letteratura scientifica. L’unica eccezione a questa
regola sembra essere quella dei nuotatori, per i quali gli
effetti pressori dell’allenamento aerobico sembrano essere differenti dagli adattamenti osservati negli sport “terrestri”. Prospetticamente, è ipotizzabile che un miglior stato
di fitness aerobico possa anche migliorare le conseguenze
negative dell’invecchiamento del sistema cardiovascolare
e, in particolare, dei sistemi di controllo del baroriflesso
della pressione arteriosa, che vanno generalmente incontro anch’essi a un decadimento progressivo con l’avanzare
dell’età, esponendo l’anziano oltre che a fenomeni di maggior labilità pressoria anche al rischio di ipotensione posturale con conseguente aumento dell’incidenza di cadute.
OBIETTIVI
L’endpoint primario del progetto è stato di valutare l’efficienza del controllo autonomico cardiovascolare, con particolare
riferimento al sistema del baroriflesso arterioso, in gruppi di
soggetti differenti per età e condizioni atletiche di endurance
aerobica. I gruppi di studio comprendevano maratoneti sia
d’élite che amatoriali, sia giovani che anziani. Infine, è stato
previsto l’arruolamento di due gruppi di giovani e di anziani
sedentari, al fine di confronto con le proprie controparti di
pari età allenate.
METODI
Al termine del periodo biennale dello studio abbiamo ottenuto un reclutamento finale di 60 soggetti: 14 maratoneti
atleti d’élite (tutti di origine keniana), 8 amatori caucasici
giovani di pari età, 10 maratoneti amatori di età maggiore,
50 anni, 16 soggetti sedentari giovani e 12 sedentari di età
maggiore, 50 anni. In ognuno di questi soggetti sono stati
valutati i seguenti parametri: elettrocardiogramma a riposo
nelle 12 derivazioni standard, registrazione con scansione
beat-to-beat dell’onda sfigmica in continuo mediante metodo pletismografico non invasivo (Finometer Pro) applicato a
una falange delle dita della mano, frequenza degli atti ventilatori mediante una banda tipo strain gauge applicata al
torace, suono cardiaco mediante microfono sternale. Tutti
i parametri sono stati misurati in continuo e registrati in un
computer per la successiva analisi offline, in due distinte
condizioni:
1. a riposo in condizioni clinostatiche (10 min.);
2. in condizioni ortostatiche (10 min.).
La transizione clino-ortostatica è stata anch’essa valutata
in continuo, al fine di evidenziare eventuali problematiche
relative al controllo pressorio durante il cambio posturale.
La serie degli intervalli cardiaci RR desunti dall’ECG è stata,
quindi, editata al fine di escludere eventuali artefatti dovuti a
problematiche di registrazione dei segnali oppure alla comparsa di eventi aritmici (soprattutto battiti ectopici ventricolari). Le serie finali NN (normal-to-normal) degli intervalli cardiaci e pressori così ottenute sono state utilizzate per l’analisi
successiva degli indici di variabilità cardiaca e pressoria nei
domini del tempo, delle frequenze e delle dinamiche non
lineari (secondo le linee guida della Task Force europea del
1996).
ATTIVITÀ
L’efficienza del controllo autonomico cardiovascolare,
endpoint primario del progetto, è risultata aumentata dall’allenamento di endurance aerobico e dipendente dall’intensità dell’allenamento stesso. A riprova di ciò, i massimi valori
di efficienza del baroriflesso arterioso sono stati ottenuti
nei maratoneti d’élite keniani (caratterizzati da valori di BRS
mediamente superiori a 50 ms/mmHg). Data la diversa
etnia, non è possibile tuttavia escludere completamente
che tale risultato sia dovuto a un differente carico genetico tra questa e le altre varie classi di maratoneti indagate.
A dimostrazione di un effetto modulante dell’allenamento
aerobico sul baroriflesso arterioso, abbiamo rilevato che la
BRS tende ad aumentare progressivamente dagli anziani
sedentari, agli anziani allenati, agli amatori giovani, agli atleti d’élite. Si confermano, inoltre, sul gruppo totale di atleti
e sedentari analizzati le tendenze osservate nel primo anno
di studio sulla risposta autonomica cardiovascolare durante
il passaggio dalla posizione supina all’ortostatismo attivo
a cui tutti i soggetti sono stati sottoposti. La totalità dei
soggetti testati ha, infatti, mostrato una risposta autonomica fisiologica nella norma, passando da uno stato caratterizzato da un accentuato tono vagale a uno caratterizzato
Linea di Ricerca 1
da intenso tono ortosimpatico. La transizione posturale è
stata accompagnata oltreché da un atteso aumento della
frequenza cardiaca da un incremento significativo del tono
vascolare simpatico (come stimato dalle fluttuazioni in bassa frequenza – attorno a 0,1 Hz – della pressione diastolica: DBP-LF), da un bilanciamento simpato/vagale (come
stimato dal rapporto tra alte – attorno a 0,25 Hz – e basse
– attorno a 0,1 Hz – frequenze nella serie RR di intervalli
cardiaci registrati in entrambe le condizioni: LF/HF) e da un
ridotto tono vagale (RRI-HF). Studi recenti hanno dimostrato che il vantaggio indotto dal training di endurance consiste soprattutto nella capacità di adattamento rapido della
frequenza cardiaca e della pressione arteriosa al termine
di un esercizio acuto o durante i passaggi posturali. Infatti,
tale migliorato controllo permette di contrastare meglio i
cambiamenti pressori ex abrupto dovuti ai passaggi di stato
e alle accelerazioni indotte sul centro di massa corporea,
che si stimano costituire una delle cause di “affaticamento
cardiaco” più rilevante. La verifica definitiva di tale ipotesi richiederà, tuttavia, ulteriori studi. Infine, in un soggetto
maratoneta di sesso femminile, è stato possibile effettuare
un controllo longitudinale dello stato autonomico durante
una serie di prove di endurance (21 km) condotte a bassa velocità ma ripetute giornalmente per 21 giorni senza
giorni di riposo. Sorprendentemente, la ripetizione di tali
prove ha avuto un impatto significativo sul bilanciamento
autonomico cardiovascolare del soggetto, inducendo un
progressivo miglioramento del tono vagale senza provocare in apparenza fenomeni di over-reaching non funzionale o
di franco over-training. Ciò ha suggerito che anche l’allenamento giornaliero privo di recupero, purché di ridotto carico
aerobico, possa migliorare le condizioni autonomiche senza
provocare un accumulo significativo di fatica nel tempo.
Articoli
• Merati G, Maggioni MA, Invernizzi PL, Ciapparelli C, Agnello L, Veicsteinas A, Castiglioni P. “Autonomic modulations
of heart rate variability and performances in short-distance
elite swimmers”. Eur J Appl Physiol. 2014, Dec 4.
• Cè E, Maggioni MA, Boniello S, Veicsteinas A, Merati G.
Ricerca corrente

135
Linea di Ricerca 1
Ricerca corrente
“Anthropometric and physiologic profiles of female professional yoga practitioners and energy expenditure during asanas execution”. The Journal of Sports Medicine
and Physical Fitness. 2015, Jan-Feb; 55(1-2):51-7.
• Bonato M, Rampichini S, Ferrara M, Benedini S, Sbriccoli
P, Merati G, Franchini E, La Torre A. “Aerobic training program for the enhancements of HR and VO2 off-kinetics
in elite judo athletes”. J Sports Med Phys Fitness. 2014,
Oct 3.
• Rospo G, Sartor F, Piacentini M, La Torre A, Bonato M,
Merati G. “Effects of 21 half-marathons in 21 days on autonomic nervous system and psychological parameters: a
case report”.
• Maggioni MA, Merati G, Castiglioni P, Von Meer D, Brauns
K, Lieu V, Pottinger E, Opatz O, Gunga HC, Stahn A. “Autonomic cardiovascular control during head-out water immersion and head-down bed rest”. SISMES. 2014, Napoli.
• Pottinger E, Maggioni MA, Merati G, Castiglioni P, Von
Meer D, Brauns K, Lieu V, Opatz O, Gunga HC, Stahn A.
“Acute haemodynamic adaptation to 6 degree head down
tilt and head out water immersion”. ICMS. 2014. Berlino.
• Veicsteinas A. “Il ruolo dell’esercizio fisico per il raggiungimento del pieno benessere”. ICMS. 2014, Berlino. “Medisport 2014: international forum of sport medicine “ from
prevention to care”. 2014, Capri.
• Castiglioni P, Di Rienzo M, Quintin L, Merati G. “Assessing
Health by Complexity Analysis of Cardiovascular Signals”.
E_Cardiology Congress. 2014, Berna. Invited speaker.
136

Modificazioni del tendine rotuleo in seguito
ad allenamento e a cessazione dell’allenamento –
Fase II (2014)
BACKGROUND
Il tendine è un tessuto connettivo poco vascolarizzato, in grado di resistere a elevate forze di tensione. La regione in cui
un tendine, un legamento o una capsula si collega con l’osso
è denominata entesi ed è un’area fibro-cartilaginea che assicura che le forze prodotte dalla contrazione muscolare si trasmettano all’apparato scheletrico. La regione di innesto del
tendine sul muscolo costituisce la giunzione miotendinea
(MTJ) ed è caratterizzata da protusioni digitiformi che penetrano nella massa muscolare, aumentando l’area di contatto
tra muscolo e tendine. Tali regioni sono sicuramente meno
indagate rispetto al tendine, sia dal punto di vista morfologico sia dal punto di vista delle modificazioni che si instaurano
in diverse situazioni fisio-patologiche. Gli stimoli meccanici
alterano in maniera differenziale l’espressione dei proteoglicani; per esempio: la tensione induce la sintesi di decorina,
mentre la compressione stimola la produzione dell’aggrecano. Le caratteristiche del tendine sono influenzate da diversi
fattori e condizioni: l’allenamento, l’invecchiamento e i farmaci sono tra i fattori principali del rimodellamento della sua
struttura, ma l’immobilizzazione è sicuramente la condizione
che maggiormente ne altera le proprietà meccaniche. Con
l’esercizio, invece, aumenta il turnover del collagene maturo,
aumentano i legami trasversali tra i fasci di collagene, con la
formazione di fibrille di diametro maggiore, un loro maggior
impacchettamento e una maggior rigidità del tendine stesso. L’effetto della cessazione dell’esercizio sulla struttura e
sulle proprietà del tendine ha ricevuto attenzione solo di recente. Questo aspetto riveste particolare interesse nel mondo dello sport, in quanto è frequente che uno sportivo debba
interrompere per un infortunio la sua attività per periodi più o
meno lunghi. È di comune osservazione clinica che la ripresa
dell’allenamento dopo un periodo di sospensione costituisca
un periodo particolarmente delicato per l’instaurarsi di tendinopatie, tendinosi e altri problemi alle regioni di giunzione.
La carenza di dati sulla brusca cessazione dell’allenamento
Ricerca corrente
Linea di Ricerca 1
138
delle fibre che si realizza con l’allenamento. Con il cessare di
tale attività fisica, per altro, le metalloproteinasi continuerebbero ad agire in assenza di nuova sintesi di collagene e determinerebbero una disorganizzazione del tessuto. Subentra
anche la sintesi di collagene III, per effetto di una reazione tissutale, che contribuisce a una struttura del collagene
meno organizzata in fasci e fascetti. Un’altra informazione
che questi dati mettono a disposizione di medici e fisiatri è
relativa all’utilità delle infiltrazioni articolari con acido ialuronico. Esso è risultato straordinariamente utile per mantenere
integra la struttura di tendine ed entesi, sottolineando così
la sua efficacia in numerosi processi fisiologici, come la migrazione e la proliferazione cellulare, il differenziamento e,
soprattutto, la regolazione dell’organizzazione della matrice
extracellulare.
Studio in vitro
L’analisi morfometrica effettuata sulle immagini di microscopia elettronica a trasmissione ha dimostrato che la condizione di detraining determinava un calo significativo nel numero dei mitocondri e nell’estensione del RER nei tenociti,
mentre l’iniezione di HA preservava da tale calo. La capacità
proliferativa era significativamente maggiore nei tenociti isolati da tendini di ratti allenati e da tendini di ratti detrained
trattati con HA. L’attività sintetica dei tenociti si esplicava
anche in coltura. I tenociti isolati da tendini di ratti allenati
e da tendini di ratti detrained trattati con HA presentavano
un più elevato rapporto tra sintesi di collagene I e sintesi di
collagene III, maggiore sintesi di Aggrecano, Tenascina C e
Fibronectina, il minor rapporto tra sintesi MMP1 e MMP3 e,
infine, che i tenociti da tendini detrained trattati con HA avevano la minor produzione di IL-1β, una chemochina associata
all’infiammazione.
Giunzione miotendinea
La lamina basale della giunzione miotendinea dei ratti allenati si presentava significativamente ispessita rispetto a
quella dei ratti sedentari. La lamina basale del muscolo delle giunzioni miotendinee dei ratti allenati appare più spessa
di quella dei ratti di controllo a livello delle interdigitazioni.
L’analisi morfometrica conferma l’ispessimento della lamina basale.

Articoli
• Curzi D, Salucci S, Marini M, Esposito F, Agnello L, Veicsteinas A, Burattini S, Falcieri E. “How physical exercise
changes rat myotendinous junctions: an ultrastructural
study”. Eur J Histochem. 2012. Apr. 16;56(2).
• Frizziero A, Fini M, Salamanna F, Veicsteinas A, Maffulli
N, Marini M. “Effect of training and sudden detraining on
the patellar tendon and its enthesis in rats”. BMC Musculoskelet Disord. 2011. [12:20].
• Frizziero A, Salamanna F, Giavaresi G, Ferrari A, Martini
L, Marini M, Veicsteinas A, Maffulli N, Masiero S, Fini M.
“Tendon mechanobiology: Hyaluronic Acid injections protect patellar tendon from detraining-associated damage”.
In press in “Histology and Histopathology”.
• Salamanna F, Frizziero A, Pagani S, Giavaresi G, Curzi
D, Falcieri E, Marini M, Abruzzo PM, Martini L, Fini M.
“Tenocyte metabolism impairment due to sudden interruption of training activity can be restored by peri-patellar
hyaluronic acid injection”. In press in “Connective Tissue
Research”.
• Curzi D, Baldassarri V, De Matteis R, Salamanna F, Bolotta
A, Frizziero A, Fini M, Marini M, Falcieri E. “Morphological
adaptation and protein modulation of myotendinous junction following moderate aerobic training”, Histology and
Histopathology, 2015 Apr;30(4):465-72.

BACKGROUND
L’allungamento dell’unità muscolo-tendinea (stretching) è
una pratica usata diffusamente in ambito sportivo e fisioterapico. Diverse sono le modalità di somministrazione, tra
cui lo stretching attivo, lo stretching passivo, la facilitazione neuromuscolare propriocettiva ecc. Quando applicato in
maniera acuta, lo stretching passivo si ritiene favorisca le
seguenti azioni:
1.aumento dell’escursione articolare;
2.riduzione dell’incidenza degli infortuni a livello muscolare
e articolare;
3.miglioramento della massima prestazione di forza e potenza muscolare.
Se, però, il primo effetto è stato dimostrato a livello di evidenza scientifica, il secondo presenta risultati contrastanti.
Infatti, a fianco di studi che dimostrano che lo stretching
acuto passivo riduce l’incidenza di infortuni, esistono pubblicazioni che non ne dimostrano l’efficacia. Di sicuro, però,
per quanto concerne il terzo punto, la maggior parte degli
studi sugli effetti dello stretching sulla massima prestazione
evidenziano come esso abbia un effetto deprimente sulla
massima espressione di forza e potenza muscolare, sia durante contrazioni stimolate, sia durante contrazioni volontarie. I meccanismi alla base della riduzione della forza massimale dopo somministrazione di stretching acuto passivo
sono duplici:
a.una inibizione centrale a livello del motoneurone indotta
dall’allungamento attraverso un meccanismo di feedback
propriocettivo;
b.una modificazione della rigidità dell’unità muscolo-tendinea,
con conseguente alterazione del rapporto tensione/lunghezza a livello sarcomerale e della trasmissione della forza a
livello dell’inserzione tendinea.
Queste modificazioni possono persistere anche diverse ore
dopo applicazione della manovra.
Mentre gli effetti dello stretching sulla massima prestazione
anaerobica alattacida sono stati studiati ampiamente, pochissimi sono gli studi sugli effetti di tale manovra sulla massima prestazione aerobica. Durante esercizio al cicloergometro, inoltre, la riduzione della massima forza e della rigidità
muscolare potrebbero influire sulla trasmissione di forza a
livello dei pedali, riducendo l’efficienza di un esercizio a carico costante. Tutti questi effetti, se dimostrati, potrebbero far
considerare con più cautela l’utilizzo dello stretching prima
di una prestazione neuromuscolare di intensità elevata, sia
essa in ambito sportivo sia in ambito riabilitativo. L’utilizzo
di un approccio combinato di elettromiografia di superficie
(EMG) e di meccanomiografia (MMG) permette di ricavare
importanti informazioni sugli aspetti elettrici e meccanici della contrazione muscolare. Questa tecnica infatti permette di
analizzare la risposta meccanica del muscolo nello stesso
punto di rilevamento della sua attività elettrica, a monte della
catena articolare.
OBIETTIVI
Gli obiettivi perseguiti sono stati principalmente due:
1.valutare l’effetto dello stretching acuto passivo sulla massima prestazione aerobica durante test incrementale a
rampa al cicloergometro;
2.
determinare l’effetto dello stretching acuto passivo
sull’efficienza meccanica dell’esercizio durante test prolungato a onda quadra.
METODI
Per questi studi sono stati reclutati 20 soggetti sani di sesso maschile e di età compresa tra i 20 e i 25 anni. Per il
conseguimento del primo obiettivo è stato utilizzato un test
incrementale a rampa al cicloergometro per determinare la
massima potenza aerobica (VO2 max). Le determinazioni
sono state effettuate in giorni diversi applicando o meno lo
stretching. Un giorno di riposo è stato concesso tra due test
successivi per evitare la fatica. Il reciproco della pendenza
della relazione tra VO2 e potenza meccanica è stato utilizzato come indice del rendimento dell’esercizio. Per il conseguimento del secondo obiettivo, sempre in giorni diversi, gli
stessi soggetti hanno svolto un esercizio costante all’85%
VO2 max fino a esaurimento, con e senza stretching, per
determinare l’efficienza dell’esercizio con e senza manovra
Ricerca corrente
Stretching, esercizio muscolare e riabilitazione.
Analisi dei determinanti della riduzione di forza
indotta dallo stretching – Fase II (2014)
Linea di Ricerca 1
139
Linea di Ricerca 1
di stretching. Durante i test le variabili cardiorespiratorie e
metaboliche sono state determinate con un metabolimetro
con la metodica respiro per respiro.
ATTIVITÀ
Dal primo studio è emerso che lo stretching non altera la
massima potenza aerobica. Infatti, i valori medi di VO2 max
con stretching sono risultati non significativamente diversi da
quelli senza stretching. La potenza meccanica di picco invece
è risultata inferiore durante il test preceduto da stretching.
La manovra di stretching ha, inoltre, aumentato la pendenza
della relazione tra consumo di ossigeno e potenza meccanica,
indicando una minore efficienza durante l’esercizio, quando lo
stretching è somministrato pochi minuti prima dello stesso.
Anche l’efficienza dell’esercizio è risultata significativamente
inferiore con stretching. Infatti, a parità di carico, il VO2 era
significativamente maggiore con stretching, suggerendo che
tale manovra induce delle alterazioni a carico dell’unità muscolo-tendinea e dello schema di attivazione delle unità motorie che portano a un maggior dispendio energetico, a parità di
potenza meccanica esterna sviluppata. Ricerca corrente
140
Articoli
• Limonta E, Rampichini S, Cè E, Esposito F. “Effects of
visual feedback absence on force control during isometric
contraction”. Eur J Appl Physiol. 2015, Mar; 115(3):50719. doi: 10.1007/s00421-014-3036-1. Epub 2014, Nov 4.
PubMed PMID: 25366253.
• Cè E, Rampichini S, Venturelli M, Limonta E, Veicsteinas
A, Esposito F. “Electromechanical delay components during relaxation after voluntary contraction: Reliability and
effects of fatigue”. Muscle Nerve. 2015 Jun;51(6):907-15.
doi: 10.1002/mus.24466. PubMed PMID: 25256098.
• Longo S, Cè E, Rampichini S, Devoto M, Limonta E,
Esposito F. “Mechanomyogram amplitude correlates
with human gastrocnemius medialis muscle and tendon
stiffness both before and after acute passive stretching.
Exp Physiol. 2014, Oct; 99(10):1359-69. doi: 10.1113/
expphysiol.2014.080366. Epub 2014, Jun 20. PubMed
PMID: 24951499.
• Rampichini S, Cè E, Limonta E, Esposito F. “Effects of

fatigue on the electromechanical delay components in gastrocnemius medialis muscle”. Eur J Appl Physiol. 2014,
Mar; 114(3):639-51. doi: 10.1007/s00421-013-2790-9.
Epub 2013, Dec 21. PubMed PMID: 24362940.
• Cè E, Rampichini S, Limonta E, Esposito F. “Fatigue effects on the electromechanical delay components during
the relaxation phase after isometric contraction”. Acta
Physiol (Oxf). 2014, May; 211(1):82-96. doi: 10.1111/
apha.12212. Epub 2014, Jan 2. PubMed PMID: 24319999.
• Invernizzi PL, Limonta E, Bosio A, Scurati R, Veicsteinas
A, Esposito F. “Effects of a 25-km trial on psychological,
physiological and stroke characteristics of short- and middistance swimmers”. J Sports Med Phys Fitness. 2014,
Feb; 54(1):53-62. PubMed PMID: 24445545.
• Esposito F, Wagner PD, Richardson RS. “Incremental large and small muscle mass exercise in patients with heart
failure: Evidence of preserved peripheral hemodynamics
and metabolism”. 2015, Acta Physiologica. doi: 10.1111/
apha.12423. 2015 Mar;213(3):688-9.
• Vernillo G, Rinaldo N, Giorgi A, Esposito F, Trabucchi P, Millet GP, Schena F. “Changes in lung function during an extreme mountain ultramarathon”. Scand J Med Sci Sports.
2014, Sep 28. doi: 10.1111/sms.12325. PubMed PMID:
25262823.